前言

人工湿地是模拟自然湿地的一个综合人工生态系统,其根据水流情况不同分为表面流湿地、潜流湿地和立式流湿地。目前人工湿地在城市污水处理、生活污水处理、自来水厂进水水质处理、乳制品废水处理、铁矿酸性排放水处理、炸药车间排放水处理、养殖厂废水处理、酒店污水处理、造纸废水处理、煤矿污水处理、污水深度处理、含重金属污水处理等方面都得到了较广泛的应用[1-12]。近年,利用人工湿地处理电镀废水逐渐引起了一些学者的注意[13-16],并在一些电镀车间的废水处理中得到应用[17]。

1·人工湿地处理电镀废水的机理

通常来说,人工湿地由基质、水体、水生植物、好氧或厌氧微生物种群及水生动物等5部分组成,各组成成分分别起着不同的作用。人工基质为微生物的生长提供稳定的依附表面,为水生植物提供载体和营养物质,并通过一些物理和化学途径净化污水;水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外,还有输送氧气到根区和维持水力传输的作用;微生物的代谢作用是污水中有机污染物降解的主要机制。同时他们相互联系,互为因果,形成一个系统。废水在人工基质缝隙中流动或在床体的表面流动,可以在床的表面种植具有污水处理机能好、成活率高、抗水性能强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物。当废水流经时,固体物被人工基质及植物根系阻拦截留,有机质通过生物膜的吸附、同化及异化作用而得以去除。因湿地植物根系对氧的传递释放,湿地床层及其周围的微环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态,有利于硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用,达到除氮磷的效果。最后通过湿地基质的定期更换或植物收割使污染物质最终从系统中去除。普通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可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去除。

研究表明,废水中重金属在人工湿地中得到有效净化的主要机理是共沉淀、化学吸附、植物吸收以及微生物和动物的协同作用,因而人工湿地中的填料、植物、微生物和动物在重金属废水处理中具有举足轻重的地位。

2·人工湿地在我国电镀废水处理中的应用

孙和和[13]以经化学沉淀法处理后的电镀废水为研究对象,通过潜流人工湿地系统,对其处理电镀废水的效果和去除途径进行研究。结果表明:潜流人工湿地对电镀废水的处理效果是显著的,Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除率达到65%~80%左右,其中Cu2+的去除率最高。比较3个潜流人工湿地的处理效率,有植物系统>无植物系统>灭菌系统。在实验初期,3个系统对Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+均具有很高的去除效率,可见人工湿地对重金属的去除机理主要是通过基质吸附、植物吸收及重金属本身沉降等综合作用的结果,且基质吸附的作用最大。孙和和同时对人工湿地处理电镀废水的主要影响因素进行了考察,发现水力负荷、进水的质量浓度及回流对潜流人工湿地处理电镀废水有一定的影响。随着水力负荷的降低,Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除率呈现先升高后下降的趋势,当水力负荷为0.27m3/(m2·h)时,去除率达到最大。电镀废水进水的质量浓度越低,潜流人工湿地对Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的处理能力越强,但相对于进水的质量浓度的剧烈变化,Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除率的变化不大。通过回流措施能够有效提高潜流人工湿地对电镀废水的去除效率。

孙和和研究了潜流人工湿地不同区域对电镀废水的去除特性。结果表明:潜流人工湿地对Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除主要是在距进水口35~45cm处及距床底30cm的深度以下。

孙和和采用人工配置电镀废水模拟实验,在实验测定的基础上对人工湿地去除电镀废水中Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的动力学模型进行探讨。结果表明:一级动力学模型可以较好地模拟潜流人工湿地对Cr(Ⅵ),Zn2+,Mn2+,Cu2+的去除规律。孙和和采用垂直流-水平潜流复合人工湿地对金华清湖电镀厂排放的电镀废水进行深度处理。结果表明:复合人工湿地对电镀废水的净化效果非常显著,处理后Zn2+,Cu2+,Mn2+,Cr(Ⅵ)的去除率达到70%~88%之间,COD的去除率为60%左右。

其中,Cu2+,Mn2+和COD出水均符合《污水综合排放标准》的一级标准,而Zn2+,Cr(Ⅵ)并未达到标准。复合人工湿地对电镀废水中重金属的去除效率存在一个最适宜的处理时间,过短或过长都不利于污染物的去除。水力负荷对COD的去除效果的影响较大,对Zn2+,Cu2+,Mn2+,Cr(Ⅵ)的影响较小。

