旱傘草修復(fù)鍍鋅廠含鉻廢水的研究

付美春，瞿長(zhǎng)波，邵明國(guó)，柏東芝，高小茵

(玉溪師范學(xué)院環(huán)境科學(xué)系，云南玉溪653100)

鉻是電鍍廢水處理的重點(diǎn)元素之一［1］.鍍鋅廠的含鉻電鍍廢水主要來(lái)源于電鍍鋅后鈍化的漂洗廢水，鍍鋅后的漂洗廢水含鉻可達(dá)200～300 mg/L，同時(shí)還含有三價(jià)鉻、鋅離子.國(guó)內(nèi)外電鍍廢水的主要處理方法有化學(xué)還原沉淀法和物理化學(xué)方法［2－8］.前者在處理鉻(Ⅵ)初始質(zhì)量濃度較高的廢水時(shí)有優(yōu)勢(shì)，對(duì)鉻(Ⅵ)質(zhì)量濃度較低的廢水的處理效率較差.此外，化學(xué)處理法雖然能使處理后的水達(dá)到車間排放標(biāo)準(zhǔn)(0.5 mg/L)，但仍高于農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及生活飲用水標(biāo)準(zhǔn).物理化學(xué)法中的電解法去除率高，但電能及陽(yáng)極板的消耗都較大;離子交換、膜分離法由于樹(shù)脂及膜的消耗較大，處理成本仍然較高.

植物修復(fù)技術(shù)是新近發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù).與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)處理技術(shù)相比，具有成本低、費(fèi)用省，綠色安全等優(yōu)點(diǎn)而日益受到人們的重視［9－10］.但目前植物修復(fù)含鉻廢水的研究大都還只限于實(shí)驗(yàn)室的模擬研究［11－13］.本文在前期研究的基礎(chǔ)上［14］，通過(guò)旱傘草對(duì)鍍鋅廠含鉻廢水(即鉻、鋅復(fù)合污染廢水)中鉻、鋅元素的修復(fù)效果進(jìn)行了研究.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

旱傘草(Cyperus alternifolius)，別名傘草、風(fēng)車草等，屬于莎草科莎草屬.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 植株挑選

將野外采集的旱傘草洗凈泥土，修剪枯黃莖葉、腐爛根系，于自來(lái)水中培養(yǎng)，定期補(bǔ)充自來(lái)水，同時(shí)向植株噴灑水，待受損的植株恢復(fù)正常以后，挑選出生長(zhǎng)狀況良好，長(zhǎng)勢(shì)一致，生命周期大體相同的植株準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)培養(yǎng).

1.2.2 質(zhì)量濃度梯度實(shí)驗(yàn)

采集云南省江川縣某鍍鋅廠的鍍鋅漂洗廢水，測(cè)定其中的總鉻和鋅離子質(zhì)量濃度，用其配制不同質(zhì)量濃度的含鉻廢水，將旱傘草培養(yǎng)于其中，在培養(yǎng)期間，通過(guò)測(cè)定生物量的增長(zhǎng)比較旱傘草的生長(zhǎng)情況;通過(guò)定期測(cè)定廢水中鉻及鋅的質(zhì)量濃度變化比較旱傘草對(duì)污染物的修復(fù)效果.

1.2.3 pH影響實(shí)驗(yàn)

保持鉻濃度相同，用鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)器配制不同pH值的培養(yǎng)液，測(cè)定生物量及廢水中鉻及鋅的質(zhì)量濃度，比較旱傘草的生長(zhǎng)情況及對(duì)廢水的修復(fù)效果.

