CN102079581A

CN102079581A - 一种铀污染水体的植物修复方法和装置

Info

Publication number: CN102079581A
Application number: CN2009102262737A
Authority: CN
Inventors: 高斌; 聂小琴; 王英稳; 丁德馨; 汤志娟; 李广悦; 于素芹; 刘玉龙; 王成; 王有团; 冯海生
Original assignee: SHAOGUAN JINYUAN ARANIUM INDUSTRY Co Ltd CHINA NATIONAL NUCLEAR Corp; University of South China
Current assignee: SHAOGUAN JINYUAN ARANIUM INDUSTRY Co Ltd CHINA NATIONAL NUCLEAR Corp; Nanhua University; University of South China
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-01

Abstract

本发明涉及放射性污染的水体修复技术，具体涉及一种利用漂浮植物凤眼莲进行铀污染水体的植物修复方法和装置。该方法利用凤眼莲植株从水体环境中大量吸收和富集铀，从水体中打捞出植物可带走大量铀。凤眼莲自身具有根系发达、取材方便，生命力强，生物量大，生长繁殖速度快等优点，因此与传统的铀污染水体治理方法相比，该方法更高效快速、廉价实用、操作简单、维护管理容易、投资运行成本低。

Description

一种铀污染水体的植物修复方法和装置

技术领域

本发明涉及放射性污染的水体修复技术，具体涉及一种利用漂浮植物凤眼莲进行铀污染水体的植物修复方法和装置。

背景技术

铀是环境中毒性很强的重金属元素之一。铀有化学毒性，能对肾脏造成危害；铀及其衰变子核有放射性，常暴露于铀环境会增加患癌几率。铀主要通过反应堆作业、武器研究试验、核燃料产品、铀矿山“三废”排放等途径对水体造成放射性污染。

目前，根据经济发展的需要，我国正大力发展核电事业。预计到2020年我国核电装机容量将达到4000万kW，需要建立30座100万kW级以上的核电站，这对铀矿资源的需求很大，铀矿山开采力度也将逐年加大。由于我国铀矿床类型多，规模小，矿体形态复杂，矿化不均匀，品位低，埋藏条件多变，随着矿山开发力度的增大，开采产生的含铀废水将大量增加，这种废水含铀的平均质量浓度约为2.5mg/L，即使经过回收处理后，外排水中铀浓度也不低于0.5mg/L，远远高于国家排放标准(0.05mg/L)。目前，对于这种低浓度、排放量大的铀污染水体还没有切实可行的处理方法。2005年，世界卫生组织(WHO)建议饮用水中铀的浓度标准为不超过0.03mg/L。因此，铀污染水体的修复是一项艰巨的工程。

传统铀污染水体的治理方法主要有化学沉淀、离子交换、蒸发浓缩法等，但这些方法的费用高、占用空间大、易造成二次污染；目前新兴的铀污染水体治理方法主要有膜分离技术和植物修复技术。膜分离法是借助选择性透过性的薄膜，以压力差、温度差、电位差等为动力，对铀与水体实现分离，利用膜分离技术处理铀污染水体存在运行成本高、流程复杂、膜污染堵塞等问题限制了该技术的大规模应用；与前者相比较，植物修复技术具有费用低、效果好、操作管理简便、可恢复生态环境以及可回收资源等许多优点而备受关注。

植物修复(phytoremediation)就是筛选和培育特种植物，特别是对目标污染物具有超常规吸收和富集能力的植物，种植在污染体上，利用植物根系吸收水分和养分的过程来吸收污染体内的污染物，再将收获的植物统一处理，以期达到清除污染的目的。凤眼莲是一种监测环境污染和净化水体的良好植物。它对砷敏感，可用来监测水中是否有砷存在；还可用来净化水体中的氮、磷、有机废水、去除废水中的悬浮物，净化铅、锌、汞、铜、镉、铬等重金属污染均起着积极的生态环境效应。先后有关于凤眼莲用于治理氮、磷营养盐及有机污染废水的发明专利申请(工厂有机废水和江河湖泊有机污染的生物治理技术，专利申请号990103548.8)和用于治理含铬废水的发明专利申请(一种水生植物治理含铬废水的方法，专利申请号200410066162.1)。到目前为止，还没有关于用活体凤眼莲修复铀污染水体的研究和报道。

发明内容

本发明的目的在于针对铀污染水体的修复难题，提供一种廉价、清洁的铀污染水体植物修复方法和装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种铀污染水体的植物修复方法，包括如下步骤：

