全 文 ：第 8 卷 第 2 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 8，No ． 2
2 0 1 4 年 2 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Feb ． 2 0 1 4
李氏禾人工湿地净化 Cr(Ⅵ)污染
水体的性能研究
伍清新 刘 杰* 靳振江 游少鸿
(桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心，桂林 541004)
摘 要 利用湿生铬超富集植物李氏禾构建的三段式波形潜流式人工湿地，研究了湿地系统对 Cr(Ⅵ)污染水体的净
化效果。结果显示，李氏禾湿地系统对 Cr(Ⅵ)污染水体的净化效果明显好于无植物的对照。当进水 Cr(Ⅵ)浓度为 2. 50
mg /L时，李氏禾湿地系统出水 Cr(Ⅵ)浓度显著低于对照，说明李氏禾在湿地系统净化 Cr(Ⅵ)污染水体中发挥了重要的作
用。当进水 Cr(Ⅵ)浓度超标 150 倍(7. 50 mg /L)时，李氏禾湿地系统出水 Cr(Ⅵ)浓度仍可达到国家地表水环境质量标准
(0. 05 mg /L) ，表明李氏禾湿地系统具有很强的 Cr(Ⅵ)污染净化能力。沿程 Cr(Ⅵ)浓度的变化显示，湿地系统对 Cr(Ⅵ)
的去除效率随水流方向逐渐降低，Cr(Ⅵ)主要在湿地系统的前两个阶段被去除。
关键词 李氏禾 人工湿地 Cr(Ⅵ) 水体
中图分类号 X703. 1 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2014)02-0536-05
Purification of Cr(Ⅵ)-polluted water by constructed
wetland planted with Leersia hexandra Swartz
Wu Qingxin Liu Jie Jin Zhenjiang You Shaohong
(Guangxi Scientific Experiment Center of Mining，Metallurgy and Environment，
Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)
Abstract The three-stage wavy subsurface flow constructed wetland planted with Leersia hexandra Swartz
(SFCW-L)was used to purify water contaminated by Cr(Ⅵ)． An unplanted system was applied as control． The
results showed that purification performance of SFCW-L for Cr(Ⅵ)was better than that of the control． For the
influent Cr(Ⅵ)of 2. 50 mg /L，effluent concentration in SFCW-L was significantly lower than that in unplanted
control，implying that L． hexandra played an important role in Cr(Ⅵ)removal． When the initial Cr(Ⅵ)con-
centration (7. 50 mg /L)was 150 times as high as permissible limit in the Environmental Quality Standard for
Surface Water (GB3838-2002) ，effluent concentrations were consistently below the permissible limit (0. 05 mg /
