辽河口湿地对造纸废水重金属的吸收规律研究

发布时间：2017-10-15 03:01

  本文关键词：辽河口湿地对造纸废水重金属的吸收规律研究

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【摘要】：河口湿地作为陆海交互作用的典型地带,正面临着严重缺水的威胁。辽河口湿地是亚洲第二大芦苇湿地,是辽河入海的最后一道屏障。近年来,辽河口湿地存在天然降水不足、水分补给条件差、湿地土壤中的有机质含量低等问题。位于湿地内部的造纸厂大多沿河分布,废水排放量大,因此造纸废水己成为灌溉湿地不可避免的水源之一,而造纸废水中存在多种重金属污染物,长期的污水灌溉是否会在植物引起重金属的积累,是否会在土壤中积累尚不明确。且已有研究多为湿地植物对重金属的吸收效果,对吸收及积累特征鲜有研究。本研究通过构建辽河湿地生态系统小试装置,在芦苇的每个生长期初,到辽河湿地内造纸厂排水口取污水对湿地芦苇进行灌溉,以研究在不同浓度造纸废水灌溉条件下,重金属在芦苇植株和土壤中的动态分布及累积特征,探讨重金属在芦苇-土壤系统中的运移规律,为探讨辽河口湿地生态系统合理利用造纸废水提供理论依据。本研究以前期成果及相关研究为基础,分别设置CODcr浓度为50、175、300 mg·L-1的造纸废水灌溉浓度。主要研究结果如下：(1)重金属在芦苇植株中的分布特征及累积规律。经过造纸废水灌溉后,芦苇植株各部位对各重金属的积累量随芦苇生长期的变化而增大、随造纸废水浓度增加而增大,且均高于对照组芦苇植株内重金属含量。其中,在芦苇发芽期,废水CODCr浓度为50mg·L-1时,镍、铜、铅在芦苇茎中的积累量最小,分别为0.121 mg·kg-1、1.729 mg·kg-1、 0.513 mg·kg-1,砷、锰在芦苇叶中的积累量最小,分别为0.146 mg·kg-1、7.383 mg·kg-1,镉在芦苇根中的积累量最小为0.077 mg·kg-1,当CODcr浓度为300 mg·L-1时,镍、锰、砷、镉在芦苇叶中积累量最小,分别为0.317 mg·kg-1、17.454 mg·kg-1、0.236 mg·kg-1、0.311 mg·kg-1,铜、铅在芦苇茎中积累量最小,分别为8.538 mg·kg-1、2.364 mg·kg-1,至芦苇成熟期,废水CODCr浓度为50 mg·L-1时,镍在芦苇茎中的积累量最大,为1.265 mg·kg-1,铜、砷、锰、镉、铅在芦苇根中的积累量最大,分别为29.396 mg·kg-1、5.938 mg·kg-1, 54.974 mg·kg-1、0.656 mg·kg-1、14.058 mg·kg-1;镍在芦苇茎中的积累量最大为4.241 mg·kg-1,铜、砷、锰、镉、铅在芦苇根中的积累量最大,分为64.749 mg·kg-1、16.524 mg·kg1-、 129.521 mg·kg-1、2.619 mg·kg-1、89.624 mg·kg-1。表明在自然排放条件下,适当提高废水浓度可以增加芦苇对重金属的吸收累积量,可充分利用芦苇等植物指标吸收净化废水中的锰、铅等重金属。基于逻辑斯特模型拟合芦苇植株内各重金属元素浓度变化动力学模型。结果表明,芦苇植株内重金属浓度与环境容纳量和米氏常数均正相关,芦苇中各重金属的环境容纳量随着造纸废水浓度的增加而增大,其中镍、砷、铅浓度在各实验处理条件下的拟合效果较好,铜、镉、锰浓度在清水灌溉条件下及废水CODcr浓度为50 mg·L-1时的拟合效果较好。(2)重金属在土壤中的分布特征及累积规律。经过造纸废水灌溉后,土壤中各重金属含量随造纸废水浓度增加而增大。各土层中重金属的累积量达到最大值。