1.3 樣品測(cè)定方法

采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定樣品中的鉻和鋅，所用儀器為TAS－990原子吸收分光光度計(jì).pH的測(cè)定采用pH S－3C型酸度計(jì)測(cè)量.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量濃度梯度的影響

將采集的鍍鋅廢水用自來(lái)水稀釋成5個(gè)水平的培養(yǎng)液，各水平培養(yǎng)液質(zhì)量濃度(以總鉻質(zhì)量濃度計(jì))為:0.0、10.0、15.0、20.0、30.0 mg/L，每個(gè)水平培養(yǎng)液總體積為5 L，用塑料桶培養(yǎng)，栽培旱傘草前測(cè)定培養(yǎng)液中總鉻、鋅的質(zhì)量濃度，稱量旱傘草的初始生物量，每桶栽培一株旱傘草.栽培旱傘草后，每天補(bǔ)充自來(lái)水至預(yù)先標(biāo)記位置，定期測(cè)定培養(yǎng)液中總鉻、鋅的質(zhì)量濃度并稱量旱傘草的生物量.

2.1.1 旱傘草在鉻、鋅復(fù)合污水中生長(zhǎng)狀況及分析

在培養(yǎng)期間，每5 d測(cè)定一次旱傘草的生物量，培養(yǎng)80 d后得旱傘草在各個(gè)時(shí)期生物量的變化趨勢(shì)如圖1所示.

由圖1可知，在總鉻質(zhì)量濃度為10.0、15.0、20.0、30.0 mg/L(實(shí)驗(yàn)組)的培養(yǎng)液中培養(yǎng)的旱傘草，其生物量先減小，后逐漸增大，對(duì)照組培養(yǎng)液中培養(yǎng)的旱傘草在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)生物量都在增加，實(shí)驗(yàn)期間所有植株均未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，說(shuō)明旱傘草對(duì)鉻、鋅復(fù)合廢水具有較強(qiáng)的耐受性.

實(shí)驗(yàn)組旱傘草生物量逐漸減小，可能是由于電鍍廢水中的鋅離子的影響.研究發(fā)現(xiàn)，Zn2+對(duì)旱傘草具有較強(qiáng)的毒害作用.在單一鋅存在的條件下，鋅質(zhì)量濃度超過(guò)10.0 mg/L時(shí)，旱傘草就開(kāi)始出現(xiàn)了葉子發(fā)黃的毒害現(xiàn)象.而且在前期的單一鉻污染的研究中，旱傘草在鉻質(zhì)量濃度達(dá)到40.0 mg/L的單純含鉻廢水都未曾出現(xiàn)生物量減少及葉子發(fā)黃的毒害現(xiàn)象.

在鉻、鋅復(fù)合污水的作用下，老葉變黃，故生物量不斷減少;隨后老莖逐漸干枯，但有嫩芽長(zhǎng)出，由于莖葉變黃的速率大于嫩芽的生長(zhǎng)速率，植株的生物量繼續(xù)減小，培養(yǎng)液總鉻質(zhì)量濃度越大，植株生物量下降越明顯.大約20 d后，旱傘草對(duì)新環(huán)境已基本適應(yīng)，長(zhǎng)出新根，嫩芽加速成長(zhǎng)，故生物量逐漸增加.對(duì)照組沒(méi)有出現(xiàn)莖葉變黃的現(xiàn)象，植株生長(zhǎng)正常，故生物量持續(xù)增加.

2.1.2 旱傘草對(duì)鉻、鋅復(fù)合污染廢水的修復(fù)效果及分析

栽培旱傘草后，每5 d測(cè)定一次培養(yǎng)液中剩余的總鉻質(zhì)量濃度，培養(yǎng)液中剩余總鉻質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)如圖2所示，培養(yǎng)80 d后總鉻去除率見(jiàn)表1.

表1 總鉻去除率 %

根據(jù)圖2及表1可以看出，旱傘草修復(fù)鉻、鋅復(fù)合污染廢水中鉻元素的速率大致分為3個(gè)階段:0至5 d，急劇下降階段，這個(gè)時(shí)期內(nèi)培養(yǎng)液中總鉻濃度急劇下降，鉻的吸收去除率平均達(dá)到了40%;5至25 d，平緩期，這個(gè)時(shí)期培養(yǎng)液總鉻濃度下降速率減慢，每5 d鉻的去除率平均增加8%左右，仍然有較好的鉻去除效果;25 d以后，衰減期，在這段時(shí)間內(nèi)，雖然培養(yǎng)液的總鉻質(zhì)量濃度仍然在下降，但下降速度非常緩慢，后面55 d的時(shí)間里，鉻的去除率僅約為20%.因此，利用旱傘草修復(fù)鉻、鋅復(fù)合污染廢水的最佳修復(fù)時(shí)間為0～25 d.

