CN107572660A - 基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇潜流湿地 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇潜流湿地，重金属废水经过在最左端和第一挡板（33）限定的植土层（29）、卵石层（28）和砂层（27）处理后进入由第二挡板（34）和第一挡板（33）限定的芦苇生物炭层（26）和砂层（27）中处理，然后经过在第二挡板（34）和第三挡板（35）限定的植土层（29）、卵石层（28）和砂层（27）处理后进入由第三挡板（35）和第四挡板（36）限定的芦苇生物炭层（26）和砂层（27）中处理，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形，被处理的重金属废水从排水口（32）排出，其中，压水管道（31）给潜流湿地部分中的重金属废水提供辅助的水流动力。

Description

基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇 潜流湿地

技术领域

本发明涉及重金属废水处理领域，特别是一种基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇潜流湿地。

背景技术

重金属污染一直是环境研究热点，其来源广泛，并以土壤、大气为载体，重金属广泛分布于环境中。其中大气中的重金属来源多为燃煤、冶金、采矿等工业活动，至于土壤中的重金属则多以汽车尾气等人类活动为主要来源。重金属极难降解，并且危害极大，一能通过地表径流污染水体，二能破坏土壤的物理、化学性质，三能通过污水灌溉污染作物，导致作物绝收，更有甚者能通过食物链进入人体，引发各种病症，严重危害人类身体健康。在重金属的诸多危害中，对人体的危害是我们最为关心的。汞及其化合物都是很危险的有毒物质。汞是重金属“五毒”之一，是全球性的高毒性环境污染物，汞及其衍生物有机汞因具有持久性、易迁移性、高生物富集性等特性，可在环境和食物链中长期存在，并可远距离迁移并通过食物链进入人体而造成不可逆转的危害。因此，研究怎样从环境去除汞及其衍生物具有重要意义。

目前处理废水中汞污染的方法主要有化学沉淀法、微电解-混凝沉淀法、吸附法等。其中吸附法利用范围广，活性炭、沸石及矿物材料等都是高效的吸附材料，近年来相关研究成果显示天然的生物质材料也有较高的吸附率。由于生物质材料价格低廉、来源广泛且处理效率高，因此越来越受到人们的青睐。生物炭(Biological carbon，简称BC)是一种利用生物有机物质如木材、焦炭、石油焦、煤和各种坚果壳等制造出来的的具有非常发达的孔隙结构和大比表面积的多孔炭材料，是一种非常优质的吸附剂。随着目前工业的发展，生物炭的应用越来越广泛。生物炭是一种优良的脱汞吸附剂，许多学者利用生物炭作为吸附剂，并对其改性，进行汞吸附研究，会发现活性炭对汞的吸附量非常可观。最近几年来，对活性炭研究的热点之一是利用廉价的农林废弃物为原料和简单清洁的工艺来制各经济效益高吸附性能好的生物质活性炭。若将农林废弃物有效地加以利用，变废为宝，不但能够创造一定的经济效益，还可以减小其对环境的污染，达到以废治废的目的。芦苇是一种来源十分广泛的的农业废弃物，芦苇多生长在浅水区以及灌溉沟渠旁、河堤沼泽地等，在我国分布广泛，芦苇常用来美化环境，常备种植在公园、池塘、河道等周围。但是枯萎后，芦苇遗体成为了巨大的废弃物，处置不当会严重污染环境。因此，芦苇废弃物的量很大。故此芦苇制成生物炭可以减缓环境压力，保护环境的同时，达到以废治废的效果。

专利文献1公开的一种人工潜流湿地污水处理的高效模块包细滤料层，设置在底部；粗滤料层，设置在所述细滤料层上；多孔布水管，设置在所述粗滤料层的一侧；带孔集水管，设置在所述细滤料层中间位置；出水管，设置在所述粗滤料层的另一侧；进水槽，与所述多孔布水管相连接；进水钢筋混泥土盖板，盖设在所述进水槽上；以及检修口，设置在所述混泥土盖板上。该专利采用多孔管道布水，从上进下出收集，去污能力强，但该专利不适合重金属废水的处理，不能有效降低重金属含量，治理重金属废水效果差且使用寿命短。

