CN1982234A - 砷污染水体的植物修复方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境工程技术领域，涉及环境修复技术，具体涉及砷污染水体植物修复的方法。该方法应用设计好的特殊装置，使砷超富集植物——蜈蚣草(Pteris vittata L.)直接漂浮生长在砷污染水体中，通过定期收割其地上部带走水体中的砷，达到降低水体中砷含量和净化水质的目的。该方法对污染水体的pH值没有十分严格的要求，对不同形态的砷均有很好的去除效果，具有投资少和维护成本低、工程量小、能耗低、容易维护、操作简单、砷去除效率高、不产生二次污染等优点，是一种适用范围广、效果好的“绿色修复技术”，可用于各种受砷污染水体的修复和污染治理，修复后的水质能够达到国家相关水质标准的要求。

Description

砷污染水体的植物修复方法及装置

技术领域

本发明涉及一种修复砷污染水体的方法和装置。具体说是利用超富集植物(hyperaccumulator)蜈蚣草(Pteris vittata L.)修复受砷污染水体的方法。

背景技术

砷是一种致癌、致畸元素，对人体的免疫系统造成一定的危害。水体砷污染会给人体健康带来巨大威胁(National Research Council，Arsenic in drinking Water.National Academy Press，2001)。长期饮用砷含量为50μg/L的水源会使人类的癌症发病率高达13‰(Pontius etal.，Journal of the American Water Works Association，1994，86：52-63)，或产生一些其他的不良影响，比如皮肤角质化和听力减弱等。为了避免以上砷污染风险的产生，美国环境保护署(USEPA)已建议将饮用水中砷的浓度标准降至10μg/L。在我国的许多地区，比如台湾、新疆、陕西、内蒙古，存在大量饮用水中砷含量过高的问题，直接威胁着当地居民的健康。台湾地区井水的砷含量可达到1.8mg/L(庄金陵，《矿产与地质》，2003年第95期177-178页)。我国湖南有些地区，饮用水砷含量高达1-2mg/L(刘志晖和刘敏，《实用预防医学》，1997年第6卷第4期75-77页)。随着饮用水砷浓度标准的降低，我国水体砷污染的去除技术将面临更为严峻的挑战。

现有的砷污染水体的去除技术(如化学沉淀法、石灰软化法、膜吸法、胶体浮离法等)具有很大的局限性，特别是在治理费用及产生的有害废物的处理等方面仍存在不足。目前大多数可用的砷处理技术在利用一些吸附剂去除水体中的砷之前，还必须用一些化学物质调节水体的pH值，并将亚砷酸盐转化成砷酸盐，以达到最佳的去除效率，这就需要相关的操作人员具有较高的专业水平或经过专业培训。

植物修复(phytoremediation)是一种新兴的治理修复污染环境的方法，由于其具有简便、成本低、效率高和对环境友好等特点而备受关注。蜈蚣草是一种砷超富集植物，可在含砷量高达23400mg/kg的矿渣中正常生长；在水培条件下其羽叶的含砷量可高达27000mg/kg。与普通植物相比较，蜈蚣草对砷有极强的耐受和富集能力(陈同斌等，《科学通报》，2002年第47卷第3期207-210页)。2002年，陈同斌、安志装曾申请利用另一种砷超富集植物——大叶井口边草修复砷污染环境的发明专利(陈同斌等，一种修复砷污染环境的方法，专利申请号：02152415.7)。但是，根据我们后来的研究结果，与大叶井口边草相比，蜈蚣草的生物量较大、对砷的吸收效率更高，因此在许多情况下其对砷污染水体的修复效果更好。

发明内容

本发明的目的是提供一种砷污染水体的植物修复方法，采用蜈蚣草，其比大叶井口边草的生物量大、生长速度快、对砷的富集能力更强，因此应用于砷污染水体的修复，其效果更好。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是公开一种砷污染水体的修复方法，其将蜈蚣草植株种植在受砷污染的水体表面，定期进行留茬收割，并将收获物转移到其他地方集中处理。