L) ，which indicated that removal of Cr(Ⅵ)from water by SFCW-L was feasible at considerable high influent Cr
(Ⅵ)concentration． According to the longitudinal variation of Cr(Ⅵ)concentration in the constructed wetland
system，it could be clearly observed that the Cr(Ⅵ)removal efficiency in the constructed wetland system de-
clined along the water flow direction，and much of the Cr(Ⅵ)was removed in the first two stages of the con-
structed wetland system．
Key words Leersia hexandra Swartz;constructed wetland;Cr(Ⅵ) ;water
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41163003，41273142) ;广西
科学研究与技术开发计划项目(桂科攻 10124003-3) ;广
西高校优秀人才资助计划项目(桂教人［2011］40 号)
收稿日期:2013 － 04 － 16;修订日期:2013 － 06 － 03
作者简介:伍清新(1988 ～) ，男，硕士研究生，主要从事水污染控制
研究工作。E-mail:wuqx_912@ 163. com
* 通讯联系人，E-mail:liu-j7775@ 163. com
铬是广泛应用的工业原料，电镀、皮革加工都会
产生含铬废水进而造成水体污染。通常，水体中铬
主要以 Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ)2 种价态存在。其中，Cr
(Ⅵ)被认为是致畸和致癌物质［1］。因此，世界各国
都把 Cr(Ⅵ)列为优先控制的污染物。
目前，清除水中铬污染的方法有电解还原法、化
学沉淀法、离子交换法和微生物还原法等［2］。但是
这些方法需要消耗大量的能源和试剂且成本较高，
不适合于大面积、低浓度的 Cr(Ⅵ)污染水体。人工
湿地是一项利用人工构建的湿地系统去除水体中
污染物的生态技术。该技术具备高效率、低成本、
第 2 期 伍清新等:李氏禾人工湿地净化 Cr(Ⅵ)污染水体的性能研究
低能耗和生态服务功能等优点［3］。大量研究表
明，人工湿地能有效去除水体中氮、磷、COD、BOD
和重金属等多种污染物［4-6］。因此，利用人工湿地
净化 Cr(Ⅵ)污染水体可能是一条经济有效的
途径。
李氏禾(Leersia hexandra Swartz)是中国境内首
次发现的湿生铬超富集植物，对 Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ)
有很强地耐受和富集能力［7］，并且具有生长迅速、
根系发达、易于人工种植等优点［8］。因此，该植物
可能是一种在水体 Cr(Ⅵ)污染修复中极具应用前
景的湿地植物。然而，目前这方面的研究仍十分缺
乏，急需开展相关研究，为开发利用李氏禾人工湿地
去除水体 Cr(Ⅵ)污染提供科学依据。
本研究以李氏禾构建了三段式波形潜流式人工
湿地，并与相同设计的无植物人工湿地进行了对比
研究。本研究的目的是评价李氏禾湿地系统对 Cr
(Ⅵ)污染水体的净化能力，探讨李氏禾对湿地系统
铬净化功能的贡献。
1 材料与方法
1. 1 装置和方法
实验于温室大棚中进行，采用以 PVC 板材粘合
成长 ×宽 ×高 = 1. 3 m ×0. 5 m × 0. 3 m的三段式波
形潜流式人工湿地(图 1)。其中进水区长 0. 1 m，
湿地长 1. 2 m，湿地平分为 3 段，每段长 0. 4 m。设
计的表面负荷率为 0. 1 m3 /(m2·d) ，进水流量为
0. 06 m3 /d，水力停留时间为 1 d。进水区为高 0. 28
m的砾石(粒径 2 cm左右) ，基质深度为 0. 25 m，其
