蔗渣生物質(zhì)炭混合基質(zhì)李氏禾濕地凈化水中Cr(Ⅵ)的性能和機(jī)制研究.pdf

1、鉻是一種危害性極大的環(huán)境污染物，水體鉻污染不僅是亟待解決的環(huán)境問題，也是關(guān)系到公眾健康的社會(huì)安全問題。李氏禾是在中國發(fā)現(xiàn)的首個(gè)濕生鉻超富集植物，對Cr(Ⅵ)有很強(qiáng)的耐受和吸收能力，利用李氏禾人工濕地凈化低濃度、大面積鉻污染水體是一條極具發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)有效的途徑。
　　人工濕地的基質(zhì)對濕地系統(tǒng)凈化重金屬起到重要作用，基質(zhì)的改良對提高濕地系統(tǒng)的Cr(Ⅵ)凈化能力具有重要的意義，本實(shí)驗(yàn)利用廣西支柱產(chǎn)業(yè)—甘蔗制糖業(yè)產(chǎn)生的大量蔗渣廢棄物作為

2、原料制備生物質(zhì)炭，并用于改良李氏禾人工濕地基質(zhì)，明確了蔗渣炭改良劑對李氏禾濕地系統(tǒng)凈化Cr(Ⅵ)的強(qiáng)化作用，也拓寬了蔗渣資源化利用的有效途徑。鉻的毒性和危害性與其價(jià)態(tài)密切相關(guān)，Cr(Ⅵ)的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Cr(Ⅲ)，本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用電子順磁共振(EPR)、X光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等手段，闡明了鉻在濕地系統(tǒng)中的分布和價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化，探討了Cr(Ⅵ)進(jìn)入濕地系統(tǒng)后的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理。同時(shí)，也研究了李氏禾凋落物在人工濕地系統(tǒng)循環(huán)中的

3、作用，揭示了凋落物對Cr(Ⅵ)的吸附和分解釋放規(guī)律，為科學(xué)管理李氏禾人工濕地提供了依據(jù)。微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了人工濕地系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)及演替特征，探討了李氏禾濕地系統(tǒng)凈化Cr(Ⅵ)的微生物生態(tài)機(jī)理。篩選分離了一株根際Cr(Ⅵ)還原菌，明確了其還原Cr(Ⅵ)的最佳環(huán)境條件。研究成果可為含鉻廢水處理和蔗渣資源化提供一條經(jīng)濟(jì)有效的途徑，也為提高李氏禾濕地系統(tǒng)Cr(Ⅵ)的凈化能力，優(yōu)化人工濕地的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理提

4、供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)論如下:
　　(1)在溫室條件下，基質(zhì)中添加質(zhì)量比5％蔗渣炭的李氏禾人工濕地，對含Cr(Ⅵ)濃度為5.00mg/L、7.50mg/L和10.0mg/L的廢水的去除率分別為99.52％、99.48％和98.43％;在冬季氣候條件下，去除率分別為99.36％、98.96％和96.40％。表明蔗渣炭混合基質(zhì)的李氏禾人工濕地能有效去除水中Cr(Ⅵ)，并具有較好的季節(jié)適應(yīng)性，能在冬季保持良好的處理效率。
　　(2

5、)在溫室條件下，對含Cr(Ⅵ)濃度為5.00mg/L、7.50mg/L和10.0mg/L的廢水，添加蔗渣炭改良劑的李氏禾人工濕地比單一沙壤土基質(zhì)的李氏禾人工濕地的去除率分別高9.38％、11.51％和13.78％;在冬季氣候條件下，去除率分別高8.88％、11.45％和15.39％。這表明蔗渣炭混合基質(zhì)能夠有效提升李氏禾人工濕地的Cr(Ⅵ)凈化能力，主要原因是生物質(zhì)炭對濕地基質(zhì)具有明顯的改良效果，顯著地提高了基質(zhì)中有機(jī)質(zhì)含量和細(xì)菌、真菌

6、和放線菌等微生物數(shù)量，從而增加基質(zhì)對Cr(Ⅵ)吸附和還原性能。
　　(3)進(jìn)入蔗渣炭混合基質(zhì)李氏禾濕地系統(tǒng)中的鉻有92.18％被截留在基質(zhì)中，基質(zhì)中的Cr(Ⅲ)占到了93.90％，而Cr(Ⅵ)僅占6.10％，表明基質(zhì)在濕地系統(tǒng)去除Cr(Ⅵ)過程中能有效地將Cr(Ⅵ)還原成Cr(Ⅲ)。FTIR分析結(jié)果顯示，基質(zhì)表面的羧基與Cr(Ⅲ)發(fā)生了配位作用，羥基、氨基、C=O、C-O、C-H等基團(tuán)參與了鉻的吸附，表明有機(jī)質(zhì)作為電子供體參與了基

7、質(zhì)對Cr(Ⅵ)的還原。進(jìn)入濕地系統(tǒng)中的鉻僅有6.67％被李氏禾吸收，李氏禾植株中Cr(Ⅵ)占15.00％，Cr(Ⅲ)占85.00％，表明李氏禾在濕地系統(tǒng)去除Cr(Ⅵ)過程中能有效地將Cr(Ⅵ)還原成Cr(Ⅲ)。
　　(4)凋落物對Cr(Ⅵ)的吸附過程符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，等溫吸附過程符合Freundlich吸附模型，吸附Cr(Ⅵ)的過程中伴隨著氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，有Cr(Ⅲ)生成。凋落物在初始階段快速分解，隨后分解速率有所下降，分

8、解70d，失重率達(dá)到63.68％，之后分解速率緩慢。對凋落物的分解會(huì)造成鉻的重新釋放，分解70d后，僅有11.95％的鉻被釋放到溶液中，大部分的鉻被殘余凋落物或微生物所吸附。因此，凋落物的分解對出水水質(zhì)的影響有限。
　　(5)含濕地基質(zhì)活菌的土樣在12h內(nèi)對Cr(Ⅵ)的還原率為76.52±2.34％，分別比高溫滅菌土樣和氯仿滅菌土樣高2.36倍和3.18倍，活菌基質(zhì)的土樣對水中Cr(Ⅵ)的去除能力顯著高于滅菌的對照組，表明基質(zhì)微生

9、物在去除Cr(Ⅵ)過程中發(fā)揮了重要作用。對蔗渣炭混合基質(zhì)濕地，有李氏禾鉻污染濕地、無李氏禾鉻污染濕地中微生物的群落結(jié)構(gòu)與有李氏禾清潔濕地的基質(zhì)相比，微生物多樣性減少，優(yōu)勢群落發(fā)生了明顯的變化。Cr(Ⅵ)污染基質(zhì)中的優(yōu)勢群落種類，部分為新物種群落，部分為對照土壤中的非優(yōu)勢菌群。
　　(6)從李氏禾根際附近基質(zhì)中篩選分離得到一株對Cr(Ⅵ)具有還原特性的菌株，經(jīng)生理和分子生物學(xué)鑒定為:蠟狀芽孢桿菌（Bacillus cereus）。培