当前世界环境

介绍

水资源的重金属污染已成为全世界严重关注。重金属（HMS）可能会对环境构成威胁，因为它们具有剧毒性和持续的性质。¹家庭和工业单位的流出物直接排放到污水处理或排水系统中，因此污染了表面和地下水。这种含有HMS的国内和工业污水的混合物在自然界中非常复杂²并到达污水处理厂进行处理。对污水处理厂(STPs)处理出水的大量分析表明，处理后的污水往往含有高浓度的污水HMs的。^3、4从大多数时候，因此，经处理的废水可能不适合作其他用途，例如灌溉。如果将处理过的废水用于上述目的，就会导致HMs在土壤和植被中积累，并可能对健康造成危害危害。^5,6

虽然锌(Zn)和铜(Cu)等HMs是必需元素，但由于它们对人和动物的毒性，在作物和蔬菜中浓度较高的HMs可能非常令人担忧。⁵然而，印度使用含有HMs的处理过的污水进行灌溉，同样导致了土壤、植物和地下水中HMs的增加。在新德里,印度;进行了一个案例研究，以评估污水灌溉对土壤、植物和地下水的长期影响。研究发现，Zn、Cu、Fe、Ni和Pb的浓度分别显著增加了208%、170%、63%和29%。⁷此外，农村和城市地区的污水管道由于破损和维修不善，导致周围地区浸出和污染。这种泄漏可能导致HMs污染周围的环境成分，如水、土壤，然后这些重金属可能进入食物链，对生物的健康造成危害。⁸全世界都有人口通过人群进入食物链的摄入量。⁹然而，HMS的过度进气累积会导致严重的健康问题和疾病，特别是心血管，神经系统，肾脏，血液以及骨病。¹⁰

由HMS污染的废水可以通过几种先进方法治疗，例如反渗透，电渗析，膜过滤和离子交换过程，但是这些方法是技术性复杂的，能量密集型，昂贵，并且需要培训的人力。^11、12对印度这样的发展中国家来说，完全治疗HMs所涉及的成本和所需的技术似乎是难以企及的。因此，我们需要另一种成本效益高、可持续和自然原则为基础的技术来处理医疗卫生服务。¹用于废水处理的构造湿地（CWS）可以是一种有效的解决方案。CWS是一种自然，成本效益和技术简单的解决方案，用于治疗包括HMS的各种污染物。¹³水煤浆与大型植物的组合可以是处理各种来源HMs的可行选择。^14、15大型植物已被证明可以成功地从水和土壤等各种环境基质中去除HMs。^1、16大型植物在污水处理过程中扮演着重要的角色，它在根和茎系统中积累的HMs浓度高达周围环境的100倍，而不会产生任何有毒症状。¹⁶

水煤浆是世界范围内用于改善水质的工程结构。¹⁷这些系统包括一个复杂的组合设计，水流，过滤介质的安排，覆盖植物和微生物财团，以去除营养物，有机物，HMs和废水中的其他污染物。^18、19摘要垂直流人工湿地在污水处理中已得到广泛应用^20-22然而，有关废水中HMs处理的研究相对较少。²³人们已经注意到，应用具有合适介质和水力学保留时间的大型植物可以有效地去除废水中的HMs，但是，要获得该工艺的最大效益，还需要更多的研究。^24日,25因此，我们假设使用VFCW细胞可以同时去除来自废水的HMS，有机材料和营养物。HMS的存在不会影响除去其他污染物的能力。¹⁸在对各种植物的研究中，例如Latifolia, p.australis, c.indica，和答:菖蒲锌、锰、铜、铬和铁的富集量显著．^26日,27日本研究的目的是研究两种植物(美人蕉籼和菖蒲属菖蒲)，在设计的VFCWs装置的实验盆中去除一次处理污水中的Cu、Cr、Fe、Zn四种重金属。

