CN101580304B

CN101580304B - 植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法及其装置

Info

Publication number: CN101580304B
Application number: CN2009100538653A
Authority: CN
Inventors: 梁霞; 何池全; 丁国际; 张亚克; 方嘉芸; 高梦凡; 刘佳苗
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: CN101580304A

Abstract

本发明涉及一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法及其装置，属于水体净化及环境保护技术领域。本发明利用植物材料吸附剂和水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物。本发明叙述了植物材料吸附剂的制备及水丝蚓生物的准备过程，并补用本发明的专用装置，即带有水丝蚓固定隔离网的箱体，将水丝蚓和吸附剂先后放置于该固定隔离网上，然后使箱体悬浮放于需处理的水体中，箱顶面露出水面，每隔2～4天向装置中再次追投植物材料吸附剂，处理周期为7～10天。本发明方法通过水丝蚓摄食吸附重金属后的植物材料吸附剂，可有效提高水体重金属的生物去除效果。

Description

植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法及其装置，属于水体净化及环境保护技术领域。

背景技术

20世纪以来，随着工业和经济的迅速发展，世界各国都出现了不同程度的环境污染问题，其中工业“三废”排放、农业活动以及城市面源污染等，是造成景观水体遭受有机、无机和重金属物质污染的主要原因。相对于富营养化水体中大量存在的氮、磷等营养物质，水体中的重金属污染物浓度相对较低。然而，这些重金属污染物一旦进入水体，就可能造成水生生态系统内潜在的生物体重金属毒害，并由此进一步导致其在食物链中的传递和累积，从而最终危极人类健康安全。

传统的水体重金属污染物去除方法包括物理和化学两种。这些方法往往具有去除效率高、效果稳定、操作方法简单等优点，但它们有一个共同的缺点就是成本和运行费用较高，不适于大规模使用，尤其在开放的景观水体应用中具有较为明显的局限性。生物吸附法是一项处理重金属污染废水的新技术。与传统处理方法相比，生物吸附法的主要优点在于其吸附速度快、回收效率高，能有效地降低水体中的重金属污染物浓度，且所用的生物材料来源广泛，其中很多都是工农业的副产物或废弃物，因此成本和运行费用低廉，对水生生态系统影响较小，可应用于景观水体的水质净化中。目前，在众多的重金属生物吸附剂中，利用农业副产物，如木屑、树皮、麦麸、谷壳、玉米皮和玉米芯等作吸附剂去除水体中重金属污染物的研究备受关注。作为我国产量最大的农业副产物，麦麸和米糠的年产量分别可达2000和1000万吨以上。然而，目前这些麦麸和米糠的主要用途是作为饲料，经济价值不高。因此，若能够将这些农业副产品作为重金属的生物吸附剂，不仅资源丰富，而且价格低廉。近年来，大量研究已证明了麦麸和米糠所具有的吸附水体中重金属污染物的能力。然而，研究也表明，在适宜的条件下，这些生物吸附剂也存在着一定的解吸附过程。此外，麦麸和米糠中所含有的蛋白质、脂类等有机质成分会随其在水体中的长时间浸泡而分解，从而可能造成水体的二次污染。因此若在景观水体中应用麦麸和米糠等的植物材料吸附剂时，则必须进行预处理或定期回收。

水丝蚓(Limnodrilus sp.)是淡水生态系统中最为常见的底栖动物，属环节动物门、寡毛纲、近孔寡毛目、颤蚓科、水丝蚓属，常生活在河流及湖泊浅层区域，以腐殖质为食，同时也是水中鱼类的优质饵料，常在水环境污染较为严重的水域中大量出现。目前，全世界记载的水丝蚓属有10种以上，其中作为优势种类的霍甫水丝蚓(Limnodrilus hoffmeisteri)在我国主要河湖水域中均有大量分布。由于水丝蚓生命周期相对较长、迁移能力有限，在长期的环境适应过程中逐步形成了敏感的环境变化响应机制以及较强的环境胁迫抗逆性，可对栖息地物理、化学及生态特性随时间、空间的变化情况进行综合反映，因此，长期以来人们多将其作为反映淡水生态系统健康状况的主要评价指标之一。近年来，研究者开始逐步关注水丝蚓对水体中各类污染物质所表现出的生理耐受性，以及其在水质净化方面所具有的应用潜力。沉积在底泥表面的重金属污染物质可通过摄食和呼吸过程等途径进入水丝蚓体内，并在其表皮及肠壁细胞中累积。这些重金属离子能够诱导虫体细胞内金属硫蛋白(metallothionein，MT)的合成，而与金属硫蛋白络合后的重金属离子即被储存和隔离在溶小体(lysosomes)中。显然，金属硫蛋白是水丝蚓抵抗重金属毒性的重要适应性机能。同时，为了防止过高浓度重金属污染物对虫体自身的损坏，水丝蚓还形成了独特的尾部“自割”机制，即水丝蚓的尾部有较多的溶小体，可以吸收更多的金属储存隔离在尾部的表皮细胞或肠道的上皮组织间，当金属累积储存到一定浓度时，尾端体节与体节之间的隔膜处便会凹陷裂开，将尾部自割。由于水丝蚓有很强的再生能力，因此，自割后经过约两个星期的时间，可以再生新的尾巴，并不会造成伤害，而断掉的尾巴会皱缩成念珠状退化消失，不会变成另一个新的个体。此外，研究人员还将重金属污染区域生长的水丝蚓进行草虾(Palaemontespugio)喂食实验，未观察到草虾体内的重金属污染物累积现象。由此可知，水丝蚓能够利用其独特的生物学机制转化和降解水体中重金属污染物毒性，但其中具体生理学过程尚未得到完整的解释。

