植物滞留系统草本植物对人工模拟雨水中锌的富集及去除效果研究.pdf

植物滞留系统草本植物对人工模拟雨水中锌的 富集及去除效果研究 * 美英1杨晓华2郦建强3 1. 内蒙古工业大学能源与动力工程学院环境科学与工程系， 呼和浩特 010051; 2. 北京师范大学环境学院 水沙重点实验室 水环境模拟国家重点实验室， 北京 100875; 3. 水利部水利水电规划设计总院水战略研究部， 北京 100011 摘要 采用沙培实验， 探讨 4 种草本植物 黑麦草、 地毯草、 早熟禾、 高羊茅 对人工模拟雨水中重金属锌的吸收富集和 去除效果， 为植物滞留系统筛选草本植物提供科学依据。实验分析测定不同植物滞留系统介质、 不同入口浓度情况 下， 植物地上部与根部锌含量及锌的去除率。结果表明 4 种草本植物对人工模拟降雨径流中的锌均有较好的去除效 果， 锌的平均去除率为 84. 65 ～91. 12。不同草本植物去除人工模拟降雨径流中锌的能力， 从强到弱的顺序依次 为 早熟禾 ＞ 黑麦草 ＞ 地毯草 ＞ 高羊茅。其中， 4 种草本植物对锌的去除率随入口浓度的增加而增加; 对于同一种草 本植物同样的入口浓度情况下， 沙土Ⅰ为最佳土壤介质， 具有最佳去除锌能力。4 种草本植物地上部和地下部锌累积 量分别为 419. 19 ～960. 98 μg 和 569. 61 ～1 024. 11 μg; 其中黑麦草锌累积总量最高， 其次是地毯草， 最低为早熟禾。 综合考虑污染物去除率和锌在植物体内的累积量， 交替种植早熟禾和黑麦草可提高植物滞留系统去除锌的能力且有 利于延长植物滞留系统寿命。 关键词 植物滞留系统; 草本植物; 锌; 去除率 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201404006 * 国家自然科学基金项目 50939001，51079004 ; 国家重 点 基 础 研 究 发展 规划项 目 2010CB951104 ; 高 校 博 士 点 基 金 博 导类项目 20100003110024 ; 长江学者和创新团队项目 IＲT0809 ; 内蒙古工业大学青年基金项目 X201217 。 收稿日期 2013 －09 －22 STUDY ON BIOACCUMULATION AND ＲEMOVAL EFFICIENCY OF ZINC IN SIMULATED ＲAIN BY HEＲBACEOUS PLANTS OF BIOＲETENTION Mei Ying1Yang Xiaohua2Li Jianqiang3 1. Department of Environmental Science and Engineering， School of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051，China; 2. State Key Laboratory of Water Environment Simulation，School of Environment，Beijing Normal University， Beijing 100875，China; 3. Water Ｒesources and Hydropower Planning and Design General Institute，MWＲ，Beijing 100011，China AbstractThe Zinc bioaccumulation and removal efficiency by four herbaceous plants Lolium perenne， Axonopus compressus， Festuca elat，and Poa annuain bioretention were explicated through a pot experiment． The study provided scientific basis for the biorention plant selection． The conditions of different soil media and different inflow concentration were considered in the pot experiment to analyze the removal efficiency and bioaccumulation concentration of zinc by the four herbaceous plants． The results showed that the average removal rate of zinc in the simulated rain was 84. 