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人工湿地植物对废水中重金属的处理机制分析

作者:未知

  摘要:指出了人工湿地技术起源于20世纪60年代,在各个国家的污水处理中,都有广泛使用,重金属污染是各国广泛存在的问题,也是我国环保工作的核心课题,在各类生态系统之中,湿地生态系统具有很高的生态价值。针对人工湿地植物对废水中重金属的处理机制进行了深入剖析,提出了人工湿地植物的选择要点,以期提供参考。
  关键词:人工湿地植物;废水;重金属;处理机制
  中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2019)20-0068-02
  1引言
  在我国废水治理中,重金属污染问题十分常见,资料数据显示,在江、河、湖中,重金属污染率超过了80%,相较于其他污染物质,重金属不易代谢、毒性大、危害重,对水体污染严重,也影响着水生动植物和人类的生存。重金属处理难度高,采用常用的二级处理法,很难达到理想成效,而化学沉淀法能耗高,氧化还原法会产生大量废渣,气浮法会产生大量油脂与盐分,容易引起二次污染,采用吸附法,会影响重金属的二次回收。在这一背景下,亟待研发一种新型处理技术,实现污水重金属处理的无害化,并能够对重金属进行二次利用。
  相较于传统的化学、物理处理技术,人工湿地植物集齐上述处理技术的优势于一体,能耗低、操作便利,已经在多个国家得到推广,前景广阔,被广泛应用在工业废水、富营养水体、生活污水的处理上,处理成效稳定、去除效果好。人工湿地具有美化环境的功能,而湿地植物对于重金属的处理会受到水深、温度、污染物浓度、处理时间等因素的影响,不同的植物类型,对重金属的吸收也具有一定差异。
  2重金属废水的来源与危害
  传统意义上的重金属有铅、汞、镉、锌、镍、锡、铜等,在经济发展下,大量金属材料广泛应用,加上金属矿藏的开发,大量重金属进入环境中。重金属废水主要源自于矿业、金属加工业、有色冶炼业、燃料业、电解业、电镀业中。相较于其他废水,重金属废水具有以下几个显著特征。
  (1)难以降解。无论采用物理法,还是化学法,都只能改变废水中重金属的存在价态,很难降解。
  (2)可富集性。重金属会通过食物链进入农作物、动植物,最终危害人体健康。
  (3)持续污染。重金属会与废水中的酸根、阴离子结合形成难溶于水的沉淀,也可以与氨基酸、有機酸等形成络合物,造成长期、持续的污染。
  重金属无法降解,在废水中,通过化学、物理作用沉积后,随着水体pH值、水温变化又进人生物体内,形成溶解态重金属,危害持久,常常迁移转化,对微生物、动植物都会产生毒害作用,严格控制重金属排放具有重要的环境效益。
  3人工湿地植物对废水中重金属的处理机制
  人工湿地最早是用于二级污水、城市生活污水的处理,如今,人工湿地在重金属废水中的应用也日益增多,经过多年改良,人工湿地已经发展为多种工艺、多种组合的模式,根据内部结构、污水流动状态的差异,常见的人工湿地有垂直潜流式、水平潜流式、自由表面流式、波式潜流式,类型不同,各有优点和不足之处,也适合应用在不同污水、废水的处理中,通过人工湿地工艺组合的变化,可以处理各类规模的金属废水。其处理机制如下所示。
  3.1植物根系的吸附作用
  湿地植物根系属于一个小型微环境,植物在摄取营养物质时,会通过根系向水中分泌氨基酸、糖、氧、内源激素、酶等代谢产物,其中,有机酸对于重金属有一定的降解作用。湿地植物能够适应浸水环境,通过根系,能够朝水体释放氧气,构建氧化微环境,提高氧化还原电位,提高金属废水中的溶解氧含量,从而吸收废水中的重金属。研究显示,人工湿地植物能够氧化废水中还原性Mn与Fe,并吸附废水中的部分金属阳离子与阴离子。同时,湿地植物根系分泌物还能改变根系废水中微生物群落结构,继而影响土壤生态系统,在微生物代谢下,能够生成生物表面活性剂、有机酸以及铁载体等,其中的各类螯合物还能改变重金属形态,促进重金属的转运。人工湿地中有大量不同的微生物,如真菌、细菌、藻类等,这些微生物性能优异,对污水和废水的适应性非常强,通过微生物之间的协同作用,能够有效去除、拦截重金属。因此,学界尝试将抗性微生物菌种引入人工湿地中,提升重金属处理质量,已经取得了初步研究成果。