专利文献2公开的一种稳定高效的人工湿地污水处理系统包括常规污水预处理系统和人工湿地，湿地类型为潜流型人工湿地，常规污水预处理系统包括格栅井、调节池和沉淀池，人工湿地包括布水装置、集水装置、池体、装填在池体内的湿地基质和种植于基质上的植物，污水预处理系统和人工湿地由管道连通，湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层、中间层和表层，底层包括卵石，中间层主要由砾石、碎石或陶粒中的一种或一种以上与生物炭材料混合组成，表层包括粗砂和生物炭材料，底层为卵石层，厚度为20-40cm，中间层厚度为60-100cm，表层厚度为10-30cm，种植于基质上的植物为灌木型柳树无性系，生物炭材料以柳树生物质为原料在250-800℃和缺氧条件下炭化1-6小时后粉碎制成。该专利使用的生物炭材料比表面积大、吸附能力强、多微孔，但该专利中的生物炭材料用于吸附废水中的重金属的吸附能力仍需要加强，该湿地的吸附路径小且受限于湿地的面积，为了达到更好的重金属处理能力，需要对湿地和生物炭进行改进。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：中国专利公开CN205275306U号

专利文献2：中国专利公开CN102531179 A号

发明内容

发明要解决的问题

如上所述，现有技术中的生物炭比表面积和孔容积有待提高，吸附量和吸附速度也需要提升从而整体上提高生物炭吸附重金属的吸附能力，另外，潜流湿地的吸收流径受限于湿地面积，潜流湿地的处理能力及使用寿命有待提高。

解决问题的方案

本发明人等为了达成上述目的而进行了深入研究，具体而言，在本发明的第一方面，本发明提供了一种基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法，其步骤包括：

第一步骤中，从下到上依次铺设芦苇生物炭层、砂层、卵石层和植土层形成潜流湿地部分，所述植土层种植芦苇，所述芦苇生物炭层中的芦苇生物炭制备工艺包括，首先通过破碎设备粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒在氮气保护下于马弗炉中以8-10 ℃/min的速度升温至350-400 ℃且持续5-6小时得到芦苇生物炭颗粒，所述芦苇生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150-160 ℃搅拌2-3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5-6，然后以40-50 ℃真空干燥6-7小时获得芦苇生物炭。

第二步骤中，所述潜流湿地部分的左端为重金属废水进入端，右端为排出端，在最左端的植土层中设有用于输入重金属废水的入水口，在最左端的芦苇生物炭层设有用于提供水流动力的压水管道，在最右端的芦苇生物炭层设有排水口。

第三步骤中，从左端到右端依次设有垂直插入砂层、卵石层和植土层的第一挡板、垂直插入砂层和芦苇生物炭层的第二挡板、垂直插入砂层、卵石层和植土层的第三挡板以及垂直插入砂层和芦苇生物炭层的第四挡板，其中，第一挡板靠近最左端，第四挡板靠近最右端。

第四步骤中，当重金属废水从入水口流入植土层，重金属废水经过在最左端和第一挡板限定的植土层、卵石层和砂层处理后进入由第二挡板和第一挡板限定的芦苇生物炭层和砂层中处理，然后经过在第二挡板和第三挡板限定的植土层、卵石层和砂层处理后进入由第三挡板和第四挡板限定的芦苇生物炭层和砂层中处理，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形，然后被处理的重金属废水从排水口排出，其中，压水管道给所述潜流湿地部分中的重金属废水提供辅助的水流动力。

在所述的处理方法中，第一步骤中，所述乙二醇溶液中的芦苇生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。

在所述的处理方法中，第一步骤中，芦苇进行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，所述水溶液中的芦苇颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40)；所述混合物在马弗炉中氮气下以9 ℃/min的速度升温至380 ℃且持续5小时得到芦苇生物炭颗粒。

在所述的处理方法中，第一步骤中，加入盐酸溶液调节pH值为5。

在所述的处理方法中，第二步骤中，排水口设有过滤设备和/或电泵。

在所述的处理方法中，第二步骤中，所述入水口在垂直方向上均布在植土层的上半部分。

在所述的处理方法中，第三步骤中，所述第一、第二、第三和第四挡板由不透水材料制成，第一和第四挡板之间间隔布置多个分别垂直插入砂层、卵石层和植土层以及垂直插入砂层和芦苇生物炭层的挡板。