材料和方法

实验的湿地植物

两个当地湿地宏观物质C. indica.(美人蕉)和答:菖蒲（BACH）被选中以评估它们通过实验VFCW细胞从原发性处理的污水中除去四个HMS（Cr，Cu，Fe和Zn）的能力。由于其大的生物质，广泛的根系，快速生长，抗孔隙堵塞和HMS耐受性，因此选择了这些植物物种。^28日18植物种类C. indica.和答:菖蒲种植在模拟实验的VFCW细胞中。初级处理的污水来自印度阿玛坎塔克IGNTU的STP。¹³在其应用在实验VFCWS细胞中的影响之前，分析了该初级处理的污水以进行物理化学参数。孵育期后，植物在实验VFCW细胞中获得稳定性。用与HMS混合的污水灌溉不同的湿地组，连续观察到流水和流出物的物理化学特性（以小时为单位）24小时，48小时，72小时，96小时和144小时。经常分析处理过的污水的物理化学特性及其从每个罐设置中的金属浓度，并进行整个实验六个月。

与重金属混合的污水饲养

以重铬酸钾为原料，制备了Cr、Cu、Fe和Zn四种重金属的固液₂Cr₂O₇)、五水硫酸铜(CuSO₄^．5 h₂O），氯化铁无水（FECL_3.）和硫酸锌七水合物（ZnSO₄^．7小时₂O)分别在蒸馏水中。并将其混合在一次处理的污水中，使其达到预期的污染水平5 mg L^－1．使用了经过认证的AR级化学品。

VFCW电池的实验设置

采用30 cm长、25 cm长的PVC(聚氯乙烯)水桶制作垂直流人工湿地实验池。内径为5厘米，底部有一个水龙头开口(图1)。多孔PVC管也被插入到细胞中用于通气。细胞首先被6厘米的粗砂砾层填充，然后是20厘米的粗细砂层，在顶部留下约4厘米的自由空间。每一种植物保持三套用于废水处理实验和植物控制，在类似的设置中还建立了金属控制。从当地采集湿地植物，在实验室中提供4周的孵化期，然后转移到实验湿地装置中。

图1:为本研究设计的实验垂直流人工湿地细胞。(A)美人蕉(B)菖蒲(C)未种植的 点击这里查看图

样品分析

初级处理后的污水从英迪拉甘地国立部落大学阿玛坎塔克校区的污水处理厂收集，运送到该大学环境科学系实验室，并提供给实验VFCW细胞。对一级处理后的污水和处理后的废水进行了理化分析，分析了温度、pH、电导率、碱度、总溶解固形物(TDS)、NO_3.^-,阿宝₄^3－、总凯氏定氮(TKN)、生化需氧量(BOD)、溶解氧(DO)。而对于HMs，样品在不同保留时间(HRT)下收集，用2-3滴浓缩HNO保存_3.在5⁰C表示分析前的重金属。

使用校准的数字探针PCS Tester 35TM系列多参数套件(Hanna)现场测量了一些参数，如温度、pH值、电导率和TDS。所有的分析都是按照美国水工程协会-美国公共卫生协会规定的标准方法进行的。²⁹简而言之，生化需氧量(BOD)₅)用温克勒法测定。硝酸(不_3.-N）通过紫外（UV）分光光度筛选方法和磷酸盐（PO₄^3－)，用氯化亚锡法测定。用凯氏定氮法估算总氮。一次处理后的污水与4种HMs (Cr、Cu、Fe、Zn)混合，各浓度均为5 mg L^－1并且该混合物对实验VFCWS细胞给予，因此从这些湿地处理的处理流出物在24小时，48小时，72小时，90小时和144小时的不同时间间隔（以小时为单位）进行取样。超越这一点的进一步分析几乎没有进一步去除，因此实验仅在随后的分析中进行高达144小时。将来自每个VFCW细胞的一百毫升处理的废水保存用于分析重金属。检测Cr，Cu，Zn和Fe的浓度微波等离子体原子发射光谱(Agilent 4210 MP-AES)。