65 ～91. 12． The order removal capacity of the four herbaceous plants wasPoa annua ＞ Lolium perenne ＞ Axonopus compressus ＞ Festuca elat． As inflow concentration increasing，the zinc removal rates by the four herbaceous plants were increased． And the sandⅠwas the best media． The zinc bioaccumulations in shoots and roots of four herbaceous plants were 419. 19 ～ 960. 98 μg and 569. 61 ～ 1 024. 11 μg， respectively． The highest accumulated content of zinc was in Lolium perenne， and the lowest in Poa annua． The comprehensive uation results showed that planting the Poa annua and Lolium perenne alternately in the bioretention could improve zinc removal efficiency and prolong the working life of bioretention． Keywordsbioretention;herbaceous;zinc;removal rate 22 环境工程 Environmental Engineering 0引言 随着城市化的快速发展， 城市不透水地面不断增 加， 产生城市非点源污染、 城市水资源供需矛盾突出、 城市洪涝等一系列问题［1 ］。非点源污染是指溶解性 的或固体污染物从非特定的地点， 在降雨和径流冲刷 作用下， 通过径流过程而汇入含水层、 湖泊、 河流、 滨 岸生态系统等引起的污染［2 ］。城市非点源污染中重 金属污染物的来源为汽车尾气、 燃料及油类的泄漏、 除冰剂的撒播、 轮胎的磨损、 工业排放、 农药等 ［3- 4 ］。 植物滞留系统指从源头控制城市雨水径流污染， 是效 果较佳的最佳管理措施之一［5- 6 ］。植物作为植物滞留 系统重要的组成部分， 对非点源污染中重金属的治理 具有重要作用。植物修复就是利用植物来治理污染 的环境 ［7 ］， 植物提取、 植物挥发、 植物固定主要是利 用植物的吸收积累、 挥发及根系分泌物的鳌合沉淀作 用来去除和固定重金属［8 ］。探寻对城市非点源中重 金属具有较好的富集和去除效果的实验植物， 对优化 植物滞留系统具有较好的实用价值。 锌是自然界分布较广的金属， 主要以硫化锌和氧 化锌状态存在 ［9 ］。锌既是植物微量营养元素， 又是 环境污染元素。当土壤锌含量过高， 一般超过 200 mg/kg 时便可造成污染 ［10 ］。锌通过土壤和植物进入 食物链， 直接或间接通过动物进入人类的膳食中。在 植物体内， 锌是多种脱氢酶、 蛋白酶、 肤酶的必要组成 部分， 因此锌影响到植物体内的许多代谢过程， 锌还 参于生长素的代谢和光合作用中二氧化碳的水合作 用， 促进蛋白质代谢 ［11 ］。由于人类活动， 诸如采矿、 冶炼、 废物处理、 污水灌溉及污泥施用等， 使锌等重金 属越来越多的进入土壤环境。土壤被重金属污染后， 不仅影响作物产量和品质， 同时进入食物链影响人类 健康。所以， 土壤重金属污染的治理一直备受关 注 ［12- 13 ］。锌等重金属进入土壤后， 由于移动性小而 很难清除。采用植物修复方法去除重金属锌不仅不 造成二次污染而且具有较好的生态效应［14- 15 ］。本研 究旨在通过 4 种草本植物对人工雨水中锌的去除和 富集能力进行研究， 探讨 4 种草本植物对锌的吸收积 累和去除特点， 并筛选出适于种植在植物滞留系统的 中的草本植物。 