專利名稱：一種應(yīng)用復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢水生態(tài)處理、礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域，具體地說是一種應(yīng)用優(yōu)化復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬并回收的方法。
背景技術(shù)：
早在20世紀(jì)初，英國和美國就有利用香蒲沼澤處理污水的先例，到了 20世紀(jì)70 年代人工濕地污水處理系統(tǒng)由于具有工程簡易、管理方便、運行費用低、處理效果好的優(yōu)點而在世界各地被廣泛用于生活污水乃至工業(yè)廢水處理。濕地系統(tǒng)凈水是物理、化學(xué)與生物機制綜合作用的結(jié)果，取決于植被、基質(zhì)、水深及微生物群落。一般濕地維管束植物能夠通過分化水流、減緩流速來固定基質(zhì)、沉淀懸浮物，能夠在莖干和根系上為微小生物，包括藻類(Algae),細(xì)菌(Bacteria),真菌(Fungi)和原生生物(Protists)的繁殖(Microbiota colonization)提供附著場所，能夠吸收碳、養(yǎng)分(N、P)和微量元素進(jìn)入組織并從根部、腐爛凋落物釋放有機碳源以便為微生物代謝提供能量，能夠在大氣和沉積層之間交換氣體并在缺氧基質(zhì)層創(chuàng)造富氧的微環(huán)境(Oxygenated microsites),還能夠增加濕地系統(tǒng)的景觀美學(xué)價值。因而，濕地植被建設(shè)是濕地生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)，植物種類選擇直接影響凈化效果， 復(fù)合植被直接關(guān)系到運行效果和綜合效益。人工濕地常常選用根系發(fā)達(dá)的多年生大型植物(Macrophyte)，根系常年具有活性，不僅可以強化有機物降解，而且不必每年栽種清理，更易適應(yīng)礫石基質(zhì)生境；地上部分可以連年生長，具有巨大的生物量和強大的蒸騰作用，更有利于污染物凈化。然而，盡管全球已發(fā)現(xiàn)高等濕地植物6700余種，但試用有效的種類不過數(shù)十種，人工濕地系統(tǒng)往往只建設(shè)大面積的單一植被濕地(諸如蘆葦、香蒲、水蔥等)，這種單一植被模式既不利于提升濕地的景觀美學(xué)價值、強化凈水效率，也不利于提高濕地的生物多樣性、防治病蟲害。因此， USEPA (2000)認(rèn)為，人工處理濕地應(yīng)該設(shè)計成為眾多鄉(xiāng)土植物的棲居地，并且可以適當(dāng)?shù)財U大植物種類(Maximize vegetative species)。同時,維持水生大型植物多樣性、保持或恢復(fù)自然的擾動體系(disturbance regime)以阻止弱勢競爭種類(Less competitive species)的消亡，可以強化濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能和相關(guān)服務(wù)。我國經(jīng)度范圍廣，緯度跨度大，四季溫差較大，地域干濕明顯，因而人工濕地植被建設(shè)面臨著更多的挑戰(zhàn)。首先，需要優(yōu)選能夠適宜各種緯度、海拔、干濕氣候條件的濕地植物種類，以去除效率為首要指標(biāo)，兼顧景觀美好以提升環(huán)境美學(xué)價值，優(yōu)先選擇鄉(xiāng)土種類以避免潛在的生物入侵風(fēng)險。進(jìn)而，宜根據(jù)各種優(yōu)選植物的特異性去除能力，進(jìn)行互補搭配形成復(fù)合濕地植被，以便利用有限的土地面積對污染物實現(xiàn)高效凈化，兼顧生物多樣性與科普教育功能，這樣就可能突破濕地占地面積大的缺陷，在人口高度集中、對污水處理需求最為迫切的城鎮(zhèn)推廣濕地凈化系統(tǒng)。還有，人工濕地植被系統(tǒng)的穩(wěn)定周期長，濕地植物個體間可能通過對生態(tài)因子(如光、熱、水、氣、肥)的競爭，通過根系分泌物、枯落物釋放的化感物質(zhì)來影響整個植被群落的穩(wěn)定性，往往需要運行多年才能達(dá)到成熟階段。因此，優(yōu)選適宜高緯地域條件的濕地植物種類并研究其成熟穩(wěn)定的復(fù)合混植模式，可以有效地促進(jìn)人工濕地污水處理技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。