根据本发明的第二方面，一种制备芦苇生物炭层的制备系统包括预处理装置、混合装置、炭化装置、处理装置和控制装置。

所述预处理装置包括用于清洗芦苇的清洗设备、烘干设备和用于粉碎芦苇的破碎设备，所述烘干设备设有第一温度传感器，所述破碎设备设有转速传感器。

所述混合装置设有定量注入水溶液的输液阀、第一浓度传感器和用于干燥所述水溶液的干燥模块，所述干燥模块设有第二温度传感器。

所述炭化装置包括马弗炉和第三温度传感器。

所述处理装置设有定量注入乙二醇溶液的注液阀、第二浓度传感器、酸碱度传感器、用于定量加入酸溶液的注酸口、用于搅拌的搅拌器、加热模块和真空干燥器，其中，加热模块和真空干燥器分别设有第四温度传感器和第五温度传感器。

所述控制装置连接所述第一、第二、第三、第四和第五温度传感器、第一、第二浓度传感器、酸碱度传感器和转速传感器并分别控制所述烘干设备、干燥模块、加热模块和真空干燥器的温度、破碎设备的转速、混合装置和处理装置的浓度。

在所述的制备系统中，控制装置包括通用处理器、数字信号处理器、PLC控制板、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制装置包括存储器，所述存储器为一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

根据本发明的第三方面，一种实施所述基于芦苇的潜流湿地的重金属废水处理方法的芦苇潜流湿地包括用于输入重金属废水的入水口、潜流湿地部分和排水口，所述潜流湿地部分从下到上依次铺设芦苇生物炭层、砂层、卵石层和植土层，其中，所述植土层种植芦苇，在最左端的植土层中设有用于输入重金属废水的入水口，所述芦苇生物炭层由权利要求8或9所述的制备系统制成，在最左端的芦苇生物炭层设有用于提供水流动力的压水管道，在最右端的芦苇生物炭层设有排水口，从左端到右端依次设有垂直插入砂层、卵石层和植土层的第一挡板、垂直插入砂层和芦苇生物炭层的第二挡板、垂直插入砂层、卵石层和植土层的第三挡板以及垂直插入砂层和芦苇生物炭层的第四挡板，其中，第一挡板靠近最左端，第四挡板靠近最右端，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形。

发明的效果

根据本发明的基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇潜流湿地，本发明通过铁粒子等能够分布在芦苇生物炭的微孔中，使得微孔胀大，进一步提高芦苇生物炭的比表面积和孔容积，本发明的芦苇生物炭吸附量大，吸附能力显著提高，芦苇生物炭上吸附有锡粒子、铁粒子和锌粒子等增强生物炭的亲水性，提高生物炭的比表面积和孔容积，显著提高了生物炭的吸附容量，本发明的芦苇潜流湿地设计的S形流径以及压水管道提高了芦苇潜流湿地的处理重金属废水的能力和延长了使用寿命，因此，本发明的技术方案克服了现有技术的技术缺陷，取得了显著的技术效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

[图1] 示出了本发明的一个实施例的基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法的步骤示意图。

[图2] 示出了本发明的一个实施例的芦苇生物炭与现有生物炭动力学吸附曲线比较图。

[图3] 示出了本发明的另一个实施例的芦苇生物炭与现有生物炭等温吸附曲线比较图。

[图4] 示出了本发明的另一个实施例的芦苇生物炭与现有生物炭不同pH对汞的吸附量影响曲线比较图。

[图5] 示出了本发明的另一个实施例的制备系统的结构示意图。

[图6] 示出了本发明的一个实施例的实施基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法的芦苇潜流湿地的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

具体而言，如图1所示的本发明的基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法的步骤示意图，如图1所示，基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法步骤包括：

第一步骤S1中，从下到上依次铺设芦苇生物炭层26、砂层27、卵石层28和植土层29形成潜流湿地部分，所述植土层29种植芦苇，所述芦苇生物炭层26中的芦苇生物炭制备工艺包括，首先通过破碎设备8粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒在氮气保护下于马弗炉中以8-10 ℃/min的速度升温至350-400 ℃且持续5-6小时得到芦苇生物炭颗粒，所述芦苇生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150-160 ℃搅拌2-3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5-6，然后以40-50 ℃真空干燥6-7小时获得芦苇生物炭。通过处理，本发明的芦苇生物炭吸附量大，吸附能力显著提高，芦苇生物炭上吸附有铁粒子和锌粒子等增强生物炭的亲水性，提高生物炭的比表面积和孔容积，显著提高了生物炭的吸附容量。

