人工湿地污水处理系统中锌、镉介质吸附和植物吸收的平衡研究

【摘要】：水资源的日益短缺和水环境的污染制约了人类社会和经济的可持续性发展。特别是随着工业化进程的加快,大量的含重金属废水被直接排入江河湖泊造成水体重金属含量急剧升高,导致我国各大水系受到不同程度的重金属污染,其中Zn、Pb、Cd、Cu、Cr等元素污染严重。水体重金属污染不仅加剧了可用水资源的短缺,而且直接影响到饮水安全、粮食生产和农作物安全,最终危害人类健康。因此探寻多元化的治理重金属废水方法成为世界各国治理环境的一个重要方向。 人工湿地技术是20世纪70年代发展起来的一种废水处理新技术,由于其具有投资少、能耗低、效果好、运行管理简单且处理彻底、不产生二次污染等优点成为国内外污水处理技术中的研究热点。近年来的一些研究表明人工湿地独特而复杂的净化机理能够在含重金属工业废水的处理中发挥重要作用。有效降低废水中的重金属离子浓度是治理重金属废水的关键,其中基质吸附和植物吸收作用对重金属离子的去除是最主要的途径之一,因此基质和植物的选择及其吸附/吸收行为的研究在应用人工湿地治理重金属废水上具有重大意义。重金属废水可能影响普通湿地植物的正常生长,进而降低整个系统去除重金属的能力。同时,“超富集”植物又因为种类有限,专一性和生物量小等特点难以引入湿地进行重金属废水的治理。因此,为人工湿地处理重金属废水的应用探索新途径,这对人工湿地处理重金属废水技术的推广和应用具有重要意义。 针对这些问题,本研究选用高吸附容量的蛭石作为基质,在潜流湿地单元建立离子吸附缓冲体系来调节系统污染离子的水平,经调节后的离子再经过植物的吸收,通过基质吸附和植物吸收建立可达标排放的可持续平衡系统。研究结果表明： 1.天然蛭石具有储量丰富、价格低廉、吸附容量大、对环境无毒无害且容易再生等优点,采用蛭石作为吸附介质应用于人工湿地重金属废水处理当中,不仅具有较好的去除锌、镉效果,同时还具有高效低廉的特点。 2.动态吸附、温度影响、pH值影响的试验结果表明：蛭石对锌、镉离子具有较快的吸附能力,建议人工湿地潜流单元(缓冲系统)的最佳吸附时间为60 min；蛭石处理含锌、镉废水的适宜温度条件是15-45℃,适宜pH值是3.5～7。 3.校园废水中锌、镉离子浓度分别6.20 mg/L和0.8 mg/L,计算得出蛭石基质对锌的设计负荷率是30 mg/kg(蛭石)；对镉的设计负荷率是11 mg/kg(蛭石)。 4.供试的四种水生植物对锌、镉离子具有不同的耐受能力,对锌的耐受浓度上限分别是水葫芦10 mg/L,蕹菜5 mg/L,水花生5 mg/L,荇菜1 mg/L。对镉的耐受浓度上限分别是水葫芦2 mg/L,蕹菜1 mg/L,水花生和荇菜均为0.5 mg/L。 5.水葫芦和蕹菜对锌、镉具有较强的耐受能力和富集能力,通过植物对锌、镉去除率影响的实验结果计算得出,水葫芦和蕹菜去除废水中锌、镉离子并使之达标排放的锌、镉的浓度范围(最大限度)分别是：1.84-10mg/L(Zn),0.32-2mg/L(Cd); 1.8-5mg/L(Zn),0.29-1mg/L(Cd)。 6.通过培养箱试验,设定水葫芦和蕹菜的收获时间长度设计参数T=15～20天。进一步确定水葫芦去除锌、镉废水的最佳浓度分别是1.84～4.00 mg/L和0.320.50 mg/L；确定蕹菜去除锌、镉废水的最佳浓度范围是1.80～4.0 mg/L和0.290.50 mg/L。 7.通过计算得出水葫芦的水力负荷设计参数：对镉0.05g/kg(植物).m3(污水).d,对锌0.44g/kg(植物).m3(污水).d；蕹菜的水力负荷设计参数：对镉0.16g/kg(植物).m3(污水).d,对锌1.30g/kg(植物).m3(污水).d。 8.根据上述的试验结果进行分析计算,最终确定蛭石吸附和植物吸收平衡模型的工程参数： 蛭石单元的水力停留时间HRT=2.1h；表面水力负荷=11.9 m3/m2.d；容积水力负荷=7.94 m3/m3.d；表面镉离子负荷=9.52 g/m2.d；表面锌离子负荷=73.78g/m2.d；镉容积离子负荷=6.35g/m3.d；锌容积离子负荷=49.21g/m3.d。 表流单元的水力停留时间HRT=12h；表面水力负荷=3.97 m3/m2.d；容积水力负荷=1.98 m3/m3.d；表面镉离子负荷=1.59g/m2.d；表面锌离子负荷=4.17g/m2.d；镉容积离子负荷=0.79g/m3.d；锌容积离子负荷=2.08g/m3.d。 【关键词】：废水处理 人工湿地 锌、镉、蛭石 湿地植物 吸附与吸收平衡模型