1实验部分 1. 1实验植物 本实验所采用的实验植物为黑麦草 Lolium perenne 、地 毯 草 Axonopus compressus 、高 羊 茅 Festuca elat 和早熟禾 Poa annua 。这 4 种草本植 物均属禾本科， 须根发达， 对土壤要求低， 耐贫瘠， 且 均为较好的园林植物。 1. 2人工模拟雨水 人工模拟雨水中锌由氯化锌 分析纯 配置， 分 为低浓度锌 0. 1 mg/L 和高浓度锌 1 mg/L， 人工模拟 雨水中 pH 是由盐酸和氢氧化钠溶液调至 7 左右。 1. 3实验方法 本实验采用沙培方法， 4 种草本植物种植在 3 种 沙土中。其中， 沙土Ⅰ和沙土Ⅱ为壤质砂土， 沙土Ⅲ 为砂质黏壤土。沙土Ⅰ、 沙土Ⅱ和沙土Ⅲ中有机质和 阳离子交换容量分别为 0. 28、 0. 37、 0. 35 和 0. 286， 0. 3， 0. 428 mmol/kg。4 种草本植物种子分别 称取 0. 5 g， 并种植在 PVC 盆 D 20 cm， H 20 cm 中， 从 PVC 盆口向下留 4 cm 深以收集人工雨水， 种 植的种子上覆盖土层厚度为 1 cm。将 4 种草本植物 种子种植在 PVC 盆中， 待植物生长稳定后 大概需要 30 ～40 d ， 喷洒人工雨水， 每次需要的人工雨水量为 1. 5 L， 每隔 10 d 加人工雨水 1 次， 为 1 周期， 共浇注 10 周期， 并且高、 低浓度交替喷洒。 1. 4测定项目和方法 植物生物量的测定 当实验结束时， 收割草本植 物。将收集的草本植物用自来水清洗根部和地上部 分泥土。再采用蒸馏水和去离子水各冲洗 3 遍， 整个 洗涤时间不超过 2 min。用不锈钢工具把清洗后的样 品地上部分和根部分开， 准确称量植物鲜重。称完植 物鲜重后， 将植物在 105 ℃烘箱内杀青30 min。再在 70 ～80 ℃ 下烘干 48 h 至恒重， 称重量， 计算干物质 含量。 将烘干好的干物质用不锈钢粉碎机粉碎备用。 并测其植物地上部分和根部干重， 分析锌含量。每个 处理样本设 3 次重复。 植物体内锌累积量计算方程见式 1 P C M 1 式中 C 为植物地上部分及根部锌浓度， mg/g; M 为植 物生物量 干重 ， g。 水样的测定方法 锌采用电感耦合等离子体发射 光谱 ICP- MS 法测定。pH 用酸度计法测定。植物 样品中锌的浓度测定 准确称取植物样品 0. 2 g 置于 陶瓷消解罐中， 加入 2 mL 硝酸 66 和 1 mL 过氧 化氢 30 静止 4 h， 之后在 140 ℃消解 5 h， 冷却后 定溶至 10 mL， 待测。最后， 采用电感耦合等离子体 32 水污染防治 Water Pollution Control 发射光谱 ICP- MS 测定溶液中锌的浓度［16 ］。 1. 5数据统计方法 实验数据统计分析所采用的软件有 Origin 8. 0、 SPSS 16. 0、 EXCEL 2003 等。 人工模拟雨水中污染物的去除率计算公式见 式 2 污染物去除率 Cin－ Cout /Cin 100 2 式中 Cin为人工模拟雨水初期浓度， mg/L; Cout为通过植 物盆栽实验净化后的人工模拟雨水排放浓度， mg/L。 2结果与分析 2. 1不同土壤介质对锌去除效果的影响 人工模拟雨水中锌污染物通过植物滞留系统介质 时， 由于土壤介质的吸附和土壤有机质的分配作用而 被去除。本实验选取3 种土壤介质和 4 种草本植物分 析模拟雨水径流中污染物锌的去除率， 同种草本植物 种植在不同沙土介质中对锌污染物的去除率见图1。 图 1不同土壤介质对锌污染物的去除率 Fig．1Zinc removal rate of different soils 由图 1 可知 种植在沙土Ⅰ上的 4 种草本植物， 对锌的去除率均较高。从污染物锌的去除率角度考 虑， 沙土Ⅰ可作为较佳系统介质。早熟禾、 黑麦草、 地 毯草 和 高 羊 茅 对 锌 的 去 除 率 分 别 为 92. 86、 93. 45、 92. 53 及 92. 06。黑麦草去除率最高， 高羊茅去除率最低。 以沙土Ⅱ为介质时， 早熟禾对人工雨水中污染物 锌的去除率为 92. 85， 高羊茅对污染物 Zn 去除率 最低， 其值为 76. 17， 黑麦草和地毯草的去除率分 别为 91. 