步骤一、控制待修复的铀污染水体pH在4～9之间，水深在20～30cm之间；

步骤二、按一定比例植入凤眼莲于待修复的铀污染水体中；

步骤三、植入1～12小时后，将凤眼莲打捞收集起来进行集中处理。

进一步，如上所述的铀污染水体的植物修复方法，步骤二中待修复铀污染水体的体积与凤眼莲鲜重比例为5～10升/千克，优选单株生物量达200g以上的凤眼莲。

进一步，如上所述的铀污染水体的植物修复方法，步骤三中集中处理凤眼莲的办法是将收集的植物通过干燥浓缩，焚烧灰化，进一步固化深埋处置或混酸浸出回收铀。

一种铀污染水体的植物修复装置，包括贮水池和植株放养打捞网，其中，贮水池设有进水口和出水口，贮水池的四角分别设有直立管；植株放养打捞网包括筛网以及四条牵引绳，筛网四角通过套环与直立管连接，牵引绳末端通过挂钩与套环连接；筛网平行于贮水池水面，高出水面5～10cm，凤眼莲整株逐个置于筛网的筛孔内，植株根部以上部分由网孔四周扶持保持直立，根部完全浸入贮水池中待修复的铀污染水体中。

进一步，如上所述的铀污染水体的植物修复装置，其中，所述的筛网的筛孔孔径为5～10cm，筛网的边长稍小于对应直立管之间距离以保持紧绷。

进一步，如上所述的铀污染水体的植物修复装置，其中，所述的直立管通过直立管水平固定件固定。

进一步，如上所述的铀污染水体的植物修复装置，其中，筛网为高强度无环境毒害作用的绳子纵横编织成方孔状筛网，直立管、直立管水平固定件、套环都为不锈钢材料。

本发明的有益效果如下：本发明主要是利用凤眼莲植株从水体环境中大量吸收和富集铀，从水体中打捞出植物可带走大量铀。凤眼莲自身具有根系发达、取材方便，生命力强，生物量大，生长繁殖速度快等优点，因此与传统的铀污染水体治理方法相比，该方法更高效快速、廉价实用、操作简单、维护管理容易、投资运行成本低；可以从根本上解决铀污染水体的深度治理；且不带来二次污染。本发明具有良好的环境效益、社会效益和经济效益，在铀污染水体的治理方面有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明在24h内对不同浓度的铀污染水体的修复效果图；

图2为本发明在5d内对不同浓度的铀污染水体的修复效果图；

图3为本发明不同生物量的凤眼莲活体植株在5d内对某铀矿矿坑水的修复效果图；

图4为本发明铀污染水体修复装置三维示意图；

图5为本发明铀污染水体修复装置的俯视图；

图6为本发明铀污染水体修复装置(放养了凤眼莲植株)的切面图。

图中，1、进水口；2、套环；3、贮水池；4、筛网；5、牵引绳；6、直立管水平固定；7、直立管；8、绳勾；9、出水口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

凤眼莲是一种铀超吸收植物，可在铀浓度为100mg/L的污染水体中正常生长；在铀浓度为9mg/L的水体下放养1h其根系的含铀量可高达1000mg/kg。与普通的植物相比较，凤眼莲对铀有极强的耐受和吸收能力。

本发明所用的水生植物凤眼莲(Eichhornia crassipes)，原产巴西，在我国华北、华东、华中和华南的19个省区均有分布和栽培。其分类学特征如下：

(1)雨久花科凤眼莲属；属维管束多年生浮水草本植物。

(2)叶单生，直立丛生于短缩茎的基部，每株6～12叶片，叶卵形至肾圆形，顶端微凹，叶面光滑；叶柄中下部有膨胀如葫芦状的气囊基部具削状苞片承担叶花的重量，悬浮于水面生长；

(3)秆(茎)灰色，泡囊稍带点红色，嫩根为白色，老根偏黑色；

(4)花茎单生，穗状花序，又6～12花朵，花被6裂，紫蓝色，呈多棱喇叭状，上方的花瓣较大，花瓣中心生有一明显的鲜黄色斑点，形如凤眼，也像孔雀羽翎尾端的花点，非常耀眼靓丽，上又1枚裂片较大，中央有鲜黄色的斑点；

(5)蒴果卵形，有种子多数。

本发明所用的水生植物凤眼莲(Eichhornia crassipes)有以下生物学特征：

(1)根生于节上，根系发达，长15～30cm，靠主根分蘖下一代，须根发达且悬垂水中，须根吸收养分同时能吸收水体中大量的氮、磷等营养元素，它还能吸收砷、镉、汞、镉、铬等有害元素，使水质得以净化；

