不同湿地系统处理含砷废水的研究

不同湿地系统处理含砷废水的研究

由于自然释放和人类大量开采、生产和使用，污染加剧。采矿、冶金、化工等工业和农药产生的大量的含砷废水给环境造成了严重污染。砷是一种对人体及其他生物体有毒害作用的致癌物质。各国对地表水的最高允许含砷质量浓度一般为50μg/L,而日本等发达国家则为10μg/L。长期暴露在砷的污染环境下可导致慢性砷中毒,皮肤癌等流行性地方病,严重损害人体健康。在印度、孟加拉邦发现砷中毒,我国自1956—1984年共发生30余起砷污染事件。我国有大量工矿企业、污灌、农药造成的土壤砷异常影响植物和作物生长发育的报道,,甘肃白银地区使用含砷废水灌溉农田,严重影响农业生产。目前,国内外几种常用的处理含砷废水方法主要有沉淀、絮凝、过滤、吸附、氧化、膜分离和生物法。化学法处理含砷废水存在成本高,处理生成浮渣易产生二次污染等缺点;物理法只能处理浓度较低、处理量不大、组成单纯且有较高回收价值的废水,而工业废水的成分较复杂,所以物理法实用化程度较低;生物法处理含砷废水虽具有经济、高效且无二次污染等优点,目前理论上很成熟,但是实际应用到工业中不多。因此研究开发、低成本高效率的含砷废水处理技术,具有很好的社会、经济和环境意义。人工湿地被普遍认为是一种前景广阔的新兴污水处理技术,人工湿地污水处理技术与传统的污水处理法相比,具有高效率、低投资、低能耗等优点。它属于一种生态治理污水的方法,对于节省资金、保护水环境具有十分重要的现实意义,越来越受到世界各国的普遍重视。蜈蚣草超富集植物运用于湿地系统少,大多数是蜈蚣草砷超富集植物修复砷污染土壤的研究,超富集植物一般生长速度不快,但是蜈蚣草地上部分不仅能够富集大量的砷,且生长速度快、生物量大,株高可达2m,地理分布广和适应性强等特点。本实验选取蜈蚣草和美人蕉两种植物和鹅卵石和陶粒两种基质构建四个不同湿地系统处理含砷废水的效果,旨在为人工湿地系统处理含砷废水提供更好的选择。1实验部分1.1基质及材料的铺设人工湿地处理系统装置由聚乙烯板建成,装置外面用角钢焊接加固。板厚10mm,容器长80cm,宽60cm,高70cm,宽度方向中心一侧设有进水管,进水管距池顶30cm,另一侧宽度方向中心设置三个出水管,最底端出水管距底端8mm,三个出水管间距20cm,池底中心设置塑料取样管,分别垂直方向分布,垂直方向上布置3支取样管,三个取样管间距20cm,均匀分布在容器的中间位置。1、2、3和4系统中加入的基质分别为陶粒、鹅卵石、鹅卵石和鹅卵石。鹅卵石粒径为1~10cm,1系统和2系统种植蜈蚣草,3系统种植美人蕉,植物株距15cm,每种植物栽种两行,每行5棵。4系统无任何植物。每个系统均下部充填20cm厚的基质,上面覆盖15cm厚的土壤。鹅卵石铺设20cm高度时顺序是粒径从大到小铺设,陶粒基质均匀铺设。蜈蚣草孢子来自于深圳仙湖植物园,美人焦采自本校生物园。供试植物选择整齐一致的植物移栽至三个湿地系统中,待其植物生长一段时间后进行试验。含砷污水由葡萄糖、氯化铵和亚砷酸钠等化学试剂人工配制而成,通过加入上述不同试剂,配制含As、COD、NH4+N不同污染物的废水,做对比实验。含As废水配制两个不同浓度水平,找出最佳浓度水平的去除效率。加入配制好的含As污水30L,使污水在土壤50mm以下,以形成潜流。1.2测定项目及方法当天配制好的含As生活污水下午取样以后,每隔三天取样一次,总共取样十五次,时间为43天,同时COD、NH4+N指标每天取样监测一次,连续监测十三天。测定水溶液中As方法采用氢化物原子荧光法,COD、NH4+N测定方法分别采用重铬酸盐法、纳氏试剂比色法。实验数据,首先进行误差分析,数据分析使用Excel软件。2cod和nh4+-n浓度试验从2007年9月1日到2008年2月1日实验时间跨了两个季度,间歇进水模拟人工湿地处理效率。为了比较不同污染物的处理效率,实验配制COD、NH4+-N浓度的水平分别为150mg/L、10mg/L。含As水溶液配制两个不同浓度As溶液水平,分别是0.25mg/L、0.5mg/L,具体废水溶液中浓度由测定得到。2.1as的最终去除率在潜流式人工湿地系统中,含As废水的去除主要是依靠植物的吸收或富集作用、土壤吸附、悬浮粒子的过滤和微生物一起活动而使As降解。根据实验污水处理前后As的浓度,计算出随时间变化不同湿地系统对As的去除效率,当配制含As废水浓度为0.25mg/L时,As的去除效率随时间变化见图1.1,1、2、3、4系统对溶液中As的平均去除率分别为76.13%、79.01%、69.45%、66.20%,各系统对溶液中As的最终去除率范围是36.5%~96.8%;当配制含As废水浓度为0.5mg/L时,As的去除效率随时间变化见图1.2,四个系统分别对溶液中As的平均去除率分别为78.23%、80.32%、67.66%、65.79%,各系统对溶液中As的最终去除率范围是36.3%~97.2%。