计算和统计分析

通过对指定时间段内重金属的去除率来评价人工湿地的去除率。去除效率(去除率%)计算如下:

在哪里，C_我和C_o=进口和出口浓度，分别(mg L^－1）。

CWS入口和出口的物理化学参数和经处理的流出物的重金属浓度计算平均（平均值），标准偏差和在不同的保留时间中绘制图中的百分比误差栏的百分比误差，使用Microsoft Excel 2013。

结果与讨论

用于研究的污水处理质量

入口一级处理污水废水的平均温度为28.6℃，其一般理化参数pH值为7.33，电导率为931(µS/cm)，碱度为265.6 mg L^－1，日生化需氧量(5 d)为93.33 mg L^－1，磷酸盐为5.42 mg L^－1，总凯氏定氮为46.33 mg L^－1(表1)。

VFCW细胞在不同大型植物中的表现

一次处理的污水中添加4种浓度为5 mg L的HMs (Cr、Cu、Fe、Zn)^－1作为VFCW细胞的进水源。对24 h、48 h、72 h、96 h、144 h 5个不同时间间隔的进水和出水的理化特性和HM含量进行分析，发现处理后的污水中金属含量持续显著下降。对污水水质参数的分析结果表明，污水水质随时间的增加而改善。试验持续144 h，生化需氧量、营养成分均显著降低。在此之后的分析表明，处理后的污水质量和金属浓度没有显著变化。

BOD、磷酸盐和TKN的去除效率

BOD平均值为93 mg L^－1在保留时间144小时后在流动废水中降至约23毫克^－1~26.6 mg L^－1在种植的细胞中C. indica.和答:菖蒲分别。在湿地上种植可最大去除约75%的BODC. indica.．人工湿地的BOD去除率高于非人工湿地，这可能与植物根区存在的微生物群落有关。^30.磷酸盐的进水浓度约为5.43 mg L^－1经VFCW细胞处理后(保留144 h)，其浓度降至1.49 mg L^－1在细胞中种植美人蕉籼2.09毫克L^－1在答:菖蒲．细胞种植C. indica.除磷效率最高，为72.5%。

总凯氏定氮(TKN)从初始平均值46.33 mg L下降^－1至~ 20mg L^－1保留144 h后在湿地上种植C. indica.和〜33.33 mg l^－1在细胞中种植答:菖蒲分别．由于在实验人工湿地中，出水保持在地下水平，TKN可能已经通过生物过程，即氨化，转化并从系统中去除。在氨化作用中，氨(NH_3.)，当生化过程氧化废水中的含氮化合物时释放。随着两种种植细胞中溶解氧(DO)水平的增加(表1)，随后促进了氨化过程。^31日20一般来说，骨头百分比，po₄^3－， VFCW细胞的TKN依次为BOD>PO₄^3－> TKN。通过PO以外的植物物种去除较高的去除效率₄^3－， TN可能是由于对PO的高吸附能力所致₄^3－由C. indica.．

表1:进水(未经处理)和出水(经处理)的水质

删除HMs

使用两种不同的实验VFCW细胞，在控制实验室规模的实验装置下，在保留144 h的时间内，评估了初级处理污水中有毒HMs (Zn, Fe, Cu和Cr)的消除情况，如表2所示。将VFCW细胞植入C. indica.对Cu、Zn、Cr和Fe的去除率分别为96%、95%、93%和91%。实验中VFCW细胞的性能(图2)优于人工种植的湿地细胞答:菖蒲．两种植物的VFCW细胞在4种金属中表现不同。美人蕉籼铜去除率最高，铁去除率最低。然而，潜力答:菖蒲，Cu最高，Cr最低。浮营细胞显示通过自然过程脱离重金属的潜在潜力。结果表明，两种宏细胞C. indica.和答:菖蒲均有很好的去除HM效果，对VFCW去除HM有显著的消除能力。两种湿地植物的优异表现可能与它们的高金属吸收潜力和富集能力有关。