中下层为 0. 05 m的砾石(粒径 1 cm 左右) ，上层为
0. 2 m的稻田土 +泥炭混合基质(稻田土 ∶ 泥炭 =
2∶ 1，体积比)。湿地植物—李氏禾从桂林市郊采
集，成行种植于基质表面。
2012 年 4 月至 2012 年 6 月为李氏禾生长期，
李氏禾生长至 6 月末基本布满整个湿地。湿地从
2012 年 7 月开始运行，采用连续进水的方式，运行
至 2012 年 12 月。Cr(Ⅵ)污染水体由 K2Cr2O7 和
自来水配制而成，其中:COD 浓度为 2. 42 ～ 2. 58
mg /L，NOM 浓度为 3. 27 ～ 3. 48 mg /L。一个取样
周期结束后换一次 Cr(Ⅵ)浓度，梯度依次为
2. 50、3. 75、5. 00、7. 50 和 10. 0 mg /L，换浓度时先
将水通过放空管排干再给水。实验采用相同设计
的无植物人工湿地作为对照，对种植了李氏禾的
湿地和对照进行对比研究。
1. 2 取样方法及测试项目
湿地运行后第 3 天开始取样，分别用 50 mL 的
离心管从 2 组湿地的 3 个底层取样口和出水管同时
取样，频率为每 3 天 1 次，周期为 11 次，取样时间为
当天上午 11:00，水样采集后立即进行 3 次重复测
定，监测指标包括 Cr(Ⅵ)、总 Cr。Cr(Ⅵ)采用二苯
碳酰二肼分光光度法，具体方法参照《水和废水监
测分析方法》［9］;总 Cr采用高锰酸钾氧化-二苯碳酰
二肼分光光度法，具体方法参照国家水环境保护
标准［10］。
图 1 三段式波形潜流式人工湿地示意
Fig. 1 Schematic diagram of three-stage SFCW-L
2 结 果
2. 1 李氏禾湿地对 Cr(Ⅵ)去除效果
当进水 Cr(Ⅵ)浓度为 2. 50 mg /L时，李氏禾湿
地出水 Cr(Ⅵ)浓度为 0. 005 ～ 0. 008 mg /L，平均浓
度为 0. 007 mg /L(图 2)。这远远小于国家地表水Ⅱ
类环境质量标准中关于 Cr(Ⅵ)的限量值 0. 05 mg /L
(GB3838-2002) ，证明利用李氏禾湿地系统净化 Cr
(Ⅵ)超标 50 倍的污染水体是完全可行的。对出水
总 Cr监测时发现，出水总 Cr 浓度为 0. 006 ～ 0. 01
mg /L，平均浓度为 0. 008 mg /L。因此，李氏禾湿地
出水中的 Cr 主要以 Cr(Ⅵ)存在(87. 50%) ，而 Cr
(Ⅲ)的含量相对较低(12. 50%)。无植物的对照湿
地出水中 Cr(Ⅵ)和总 Cr 平均浓度分别为 0. 017
mg /L和 0. 043 mg /L，Cr(Ⅵ)浓度虽然也达到了地
表水Ⅱ类环境质量标准，但其出水中 Cr(Ⅵ)和总 Cr
浓度不稳定并且随着湿地系统运行时间的延长而上
升。对比李氏禾湿地和对照湿地出水中 Cr(Ⅵ)和
总 Cr浓度，可知李氏禾湿地系统对 Cr(Ⅵ)的去除
效果明显好于对照。
2. 2 Cr(Ⅵ)浓度的沿程变化
由图 3 可知，当进水 Cr(Ⅵ)浓度为 2. 50 mg /L
时，Cr(Ⅵ)的浓度随水流方向逐渐降低，其在湿地
系统的第一阶段下降了 27. 56%。随着迁移距离的
增加，Cr(Ⅵ)的去除率大幅增加，经过第二阶段后
达到了 88. 97%。在这一阶段，Cr(Ⅵ)浓度下降最
735
环 境 工 程 学 报 第 8 卷
为显著。但在湿地系统的第三阶段，Cr(Ⅵ)下降缓
慢，仅有 10. 76%的 Cr(Ⅵ)在这一阶段被去除。Cr
(Ⅵ)浓度随迁移距离的增加而衰减的过程符合二
项式函数 y = 0. 0002x2 － 0. 0452x + 2. 5947(Ｒ2 =
0. 975)。这说明在李氏禾湿地系统中各阶段对 Cr
(Ⅵ)净化的贡献率是不同的，大部分 Cr(Ⅵ)被截
留在波形潜流式湿地系统的前两个阶段。
图 2 2 组湿地出水中 Cr(Ⅵ)和总 Cr浓度(图中的
水平线表示 GB3838-2002 中 Cr(Ⅵ)的限量值)
Fig. 2 Cr(Ⅵ)and total Cr concentration in effluent of
SFCW-L and control(the horizontal line indicated maximum