第二步骤S2中，所述潜流湿地部分的左端为重金属废水进入端，右端为排出端，在最左端的植土层29中设有用于输入重金属废水的入水口30，在最左端的芦苇生物炭层26设有用于提供水流动力的压水管道31，在最右端的芦苇生物炭层26设有排水口32。

第三步骤S3中，从左端到右端依次设有垂直插入砂层27、卵石层28和植土层26的第一挡板33、垂直插入砂层27和芦苇生物炭层26的第二挡板34、垂直插入砂层27、卵石层28和植土层29的第三挡板35以及垂直插入砂层27和芦苇生物炭层26的第四挡板36，其中，第一挡板33靠近最左端，第四挡板36靠近最右端。

第四步骤S4中，当重金属废水从入水口30流入植土层29，重金属废水经过在最左端和第一挡板33限定的植土层29、卵石层28和砂层27处理后进入由第二挡板34和第一挡板33限定的芦苇生物炭层26和砂层27中处理，然后经过在第二挡板34和第三挡板35限定的植土层29、卵石层28和砂层27处理后进入由第三挡板35和第四挡板36限定的芦苇生物炭层26和砂层27中处理，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形，被处理的重金属废水从排水口32排出，其中，压水管道31给所述潜流湿地部分中的重金属废水提供辅助的水流动力。

本发明的基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法通过植土层的芦苇植物吸收、潜流湿地过滤处理以及通过加工处理的芦苇生物炭吸附重金属，能够显著提高废水中的重金属处理能力，通过多个挡板形成的S形流径能够有效地对植土层上面的整个表面的污水来源处理，压水管道31能够有效降低人工湿地堵塞，使用寿命长，便于维护且去污能力显著提高，由于芦苇生物炭通过芦苇制备，进一步提高了经济效益，且避免了吸收了重金属的芦苇造成二次污染。

为了进一步说明本发明的加工处理的芦苇生物炭的显著性能，以吸收汞为例，将本发明制备的芦苇生物炭和现有生物炭进行动力吸附对比，汞的初始浓度为40mg/l,向锥形瓶中准确加入生物炭和原样0.4g,再向每个锥形瓶中加入24ml浓度为0.1mol/l硝酸钠，为试验中提供0.01mol/l的离子环境，最后加蒸馏水定容至160ml。同时做双平行实验。记录各样品初始pH值。将处理好的沉积物溶液摇10min 后，静置，并且同时开始计时，在相应的时间点上5min,10min,30min,1h,2h,4h,6h,12h,24h取上清液1ml或5ml到翻泡瓶中，用蒸馏水定容到30ml,加入2ml SnCl₂溶液，用测汞仪测定并记录。测定获得如图2所示的芦苇生物炭与现有生物炭动力学吸附曲线比较图。由图2可以清楚的看出，芦苇生物炭与现有生物炭对汞离子的吸附量在动力学实验中有着相同的变化趋势。都是在随着自变量时间的变化而迅速增加，并且在短时间内迅速达到平衡。在吸附开始的一段时间内，吸附量的增加速度非常快，大概在6h左右，吸附量达到了平衡值。芦苇生物炭对汞离子的吸附量整体上要比现有生物炭要高，芦苇生物炭吸附汞离子的最大量为15449.60μg/g,现有生物炭对汞离子的最大吸附量为15113.09μg/g.芦苇生物炭比现有生物炭对汞离子的吸附量增加了336.51μg/g。