由表1還可知，在相同的時(shí)間內(nèi)，不同濃度培養(yǎng)液中的總鉻去除率相差不大，因此在總鉻質(zhì)量濃度為10.0～30.0 mg/L的適宜旱傘草生長(zhǎng)的范圍內(nèi)，高濃度培養(yǎng)液對(duì)總鉻的去除量更大.

經(jīng)過(guò)5 d的培養(yǎng)后，測(cè)定培養(yǎng)液中剩余鋅的質(zhì)量濃度及總鋅去除率(見(jiàn)表2)，已經(jīng)達(dá)到了農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(總鋅質(zhì)量濃度≤2.0 mg/L)，鋅的平均去除率達(dá)到了85.8%.

表2 鋅質(zhì)量濃度變化及總?cè)コ?/p>

上述研究結(jié)果表明，在鉻、鋅復(fù)合污染廢水中，旱傘草能同時(shí)修復(fù)培養(yǎng)液中的重金屬鉻和鋅，25 d的時(shí)間內(nèi)修復(fù)效率最好，在旱傘草適宜生長(zhǎng)的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，鉻質(zhì)量濃度越高，去除鉻的總量越大.

2.2 pH對(duì)旱傘草修復(fù)鉻、鋅復(fù)合廢水的影響

將鍍鋅廠廢水用自來(lái)水稀釋成7個(gè)總鉻質(zhì)量濃度相同(10 mg/L)的培養(yǎng)液，培養(yǎng)液體積為2 L，用0.1 mol/L NaOH及鹽酸溶液調(diào)節(jié)各培養(yǎng)液的pH至5.50、6.00、6.50、7.00、7.50、8.00、8.50，其余方法同2.1.

2.2.1 pH對(duì)旱傘草生長(zhǎng)的影響

栽培旱傘草后，前期每2 d測(cè)定培養(yǎng)液的pH，20 d后每5 d測(cè)定一次，同時(shí)測(cè)定自來(lái)水的pH，培養(yǎng)45 d后得各個(gè)水平的培養(yǎng)液在各個(gè)時(shí)期pH變化趨勢(shì)如圖3所示.

從圖3可看出，培養(yǎng)2 d后，培養(yǎng)液的pH發(fā)生了明顯的變化，所有培養(yǎng)液的pH都向7靠攏，之后的10 d內(nèi)，pH值都是在中性附近，第12天至第14天有下降的趨勢(shì)，從第14天至第25天又逐步上升，第25天至第45天pH在7.6附近變化.

上述現(xiàn)象說(shuō)明移入新的生長(zhǎng)環(huán)境后，旱傘草對(duì)新環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力，能將新環(huán)境的pH調(diào)節(jié)改變到適宜生長(zhǎng)的范圍.之后培養(yǎng)液的pH出現(xiàn)升高現(xiàn)象，可能由于培養(yǎng)過(guò)程中所補(bǔ)充的水呈堿性(pH平均值為8.01)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，導(dǎo)致培養(yǎng)液pH升高，但最終培養(yǎng)液的pH值都沒(méi)有超過(guò)所添加的自來(lái)水的pH值，說(shuō)明旱傘草對(duì)環(huán)境的變化具有極強(qiáng)的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力.

旱傘草在45 d后的生物量增長(zhǎng)率如表3所示，通過(guò)比較可以看到旱傘草的生物量已經(jīng)有了明顯的增長(zhǎng)，中性條件及偏酸性條件下的旱傘草增長(zhǎng)率都在15%以上，總體高于堿性條件下旱傘草的生長(zhǎng)率，說(shuō)明旱傘草更適宜在中性偏酸性的條件下生長(zhǎng).但在實(shí)驗(yàn)pH范圍內(nèi)，pH對(duì)旱傘草生長(zhǎng)的影響不是太明顯.