其中在造纸废水CODcr浓度为50 mg/L的灌溉条件下,镍、镉主要累积于土壤的0-5 cm,含量分别为7.143 mg·kg-1、0.809 mg·kg-1;铜、锰、砷、铅主要累积于土壤的20-40 cm,含量分别为29.239 mg·kg-1、183.335 mg·kg-1、10.492 mg·kg-1、36.671 mg·kg-1;在造纸废水CODCr浓度为300 mg/L的灌溉条件下,镍、镉主要累积于土壤的0-5 cm,含量分别为27.741mg·kg-1、2.487 mg·kg-1;铜、砷主要累积于土壤的20-40 cm,含量分别为88.855 mg·kg-1、 22.109 mg·kg-1;锰主要累积于土壤的5-10 cm,含量为542.034 mg·kg-1,铅主要累积于土壤的40-60 cm,含量为114.891 mg·kg-1。表明土壤对镍、镉、铜、砷的吸附能力强,对锰和铅的吸附能力较弱。基于逻辑斯特模型拟合土壤中重金属元素浓度变化动力学模型。结果表明,土壤中重金属浓度与环境容纳量和米氏常数均正相关,土壤中各重金属的环境容纳量随着造纸废水浓度的增加而增大,其中砷、锰、铅、镉浓度在各实验处理条件下的拟合效果较好,镍浓度在CODcr浓度为175 mg·L-1和300 mg·L-1条件下拟合效果较好,铜浓度在清水灌溉条件下及CODcr浓度为50 mg·L-1时的拟合效果较好。酶活性与重金属的相关关系。土壤酶活性之间的相关性程度较密切,土壤脲酶、磷酸酶、脱氢酶3种酶活性之间呈极显著正相关,相关系数分别为0.594、0.663、0.846(P0.01),三种酶的活性与重金属含量的变化间均显著相关,其中脲酶与铅和镍的相关系数最大,分别为0.852和0.804,铅和镍的含量变化可用脲酶活性的变化做以指示；磷酸酶与铅和镍的相关系数最大,分别是0.584和0.521,铅和镍的含量变化也可用磷酸酶活性的变化做以指示；脱氢酶与铅和锰的相关系数最大,分别是0.596和0.519,铅和锰的含量变化可用脱氢酶活性的变化做以指示。(3)不同浓度废水条件下重金属在芦苇-土壤系统中的分配。在不同CODCr浓度造纸废水灌溉条件下,芦苇吸收率较大的重金属为铜和镉,分别占铜、镉总输入量的21.391%、17.34%；14.049%、15.034%；13.050%、14.3%。在造纸废水CODCr浓度为50mg·L-1的灌溉条件下,土壤累积率较大的重金属为镍和铅,分别占总输入量的97.797%、94.399%。在造纸废水CODCr浓度为C2、C3 mg·L-1的灌溉条件下,土壤累积率较大的重金属为镍和锰,分别占总输入量的98.456%、93.741%；98.524%、94.932%。不同浓度废水灌溉条件下芦苇湿地重金属累积趋势。不同浓度造纸废水灌溉条件下芦苇湿地重金属累积趋势：在造纸废水CODcr浓度为50 mg·L-1的灌溉条件下,重金属镍、铜和铅出现积累,而砷、锰和镉未出现积累。在造纸废水CODCr浓度为175 mg·L-1的灌溉条件下,土壤中重金属均出现累积,但值较小,且镉的浓度未超过标准1。在造纸废水CODcr浓度为300 mg·L-1的灌溉条件下,土壤中重金属均积累,其中镉的含量在10a后达到0.23 mg·kg-1,超过标准1(0.2 mg·kg-1),但50a后未超过标准2(0.35 mg·kg-1);铅累积的较快,50a后达到31.89 mg·kg-1,接近标准1(35 mg·kg-1)。
【关键词】：造纸废水灌溉 芦苇 累积 平衡分析
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X793
【目录】：