为了进一步说明本发明制备的芦苇生物炭的显著性能，以吸收汞为例，将本发明制备的芦苇生物炭和现有生物炭进行等温吸附对比，设定汞离子初始质量浓度mg/L：5、15、40、80、120、160、200，芦苇生物炭和现有生物炭的添加量都为0.1 g。向离心管中加入0.01ml/L的硝酸钠作为支持电解质，最后用蒸馏水定容至40 ml，每种样品做两个平行。具体操作如下：准确称取0.1 g样品于50 mL离心管中，按照汞离子浓度要求分别加入一定体积的汞标准贮备液，用硝酸钠调节背景离子浓度为0.01 mol/L，用蒸馏水定容至40 mL在室温下，在振荡器中以120 r/min振荡，震荡时间为6 h，震荡过程中，为防止样品沉淀，需每隔半小时把离心管取出，手动晃荡离心管，以达到固液分离，静置2 h，后以2500 r/min离心6min。吸取出相应样品1 ml或5 ml，倒入翻泡瓶中加蒸馏水定容至30 ml，加入2 ml SnCl2溶液，用测汞仪测定。将结果处理后制成如图3所示的芦苇生物炭与现有生物炭等温吸附曲线比较图，由该图3可以看出，芦苇生物炭和现有生物炭对汞离子的吸附量都受平衡汞浓度的影响，并且现有生物炭对汞离子的吸附量整体上要比芦苇生物炭要低。汞浓度平衡后芦苇生物炭要比现有生物炭要高，芦苇生物炭吸附量最大值为143336.08 µg/g, 现有生物炭的吸附量最大值为100049.23 µg/g. 二者的吸附量的最大值之间相差了43286.59 µg/g. 芦苇生物炭的最大吸附量约比现有生物炭吸附量增加了1/2左右。从整体上来看，芦苇生物炭和现有生物炭对汞离子的吸附量与平衡后汞浓度之间的关系都是呈现一个递增的趋势，吸附量随着平衡汞浓度的增大而增加，并切一开始的增幅较快，随着平衡汞浓度的增大，增幅有变缓的趋势。平衡汞浓度在20 µg/ml左右时，趋势开始变缓。芦苇生物炭和现有生物炭二者对汞的吸附量在平衡汞浓度较低的情况下差异不是很明显，在汞浓度较低的情况下在低于7 µg/ml是二者的吸附量基本一致。这主要是由于重金属浓度低时，重金属离子仅仅是被吸附在生物炭的表面，随着其溶液浓度的增大，重金属会被吸附到生物炭内部结构中，从而得到较高的去除率。

为更好的体现芦苇生物炭和现有生物炭之间的差异，和二者受平衡汞浓度影响的吸附量的变化趋势，对等温吸附试验的数据分别用Freµndlich方程，Langmµir方程和Temkin方程进行了拟合，拟合参数表如表1所示。

表1.吸附等温线拟合参数

表中Langmμir方程中的a为吸附剂与吸附质之间的亲和力的一个参数L/mg),a值越大,吸附亲和力越大；Qm为最大吸附量mg/g；n为Freμndlich方程的指数；Kf为吸附容量参数；Freμndlich方程中的n值可作为土壤对重金属离子吸附作用强弱的指标，n值越大，则表示生物质炭对重金属离子吸附作用力愈强。从表1中可以看出，芦苇生物炭的n值为1.31，而现有生物炭的n值为0.71，说明芦苇生物炭比现有生物炭对汞的吸附亲和力更大，吸附效果更好。并且Kf值芦苇生物炭比现有生物炭大，所以芦苇生物炭的吸附容量比现有生物炭效果更好。由Langmμir方程可知芦苇生物炭的最大吸附量为1.43×10⁵μg/g，而现有生物炭的最大吸附量为1.06×10⁵μg/g，说明芦苇生物炭比现有生物炭的吸附量更大。由Temkin方程可以看出芦苇生物炭吸附量明显大于现有生物炭。