表3 旱傘草45 d后生物量及生長(zhǎng)率

2.2.2 pH對(duì)旱傘草修復(fù)鉻、鋅復(fù)合污染廢水效果的影響

栽培旱傘草后，定期測(cè)定培養(yǎng)液中剩余的總鉻濃度，結(jié)果見(jiàn)表4，從表4的數(shù)據(jù)可以看出:①各培養(yǎng)液中鉻的去除率存在很大的差異，25 d時(shí)總鉻去除率最高達(dá)94.0%，最低的則只有75.2%，因此總鉻的去除率與溶液的pH值沒(méi)有相關(guān)性;②25 d時(shí)總鉻的平均去除率比表1中高了20%左右.

造成上述結(jié)果的原因:

1)是在培養(yǎng)液的質(zhì)量濃度和體積相同的條件下，各培養(yǎng)液中植株的初始生物量不一樣，初始生物量大的植株對(duì)鉻的吸收相對(duì)就要快一些，反之，生物量小的植株對(duì)鉻的吸收就要慢一些;生物量的多少應(yīng)該是影響去除效果的一個(gè)重要參數(shù).

2)pH實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的培養(yǎng)液的體積為2 L，鉻污染物的總量比質(zhì)量濃度梯度試驗(yàn)時(shí)少，所以同等情況下，植株對(duì)鉻的吸收的就要快一些，去除率也就相應(yīng)的要高.

3)植物生長(zhǎng)時(shí)存在個(gè)體差異.

因此在討論污染物的去除率或耐受性時(shí)都應(yīng)該考慮下面的3個(gè)因素:①初始生物量;②污染物的質(zhì)量濃度;③污染物的體積.在3個(gè)因素都控制的條件下比較才有意義，但現(xiàn)行文獻(xiàn)中此方面的考慮尚存欠缺.

表4 總鉻質(zhì)量濃度變化及鉻去除率

栽培5 d后，測(cè)定培養(yǎng)液中鋅的含量如表5所示，全部達(dá)到了農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

表5 鋅質(zhì)量濃度的變化

3 結(jié)果與討論

從上述研究不難看出，在總鉻質(zhì)量濃度不超過(guò)30.0 mg/L的條件下，旱傘草對(duì)鍍鋅廠含鉻廢水具有較強(qiáng)的耐受性和修復(fù)效果，能使廢水中的鉻和鋅的質(zhì)量濃度顯著降低，達(dá)到國(guó)家農(nóng)田排放標(biāo)準(zhǔn)灌溉標(biāo)準(zhǔn);旱傘草具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)及調(diào)節(jié)能力，能將新環(huán)境的pH調(diào)節(jié)改變到適宜生長(zhǎng)的范圍.在總鉻質(zhì)量濃度為10.0 mg/L，pH為5.50至8.50之間均能正常生長(zhǎng)，且pH對(duì)旱傘草除鉻效果影響不大.旱傘草是一種修復(fù)鉻污染很有潛力的物種.

從旱傘草在不同濃度及pH條件下修復(fù)鍍鋅廠廢水的研究結(jié)果及其它的文獻(xiàn)資料來(lái)看［13－14］，旱傘草確實(shí)是修復(fù)鉻污染很有潛力的物種.但含鉻污水種類較多，成分復(fù)雜，因此在實(shí)際應(yīng)用旱傘草修復(fù)含鉻污水時(shí)，還應(yīng)考慮多種污染物同時(shí)存在時(shí)的協(xié)同效應(yīng).

此外，在實(shí)際的修復(fù)工作中，從提高修復(fù)效率和修復(fù)效果的角度考慮，如何在有限的時(shí)間里去除最多的污染物，同時(shí)又使污染環(huán)境的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，也是一個(gè)值得研究和探索的問(wèn)題.

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