表面流人工湿地对Cr6+和有机物污染水体的生态修复研究

胡渭平，范 伟，张 章，边敏娟，韩 蕾，王 薇，刘 翔

（1.核工业二〇三研究所环境工程与评价中心，陕西咸阳712000；2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055）

表面流人工湿地对Cr6+和有机物污染水体的生态修复研究

胡渭平1，范 伟1，张 章1，边敏娟1，韩 蕾2，王 薇1，刘 翔1

（1.核工业二〇三研究所环境工程与评价中心，陕西咸阳712000；2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055）

模拟自然条件下表面流人工湿地的启动和运行，利用湿地中微生物，对同时存在Cr6+和有机物污染的水体进行生态修复.结果表明，人工湿地在运行稳定的条件下，对Cr6+和有机物有较好的去除效果，Cr6+平均去除率可达90%以上，COD去除率可达48%；表面流人工湿地内生物多样性丰富.①

表面流人工湿地；Cr6+；COD；生态修复

0 引言

随着近年来环境问题的频发，环境污染的治理对策及其研究得到越来越高的重视，与此同时，水体污染的治理由单一污染物的去除转向多种污染物的同时去除［1］.目前，重金属污染与有机物污染，属于水体污染治理的两大焦点［2-3］.在重金属污染种类中，铬污染的普遍性排在第二位，仅次于铅.六价铬对人体和动物有很强的毒害作用.重金属铬与有机物同时存在于水体中时，在有机物消耗水中的溶解氧量和六价铬对生物的毒性双重作用下，水中微生物大量死亡，水体失去自净的基础，水质严重恶化，并进而引起一系列环境效应，影响到水体周围生物的正常生长和生活在附近居民的身体健康［4-5］.因此，对于去除水体中重金属铬和有机污染物，是在目前水环境严峻的形势下，维护水体健康的一项重要课题.

模拟自然条件下，通过反应器的连续运行，监测表面流人工湿地系统对重金属铬和COD的去除能力，并记录人工湿地中的生物量，以研究表面流人工湿地对此种水体的生态修复效果.

1 材料与方法

1.1 试验装置小试装置如图1所示，装置前后设置一个集水池和出水池，湿地整体隔断成小格式，水流呈S型在装置中循环流动.采用PVC板加工制作而成.选用芦苇作为湿地植物［6］，种植密度均为14丛·m-2.人工湿地中填充砾石及河沙［7］.

1.2 试验用水及运行供试水质参考某制革工厂废水，用携带微生物的景观用水配制而成，其水质状况如表1所示.为加快湿地中微生物的富集，接种某污水处理厂二沉池污泥1 L.

试验装置启动于2014年2月17日，蠕动泵从集水池抽水进入湿地，流量为：282 mL/h.考虑到六价铬对生物的毒性和污泥对新环境的适应性，在装置启动初期，进水箱中不投加六价铬化合物，在运行的过程中，逐步提高六价铬的投加量.

1.3 静态吸附试验取2 g填料与250 mL的锥形瓶中，加入Cr6+质量浓度为2 mg/L溶液100 mL，再加入3滴三氯甲烷以防止微生物活动对试验结果的影响.将锥形瓶置于恒温摇床中在转速150 r/min、温度25℃条件下振荡48 h，水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后测量其中Cr6+浓度.试验设置3平行2重复.

1.4 分析方法COD的测定采用快速消解分光光度法，六价铬的测定采用二苯碳酰二肼分光光度法［8］.

图1 表面流人工湿地示意图

表1 供试废水水质状况mg·L-1

2 结果与讨论

2.1 人工湿地对六价铬的去除分析在试验装置启动一周之后，由于气温、光照等自然条件的限制，微生物尚处于对新环境的适应阶段，对污染物的去除率尚不明显.第14天，人工湿地已运行稳定，生物数量和种类都在增多，出水已逐渐清澈，开始在进水中加入六价铬化合物（Cr6+0.1 mg/L）.第21天，生物生长正常，进一步提高Cr6+加入量至0.5 mg/L.第28天，提高至1 mg/L.第35天，提高至5 mg/L.第50天，提高至10 mg/L.

进水中投加六价铬化合物之后，反应器中微生物生长情况稳定，第14天开始对进水和出水中的六价铬进行测定，不同进水浓度下，Cr6+的出水浓度和去除率如图2所示.

从图中可以看出，人工湿地中生物对Cr6+表现出良好的适应性，去除率稳定，且比较高，最高达96%.随着进水中Cr6+浓度的增加，去除率有所降低.在进水铬浓度增加到5 mg/L及10 mg/L时，出水浓度增加比较明显，且持续较高.人工湿地对Cr6+的去除，主要是填料的吸附沉淀、植物的吸收和微生物作用［9-10］.

为判断人工湿地中填料是否对Cr6+具有吸附效果，在实验室对填料进行静态吸附试验并对人工湿地小试装置中采集的生物膜进行消解，检测生物膜中Cr6+含量.静态吸附结果表明，48 h之后，锥形瓶中水样Cr6+浓度并没有变化.采集到的生物膜经冷冻干燥后，酸化消解，检测到生物膜中Cr6+含量为2.98 mg/g，采集自试验用水的景观河中生物膜Cr6+含量为0，综合以上表明本装置对废水中Cr6+的去除主要依靠微生物的作用.