52 和 90. 67。 对于种植在沙土Ⅲ上的早熟禾、 黑麦草和地毯草 来说， 其去除率显著低于种植在其他两种介质上。种 植在沙土Ⅲ上的 4 种草本植物对锌去除率由高到低 排序为 早熟禾 87. 66＞ 高羊茅 85. 71＞ 黑 麦草 81. 55＞ 地毯草 73. 48 。 2. 2不同植物对锌去除效果的影响 植物滞留系统主要收集并处置城市降雨径流。 植物滞留系统作为城市非点源最佳控制措施之一， 其 介质应满足 2 个条件 首先， 能够快速渗漏城市降雨 径流; 其次， 对污染物具有较好的去除效果。不同土 壤介质对污染物去除率也不同， 但对锌而言， 去除率 均高于 70。通过综合考虑， 将沙土Ⅰ作为植物滞 留系统介质， 并种植 4 种草本植物， 其 4 种草本植物 对污染物锌的去除率见图 2。 图 2不同植物对锌污染物的去除率 Fig．2Zinc removal rate of different plants 由图 2 可知 4 种草本植物对人工雨水中锌污染 物的去除率最高为早熟禾 91. 12 ， 其他三种草本 植物对锌的去除率低于早熟禾， 分别为黑麦草 88. 84 ， 地毯草 85. 56 及高羊茅 84. 65 。 2. 3不同入口浓度对锌去除效果的影响 随着人工雨水中污染物锌浓度的变化， 4 种草本 植物对污染物锌的去除率也有所变化。由图 3 可知 当人工雨水中污染物锌的浓度为 1 mg/L 时， 4 种草本 植物 早熟禾、 黑麦草、 地毯草和高羊茅 对人工雨水中 锌的去除率相对较高， 其值分别为 98. 99、 98. 44、 98. 68和98. 91。当人工雨水中污染物锌的浓度为 0. 1 mg/L 时， 4 种草本植物对锌的去除率均小于 1 mg/L时的去除率。其去除率分别为 74. 69、 68、 63. 46 和55. 16。表明污染物锌的浓度是影响植 物滞留系统去除污染物锌的重要影响因素之一。 2. 4植物总锌累积量 由图 4 可知 4 种草本植物中地上部分锌含量最 高的是早熟禾， 其值为 55. 98 mg/kg， 高羊茅最低， 为 37. 40 mg/kg。在 4 种草本植物中地上部分锌含量由 高到低的排序为 早熟禾 ＞ 黑麦草 ＞ 地毯草 ＞ 高羊 茅。早熟禾地下部分含锌量最高， 为 87. 30 mg/kg， 42 环境工程 Environmental Engineering 图 3不同入口浓度下对锌污染物的去除率 Fig．3Zinc removal rate of different inflow concentration 地毯草最低， 为 40. 55 mg/kg。4 种草本植物地下部 分锌含量由高到低排序为 早熟禾 ＞ 黑麦草 ＞ 高羊茅 ＞ 地毯草。由图 5 可知 所选 4 种草本植物地上部分 与地下部分的锌含量比值均小于 1。表明锌不易从 根系向茎叶转移， 不利于通过收获植物去除人工雨水 中的锌污染物。锌主要累积在 4 种草本植物根系中。 图 4草本植物地上部分和地下部分的含锌量 Fig．4Zinc contents of herbaceous plant in aboveground and underground 图 54 种草本植物地上部分及地下部分锌污染物含量的比值 Fig．5Ｒatio of zinc contents of 4 herbaceous plants in aboveground and underground 植物体内锌的累积量由 2 种因素决定 一为植物 地上及地下部分锌含量; 二为植物地上及地下部分生 物量。由图 6 可知 锌地上部分总累积量 地毯草最 高， 其值为 960. 98 μg， 早熟禾最低， 为 419. 19 μg。 锌地下部分总累积量 黑麦草最高， 为 1 024. 11 μg， 地毯草最低， 为 569. 61 μg。其中地上和地下部分锌 的总累计量最大的是黑麦草， 1 741. 90 μg，最小为早 熟禾， 1 034. 45 μg。这可能与黑麦草生物量大等植 物特性有关。 图 6 4 种草本植物地上部分和地下部分的锌累积量 Fig．6Accumulated zinc of 4 herbaceous plants in aboveground and underground 3结论 人工模拟雨水经过所设定的实验介质， 即种植有 4 种景观草本植物的装置时， 对人工雨水中锌污染物 在 4 种草本植物中的运移及去除效果的分析， 得出以 下结论 1 4 种草本植物在沙土Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ上种植时生长 状况均良好。