在针对景观水体中重金属污染物去除技术的研究中，需要解决两个最为关键问题，即重金属的迁移途径和生物毒性转化。植物材料吸附剂在吸附水体重金属污染物方面的有效性已得到证实，当吸附重金属后的植物材料吸附剂作为饵料被水丝蚓摄食后，由吸附剂造成的水体二次污染风险则会大大降低。水丝蚓对于重金属物质的生物学耐受性及毒性降解能力，使得水体中的重金属污染物能够最大限度的被“植物材料吸附剂-水丝蚓”系统所吸附和转移，同时其生物毒性也将会减少。因此，利用“植物材料吸附剂-水丝蚓”生物联合去除景观水体中重金属污染物具有非常好的应用前景。然而，目前国内外相关的“植物材料吸附剂-水丝蚓”生物联合去除景观水体中重金属污染物质的方法和设计还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法及其装置。

本发明一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.植物材料吸附剂的制备：将具有良好水丝蚓适口性的植物性农业副产物预先进行研磨，并过筛，控制其粒径为0.50mm左右；所述的植物农业副产物为麦麸，谷壳、玉米、玉米芯等，选择其中的任一种或两种的混合物；

b.水丝蚓生物的准备，选择健康的水丝蚓成虫，虫体体长为25～40mm，体宽0.7～0.8mm，虫体体质健壮，活力较强，呈红色或红褐色；

c.将上述植物材料吸附剂和水丝蚓生物先后分别放置于箱体中的隔离网上；植物材料吸附剂的投加量与水丝蚓生物的投放量两者的重量比例为5∶1；将箱体放置于需处理的景观水体中，并保持箱体顶部悬于水面20cm以上。

所述的水丝蚓隔离网的孔径为小于0.7mm；所述水体中的重金属污染物浓度为1mg/L时，水丝蚓生物的投放量为250g/m³。

一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法中使用的专用装置，该装置包括有箱体、箱体骨架、硬质尼龙筛网、水丝蚓固定隔离网、固定锁扣和泡沫塑料浮板；其特征在于：箱体由箱体骨架及其间的硬质尼龙筛网包围组成；所述硬质尼龙筛网的孔径为小于0.5mm；水丝蚓固定隔离网位于离箱体底部三分之一箱体总高度处，该固定隔离网的孔径为小于0.7mm；固定隔离网和尼龙筛网的厚度为0.3～0.4mm；在所述箱体的底部设置有泡沫塑料浮板，以保证调节和保持箱体顶部悬浮于水面20cm以上；在箱体顶面相对对角侧设有固定锁扣，以用于加装绳索从而固定装置在水体中的位置以及便于回收。

本发明方法的优点和特点如下所述：

(1)采用“植物材料吸附剂-水丝蚓”生物联合去除景观水体中的重金属污染物，能够有效降低水体中重金属污染物浓度，成本和运营费用低廉，操作简便，可应用在开放的景观水体中，且不会对水生生态系统产生影响；

(2)利用水丝蚓摄食吸附重金属后的植物材料吸附剂，可减少吸附剂作为生物吸附剂后可能存在的解吸附和有机质分解对水体影响的风险；

(3)“植物材料吸附剂-水丝蚓”联合去除景观水体重金属污染物装置结构简单，制作成本低廉，可被重复使用。

附图说明

图1是本发明一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的特殊专用装置。

具体实施方式

现将本发明结合附图及实施例作进一步描述。

实施例1

本发明利用植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物。本发明主要设计了一种专用装置，该装置如图1所示，该装置包括有箱体1、箱体骨架2、硬质尼龙筛网3、水丝蚓固定隔离网4、固定锁扣5和泡沫塑料浮板6；箱体1由箱体骨架2及其间的硬质尼龙筛网3包围组成；所述硬质尼龙筛网的孔径为小于0.5mm；水丝蚓固定隔离网4位于离箱体底部三分之一箱体总高度处，该固定隔离网的孔径为小于0.7mm；固定隔离网4和尼龙筛网3的厚度为0.3～0.4mm；在所述箱体1的底部设置有泡沫塑料浮板6，以保证调节和保持箱体1顶部悬浮于水面20cm以上；在箱体1顶面相对对角侧设有固定锁扣5，以用于加装绳索从而固定装置在水体中的位置以及便于回收。