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 绪论12-32
• 1.1 水体锌、镉等重金属污染与传统治理方法13-17
• 1.1.1 锌、镉等重金属废水的来源13-14
• 1.1.2 锌、镉废水的危害14-15
• 1.1.3 重金属控制和去除的常规方法15-17
• 1.2 人工湿地17-22
• 1.2.1 人工湿地的历史及发展现状17-18
• 1.2.2 人工湿地的分类18-19
• 1.2.3 人工湿地净化废水机理19-21
• 1.2.4 人工湿地处理重金属方面存在的问题21-22
• 1.3 吸附理论在除锌、镉方面的研究和应用22-25
• 1.3.1 吸附技术的研究进展22-23
• 1.3.2 影响吸附的有关因素23-25
• 1.4 重金属污染的植物修复25-29
• 1.4.1 植物修复技术25-27
• 1.4.2 植物修复在处理重金属废水方面研究27-28
• 1.4.3 植物修复的应用前景28-29
• 1.5 本课题的研究内容、目标与创新点29-32
• 1.5.1 依据与意义29-30
• 1.5.2 主要研究内容30
• 1.5.3 预期目标30
• 1.5.4 创新点30-32
• 2 蛭石吸附锌、镉性能及影响因素研究32-44
• 2.1 实验材料与方法33-37
• 2.1.1 试验材料33-35
• 2.1.2 试验仪器及药品35-36
• 2.1.3 试验方法36-37
• 2.1.4 参数说明37
• 2.1.5 样品分析方法37
• 2.2 结果与讨论37-43
• 2.2.1 蛭石锌、镉离子的动态吸附37-39
• 2.2.2 温度对蛭石吸附的影响39-40
• 2.2.3 pH值对蛭石吸附的影响40-41
• 2.2.4 蛭石吸附剂用量对去除率的影响41-43
• 2.3 小结43-44
• 3 水生植物对锌、镉废水耐受能力研究44-60
• 3.1 实验材料与方法45-48
• 3.1.1 实验材料45-46
• 3.1.2 培养液的各项指标46
• 3.1.3 试验试剂与仪器46
• 3.1.4 试验内容46-47
• 3.1.5 观察、测定与分析47-48
• 3.2 结果与讨论48-57
• 3.2.1 水生植物形态观察48-51
• 3.2.2 水生植物生物量分析51-52
• 3.2.3 植物锌、镉离子的富集能力52-55
• 3.2.4 植物对锌、镉离子去除率的影响55-57
• 3.3 小结57-60
• 4 植物生长时间与废水离子总量去除率相关性研究60-70
• 4.1 材料与方法60-61
• 4.1.1 供试植物60
• 4.1.2 材料培养及处理60-61
• 4.1.3 样品分析方法61
• 4.2 结果与讨论61-69
• 4.2.1 水葫芦培养箱试验61-66
• 4.2.2 蕹菜培养箱试验66-69
• 4.3 小结69-70
• 5 人工湿地吸附与吸收平衡模型70-82
• 5.1 污染物质吸附与吸收平衡原理70-73
• 5.2 试验依托条件73-74
• 5.3 主要研究内容74-75
• 5.3.1 进水水质情况74-75
• 5.3.2 处理设施说明75
• 5.4 处理效果说明75-77
• 5.5 工程参数的提出77
• 5.6 工艺特点分析77-78
• 5.6.1 蛭石吸附缓冲体系77-78
• 5.6.2 植物表流湿地78
• 5.7 技术组合原理78-80
• 5.7.1 组合增效原理78-79
• 5.7.2 生态平衡原理79-80
• 5.8 模型的创新性及适用性80-82
• 5.8.1 思路创新80
• 5.8.2 技术创新80
• 5.8.3 应用前景及存在问题80-82
• 参考文献82-90
• 附录A90-91
• 致谢91

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