为了进一步说明本发明制备的芦苇生物炭的显著性能，以吸收汞为例，将本发明制备的芦苇生物炭和现有生物炭进行pH对比，汞离子的初始浓度为20mg/L，生物炭的添加量为0.1g，pH值1、3、5、7、9、11，用盐酸和氢氧化钠调溶液的pH。固液比为1:400，最后将溶液体积用蒸馏水定容至40ml，也做双平行实验。仍然用0.01mol/L硝酸钠作为支持电解质。具体操作如下：准确称取0.1g生物炭于50ml离心管中，分别加入8ml的质量浓度为20mg/l的汞标准贮备液，用硝酸钠溶液调节溶液的背景离子浓度为0.01mol/L，最后用蒸馏水将溶液定容至40mL，在室温下以120r/min振荡6h，每隔半小时需将离心管取出，手动晃动离心管，达到固液分离。取出静止2h，后以2500r/min离心6min，取出样品到翻泡瓶中，加入蒸馏水定容至至30ml，加入2ml SnCl₂溶液，用测汞仪测定并记录。当设定汞离子浓度为20mg/L时，吸附量随pH的变化如图4所示的芦苇生物炭与现有生物炭不同pH对汞的吸附量影响曲线比较图。可以看出，芦苇生物炭与现有生物炭二者对汞离子的吸附量受pH值的影响较大，芦苇生物炭与现有生物炭在pH值较低的情况下对汞离子的吸附量较低，随着pH值的升高，二者对汞离子的吸附量迅速增加，并且在pH值大约在5左右时吸附量升到最大值，芦苇生物炭对汞离子的吸附量的最大 值为1588.5μg/g,现有生物炭的吸附量最大值为1578.80μg/g.说明最适合生物炭对汞离子的吸附的pH范围大约在5左右。随着pH值得继续增大，芦苇生物炭和现有生物炭对汞的吸附量有下降的趋势，但下降的数值很小，下降幅度不明显。说明在碱性条件下对芦苇生物炭和现有生物炭对汞的吸附影响不大。从整体数据来看，炭化芦苇和芦苇原样对汞的吸附量的影响较大的只是在pH较低的情况下，并且pH值越低时，影响效果越大，吸附量越小。在图4中，芦苇生物炭对汞离子的吸附量要比现有生物炭整体要高。

以上对比说明芦苇生物炭比现有生物炭更显著地吸附溶液中汞离子。

在本发明的所述的处理方法的优选实施例中，第一步骤S1中，所述乙二醇溶液中的芦苇生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。

在本发明的所述的处理方法的优选实施例中，第一步骤S1中，芦苇进行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备8粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，所述水溶液中的芦苇颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40)；所述混合物在马弗炉中氮气下以9 ℃/min的速度升温至380 ℃且持续5小时得到芦苇生物炭颗粒。

在本发明的所述的处理方法的优选实施例中，第一步骤S1中，加入盐酸溶液调节pH值为5。

在本发明的所述的处理方法的优选实施例中，第二步骤S1中，排水口32设有过滤设备和/或电泵。本发明可以根据具体需要，在排水口32设置过滤设备过滤所需的物质。例如，某些重金属污染严重的地区，可以设置重金属过滤器。

在本发明的所述的处理方法的优选实施例中，第二步骤S2中，所述入水口30在垂直方向上均布在植土层29的上半部分。

在本发明的所述的处理方法的优选实施例中，第三步骤S3中，所述第一、第二、第三和第四挡板33、34、35、36由不透水材料制成，第一和第四挡板33、36之间间隔布置多个分别垂直插入砂层27、卵石层28和植土层29以及垂直插入砂层27和芦苇生物炭层26的挡板。

在本发明的所述的处理方法的优选实施例中，砂层27包括1-1.5厘米的平均粒径的砂粒。

在本发明的所述的处理方法的优选实施例中，卵石层28包括5-6厘米的平均粒径的鹅卵石。本发明研究发现此范围内的鹅卵石可以在处理污水和处理速度上达到综合最优的效果。

本发明还提供了一种制备芦苇生物炭层的制备系统，制备系统包括预处理装置1、混合装置2、炭化装置3、处理装置4和控制装置5。

所述预处理装置1包括用于清洗芦苇的清洗设备6、烘干设备7和用于粉碎芦苇的破碎设备8，所述烘干设备7设有第一温度传感器9，所述破碎设备8设有转速传感器10。

所述混合装置2设有定量注入水溶液的输液阀11、第一浓度传感器12和用于干燥所述水溶液的干燥模块13，所述干燥模块13设有第二温度传感器14。

所述炭化装置3包括马弗炉15和第三温度传感器16。

所述处理装置4设有定量注入乙二醇溶液的注液阀17、第二浓度传感器18、酸碱度传感器19、用于定量加入酸溶液的注酸口20、用于搅拌的搅拌器21、加热模块22和真空干燥器23，其中，加热模块22和真空干燥器23分别设有第四温度传感器24和第五温度传感器25。

所述控制装置5连接所述第一、第二、第三、第四和第五温度传感器9、14、16、24、25、第一、第二浓度传感器12、18、酸碱度传感器19和转速传感器10并分别控制所述烘干设备7、干燥模块13、加热模块22和真空干燥器23的温度、破碎设备8的转速以及混合装置2和处理装置4的浓度。