不同植物种植在不同土壤介质时对污 染物锌的去除率有所不同， 但总的来说， 沙土Ⅰ上种 植的 4 种草本植物对锌的去除率均较高， 可作为较理 想的植物滞留系统土壤介质。 2 4 种草本植物对人工模拟雨水中锌均有较好 的净化效果， 其对锌污染物去除能力的强弱顺序依次 为 早熟禾 ＞ 黑麦草 ＞ 地毯草 ＞ 高羊茅。早熟禾对锌 污染物的去除率最高， 达 91. 12。因此， 早熟禾是 4 种草本植物中去除锌较好的草本植物。 3 当人工模拟雨水中污染物锌浓度为 1 mg/L 时， 4 种草本植物 早熟禾、 黑麦草、 地毯草和高羊茅 对人工雨水中锌的去除率均在 98 以上。当人工雨 水中污染物锌浓度为 0. 1 mg/L 时， 4 种草本植物对 锌的去除率分别为 74. 69、 68、 63. 46和 55. 16。 4 种草本植物对锌污染物的去除率与入口处锌浓度 52 水污染防治 Water Pollution Control 呈正相关关系。 4 4 种草本植物锌积累总量与植物生物量呈正 相关性， 其中地上和地下部分锌的总累计量最大是黑 麦草， 1 741. 90 μg。从植物对锌总累积量角度， 黑麦 草为最佳实验植物。锌主要积累在 4 种草本植物的 根系中， 其地上与地下部分的锌含量比值均小于 1。 表明锌不易从根系向茎叶转移， 不利于通过收割植物 去除锌。 从植物对锌污染物总累积量角度， 黑麦草为最佳 实验植物。但从去除率角度考虑， 早熟禾为最佳实验 植物。在构建植物滞留系统的过程中， 可以针对城市 非点源污染的来源和特征及植物的景观要求等， 并结 合锌污染物去除率和锌在植物体内的累积量， 交替种 植早熟禾和黑麦草从而提高植物滞留系统去锌能力 且有利于延长系统寿命。 参考文献 ［1］申丽勤，车伍，李海燕，等． 我国城市道路雨水径流污染状况 及控制措施［J］． 中国给水排水， 2009， 25 4 23- 28. ［2］贺缠生，傅博杰，陈利顶． 非点源污染的管理及控制［J］． 环 境科学， 1998， 19 5 87- 91. ［3］Sansalone，Buchberger S G． Partitioning and first of metal in urban roadwaystormwater ［J］ ．JournalofEnvironmental Engineering， 1997， 123 2 134- 143. ［4］Drapper D，Tomlinson Ｒ，Williams P． Pollutant concentration in road runoffsoutheast queensland case study［J］ ．Journal of Environmental Engineering， 2000， 126 4 313- 320. ［5］Davis A，Hunt W，Traver Ｒ，et al．Bioretention technology overview of current practice and future needs［J］．Journal of Environmental Engineering， 2009， 135 3 109- 117. ［6］Dietz M E． Low impact development practicesA review of current research and recommendations for future directions［J］． Water Air and Soil Pollution， 2007， 186 351- 363. ［7］魏树和． 根际圈在污染土壤修复中的作用与机理分析［J］． 应 用生态学报， 2003， 14 1 143- 147. ［8］Ouyang Y． Modeling plant uptake and contaminant transport in the soil- plant- atmosphere continuum［J］． Journal of Hydrology， 2002， 266 1/2 66- 82. ［9］骆永明． 金属污染土壤的植物修复［J］． 