(2)叶肉肥厚，宜在静水和缓慢流动的睡眠生长；

(3)生长迅速，能较快地形成大生物量；

(4)繁殖速度非常快，无性繁殖能力极强；凤眼莲被列为世界上繁殖最快的植物之一，其个体可以在5d内增长一倍；

(5)培养管理简单，花色艳丽美观，是美化环境的理想植物。

凤眼莲的以上生物学特征中，(1)有利于提高其对污染水体中铀的总体去除效率；(2)有利于投放打捞操作；(3)有利于植物分批多次植入打捞以及污染水体持续快速修复得以实施，也很好地避免因凤眼莲生长繁殖速度过快而引起的二次污染，从而保障凤眼莲修复铀污染水体高效安全友好的进行；(4)有利于美化植物修复铀污染水体的景观。

如图4-6所示，铀污染水体的植物修复装置包括贮水池3和植株放养打捞网，贮水池3设有进水口1和出水口9，贮水池3的四角分别设有直立管7，直立管7通过直立管水平固定件6固定；植株放养打捞网包括筛网4以及四条牵引绳5，筛网4四角通过套环2与直立管7连接，套环2的直径稍大于直立管7的直径，牵引绳5末端通过挂钩8与套环2连接；筛网4平行于贮水池3水面，高出水面5～10cm，筛网4的筛孔孔径为5～10cm，筛网4的边长稍小于对应直立管7之间距离以保持紧绷，筛网4为高强度无环境毒害作用的绳子纵横编织成方孔状筛网，直立管7、直立管水平固定件6、套环2都为不锈钢材料。凤眼莲整株逐个置于筛网4的筛孔内，植株根部以上部分由网孔四周扶持保持直立，根部完全浸入贮水池中待修复的铀污染水体中。凤眼莲植株放养打捞网中的牵引绳5勾住套环2，打捞时垂直牵引出直立管7，移出贮水池3后松开一端两处绳勾，即可集中收集植物。

上述装置的使用流程如下：由进水口1导入铀污染水体→控制贮水池3内水深在20～30cm左右，最高水平面不超过直立管水平固定件6→展开筛网4分别把套环2对应四角套入直立管7至直立管水平固定件6处→将凤眼莲植入筛网4的各个网孔内，使植株保持直立→铀污染水体达标后由排水口9排出→沥干凤眼莲根部水分，机械拉升牵引绳5带动套环2滑出直立管7，移出贮水池3后使一端牵引绳5末端绳勾8松开套环2，收集自然抖落的凤眼莲→集中凤眼莲经脱水干燥、焚烧灰化、深埋处置或酸浸回收铀。

实施例1

待处理铀污染水体(铀浓度分别为0.5、1.5、4.5、9mg/L)通过进水口1进入贮水池3中，水体pH在4～9之间，水深在20～30cm之间，将生物量为300g左右的凤眼莲(投加量为0.15kg/L)整株植入凤眼莲辅助装置的筛网4中，在10min、1、6、12、24h取水样分析其铀浓度。24h后由排水口9排出水体，沥干凤眼莲根部水分，机械拉升牵引绳5带动套环2滑出直立管7，移出贮水池3后使一端牵引绳5末端绳勾8松开套环2，收集自然抖落的凤眼莲并集中凤眼莲经脱水干燥、焚烧灰化、酸浸回收铀。植入凤眼莲后铀污染水体的铀残余浓度在24h内变化关系见附图1。

从图1可以看出，在0～24h之间，水体中铀的浓度随着凤眼莲植入时间的延长而降低，到24h时水体中铀的浓度达到最低，分别为：0.01、0.03、0.04、0.19mg/kg。监测得出，在凤眼莲植入10min时，各浓度的铀污染水体的铀去除率均达75％以上，植入12h后，各浓度的铀污染水体的铀去除率均高于94％。对于按每升铀污染水体中植入150g的凤眼莲，可以在6h以内：将铀浓度≤0.5mg/L的铀污染水体修复至满足世界卫生组织对饮用水提出的要求(≤0.03mg/L)；将铀浓度≤1.5mg/L的铀污染水体修复至符合国家标准规定的排放限值(≤0.05mg/L)；将铀浓度≤9mg/L的铀污染水体修复至核行业标准规定的排放限值以内。

实施例2

待修复水体的铀浓度同实施例1，主要操作过程和基本同实施例1，将生物量为300g左右的凤眼莲(投加量为0.15kg/L)整株植入凤眼莲辅助装置的筛网4中，在1、2、3、4、5d取水样分析其铀浓度。5d后由排水口9排出水体，沥干凤眼莲根部水分，机械拉升牵引绳5带动套环2滑出直立管7，移出贮水池3后使一端牵引绳5末端绳勾8松开套环2，收集自然抖落的凤眼莲并集中凤眼莲经脱水干燥、焚烧灰化、酸浸回收铀。5d后各浓度下茎叶部分的平均铀浓度分别为2.62±0.13、6.68±0.81、7.61±1.13、15.38±1.81mg/kg；根系部分的平均铀浓度分别为86.52±6.13、174.58±10.81、364.61±21.13、594.38±31.81mg/kg。植入凤眼莲后铀污染水体的铀残余浓度在5d内变化关系见附图2。