allowed concentration for Cr(Ⅵ)in GB3838-2002)
图 3 Cr(Ⅵ)浓度沿程的变化
Fig. 3 Variation of Cr(Ⅵ)concentration
along the water flow direction
2. 3 李氏禾湿地对 Cr(Ⅵ)的净化潜能
在 Cr(Ⅵ)超标 50 倍时，李氏禾湿地出水 Cr
(Ⅵ)浓度远远低于地表水环境质量标准(Ⅱ类)中
Cr(Ⅵ)的限量值(图 2)。这说明李氏禾湿地系统
对 Cr(Ⅵ)污染水体的净化能力大大高于此水平。
因此，我们提高了在进水中 Cr(Ⅵ)浓度，以评价该
湿地系统对 Cr(Ⅵ)的净化潜能。由图 4 可知，当进
水 Cr(Ⅵ)浓度超标 75 倍(3. 75 mg /L)、100 倍
(5. 00 mg /L)和 150 倍(7. 50 mg /L)时，出水 Cr
(Ⅵ)浓度始终低于地表水Ⅱ类环境质量标准中的
限量值(0. 05 mg /L) ，其出水平均浓度分别为
0. 004、0. 002 和 0. 015 mg /L。但当进水 Cr(Ⅵ)浓
度达到 10. 0 mg /L时，出水 Cr(Ⅵ)浓度无法达到地
表水环境质量标准。这一结果说明李氏禾湿地系统
对 Cr(Ⅵ)污染水体有很强的净化能力，在 Cr(Ⅵ)
超标 150 倍的情况下李氏禾湿地系统的净化能力可
满足国家地表水Ⅱ类环境质量标准的要求。
(图中的水平线表示 GB3838-2002 中 Cr(Ⅵ)的限量值)
图 4 初始浓度对出水 Cr(Ⅵ)浓度的影响
Fig. 4 Effects of initial concentrations on effluent Cr(Ⅵ)
concentration(the horizontal line indicated maximum
allowed concentration for Cr(Ⅵ)in GB3838-2002)
无植物的对照湿地对 Cr(Ⅵ)的净化能力明显
低于李氏禾湿地系统。在进水浓度超标 75 倍时，其
出水 Cr(Ⅵ)平均浓度就已经达到了 0. 092 mg /L，大
于 0. 05 mg /L，超过了地表水Ⅱ类环境质量标准(图
4)。在 Cr(Ⅵ)超标 100 倍、150 倍和 200 倍的情况
下，无植物的对照与李氏禾湿地净化能力的差异更
为明显，其出水 Cr(Ⅵ)浓度较李氏禾湿地高出了
125. 5 倍、36. 4 倍和 2. 8 倍。这表明，种植李氏禾提
高了湿地系统对 Cr(Ⅵ)的净化能力。相应地，李氏
禾湿地对 Cr(Ⅵ)的去除率显著高于对照。例如，在
进水浓度超标 100 倍和 150 倍时，李氏禾湿地对 Cr
835
第 2 期 伍清新等:李氏禾人工湿地净化 Cr(Ⅵ)污染水体的性能研究
(Ⅵ)的去除率均在 99%以上，而无植物的对照湿地
对 Cr(Ⅵ)的去除率仅为 94. 94%和 92. 53%(表 1)。
这进一步说明李氏禾在湿地系统净化 Cr(Ⅵ)的过
程中发挥着重要的作用。
表 1 2 组湿地对 Cr(Ⅵ)和总 Cr去除率
Table 1 Ｒemoval rates of Cr(Ⅵ)and total
Cr in SFCW-L and control
进水浓度
(mg /L)
李氏禾湿地 对 照
Cr(Ⅵ) (%) 总 Cr(%) Cr(Ⅵ) (%) 总 Cr(%)
2. 50 99. 73 ± 0. 05 99. 46 ± 0. 05 99. 31 ± 0. 34 98. 28 ± 0. 33
3. 75 99. 89 ± 0. 07 99. 77 ± 0. 15 97. 54 ± 0. 78 96. 72 ± 1. 12
5. 00 99. 96 ± 0. 02 99. 90 ± 0. 10 94. 94 ± 0. 74 94. 63 ± 0. 82
7. 50 99. 81 ± 0. 20 99. 53 ± 0. 29 92. 53 ± 2. 94 92. 39 ± 2. 91
10. 0 95. 96 ± 2. 45 95. 14 ± 2. 42 84. 57 ± 2. 68 84. 34 ± 2. 66