上佳的美學(xué)特性和高效的凈化能力使得復(fù)合植被濕地明顯優(yōu)于單一植被濕地，人工濕地污水處理技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的單一水質(zhì)凈化轉(zhuǎn)向多目標(biāo)應(yīng)用，關(guān)注的焦點也從污染物去除轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^濕地植被建設(shè)來提高生物多樣性、提升景觀娛樂性和強化科學(xué)研究并重。 優(yōu)選適宜的植物來建設(shè)多種類混植的濕地復(fù)合植被，不僅可望直接提高人工濕地的凈水效率，彌補濕地占地面積大的缺陷，而且可以兼顧到濕地生物多樣性和景觀美學(xué)價值。當(dāng)前優(yōu)選濕地植物種類的研究正在興起，用人工濕地來代替自然濕地的研究已經(jīng)開始盛行，可是由不同種類與數(shù)量構(gòu)成的復(fù)合植被的凈化效率卻存在較大差異，因而需要從數(shù)量上對人工濕地復(fù)合植被的多種類混植模式進(jìn)行優(yōu)化研究。
發(fā)明內(nèi)容
針對各類型、低濃度的水體銅、鋅、鉛、鎳、錳、鎘、鉻、汞、鋁、金、銀污染，以對各種類重金屬的特異性去除能力為首要指標(biāo)，兼顧景觀美觀、容易栽培、生命力強等特性，本發(fā)明提供一種應(yīng)用優(yōu)化復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬的方法，能夠適宜各種緯度、海拔、干濕氣候條件，并且對上述重金屬具有長期耐受性，并能通過復(fù)合濕地中的植被回收重金屬。一種應(yīng)用復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬的方法，其特征在于在水體上建立濕地系統(tǒng)，所述濕地系統(tǒng)中的復(fù)合濕地植物為蘆葦、香蒲、柳樹，水力停留時間為5-10天，所述蘆葦10 100株/m2、香蒲10 150株/m2、柳樹20 100株/m2。優(yōu)選20 100株/m2、香蒲20 100株/m2、柳樹50 100株/m2。所述蘆葦、香蒲、柳樹均勻混植，形成均勻的復(fù)合植被。所述方法還包括回收步驟，所述回收為將復(fù)合濕地植物的地上部分收割，焚燒，殘余灰分溶水后進(jìn)行電解，在電極上收集重金屬。有研究表明，濕地植物對水體銅、鋅、鎳、鉛、鉻、鎘等重金屬污染物有吸收積累的作用。作為全球兩種應(yīng)用最為廣泛的濕地植物，蘆葦對銅、錳的去除效應(yīng)突出(污染負(fù)荷適宜時> 90% )，但對重金屬的抗性相對較差；香蒲對重金屬的耐性較強，而且對鎘、錳的去除效應(yīng)突出(污染負(fù)荷適宜時>90%)，對銅、鋅、鎳的去除也具有相對優(yōu)勢。據(jù)陽承勝于 1998年對韶關(guān)凡口鉛鋅礦廢水香蒲植物凈化塘系統(tǒng)最新研究發(fā)現(xiàn)，該廢水凈化系統(tǒng)對鉛、 鋅、銅、鎘的去除率分別為94. 02%,97. 35%,96. 79%,96. 28%。而且該系統(tǒng)隨著香蒲植物群落的發(fā)展，凈化效益在提高。但是這些草本濕地植物往往存在生存年限短，生物量少、經(jīng)濟價值低等缺陷，而且重金屬往往只是富集于地下的根部中，向地上部運輸較少，因此通過收獲地上部生物質(zhì)來移除重金屬污染物非常受限。木本濕地植物柳樹不僅樹形高大美觀， 而且對錳、鎳、銅、鋅、鎘、鉛等常見重金屬的耐受力很強，對銅的去除能力突出(污染負(fù)荷適宜時> 90% )。憑借地上部生物量高的優(yōu)勢，柳樹憑借收獲地上生物質(zhì)可以有效地移除重金屬，而且將重金屬富集在木材中，消除其進(jìn)入食物鏈、在有機體內(nèi)富集并最終給人類帶來健康威脅的風(fēng)險。本發(fā)明根據(jù)優(yōu)選的上述濕地植物的特異性去除能力進(jìn)行互補搭配，開展配方實驗和建模求解，找出各種植物(均勻混植時的)株密度與水體復(fù)合重金屬(銅、鋅、鉛、鎳、錳、 鎘、鉻、汞、鋁、金、銀中的2種或以上)去除量之間的量化模型，開發(fā)出針對水體復(fù)合重金屬污染實現(xiàn)最大量去除的最優(yōu)配方，由于所優(yōu)選的三種濕地植物在相互作用過程中，其生命力強、耐受性好、競爭力高，形成的復(fù)合植被可以長期穩(wěn)定，因此在重金屬載荷能力范圍內(nèi)， 可以長期保持較高的去除效率。應(yīng)用優(yōu)化配方的復(fù)合植被濕地，不僅出水重金屬含量明顯降低(在水力停留時間約一周、重金屬載荷正常的條件下，純植被的去除效應(yīng)達(dá)到約50% 或以上)，而且復(fù)合濕地植被的生物質(zhì)中重金屬含量可望達(dá)到約O. 05% O. I %或以上，復(fù)合濕地植被生長茂盛，每年秋季生長季末、或者夏秋生長季節(jié)中，可以一次或多次刈割，通過收獲地上部生物質(zhì)可以高效移除重金屬污染。