  3.2植物的吸收和转运作用
  有研究人员分析了芦苇、香蒲以及鸭拓草对Pb的影响,结果显示,在植物根部,Pb富集量数据远高于茎与叶部;还有研究人员针对水葱、甜柚、大米草对Zn、Cr、Pb、Cu的处理进行了分析,结果显示,水葱、甜柚与大米草在根部金属富集量也高于根茎与叶部。人工湿地植物在吸收了金属离子后,会转运到液泡位置,在这一过程中,重金属转运蛋白起着重要作用,会参与重金属吸收的各个环节。学界认为,这一过程涉及两个转运蛋白,即吸收蛋白和排出蛋白,吸收蛋白包括锌铁蛋白、YSL蛋白、巨噬细胞蛋白等,吸收蛋白能够将金属废水中的金属离子转运至植物的细胞质,并将其储存在植物根部;排出蛋白有CDF蛋白ATPases等,能够将植物体内的重金属运载在液泡中。而人工湿地植物中的细胞壁能够抵御重金属的毒害,在植物内皮层中,能够将皮层、中柱之间分离开来,组织外部重金属离子进入中柱中。
  在重金属的运输中,组氨酸、铁螯合物烟胺具有重要作用,而有机酸、含巯基化合物或者其他氨基酸,对重金属的转运也有重要作用。有研究人员针对油菜木质部汁液中的柠檬酸盐、磷酸盐、硝酸盐、硫酸盐以及氯离子进行了分析,结果显示,磷酸盐浓度与木质部金属离子的运转有关。而植物的蒸腾作用则能够为重金属转运提供驱动力,夏季温度较高的情况下,植物蒸腾作用更强,对金属离子的吸附效应更好。此外,在人工湿地植物中,还有特殊的转运基因osHMA3,能够将Pb、Zn以及Cu泵出细胞,而HMA4与HMA2对于重金属的转运也具有重要意义。
  4人212湿地植物的选择要点
  4.1湿地植物的净化效果   在人工湿地植物的选择上,需要优先考虑植物净化能力,根系发达的植物,根系分泌物也会越多,能够为重金属废水中微生物的生长提供适宜的微生态环境,代表性的如水烛、长苞香蒲、凤眼莲等,这类植物根系发达,净化效果更好。Adock等针对芦苇、水冬麦的精华效果进行了研究,结果显示,水冬麦根系发达,去除效果也更明显。目前常用的人工湿地植物有苔草属、水烛、甜茅属、黑三棱属、薄荷属、菖蒲属等。
  4.2管理要求
  我国地大物博,各个地区的地形和气候各有差异,在人工湿地植物的选择上,需要以本土植物为主,本土植物在长期的净化中,适应了当地的气候和环境,管理难度低,重金属处理效果也更好。在人工湿地的应用前期,要做好人工维护工作,避免出现种间竞争,在确保植物生物量和覆盖度的条件下,要做好后期管理,及时清理枯死植物,避免植物腐烂造成污染。在植物的配置上,还要考虑遮光效应,定期除草、修剪,为植物营造出良好的环境。
  4.3抗逆性
  植物的抗逆性就是植物对重金属的适应能力,抗逆性强的植物,在金属废水中重金属离子浓度较高时也能够正常生长、代谢。因此,在选择人工湿地植物时,需要考虑到植物在不同环境的生长要求,对于当地的环境、土壤条件与气候环境,也要有良好的适应力。
  4.4植物生长周期
  人工湿地植物在重金属废水处理中的应用,还要考虑到植物的生长周期,确保在各个季节,都具有良好的净化效果,在人工湿地植物的搭配上,要尽可能确保在四季都能生存,以此来保证重金属去除效果。
  5结语
  在我国水体中,重金属污染是一个突出问题,不仅对水体造成污染,也影响人类身体健康,在重金属废水的处理中,人工湿地植物具有很好的应用前景,已在各国得到初步应用,我国也在積极引入这项技术,并通过“沉淀”、“一级强化”、“停床休息”、“隔离保温”等方式来解决人工湿地的应用问题,建立了多个示范工程,在工业污水、垃圾液体、矿山排水、城市污水的处理中得到推广。但是,该项研究还处于初级阶段,其应用中也出现了一些问题,如湿地的富集饱和、重金属的胁迫作用等。现阶段适合应用在重金属废水中的湿地植物类型并不多,现有的植物生长时间较长、生长速度慢、植株不高、生物量也有待提升,还不适合进行大范围地推广与应用,还需要进行深入研究,寻找生长速度快、适应力强、生物量高的人工湿地植物。
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