随着供应溶液中As浓度提高,3系统对As平均去除率有所下降。原因是随着实验进行,温度的影响,3系统种植了美人蕉植物,美人蕉植物有少量枯萎,因此对As的去除率有所下降;无植物4系统平均去除率也略有下降。本实验中观察这一水平处理下蜈蚣草生长情况发现,当配制含砷废水浓度为0.5mg/L时比配制含As废水浓度为0.25mg/L时,蜈蚣草植物生长情况更好。43天内所有湿地系统中的As均显著降低,As的最终去除效率分别为96.8%和97.2%,从图1.1和1.2可知,实验的前10天,污水中As的下降速度较快,另外,各系统前16天均保持了很高的去除率,As的最大去除效果解释现象是植物和基质共同起作用的结果。所有图中,各系统对As的平均去除率大小为:2系统〉1系统〉3系统〉4系统,有植物的系统对溶液中As平均去除率比无任何植物的4系统高,可见植物对溶液中As有一定的去除效果。2系统对溶液中As的去除率比1系统高,鹅卵石基质对As去除率比陶粒好。整个试验期内,从图可知,湿地各系统对含As废水去除率随时间延长不断提高。2.2cod的去除人工湿地对有机物有较强的降解能力。污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用,可以很快地被截留而被微生物利用;污水中可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。在进水浓度较低的条件下,一般人工湿地对COD去除效率可达80%以上。根据实验污水处理前后的COD浓度,计算出随时间变化不同湿地系统对COD的去除效率,绘制变化曲线,见图1.3。由图1.3可知,13天内所有湿地系统中的COD均显著降低,COD的去除效率最大为93.8%,从图1.3可知,实验的前5天,污水中COD的下降速度较快,另外,各系统前8天均保持了很高的去除率,当配制废水中COD浓度为150mg/L时,1、2、3、4系统对COD平均去除率分别为67.81%、70.48%、74.36%和60.30%,各系统对COD平均去除率大小为:3系统〉2系统〉1系统〉4系统,2系统对COD的去除率高于1系统,两种基质中,鹅卵石对COD的去除能力最高,陶粒基质的去除能力最低,有植物的系统对COD去除率比无植物对照系统要高,可见有植物的存在有利于污水中有机物的去除。2.3湿地基质对nh4+-n的去除效果人工湿地系统处理对氨氮的去除作用包括基质的吸附、过滤、沉淀、挥发、植物的吸收和微生物硝化、反硝化作用,根据实验污水处理前后的NH4+-N浓度,计算出随时间变化不同湿地系统对NH4+-N的去除效率,绘制变化曲线,见图1.4,由图1.4可知,13天内所有湿地系统中的NH4+-N均显著降低,NH4+-N的最大去除效率为85.8%,实验的前5天,污水中NH4+-N的下降速度较快,另外,各系统前8天均保持了很高的去除率,当配制废水中NH4+-N浓度为10mg/L时,1、2、3和4系统平均去除率分别为60.83%、63.38%、67.25和50.30%,各系统对NH4+-N平均去除率大小为:3系统〉2系统〉1系统〉4系统,2系统对NH4+-N的去除率高于1系统,两种基质中,鹅卵石对NH4+-N的去除能力最高,陶粒基质的去除能力最低,在13天的监测中,有湿地基质的各系统中,美人蕉-鹅卵石系统处理效果最优,鹅卵石系统处理效果最差。3as的去除效果比较3.1在潜流式人工湿地系统中,当配制含As废水浓度为0.25mg/L时,1、2、3、4系统对溶液中As的平均去除率分别为76.13%、79.01%、69.45%、66.20%;当配制含As废水浓度为0.5mg/L时,四个系统对溶液中As的平均去除率分别为78.23%、80.32%、67.66%、65.79%。在低As浓度水平下,随着供应溶液中As浓度提高,1和2系统对As的平均去除率随As浓度提高而升高,而3和4系统对As的平均去除率随As浓度提高而降低,无论供As浓度高低,各系统对As的平均去除率大小为:2系统〉1系统〉3系统〉4系统,有植物的系统对溶液中As平均去除率比无任何植物的4系统高,可见植物对溶液中As有一定的去除效果,2系统对溶液中As的去除率比1系统高,鹅卵石基质对As去除率比陶粒基质要好。3.2在潜流式人工湿地系统中,当配制废水中COD浓度为150mg/L时1、2、3、4系统对COD平均去除率分别为67.81%、70.48%、74.36%和60.30%,各系统对COD平均去除率大小为:3系统〉2系统〉1系统〉4系统,2系统对COD的去除率高于1系统,两种基质中,鹅卵石对COD的去除能力比陶粒基质高,1、2、3系统对COD去除率比无植物对照4系统分别高8.24%、10.59%、13.99%,可见有植物的存在有利于污