从图2可以看出，在植入凤眼莲1d时不同浓度的铀污染水体的铀去除率均高于97.78％，在植入5d时，污染水体的铀去除率均高于99.33％。对于按每升铀污染水体中植入150g的凤眼莲，可以在1d以内：将铀浓度≤9.0mg/L的铀污染水体修复至核行业标准规定的排放限值以内(≤0.3mg/L)；将铀浓度≤4.5mg/L的铀污染水体修复至符合国家标准规定的排放限值(≤0.05mg/L)；将铀浓度≤1.5mg/L的铀污染水体修复至满足世界卫生组织对饮用水提出的要求(≤0.03mg/L)；在5d以内，将铀浓度≤9.0mg/L的铀污染水体全部修复至符合国家标准规定的排放限值(≤0.05mg/L)。

实施例3

铀污染水体为南方某铀矿坑水，铀浓度为1.93mg/L，其主要操作过程和基本同实施例1。将生物量为200g左右的凤眼莲(投加量分别为0.025、0.05、0.1、0.15、0.2kg/L)整株植入凤眼莲辅助装置的筛网4中，在1、2、3、4、5、6、7d取水样分析其铀浓度。7组水体修复后由排水口9排出水体，沥干凤眼莲根部水分，机械拉升牵引绳5带动套环2滑出直立管7，移出贮水池3后使一端牵引绳5末端绳勾8松开套环2，收集自然抖落的凤眼莲并集中凤眼莲经脱水干燥、焚烧灰化、酸浸回收铀。植入凤眼莲后铀污染水体的铀残余浓度在7d内变化关系见附图3。

从图3可以看出，不同的投加量在7d的修复效果和效率有一定的区别。其中0.025kg/L和0.05kg/L投加量修复效果不明显，7d后其铀浓度分别为1.20、1.12mg/L，修复效率分别为37.8％、42.0％；其余投加量0.1、0.15、0.2kg/L效果明显，7d后其铀浓度分别为0.04、0.03、0.02mg/L，修复效率分别为97.9％、98.4％、99.0％，且分别在3、2、2d铀污染水体修复至核行业标准规定的排放限值以内(≤0.3mg/L)，分别在7、6、4d铀污染水体修复至符合国家标准规定的排放限值(≤0.05mg/L)，其中投加量0.15、0.2kg/L分别在7、4d铀污染水体修复至满足世界卫生组织对饮用水提出的要求(≤0.03mg/L)。

Claims

1.一种铀污染水体的植物修复方法，包括如下步骤：

步骤二、按一定比例植入凤眼莲于待修复的铀污染水体中；

2.如权利要求1所述的铀污染水体的植物修复方法，其特征在于：步骤二中待修复铀污染水体的体积与凤眼莲鲜重比例为5～10升/千克。

3.如权利要求2所述的铀污染水体的植物修复方法，其特征在于：步骤二中，选取单株生物质量在200g以上的凤眼莲。

4.如权利要求1或2或3所述的铀污染水体的植物修复方法，其特征在于：步骤三中集中处理凤眼莲的办法是将收集的植物通过干燥浓缩，焚烧灰化，进一步固化深埋处置或混酸浸出回收铀。

5.一种铀污染水体的植物修复装置，包括贮水池和植株放养打捞网，其特征在于：贮水池(3)设有进水口(1)和出水口(9)，贮水池(3)的四角分别设有直立管(7)；植株放养打捞网包括筛网(4)以及四条牵引绳(5)，筛网(4)四角通过套环(2)与直立管(7)连接，牵引绳(5)末端通过挂钩(8)与套环(2)连接；筛网(4)平行于贮水池(3)水面，高出水面5～10cm，凤眼莲整株逐个置于筛网(4)的筛孔内，植株根部以上部分由网孔四周扶持保持直立，根部完全浸入贮水池中待修复的铀污染水体中。

6.如权利要求5所述的铀污染水体的植物修复装置，其特征在于：所述的筛网(4)的筛孔孔径为5～10cm，筛网(4)的边长稍小于对应直立管(7)之间距离以保持紧绷。

7.如权利要求5所述的铀污染水体的植物修复装置，其特征在于：所述的直立管(7)通过直立管水平固定件(6)固定。

8.如权利要求7所述的铀污染水体的植物修复装置，其特征在于：筛网(4)为高强度无环境毒害作用的绳子纵横编织成方孔状筛网，直立管(7)、直立管水平固定件(6)、套环(2)都为不锈钢材料。