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研究背景
重金属是造成我国水环境污染的主要因素之一。传统处理重金属污水的方法包括沉淀法、离子交换法、电解法和微生物法等均存在一定的局限性。人工湿地（constructed wetlands, CWs）是一种人为建造和管控的污水处理系统，具有投资省、运行费用低、污水净化效果好且具有良好的景观效果等优点，近年来正受到广泛关注。
基质吸附是CWs去除重金属的主要途径。碎石、河砂、砾石等传统基质具有来源广、易获得、成本低等特点，但在长期运行条件下对污水中重金属的去除能力仍有限。因此，需要对人工湿地基质配置进行优化，以实现长期最佳的污水处理效果。沸石与生物炭因具有多孔的结构、丰富的官能团以及较强的静电效应和吸附性能，在污水处理中具有较高的应用价值。组合使用沸石、生物炭与其他填料，能产生协同作用，从而提高污水净化效果。目前，关于不同基质配置对复合重金属污水长期处理效果的研究报道较少。本研究通过构建以沸石+砾石、生物炭+砾石、沸石+生物炭+砾石为基质的CWs，探究其对含有机物、氮磷营养物、多种重金属的复合污水的长期处理效果及重金属的去除途径，以期为CWs处理复合重金属污水提供技术支撑。
摘要
为探究不同基质对含有复合重金属污水的长期处理效果及重金属在人工湿地中的分布特征，通过在温室内构建基质分别为砾石（CK）、沸石（F）、生物炭（S）和沸石-生物炭（FS）的4组垂直潜流人工湿地污水处理模拟装置，连续运行161 d，观测出水水质变化并研究湿地各系统中重金属的浓度分布特征。结果表明，所有装置出水均呈低溶解氧状态，pH呈中性或弱碱性；4组人工湿地均具有良好的脱氮除磷及重金属去除效果，COD、TN、NO3--N、NH4+-N和TP的平均去除率分别为91.93%~95.85%、86.08%~89.80%、94.99%~97.60%、75.22%~83.58%和60.35%~64.61%，Cu、Zn、Pb、Cd和Cr 5种重金属的去除率均在90%以上；栽种的植物菖蒲体内重金属的质量浓度表现为地下部分＞地上部分，但菖蒲体内富集的重金属总量相对较少，整个系统中重金属主要富集在基质中（77%~96%）；与湿地CK相比，沸石与生物炭的联合添加显著提高了污水的净化能力（P<0.01），但运行后期，装置对复合污水的去除率呈一定的下降趋势。
图1 不同基质人工湿地装置示意图
图4 重金属在CWs中的分布情况
结论
1） 在161 d的运行期内，所有装置均能长期保持较好的出水水质，出水NH4+-N、TN和COD均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918-2002）》一级A标，出水TP达到二级标准。出水Zn满足《污水综合排放标准（GB 8978-1996）》一级标准，Cu在装置运行的前95 d内满足的一、二级标准，后期满足三级标准；一类污染物中除Cd个别天数外均满足最高浓度限值。
2） 沸石与生物炭均能显著提高人工湿地对有机物和NH4+-N的去除率，且联合添加的效果更好；不同基质配置对NO3--N的去除无显著影响；单独添加沸石对TN的去除效果优于生物炭，但联合添加的去除率更高；联合添加提高了系统对重金属的去除能力，5种重金属的去除率均达到95%以上。
3） 重金属在人工湿地中的空间分布情况为：基质>沉积物>出水>植物体内，联合添加显著提高了基质的吸附量。综合人工湿地系统对复合污水的去除效果以及重金属的空间分布情况，沸石与生物炭的联合添加可作为人工湿地处理复合重金属污水的最佳基质配置。
通信作者 ✦
江长胜，西南大学资源环境学院教授、博士生导师。担任中国农学会农业遗产分会理事、重庆土壤学会环境保护专业委员会副主任、重庆市环境科学学会环境生态与化学专业委员会副主任，为国家自然科学基金项目评议专家、国家留基委国家公派高级研究学者及访问学者含博士后）项目评议专家、科技部国际科技合作计划项目评审专家、教育部学位与研究生教育发展中心学位论文评议专家、中国博士后科学基金会通讯评议专家，以及江苏、浙江、河北、四川、云南、贵州和重庆等省市自然科学基金项目通讯评议专家，重庆市、广西省、云南省、贵州省等科学技术奖评审委员会委员。长期担任Journal of Hazardous Materials、Global Change Biology、Water Research、《生态学报》、《环境科学》等刊物审稿专家。主要从事环境工程方向的教学、科研及工程设计工作，长期致力于大气污染过程与控制、水污染控制等研究方向。先后主持国家自然科学基金、科技部支撑项目课题、重庆市科技项目等10余项。已发表学术论文120余篇，拥有授权发明专利3项。
推文撰写：陈柯沁
文章责编：曲 娜
推文编辑：靳 炜
排版编辑：刘佩琼