在所述的制备系统的优选实施例中，控制装置5包括通用处理器、数字信号处理器、PLC控制板、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制装置5包括存储器，所述存储器为一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

在一个实施方式中，所述制备系统还设有远程控制器，所述远程控制器通过无线通信设备连接制备系统并发送和接收控制信号。所述无线通信设备包括蓝牙、ZigBee或Wi-Fi模块。

本发明还提供了一种实施基于芦苇的潜流湿地的重金属废水处理方法的芦苇潜流湿地，所述芦苇潜流湿地包括用于输入重金属废水的入水口30、潜流湿地部分和排水口32，所述潜流湿地部分从下到上依次铺设芦苇生物炭层26、砂层27、卵石层28和植土层29，其中，所述植土层29种植芦苇，在最左端的植土层29中设有用于输入重金属废水的入水口30，所述芦苇生物炭层26由权利要求8或9所述的制备系统制成，在最左端的芦苇生物炭层26设有用于提供水流动力的压水管道31，在最右端的芦苇生物炭层26设有排水口32，从左端到右端依次设有垂直插入砂层27、卵石层28和植土层29的第一挡板33、垂直插入砂层27和芦苇生物炭层26的第二挡板34、垂直插入砂层27、卵石层28和植土层29的第三挡板35以及垂直插入砂层27和芦苇生物炭层26的第四挡板36，其中，第一挡板33靠近最左端，第四挡板36靠近最右端，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形。

工业实用性

本发明的基于芦苇的潜流湿地的重金属废水处理方法、制备系统及芦苇的潜流湿地可以在重金属处理领域制造并使用。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种基于芦苇潜流湿地的重金属废水处理方法，其步骤包括：

第一步骤（S1）中，从下到上依次铺设芦苇生物炭层（26）、砂层（27）、卵石层（28）和植土层（29）形成潜流湿地部分，所述植土层（29）种植芦苇，所述芦苇生物炭层（26）中的芦苇生物炭制备工艺包括，首先通过破碎设备（8）粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒在氮气保护下于马弗炉中以8-10 ℃/min的速度升温至350-400 ℃且持续5-6小时得到芦苇生物炭颗粒，所述芦苇生物炭颗粒在含有氯化亚铁、氯化锌和硒粉的乙二醇溶液中通入氯气下以150-160 ℃搅拌2-3小时后，加入酸溶液调节pH值为4.5-6，然后以40-50 ℃真空干燥6-7小时获得芦苇生物炭；

第二步骤（S2）中，所述潜流湿地部分的左端为重金属废水进入端，右端为排出端，在最左端的植土层（29）中设有用于输入重金属废水的入水口（30），在最左端的芦苇生物炭层（26）设有用于提供水流动力的压水管道（31），在最右端的芦苇生物炭层（26）设有排水口（32）；

第三步骤（S3）中，从左端到右端依次设有垂直插入砂层（27）、卵石层（28）和植土层（26）的第一挡板（33）、垂直插入砂层（27）和芦苇生物炭层（26）的第二挡板（34）、垂直插入砂层（27）、卵石层（28）和植土层（29）的第三挡板（35）以及垂直插入砂层（27）和芦苇生物炭层（26）的第四挡板（36），其中，第一挡板（33）靠近最左端，第四挡板（36）靠近最右端；

第四步骤（S4）中，当重金属废水从入水口（30）流入植土层（29），重金属废水经过在最左端和第一挡板（33）限定的植土层（29）、卵石层（28）和砂层（27）处理后进入由第二挡板（34）和第一挡板（33）限定的芦苇生物炭层（26）和砂层（27）中处理，然后经过在第二挡板（34）和第三挡板（35）限定的植土层（29）、卵石层（28）和砂层（27）处理后进入由第三挡板（35）和第四挡板（36）限定的芦苇生物炭层（26）和砂层（27）中处理，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形，被处理的重金属废水从排水口（32）排出，其中，压水管道（31）给所述潜流湿地部分中的重金属废水提供辅助的水流动力。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，第一步骤（S1）中，所述乙二醇溶液中的芦苇生物炭颗粒、乙二醇、氯化亚铁、氯化锌和硒粉的质量份比例处于100:(600-800):(5-6) :(20-24) :(5-6)。