所述的砷污染水体的修复方法，其包括步骤：

a、在地面苗圃培植蜈蚣草，将地上部高度为15～25cm的蜈蚣草进行移栽；

b、移栽前，先用海绵或棉花将蜈蚣草茎部裹住；

c、将裹好海绵或棉花的蜈蚣草放入支撑盘中，每盘移栽2～3株植株；

d、将植入蜈蚣草的支撑盘置于漂移物的种植孔中，待漂移物上每一个种植孔中都放有蜈蚣草后，把漂移物漂移在砷污染水体的水面上；

e、待蜈蚣草长至40～50cm，留茬5～10cm进行收割，将收割的蜈蚣草水上部分收集起来，进行集中处理；

f、留茬后的蜈蚣草可继续生长，待蜈蚣草长至40～50cm之后，再进行步骤e的操作，循环至一个生长周期。

所述的砷污染水体的修复方法，其还包括：蜈蚣草在水体表面生长时，在蜈蚣草的根系水体附近放置供氧或充气设备，每天给蜈蚣草根系附近的水提供氧，保证其根部正常生长。

所述的砷污染水体的修复方法，其还包括：蜈蚣草在水面种植过程中，根据具体的生长介质和营养元素的含量情况，施用氮磷钾养分，以促进其生长。

所述的砷污染水体的修复方法，其所述漂移物上蜈蚣草的行距为10～15cm、纵距为8～12cm。

所述的砷污染水体的修复方法，其所述收集的蜈蚣草水上部分，进行集中处理以免二次污染，是异地焚烧或深埋。

所述的砷污染水体的修复方法所使用的装置，包括漂移物和支撑盘；其漂移物厚度在2～4cm之间，漂移物上设有复数个种植孔，种植孔成阵列排列，种植孔的直径为5～10cm；支撑盘呈碗状，高5～8cm，上底边直径为6～12cm，略大于种植孔的直径，下底边直径为4～9cm，略小于种植孔的直径，置于种植孔中；支撑盘内壁用橡胶加厚或在其内腔设置海绵或棉花。

所述的装置，其所述漂移物上种植孔的行距为10～15cm、纵距为8～12cm。

所述的装置，其所述漂移物，为平板状，由木板或塑料泡沫板做成；支撑盘，是塑料制品。

与目前已有的装置比较，本发明设计的装置具有以下优点：能够更好的固定植株；通过使用支撑盘能避免植株根部粘附在漂浮板上，更有利于根系生长；通过在植株茎部缠绕海绵或棉花能避免移栽过程对植株造成伤害；方便植物收获。

附图说明

图1本发明所用蜈蚣草水体栽培装置示意图；图1a为漂移物示意图，图1b为支撑盘示意图，图1c为蜈蚣草植株示意图，图1d为蜈蚣草茎部包裹了海绵或棉花的示意图，图1e为移栽了蜈蚣草植株的支撑盘示意图，图1f为种植孔种满蜈蚣草植株的漂移物示意图；

图2水体不同砷浓度对蜈蚣草地上部砷吸收的影响曲线图；

图3为蜈蚣草对水体中不同形态砷的吸收曲线图；图3a表示通过种植蜈蚣草，水体中As(III)浓度随处理时间的变化曲线图；图3b表示通过种植蜈蚣草，水体中总砷浓度随处理时间的变化曲线图。

具体实施方式

本发明涉及以蜈蚣草为材料，修复砷污染水体的方法和装置。该方法主要通过在砷污染水体中直接种植砷超富集植物(hyperaccumulator)—蜈蚣草(Pteris vittata L.)，通过定期收割其地上部带走大量的砷，从而达到从污染水体中快速清除砷污染物，达到修复砷污染的目的。

以下结合附图1对本砷污染水体修复方法和装置作进一步的描述。

图1为蜈蚣草水体栽培装置示意图，其中，图1a为漂移物示意图，图1b为支撑盘示意图，图1c为蜈蚣草植株示意图，图1d为蜈蚣草茎部包裹了海绵或棉花的示意图，图1e为移栽了蜈蚣草植株的支撑盘示意图，图1f为种植孔种满蜈蚣草植株的漂移物示意图。如图1所示，该水体栽培装置包括漂移物1和支撑盘3，漂移物1为平板状，由木板或塑料泡沫板做成，厚度在2～4cm之间，漂移物1上设有复数个种植孔2，种植孔2成阵列排列，种植孔2的直径为5～10cm。支撑盘3是特制的塑料制品，呈碗状，高5～8cm，上底边直径为6～12cm，大于种植孔2的直径，下底边直径为4～9cm，小于种植孔2的直径，置于种植孔2中；支撑盘3内壁用橡胶4加厚或在其内腔中设置海绵或棉花5。