注:平均值 ±标准差(n = 11)。
3 讨 论
本研究中，李氏禾湿地对 Cr(Ⅵ)的去除效果和
去除能力都明显好于无植物的对照。这表现在李氏
禾湿地系统出水 Cr(Ⅵ)浓度更低，并且在进水 Cr
(Ⅵ)浓度提高时仍然能维持较高的去除率(表 1)。
因此，本研究表明，李氏禾在湿地系统净化 Cr(Ⅵ)
过程中起到重要的作用。李氏禾对 Cr(Ⅵ)的净化
功能可能包括直接作用和间接作用。直接作用是指
李氏禾可以直接吸收水中的铬并将其转化积累在植
物体内［11］。间接作用可能包括: (1)植物的根系活
动改变了基质物理化学特性从而有利于 Cr(Ⅵ)的
还原和沉淀［12］;(2)根际分泌物和供氧提高了其周
围微生物的活性从而促进微生物对铬转化和固
定［13］;(3)植物为基质中的微生物提供了有机质，
微生物在消耗有机质时会消耗氧气从而有利于 Cr
(Ⅵ)的还原和沉降［14］。李氏禾对湿地系统净化 Cr
(Ⅵ)功能的贡献不仅表现在提高去除率上，还表现
在维持湿地运行的稳定性上。随着运行时间的延
长，无植物的对照湿地出水铬浓度不断上升而李氏
禾湿地保持稳定的铬出水浓度(图 2)。这说明李氏
禾在维持湿地生态系统功能稳定性上起到重要的
作用。
观察湿地系统中污染物沿程的分布，可以判断
湿地系统的运行状况和各阶段对污染物去除的贡献
率［12］。在本实验中，李氏禾湿地系统中 Cr(Ⅵ)的
浓度随水迁移方向而逐步降低，并且在前 2 个阶段
浓度下降显著。这表明，人工湿地在实验期间运行
状况良好，湿地沿程的基质和植物对 Cr(Ⅵ)有很好
的净化功能。但是，李氏禾湿地中各阶段对 Cr(Ⅵ)
去除的贡献率是不同的。Cr(Ⅵ)的去除主要集中
在湿地前两个阶段。这一结果与已有的研究结果相
似［12，15］。Cr(Ⅵ)的浓度在湿地前两个阶段下降较
快的主要原因可能是 Cr(Ⅵ)进入湿地后，基质和植
物对 Cr(Ⅵ)产生了快速的拦截、过滤和吸附，从而
使 Cr(Ⅵ)浓度大幅减少［16］。在湿地系统的前两个
阶段，Cr(Ⅵ)的浓度较高，拦截、过滤、吸附等作用
效果比较明显［17］。当进入湿地第三阶段时，液相中
Cr(Ⅵ)离子的浓度下降，其被吸附和截留的几率也
会大幅下降。因此，在波形潜流式人工湿地中，前两
个阶段对 Cr(Ⅵ)的去除效率显著高于最后一个阶
段。由于三段式波形潜流式人工湿地各阶段对 Cr
(Ⅵ)的净化效率不同，在设计时适当延长湿地前两
段的距离或者增加基质的高度，可能有利于 Cr(Ⅵ)
的去除。
当进水 Cr(Ⅵ)浓度超标 150 倍(7. 50 mg /L)
时，李氏禾湿地出水 Cr(Ⅵ)浓度依然能达到地表水
Ⅱ类环境质量标准(图 4)。这表明，李氏禾湿地系
统对 Cr(Ⅵ)污染水体具有较强的净化能力。采用
芦苇和美人蕉间隔种植的人工湿地净化 Cr(Ⅵ)初
始浓度为 2. 64 mg /L 的酸性废水时，Cr(Ⅵ)去除率
为 77. 5%［15］。以 C． indica为湿地植物的垂直流人
工湿地去除 Cr(Ⅵ)的效率为 84. 6%［18］。而 Phrag-
mites australis 构建的表面流人工湿地对 Cr(Ⅵ)的
去除率仅为 55%［19］。本实验中，李氏禾人工湿地
在进水 Cr(Ⅵ)浓度超标不大于 150 倍的情况下去
除率能达到 99%以上(表 1)。对比以往的研究结
果，李氏禾在 Cr(Ⅵ)污染水体修复中可能比其他植
物更具有应用前景。
4 结 论
(1)李氏禾人工湿地系统对 Cr(Ⅵ)污染水体
的净化效果明显好于无植物的对照，表明李氏禾在
湿地系统净化 Cr(Ⅵ)污染水体的过程中起到重要
的作用。
(2)在李氏禾人工湿地系统中，Cr(Ⅵ)浓度沿
水迁移方向逐步衰减，但其随迁移距离的变化是非
线性的。Cr(Ⅵ)主要在湿地系统的前两个阶段被
去除。
(3)李氏禾人工湿地对 Cr(Ⅵ)超标 150 倍及以
935
环 境 工 程 学 报 第 8 卷
下的水体有很好的净化效果，其出水 Cr(Ⅵ)浓度均
能达到国家地表水Ⅱ类环境质量标准。这表明，李
氏禾人工湿地系统对于 Cr(Ⅵ)污染水体具有很强
的净化能力。
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