• 摘要8-11
• Abstract11-14
• 第一章 绪论14-17
• 1.1 研究背景和意义14-15
• 1.2 国内外研究现状及发展分析15-16
• 1.3 研究内容16-17
• 第二章 试验设计与研究方法17-21
• 2.1 实验设计17
• 2.2 实验方法17-19
• 2.3 样品采集及测定19-20
• 2.3.1 样品的采集19
• 2.3.2 测定方法及仪器设备19-20
• 2.4 研究方法及技术路线20-21
• 2.4.1 研究方法20
• 2.4.2 技术路线图20-21
• 第三章 重金属在芦苇植株中的累积21-36
• 3.1 重金属在芦苇植株中的分布21-29
• 3.1.1 镍在芦苇植株中的分布21-23
• 3.1.2 铜在芦苇植株中的分布23-24
• 3.1.3 砷在芦苇体植株中的分布24-25
• 3.1.4 锰在芦苇植株中的分布25-27
• 3.1.5 镉在芦苇植株中的分布27-28
• 3.1.6 铅在芦苇植株中的分布28-29
• 3.2 造纸废水灌溉条件下芦苇植株内重金属随季节变化的动态特征29-34
• 3.2.1 芦苇植株中镍累积的动态特征29-30
• 3.2.2 芦苇植株中铜累积的动态特征30-31
• 3.2.3 芦苇植株中砷累积的动态特征31
• 3.2.4 芦苇植株中锰累积的动态特征31-32
• 3.2.5 芦苇植株中镉累积的动态特征32-33
• 3.2.6 芦苇植株中铅累积的动态特征33-34
• 3.3 本章小结34-36
• 第四章 重金属在土壤中的分布规律36-60
• 4.1 重金属在土壤中的分布特征36-46
• 4.1.1 镍在土壤中的分布36-37
• 4.1.2 铜在土壤中的分布37-39
• 4.1.3 砷在土壤中的分布39-41
• 4.1.4 锰在土壤中的分布41-43
• 4.1.5 镉在土壤中的分布43-44
• 4.1.6 铅在土壤中的分布44-46
• 4.2 造纸废水灌溉条件下土壤中重金属随季节变化的动态特征46-51
• 4.2.1 土壤中镍累积的动态特征46-47
• 4.2.2 土壤中铜累积的动态特征47-48
• 4.2.3 土壤中砷累积的动态特征48-49
• 4.2.4 土壤中锰累积的动态特征49
• 4.2.5 土壤中镉累积的动态特征49-50
• 4.2.6 土壤中铅累积的动态特征50-51
• 4.3 重金属作用下土壤根际酶的响应51-57
• 4.3.1 不同废水浓度条件下根际土壤脲酶活性变化特征51-53
• 4.3.2 不同废水浓度条件下根际土壤磷酸酶活性变化特征53-54
• 4.3.3 不同废水浓度条件下根际土壤脱氢酶活性变化特征54-56
• 4.3.4 不同浓度造纸废水条件下根际土壤酶活性与重金属含量相关关系56-57
• 4.4 本章小结57-60
• 第五章 重金属在芦苇-土壤生态系统中的分配规律60-66
• 5.1 不同废水浓度条件下重金属在芦苇-土壤系统中的分配60-62
• 5.2 芦苇-土壤系统中重金属污染物累积趋势的定量评估62-64
• 5.2.1 重金属在土壤中累积趋势方法62-63
• 5.2.2 不同浓度造纸废水灌溉条件下芦苇湿地重金属累积趋势63-64
• 5.3 本章小结64-66
• 第六章 结论与讨论66-69
• 6.1 研究结论66-68
• 6.2 讨论68-69
• 参考文献69-73
• 攻读学位期间发表论文情况73

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