漂移物1上种植孔2的行距为10～15cm、纵距为8～12cm。

本发明用水体栽培装置修复砷污染水体的方法，包括：

(1)在地面苗圃培植蜈蚣草6，将地上部高度为15～25cm的蜈蚣草6进行移栽；

(2)移栽前，先用海绵或棉花5将蜈蚣草6茎部裹住，一方面有支撑植株的作用，另一方面可以防止移栽对植株造成机械损伤；

(3)将裹好的蜈蚣草6放入特制的塑料支撑盘3中，每盘移栽2～3株植株；

(4)将植入蜈蚣草6的支撑盘3置于漂移物1的种植孔2中，待漂移物1上每一个种植孔2中都放有蜈蚣草6后，把漂移物1漂移在砷污染水体的水面上；

(5)待蜈蚣草6长至40～50cm，留茬5～10cm进行收割，将收割的蜈蚣草6水上部分收集起来，进行集中处理；

(6)留茬后的蜈蚣草6可继续生长，之后再进行步骤(5)操作，循环至一个生长周期；

(7)蜈蚣草6在水体中生长时，应在蜈蚣草6的根系附近放置供氧或充气设备，每天给蜈蚣草6根系供氧，保证其根部正常生长。

蜈蚣草6在酸性、中性和碱性土壤中均能正常生长，因此对环境的pH值没有很严格的要求。在种植过程中应根据具体的生长介质和营养元素的含量情况适当施用一些氮磷钾养分，以促进其生长。

收集的蜈蚣草6水上部分，进行集中处理以免二次污染，是异地焚烧或深埋。

以下是利用蜈蚣草进行砷污染水体修复的实施例。

实施例一：人工配制不同浓度的含砷溶液，As以Na₂HAsO₄的形式加入，设2个浓度水平：10和30mg/L，含砷溶液用NaOH或HCl调整pH至6.0±0.1。从预先培育的蜈蚣草6中挑选高度长势较一致的植株按照文中所述的实验方法及装置分别漂浮种植在已配好的含砷水体中。温室中每天光照为14h，光照强度为450μE·m^-2·s^-1，昼夜温度分别为23～25℃/20～22℃，温室湿度控制在50％左右。分别在0、3、9、18天测定蜈蚣草6地上部砷浓度，重复3次。从图2可以看出蜈蚣草6对砷有非常强的吸收能力，蜈蚣草6在水溶液中生长3天后，其地上部已有大量砷的积累，随着生长时间的延长，砷吸收量明显增加。

实施例二：污染水体中砷浓度为1mg/L，蜈蚣草6植株的来源和种植条件与实施例一相同。挑选高度长势较一致的植株按照文中所述的装置漂浮种植在10L水体中。待蜈蚣草6生长30天后，分别测定植株羽叶、叶柄和根中砷的浓度。发现各部位对砷的富集能力表现为羽叶＞叶柄＞根，羽叶中的砷浓度最高可达到4366mg/kg，根部的平均浓度为394mg/kg，每个种植孔中蜈蚣草6地上部的砷累计量平均可达到1.0mg。表明蜈蚣草6能够大量吸收污染水体中的砷并将其转移到地上部。经过30天的种植，水体的砷浓度也由原来的1mg/L降低到0.05mg/L。

实施例三：设置添加As(V)(Na₂HAsO₄)或As(III)(NaAsO₂)两种砷形态处理，使营养液中砷浓度达到10mg/L。蜈蚣草6植株的来源和种植条件与实施例一相同。将蜈蚣草6植株移栽至文中所述的装置中，培养过程中每隔3天更换营养液，以保持砷的浓度和形态。30天后分别测定植株地上部和根部的砷浓度。结果发现蜈蚣草6地上部对As(V)和As(III)的富集量平均分别为1.4和1.3mg/株，根部对As(V)和As(III)的富集量均在0.05mg/株左右。说明蜈蚣草6对As(V)或As(III)均有很强的富集功能。