CW中重金属的去除机理非常复杂，包括与基质结合、植物吸收和微生物代谢等物理化学和生物过程。^32、33HMs的吸收潜力受植物体内积累、动员和转运因子的控制。^34,35从根部射击的HMS的保留和运输不同于湿地使用的宏观物质物种．³⁶在人工湿地中，HMs可作为不溶盐进行沉淀和共沉淀，并可被微生物吸附和分解金属。^37岁的15

表2:重金属初始浓度和最终浓度

图2:重金属的去除百分比通过非种植和两种大型植物 点击这里查看图

大型植物的作用

在VFCW细胞中，HMs的去除顺序为Cu>Zn>Cr>FeC. indica.在VFCW细胞中，铜>、锌>、铁>、铬答:菖蒲和Zn>Fe>Cu>Cr(图3)。美人蕉籼与肉质高茎生物量相比答:菖蒲．因此，HMS的易位及其从废水的摄取到茎生物质，在VFCW中保留时间的144小时后可能导致低HM浓度。²本研究发现，植物对Cu(96.0%)、Zn(95.0%)、Cr(93.0%)和Fe(80.0%)的去除率较高。³⁸HIGH HRT利用来自废水的HMS高拆除率C. indica，将本研究与作者设计的类似连续波模型进行了比较²具有72小时的HRT，发现Zn，Cu和Cr的去除效率在144小时HRT（目前的研究）中更多。在该研究中，高分除去Cu，Zn和Cr可能是由于植物物种的高保留时间，衬底和HMS摄取。这些发现表明废水中除去重金属的操作持续时间受到显着影响。

图3：关于HRT（a）锌（b）铁（c）杯子和（d）铬的实验Vfcw电池的去除效率 点击这里查看图

湿地介质在人工湿地重金属去除中的作用

基质的组成非常重要，在人工湿地中执行过滤、吸附、沉淀、絮凝、沉淀和离子交换等主要功能。¹⁵它是支撑或支撑大型植物的基质，并允许微生物膜在其上生长。³⁷人工湿地中常用的基质是砂砾和沙子。洗过的砾石增加了湿地的过滤，减少了堵塞。^39、40水力停留时间和吸附能力是基质处理废水的主要特性，如表3所示。

表3:不同人工湿地对重金属的去除效果

通过展开的VFCW细胞中的介质（沙子和砾石）观察到最高去除Zn和最低去除Cr的平均性能。本研究表明，砂和砾石均为从农村地区的主要处理的污水模拟排放中除去Zn，Cr，Cu和Fe的有效底物。污水废水流过沙子和砾石，导致孔隙堵塞的减少。

结论

本研究表明，通过种植两种宏观状物种的实验VFCW细胞有效地治疗污水混合HMSC. indica.和答:菖蒲。VFCW的应用是一种处理重金属和cod、营养物(硝酸盐和磷酸盐)等各种水质参数的成功策略。本研究对Cr、Cu、Fe、Zn四种HMs的去除效果基本一致，去除率达到>90%。这项研究表明，垂直流人工湿地的使用可以在印度的农村和偏远地区采用，那里的污水和HMs处理是一个挑战。本研究中所使用的两种大型植物均来自当地，在该地区有丰富的资源。湿地介质(沙子和碎石)也可以在当地以较低的成本获得。很低的能源需求，丰富的可用空间，介质和植物等多种因素的组合，可以使这项技术高度适用于该地区。但人工湿地的去除能力、基质类型、植物多样性以及批量运行等方面还有待进一步研究。本研究表明，沙子和砾石都是去除Zn, Fe, Cu和Cr的有效基质，通过实验VFCW细胞。

资金来源

作者(s)没有获得研究、作者身份和/或发表本文的财政支持。

的利益冲突

作者没有任何利益冲突。

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