开始监测时，Cr6+的去除率较低，此时微生物还处于对Cr6+的适应期.而在Cr6+投加一周之后，第21天，进水Cr6+浓度为0.5 mg/L，Cr6+的去除率达到96%.由此可以推测，经过Cr6+较低浓度进水的驯养，人工湿地中耐铬性微生物已逐渐生长成为优势菌，在这些微生物的絮凝和吸附作用下，人工湿地对Cr6+的去除率已逐渐趋于稳定.进水中Cr6+浓度提高到5 mg/L开始，出水中的Cr6+浓度略有增大，第35天高达1.4 mg/L，但随着时间的推移，Cr6+的出水浓度也逐渐降低，去除率也逐渐增大；进水中Cr6+浓度提高到10 mg/L开始，也呈现同样的去除特征.分析原因在于，人工湿地系统实际运行时间较短，运行尚未完全稳定；Cr6+的浓度的突然增大，对微生物生长有不利影响等，造成了Cr6+出水浓度和去除率的波动.整体上看，人工湿地中微生物对Cr6+浓度的不断提高，表现出良好的适应性.Cr6+的平均去除率在90%以上.

2.2 人工湿地对COD的去除分析在人工湿地基本运行稳定之后，从第14天开始对进水和出水COD指标进行测定，测定结果如图3所示.

图2 人工湿地对Cr6+的去除效果

图3 人工湿地对COD的去除效果

表面流人工湿地对COD的去除主要依靠根系的拦截和微生物的降解，COD可供微生物的生长［11-12］.从图3可以看出人工湿地对COD的平均去除率可高达到48%.人工湿地作为一种去除有机物较为成熟的工艺，在本次模拟试验中对COD表现出良好的去除效果.从第14天开始检测，到第35天，COD去除率较为稳定，加入少量的六价铬化合物对COD的去除影响不大.但第35天起，如图所示，COD的去除率有明显降低的过程，但在接下来的时间里又慢慢的回升，其原因主要是因为突然提高了Cr6+浓度，Cr6+抑制了湿地系统中微生物的活性，使得微生物降解COD的能力下降，随着系统的运行，微生物逐渐适应了Cr6+的浓度，COD的去除率又缓慢地提高.第50天所产生的现象也是同样的原因.在小试装置运行过程中，COD去除率随着进水中Cr6+的浓度提高也有适当的波动和轻微的下降，但整体上表现了对COD良好的去除能力，系统中的微生物虽然对Cr6+有良好的适应性，但在这一驯化过程中，Cr6+的毒性还是抑制了一些微生物的生长.整体上看，此人工湿地系统可以对Cr6+和有机物同时去除，且去除效率高.

2.3 人工湿地中生物多样性分析人工湿地作为一种自然的水处理净化工艺，其启动运行稳定之后，形成一个由藻类、细菌、水生植物、水生动物等生物构成的生态系统.系统中的植物，微生物，腐殖质以及无机或有机碳、氮、磷的转换等就是其中的子系统［13］.

试验装置运行两个月之后，藻类、细菌、真菌、浮游动物等生长良好，填料，植物根部在装置壁上已可清晰地看到为生物絮凝体，出水清澈，反应器中可看到大量浮游微生物在水中运动.通过观测，第70天，人工湿地中浮游微生物生长最密集处密度约为15只/100 mL，在显微镜下，还可以看到细菌絮凝体，真菌絮凝体、小球藻、纤毛虫、钟虫等大量微生物，人工湿地中已形成多种生物共存的生态系统.

3 结论

1）表面流人工湿地填料主要为河沙，河沙对Cr6+的吸附效果不明显，系统中对Cr6+的去除主要是微生物的作用.

2）表面流人工湿地在运行期间，对COD和Cr6+均有很好的去除率，多种生物生长的互生关系生物群落，形成较为稳定的食物链，对于去除污染物具有一定优势.

3）表面流人工湿地系统对Cr6+的平均去除率可达到90%以上.湿地中微生物经一定条件的驯化，对于污（废）水中Cr6+具有高效的去除效率.

4）表面流人工湿地系统对COD的平均去除率可达到48%.污水中的有机污染物，为人工湿地中的细菌、真菌等微生物提供了碳源.

（5）表面流人工湿地中具有丰富的微生物，包括藻类、细菌、真菌、水生植物、水生动物等，可运用于Cr6+和有机物污染水体.

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（责任编辑 游俊）

Ecological restoration of polluted water bodies contain Cr6+and organic pollutants by SFCW

HU Weiping1，FAN Wei1，ZHANG Zhang1，BIAN Minjuan1，HAN Lei2，WANG Wei1，LIU Xiang1
（1.The Center of Environmental Engineering and Assessment，No.203 Research Institute of Nuclear Industry，Xianyang 712000，China；2.School of Environmental and Municipal Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）

The surface flow constructed wetlands get up and running under simulated natural conditions，using the microorganisms in wetlands，to meet the restaration of water that polluted of Cr6+and organic.The results showed that the constructed wetlands have better removal for Cr6+and organic，during its stable operation.The average removal rate of Cr6+was over 90%，and COD removal rate was up 48%.It as well had abundant biodiversity in the constructed wetland.

surface flow constructed wetland；Cr6+；COD；ecological restoration

X703

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2015.05.002

1000-2375（2015）05-0411-04

2014-12-09

国家重点基础研究发展计划（2011CB403400）资助

胡渭平(1980-)，男，硕士，工程师，E-mail:pingping_1117@163.com