植物材料吸附劑-水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法及其裝置的製作方法

2023-05-11 10:50:06

專利名稱：植物材料吸附劑-水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種植物材料吸附劑一水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法 及其裝置，屬於水體淨化及環境保護技術領域。
背景技術：
20世紀以來，隨著工業和經濟的迅速發展，世界各國都出現了不同程度的環境汙染問題， 其中工業"三廢"排放、農業活動以及城市面源汙染等，是造成景觀水體遭受有機、無機和 重金屬物質汙染的主要原因。相對於富營養化水體中大量存在的氮、磷等營養物質，水體中 的重金屬汙染物濃度相對較低。然而，這些重金屬汙染物一旦進入水體，就可能造成水生生 態系統內潛在的生物體重金屬毒害，並由此進一步導致其在食物鏈中的傳遞和累積，從而最 終危極人類健康安全。
傳統的水體重金屬汙染物去除方法包括物理和化學兩種。這些方法往往具有去除效率高、 效果穩定、操作方法簡單等優點，但它們有一個共同的缺點就是成本和運行費用較高，不適 於大規模使用，尤其在開放的景觀水體應用中具有較為明顯的局限性。生物吸附法是一項處 理重金屬汙染廢水的新技術。與傳統處理方法相比，生物吸附法的主要優點在於其吸附速度 快、回收效率高，能有效地降低水體中的重金屬汙染物濃度，且所用的生物材料來源廣泛， 其中很多都是工農業的副產物或廢棄物，因此成本和運行費用低廉，對水生生態系統影響較 小，可應用於景觀水體的水質淨化中。目前，在眾多的重金屬生物吸附劑中，利用農業副產 物，如木屑、樹皮、麥麩、穀殼、玉米皮和玉米芯等作吸附劑去除水體中重金屬汙染物的研 究備受關注。作為我國產量最大的農業副產物，麥麩和米糠的年產量分別可達2000和1000 萬噸以上。然而，目前這些麥麩和米糠的主要用途是作為飼料，經濟價值不高。因此，若能 夠將這些農業副產品作為重金屬的生物吸附劑，不僅資源豐富，而且價格低廉。近年來，大 量研究已證明了麥麩和米糠所具有的吸附水體中重金屬汙染物的能力。然而，研究也表明， 在適宜的條件下，這些生物吸附劑也存在著一定的解吸附過程。此外，麥麩和米糠中所含有 的蛋白質、脂類等有機質成分會隨其在水體中的長時間浸泡而分解，從而可能造成水體的二 次汙染。因此若在景觀水體中應用麥麩和米糠等的植物材料吸附劑時，則必須進行預處理或 定期回收。
水絲蚓(Z/w"oAz7^sp.)是淡水生態系統中最為常見的底棲動物，屬環節動物門、寡毛
3綱、近孔寡毛目、顫蚓科、水絲蚓屬，常生活在河流及湖泊淺層區域，以腐殖質為食，同時 也是水中魚類的優質餌料，常在水環境汙染較為嚴重的水域中大量出現。目前，全世界記載 的水絲蚓屬有10種以上，其中作為優勢種類的霍甫水絲蚓"/附"(W^/^; of附eWm')在我國 主要河湖水域中均有大量分布。由於水絲蚓生命周期相對較長、遷移能力有限，在長期的環 境適應過程中逐步形成了敏感的環境變化響應機制以及較強的環境脅迫抗逆性，可對棲息地 物理、化學及生態特性隨時間、空間的變化情況進行綜合反映，因此，長期以來人們多將其 作為反映淡水生態系統健康狀況的主要評價指標之一。近年來，研究者開始逐步關注水絲蚓 對水體中各類汙染物質所表現出的生理耐受性，以及其在水質淨化方面所具有的應用潛力。 沉積在底泥表面的重金屬汙染物質可通過攝食和呼吸過程等途徑進入水絲蚓體內，並在其表 皮及腸壁細胞中累積。