在上述专用装置箱体中的水丝蚓固定隔离网上先后分别放置水丝蚓生物及植物材料吸附剂；植物材料吸附剂的投加量与水丝蚓生物的投放量两者重量比例为5∶1，将箱体放置于需处理的景观水体中，并保持箱体顶部悬于水面20cm以上。

植物材料吸附剂和水丝蚓生物的准备过程如下所述：

(1)植物材料吸附剂的制备：将具有良好水丝蚓适口性的植物农业副产物预先进行研磨，并过筛，其平均粒径为0.50mm；所述的植物性农业副产品为麦麸或谷壳。

(2)水丝蚓生物的准备：选择健康的水丝蚓成虫，虫体体长为25～40mm，体宽为0.7～0.8mm，虫体体质健壮，活力较强，呈红色或红褐色。

本实施例中，其具体操作过程如下：

根据所需处理的景观水体中重金属污染物浓度，将经预先2天饥饿处理的健康水丝蚓成虫放置于箱体水丝蚓隔网内；水丝蚓的放置量依据所需处理水体中的重金属污染情况而定，当水体中重金属污染物浓度为1mg/L时，投放量约为250g鲜重/m³；健康水丝蚓成虫应表现为虫体体长25～40mm，体宽0.7～0.8mm，虫体体质健壮，活力较强，呈红色或红褐色；将“植物材料吸附剂-水丝蚓”联合去除景观水体重金属污染物的装置放置于需处理的景观水体内，用绳索固定箱体位置；向装置中投加经预先研磨过筛、粒径约0.50mm的植物材料吸附剂，每隔2～4天向装置中再次追投植物材料吸附剂；植物材料吸附剂总投加量与水丝蚓生物量的比例为5∶1；根据季节以及水体受污染程度等情况，“植物材料吸附剂-水丝蚓”联合去除景观水体重金属的处理周期可为7～10天，处理结束后，将装置内的水丝蚓及剩余吸附剂回收；根据装置内水丝蚓生命活性情况，更换水丝蚓后重复进行上述处理。

本发明方法的实验室试验

(1)在实验室条件下，分别进行了水丝蚓和麦麸去除人工污水中重金属铅污染物的实验。在水丝蚓去除重金属实验中，仅向“麦麸-水丝蚓”生物联合去除景观水体重金属污染物的装置中投加水丝蚓，所采用的人工污水中Pb²⁺浓度为50mg/L，实验用水总体积为50L，水丝蚓投加量为50g鲜重。经过8天处理，水体中Pb²⁺浓度降至1.35mg/L，平均去除率可达97.2％，其中虫体对人工污水中Pb²⁺的吸附率约为65％。实验结束后，水丝蚓生命活性情况仍然良好。

(2)在麦麸吸附实验中，仅向“麦麸-水丝蚓”联合去除景观水体重金属污染物的装置中投加麦麸，所采用的麦麸粒径为0.5mm，所采用的人工污水中Pb²⁺浓度为200mg/L，实验用水总体积为50L，麦麸的投加量为200g。经过90min的处理后，水体中Pb²⁺浓度降至89.32mg/L，平均去除率为55.34％。

将用于Pb²⁺吸附后的麦麸烘干并投喂水丝蚓后，水丝蚓表现出良好的摄食取向，且摄食后生命活性良好。

Claims

1.一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a.植物材料吸附剂的制备：将具有良好水丝蚓适口性的植物性农业副产物预先进行研磨，并过筛，控制其粒径为0.50mm；所述的植物性农业副产物为麦麸，谷壳、玉米、玉米芯，选择其中的任一种或两种的混合物；

2.如权利要求1所述的一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法，其特征在于所述的隔离网的孔径为小于0.7mm；所述水体中的重金属污染物浓度为1mg/L时，水丝蚓生物的投放量为250g/m³。

3.一种植物材料吸附剂-水丝蚓生物联合去除景观水体中重金属污染物的方法中使用的专用装置，该装置包括有箱体(1)、箱体骨架(2)、硬质尼龙筛网(3)、水丝蚓固定隔离网(4)、固定锁扣(5)和泡沫塑料浮板(6)；其特征在于：箱体(1)由箱体骨架(2)及其间的硬质尼龙筛网(3)包围组成；所述硬质尼龙筛网的孔径为小于0.5mm；水丝蚓固定隔离网(4)位于离箱体底部三分之一箱体总高度处，该固定隔离网的孔径为小于0.7mm；固定隔离网(4)和尼龙筛网(3)的厚度为0.3～0.4mm；在所述箱体(1)的底部设置有泡沫塑料浮板(6)，以保证调节和保持箱体(1)顶部悬浮于水面20cm以上；在箱体(1)顶面相对对角侧设有固定锁扣(5)，以用于加装绳索从而固定装置在水体中的位置以及便于回收。