实施例四：试验设As(V)∶As(III)＝3∶1、1∶1和1∶3等3个处理，As(V)以Na₂HAsO₄的形式加入，As(III)以NaAsO₂的形式加入，溶液中砷浓度均12mg/L。含砷溶液用NaOH或HCl调整pH至6.5±0.1。蜈蚣草6植株的来源与种植条件与实施例一相同。利用文中所述的装置使蜈蚣草6植株生长于配制好的含砷溶液中。在蜈蚣草6生长过程中于不同时期测定含砷溶液中砷的浓度。见图3，图3a表示通过种植蜈蚣草，水体中As(III)浓度随处理时间的变化曲线图；图3b表示通过种植蜈蚣草，水体中总砷浓度随处理时间的变化曲线图。从图3可以看出，通过种植蜈蚣草6，无论是As(III)或总砷，其浓度水平均随着处理时间的延长而降低；在12mg/L的砷浓度水平下，经过96h的培养，蜈蚣草6能够大量吸收溶液中的砷，使不同As(V)/As(III)配比溶液中的总砷浓度降低50％左右；蜈蚣草6能够大量吸收溶液中的As(III)，其浓度的降低幅度大于溶液总砷的降低幅度。

Claims (9)

1.一种砷污染水体的植物修复方法，其特征在于，将蜈蚣草植株种植在受砷污染的水体表面，定期进行留茬收割，并将收获物转移到其他地方集中处理。

2.如权利要求1所述的砷污染水体的修复方法，其特征在于，包括步骤：

a、在地面苗圃培植蜈蚣草，将地上部高度为15～25cm的蜈蚣草进行移栽；

b、移栽前，先用海绵或棉花将蜈蚣草茎部裹住；

c、将裹好海绵或棉花的蜈蚣草放入支撑盘中，每盘移栽2～3株植株；

d、将植入蜈蚣草的支撑盘置于漂移物的种植孔中，待漂移物上每一个种植孔中都放有蜈蚣草后，把漂移物漂移在砷污染水体的水面上；

e、待蜈蚣草长至40～50cm，留茬5～10cm进行收割，将收割的蜈蚣草水上部分收集起来，进行集中处理；

f、留茬后的蜈蚣草可继续生长，待蜈蚣草长至40～50cm之后，再进行步骤e的操作，循环至一个生长周期。

3.如权利要求2所述的砷污染水体的修复方法，其特征在于，还包括：蜈蚣草在水体表面生长时，在蜈蚣草的根系水体附近放置供氧或充气设备，每天给蜈蚣草根系附近的水提供氧，保证其根部正常生长。

4、如权利要求2所述的砷污染水体的修复方法，其特征在于，还包括：蜈蚣草在水面种植过程中，根据具体的生长介质和营养元素的含量情况，施用氮磷钾养分，以促进其生长。

5、如权利要求2所述的砷污染水体的修复方法，其特征在于，所述漂移物上蜈蚣草的行距为10～15cm、纵距为8～12cm。

6、如权利要求1或2所述的砷污染水体的修复方法，其特征在于，所述收集的蜈蚣草水上部分，进行集中处理以免二次污染，是异地焚烧或深埋。

7、如权利要求1或2所述的砷污染水体的修复方法所使用的装置，包括漂移物和支撑盘；其特征在于，漂移物厚度在2～4cm之间，漂移物上设有复数个种植孔，种植孔呈阵列排列，种植孔的直径为5～10cm；支撑盘呈碗状，高5～8cm，上底边直径为6～12cm，大于种植孔的直径，下底边直径为4～9cm，小于种植孔的直径，置于种植孔中；支撑盘内壁用橡胶加厚或在其内腔设置海绵或棉花。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述漂移物上种植孔的行距为10～15cm、纵距为8～12cm。

9、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述漂移物，为平板状，由木板或塑料泡沫板做成；支撑盘，是塑料制品。

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