土壤，1999，31 5 261- 265. ［ 10］项长兴，陈章龙． 南京栖霞山铅锌矿区土壤环境质量评价 ［J］． 土壤， 1993， 25 6 319- 323. ［ 11］徐晓燕，杨肖娥，杨玉爱． 锌从农业土壤向人类食物链的迁移 ［J］． 广东微量元素科学， 1996， 3 7 21- 29. ［ 12］蒋先军，骆永明，赵其国． 重金属污染土壤的植物修复研究Ⅲ． 金属富集植物 Brassica juncea 对锌镉的吸收和积累［J］． 土壤学 报， 2002， 39 5 664- 670. ［ 13］谢正苗． 土壤中锌的化学平衡［J］． 环境科学进展，1996， 4 5 13- 30. ［ 14］Moffat A S． Plants proving their worth in toxic metal cleanup［J］． Science， 1995， 269 302- 303. ［ 15］Sun Xueli，Allen P D． Heavy metal fates in laboratory bioretention systems［J］． Chemosphere， 2007， 66 1601- 1609. ［ 16］美英，杨晓华，郭亚男，等． 植物滞留系统中草本植物对磷的 去除效果研究［J］． 环境工程， 2013， 31 2 27- 30. 第一作者 美英 1979 － ， 女， 讲师， 主要从事城市非点源污染研究。 hanmy79163． com 通讯作者 杨晓华 1966 － ， 女， 教授。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 Xiaohuayang bnu． edu． cn 上接第 50 页 参考文献 ［1］孙锦宜． 含氮废水处理技术与应用［M］ ． 北京 化学工业出版 社， 2003 213- 214. ［2］Kramer J P，Wouters J W．Continuous sand Filtration Design Features and Applications［ Ｒ］ ． PAQUES， 2008 23- 24. ［3］李飞， 李艳芬， 梁飞， 等． 活性砂技术在污水深度处理中的应用 探讨［J］． 能源研究与管理， 2012 4 78- 80. ［4］卫东， 张劲， 王恩让， 等． 连续流砂滤池在污水处理厂改造工程 中的应用［J］． 市政技术， 2013， 31 3 117- 120. ［5］娄金生， 谢水波， 何少华． 生物脱氮除磷原理与应用［ M］． 长沙 国防科技大学出版社， 2002 82- 83. ［6］傅金祥， 蔡仲秋， 周东旭， 等． 啤酒废水同步脱氮除磷工艺启动 研究［J］． 环境工程， 2012， 30 1 4- 7． ［7］孙逊， 卢玮， 张鑫， 等． 混凝沉淀/连续砂滤/NaClO 工艺用于污 水厂改造［J］． 中国给水排水， 2012， 28 15 92- 94. ［8］荣宏伟， 彭永臻， 张朝升． 低碳城市污水反硝化除磷试验［J］． 环境工程， 2008， 26 1 11- 13. ［9］阎宁， 金雪标， 张俊清． 甲醇与葡萄糖为碳源在反硝化过程中的 比较［J］． 上海师范大学学报． 自然科学版， 2002， 31 3 41- 44. ［ 10］Akunnk J C，Bizeau C，Moletta Ｒ． Nitrate and nitrite reductions with anaerobic sludge using various carbon sourcesglucose， glycerol，acetic acid，lactic acid and methanol ［J］．Water Ｒesearch， 1993， 27 8 1303- 1312. ［ 11］徐亚同． 不同碳源对生物反硝化的影响［J］． 环境科学， 1994， 15 2 29- 32. ［ 12］殷芳芳， 王淑莹， 昂雪野， 等． 碳源类型对低温条件下生物反硝 化的影响［J］． 环境科学， 2009， 30 1 108- 113． 第一作者 谭明 1977 － ， 男， 硕士， 主要从事高浓度有机废水处理、 市 政污水提标改造、 餐厨垃圾处理、 污水处理厂委托运行管理等方面技 术研究和业务。tanm220126． com 62 环境工程 Environmental Engineering