李星等[14-15]通过建立人工湿地系统来处理经金华清湖电镀厂预处理后的电镀废水。结果表明:该系统是一个稳定的自适应系统,对电镀废水的净化效果相当明显;对COD的去除率超过58%,对悬浮物的去除率超过90%,对Cr(Ⅵ),Zn2+,Fe3+,Mn2+,Ni2+,Cu2+等重金属离子的净化效果较好,其去除率大小依次为Zn2+>Cr(Ⅵ)>Fe3+>Cu2+>Ni2+>Mn2+,出水能达标排放。李星同时也对重金属的去除途径进行了分析。结果表明:植物吸收、微生物降解和基质物理化学吸附作用是复合人工湿地系统去除重金属的主要途径。通过对人工湿地剖面分析,发现重金属主要富积于上层基质。植物对电镀废水的净化和修复,因植物种类、部位、生物量、重金属种类等而不同。一级湿地中水葫芦对电镀废水的净化和修复效果强于稗草;二级湿地中藨草、美人蕉对电镀废水的净化和修复效果最好。通过分析,二级湿地植物优势明显,其中藨草、美人蕉、黄菖蒲、千屈菜是值得推荐的修复中、低质量浓度的电镀废水的优势种。在污染物负荷较高的一级湿地,应尽可能选用多种抗逆性强的湿地植物品种组合栽植。在研究过程中还发现,在冬季, 人工湿地处理系统易出现植物枯萎死亡或生长休眠而导致功能下降的现象,而选用冬季生长旺盛的植物类型,可有效维持和提高湿地处理电镀重金属废水的效果。因此通过水培法研究了黑藻、水芹、灯心草、石菖蒲、鹅观草在不同稀释倍数的模拟电镀废水(含 Cr(Ⅵ),Zn2+,Fe3+,Mn2+,Ni2+,Cu2+)中的耐性和吸收积累的差异。综合分析,水芹最适于冬季修复中、低质量浓度的电镀废水,石菖蒲、黑藻、灯心草次之,鹅观草修复能力最差。利用傅立叶红外光谱技术探寻水芹对电镀废水中重金属的吸收和积累机理的研究表明:水芹器官各组分吸附重金属前后的峰形基本不变,只有某些参与重金属吸附的官能团(如羟基、羧基、酰胺基等)的吸收峰发生了不同程度的位移。水芹对重金属的耐性有一个界限,当超过此界限,植物会受到伤害,如水芹在处理高浓度重金属时,其不同器官红外光谱的某些特征峰的吸光值迅速降低,也可间接反映溶液中重金属的浓度过高,抑制了其吸收积累重金属的能力。采用FTIR法鉴别水生植物对重金属的处理比采用常规方法更具代表性,为植物修复的开展提供了有力的证据支持。对于湿地常见外来入侵植物(如水花生、水葫芦),对重金属离子都有一定的耐受性,并有不同程度的吸收。水花生对电镀废水中重金属的去除效率为 Zn2+>Fe3+>Cu2+>Cr(Ⅵ)>Ni2+>Mn2+,水葫芦对电镀废水中重金属的去除效率为 Cu2+>Zn2+>Fe3+>Cr(Ⅵ)>Mn2+>Ni2+。综合分析两种植物的生长、生理及对重金属的去除能力,发现水葫芦比水花生更适用于电镀废水修复。

陶笈汛[16]通过水培实验研究了李氏禾对广西北部某电镀工业区产生的电镀废水中重金属的去除效果。结果表明:李氏禾能够有效去除电镀废水中的重金属,Cr(Ⅵ),Cu2+,Ni2+的去除率随着电镀废水中重金属的质量浓度的降低而升高,最高分别可达93.49%,96.84%和93.06%。李氏禾对电镀污泥中重金属的吸收和积累实验结果表明:该植物对电镀污泥中的Cr(Ⅵ),Cu2+,Ni2+具有很强的耐受和富集能力,将其应用于湿地系统中能够持续有效地将基质中的重金属转移到地上部组织中。研究者同时对水力负荷和进水的质量浓度对李氏禾人工湿地处理电镀废水效果的影响进行了实验研究。结果表明:随着水力负荷的降低,湿地系统对电镀废水中重金属的去除率呈现先上升后下降的趋势,当水力负荷为0.15m3/(m2·d)时达到最高;电镀废水进水的质量浓度越低,湿地系统对电镀废水中重金属的去除能力越强。

刘鹏等[17]设计了垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地立体组合结构,用于镀锌电镀废水的处理,进水水质的pH值为 3.48,Cr(Ⅵ)22.77mg/L,Zn2+15.44mg/L,Fe3+40.69mg/L,Mn2+20.33mg/L,悬浮物165mg /L;种植植物为水稻、水葫芦、水芹菜、千屈菜、藨草、芦苇、花叶美人蕉、黄菖蒲等。结果表明:利用该系统处理后的电镀废水,水质pH值为 6.8,Cr(Ⅵ),Zn2+,Fe3+,Mn2+等的去除率达到80%,悬浮物去除率为77%,日处理污水量为5t,处理效果良好,达到国家地表水二类水标准。

3·人工湿地处理电镀废水的几个关键问题

(1) 适宜的植物-基质-重金属污染物组配,主要表现在不同电镀废水中所含重金属种类不同,需要选配合适的植株和人工湿地基质与之相适应。一般情况下,植物从当地物种中选择,选取根系发达,抗逆性强,具有一定经济价值或观赏性的植株,植株应该组合选配,实现多种重金属的去除。理想的植物应具有生长快,生物量大, 抗病虫害,能够在植物体内积累高质量浓度的重金属或在植物表面进行大量吸附、固定,同时能够积累几种重金属的植株。

(2)基质填料的选择,不仅要考虑基质对植株生长的影响,同时要考虑到基质对湿地微生物种群的影响,要选择利于植株生长和对重金属起去除作用的微生物生长的基质。

(3)可以采用多种人工湿地系统组合的方法,提高处理效率。

4·人工湿地处理电镀废水的前景展望

人工湿地由于具有很低的投资运行费用、良好的处理效果和显著的生态效益等优点,必将成为电镀废水处理的重要技术。

目前我国在利用人工湿地系统处理电镀废水方面的研究尚处于起步阶段,对机理的认识不足,对电镀废水处理效率的影响因素尚缺少深入的研究。这些不足是目前急需解决的问题。