3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，第一步骤（S1）中，芦苇进行水洗后剪切成0.5-1.5厘米的小段，所述小段在70 ℃-80 ℃中烘干，烘干后的小段经破碎设备（8）粉碎后过60目筛得到芦苇颗粒，所述芦苇颗粒加入含有氯化亚锡和三氯化铁的水溶液中浸渍3-4小时后在80 ℃-90 ℃中干燥4-5小时得到混合物，所述水溶液中的芦苇颗粒、氯化亚锡和三氯化铁的质量份比例处于100:(5-8):(20-40)；所述混合物在马弗炉中氮气下以9 ℃/min的速度升温至380 ℃且持续5小时得到芦苇生物炭颗粒。

4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，第一步骤（S1）中，加入盐酸溶液调节pH值为5。

5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，第二步骤（S1）中，排水口（32）设有过滤设备和/或电泵。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的处理方法，其特征在于，第二步骤（S2）中，所述入水口（30）在垂直方向上均布在植土层（29）的上半部分。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的处理方法，其特征在于，第三步骤（S3）中，所述第一、第二、第三和第四挡板（33、34、35、36）由不透水材料制成，第一和第四挡板（33、36）之间间隔布置多个分别垂直插入砂层（27）、卵石层（28）和植土层（29）以及垂直插入砂层（27）和芦苇生物炭层（26）的挡板。

8.一种制备芦苇生物炭层的制备系统，其包括预处理装置（1）、混合装置（2）、炭化装置（3）、处理装置（4）和控制装置（5），其特征在于，

所述预处理装置（1）包括用于清洗芦苇的清洗设备（6）、烘干设备（7）和用于粉碎芦苇的破碎设备（8），所述烘干设备（7）设有第一温度传感器（9），所述破碎设备（8）设有转速传感器（10）；

所述混合装置（2）设有定量注入水溶液的输液阀（11）、第一浓度传感器（12）和用于干燥所述水溶液的干燥模块（13），所述干燥模块（13）设有第二温度传感器（14）；

所述炭化装置（3）包括马弗炉（15）和第三温度传感器（16）；

所述处理装置（4）设有定量注入乙二醇溶液的注液阀（17）、第二浓度传感器（18）、酸碱度传感器（19）、用于定量加入酸溶液的注酸口（20）、用于搅拌的搅拌器（21）、加热模块（22）和真空干燥器（23），其中，加热模块（22）和真空干燥器（23）分别设有第四温度传感器（24）和第五温度传感器（25）；

所述控制装置（5）连接所述第一、第二、第三、第四和第五温度传感器（9、14、16、24、25）、第一、第二浓度传感器（12、18）、酸碱度传感器（19）和转速传感器（10）并分别控制所述烘干设备（7）、干燥模块（13）、加热模块（22）和真空干燥器（23）的温度、破碎设备（8）的转速以及混合装置（2）和处理装置（4）的浓度。

9.根据权利要求8所述的制备系统，其中，

控制装置（5）包括通用处理器、数字信号处理器、PLC控制板、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，控制装置（5）包括存储器，所述存储器为一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

10.一种实施权利要求1-7中任一项所述基于芦苇的潜流湿地的重金属废水处理方法的芦苇潜流湿地，所述芦苇潜流湿地包括用于输入重金属废水的入水口（30）、潜流湿地部分和排水口（32），其特征在于：所述潜流湿地部分从下到上依次铺设芦苇生物炭层（26）、砂层（27）、卵石层（28）和植土层（29），其中，所述植土层（29）种植芦苇，在最左端的植土层（29）中设有用于输入重金属废水的入水口（30），所述芦苇生物炭层（26）由权利要求8或9所述的制备系统制成，在最左端的芦苇生物炭层（26）设有用于提供水流动力的压水管道（31），在最右端的芦苇生物炭层（26）设有排水口（32），从左端到右端依次设有垂直插入砂层（27）、卵石层（28）和植土层（29）的第一挡板（33）、垂直插入砂层（27）和芦苇生物炭层（26）的第二挡板（34）、垂直插入砂层（27）、卵石层（28）和植土层（29）的第三挡板（35）以及垂直插入砂层（27）和芦苇生物炭层（26）的第四挡板（36），其中，第一挡板（33）靠近最左端，第四挡板（36）靠近最右端，所述重金属废水在所述潜流湿地部分中的流径大致为S形。