本發(fā)明具有如下優(yōu)點I.適用地域廣,針對性強。優(yōu)選的濕地植物生命力強、適應(yīng)性好、競爭力高,而且對各種重金屬的特異性去除能力可以互補，因此根據(jù)3種濕地植物株密度與重金屬去除量之間的數(shù)學(xué)模型，可以開發(fā)出針對不同類型、不同濃度水體重金屬去除的各種最優(yōu)化配方，以便實現(xiàn)對單一或復(fù)合水體重金屬污染的最大化去除。2.應(yīng)用簡便，凈水效果好。優(yōu)選的濕地植物適應(yīng)地域廣，栽培容易，生長迅速，可以以植物浮島、人工濕地等形式在全國范圍內(nèi)應(yīng)用；對中、低濃度的重金屬廢水，經(jīng)過優(yōu)化復(fù)合植被處理一段時間以后(水力停留時間約3 7天)，水體重金屬的去除率可以達(dá)到 50%或以上(此數(shù)據(jù)為濕地植被處理效果，考慮到濕地基質(zhì)的過濾效應(yīng)，去除效果將明顯提高)；出水重金屬污染物濃度大幅降低，在重金屬載荷較低的條件下，可望達(dá)標(biāo)“城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)(GB/T 18921-2002)”。3.回收工藝簡單，經(jīng)濟可行性高。富集重金屬的濕地復(fù)合植被在生長季可以一次或多次收割，收獲的地上部生物質(zhì)可以用作水體重金屬吸附材料(植被生長季富集其內(nèi)的重金屬，加上吸附其上的重金屬，總金屬含量將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)礦石的最低工業(yè)品位)；進(jìn)而集中焚燒，可以供暖或發(fā)電；殘留的灰分進(jìn)行溶水、電解，即可回收重金屬資源。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實施例I按照優(yōu)化配方，建設(shè)水培濕地系統(tǒng)，復(fù)合濕地植被搭配如下蘆葦100株/m2、香蒲 20株/m2、柳樹80株/m2，均勻混植。水培濕地采用純水培方式，進(jìn)水設(shè)計如下表I所示。表I復(fù)合濕地植被進(jìn)水設(shè)計(參照污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB 8978-1996三級標(biāo)準(zhǔn))
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬的方法，其特征在于在水體上建立濕地系統(tǒng)，所述濕地系統(tǒng)中的復(fù)合濕地植物為蘆葦、香蒲、柳樹，水力停留時間為5-10天，所述蘆葦10 100株/m2、香蒲10 150株/m2、柳樹20 100株/m2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬的方法，其中水力停留時間為3-7天，所述蘆葦20 100株/m2、香蒲20 100株/m2、柳樹50 100株/m2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬的方法，所述蘆葦、香蒲、柳樹均勻混植，形成均勻的復(fù)合植被。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬的方法，所述方法還包括回收步驟，所述回收為將復(fù)合濕地植物的地上部分收割，焚燒，殘余灰分溶水后進(jìn)行電解，在電極上收集重金屬。
全文摘要
本發(fā)明涉及“一種應(yīng)用復(fù)合濕地植被從水體去除重金屬的方法”，其特征在于在水體上建立濕地系統(tǒng)，所述濕地系統(tǒng)中的復(fù)合濕地植物為蘆葦、香蒲、柳樹，水力停留時間為5-10天，所述蘆葦10～100株/m2、香蒲10～150株/m2、柳樹20～100株/m2。通過三種濕地植物的植物株密度，使其去除能力進(jìn)行互補搭配，且相互促進(jìn)，同時三種濕地植物相互作用上，其生命力強、耐受性好、競爭力高，形成的復(fù)合植被可以長期穩(wěn)定，因此在重金屬載荷能力范圍內(nèi)，可以長期保持較高的去除效率。應(yīng)用優(yōu)化配方的復(fù)合植被濕地，不僅出水重金屬含量明顯降低，而且復(fù)合濕地植被的生物質(zhì)中重金屬含量可望達(dá)到約0.5～1％或以上，因而具有“礦源”價值。
文檔編號C25C1/00GK102583755SQ20121001786
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者靖德兵 申請人:靖德兵