這些重金屬離子能夠誘導蟲體細胞內金屬硫蛋白(metallothionein， MT)的合成，而與金屬硫蛋白絡合後的重金屬離子即被儲存和隔離在溶小體(lysosomes) 中。顯然，金屬硫蛋白是水絲蚓抵抗重金屬毒性的重要適應性機能。同時，為了防止過高濃 度重金屬汙染物對蟲體自身的損壞，水絲蚓還形成了獨特的尾部"自割"機制，即水絲蚓的 尾部有較多的溶小體，可以吸收更多的金屬儲存隔離在尾部的表皮細胞或腸道的上皮組織間， 當金屬累積儲存到一定濃度時，尾端體節與體節之間的隔膜處便會凹陷裂開，將尾部自割。 由於水絲蚓有很強的再生能力，因此，自割後經過約兩個星期的時間，可以再生新的尾巴， 並不會造成傷害，而斷掉的尾巴會皺縮成念珠狀退化消失，不會變成另一個新的個體。此外， 研究人員還將重金屬汙染區域生長的水絲蚓進行草蝦(Pa/aemm^^wg/o)餵食實驗，未觀察 到草蝦體內的重金屬汙染物累積現象。由此可知，水絲蚓能夠利用其獨特的生物學機制轉化 和降解水體中重金屬汙染物毒性，但其中具體生理學過程尚未得到完整的解釋。
在針對景觀水體中重金屬汙染物去除技術的研究中，需要解決兩個最為關鍵問題，即重 金屬的遷移途徑和生物毒性轉化。植物材料吸附劑在吸附水體重金屬汙染物方面的有效性已 得到證實，當吸附重金屬後的植物材料吸附劑作為餌料被水絲蚓攝食後，由吸附劑造成的水 體二次汙染風險則會大大降低。水絲蚓對於重金屬物質的生物學耐受性及毒性降解能力，使 得水體中的重金屬汙染物能夠最大限度的被"植物材料吸附劑-水絲蚓"系統所吸附和轉移， 同時其生物毒性也將會減少。因此，利用"植物材料吸附劑-水絲蚓"生物聯合去除景觀水體 中重金屬汙染物具有非常好的應用前景。然而，目前國內外相關的"植物材料吸附劑-水絲蚓" 生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物質的方法和設計還未見報導。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種植物材料吸附劑一水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法及其裝置。
本發明一種植物材料吸附劑一水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法，其 特徵在於具有以下的過程和步驟
a. 植物材料吸附劑的製備將具有良好水絲蚓適口性的植物性農業副產物預先進行研 磨，並過篩，控制其粒徑為0.50mm左右；所述的植物農業副產物為麥麩，穀殼、玉米、玉 米芯等，選擇其中的任一種或兩種的混合物；
b. 水絲頓生物的準備,選擇健康的水絲蝴成蟲，蟲體體長為25 40mm，體寬0.7 0.8mm， 蟲體體質健壯，活力較強，呈紅色或紅褐色；
c. 將上述植物材料吸附劑和水絲躬l生物先後分別放置於箱體中的隔離網上；植物材料吸 附劑的投加量與水絲蚓生物的投放量兩者的重量比例為5: 1;將箱體放置於需處理的景觀水 體中，並保持箱體頂部懸於水面20cm以上。
所述的水絲頓隔離網的孔徑為小於0.7mm;所述水體中的重金屬汙染物濃度為lmg/L時， 水絲蚓生物的投放量為250g/m3。
一種植物材料吸附劑一水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法中使用的專 用裝置，該裝置包括有箱體、箱體骨架、硬質尼龍篩網、水絲頓固定隔離網、固定鎖扣和泡 沫塑料浮板；其特徵在於箱體由箱體骨架及其間的硬質尼龍篩網包圍組成；所述硬質尼龍 篩網的孔徑為小於0.5mm;水絲蚓固定隔離網位於離箱體底部三分之一箱體總高度處，該固 定隔離網的孔徑為小於0.7mm;固定隔離網和尼龍篩網的厚度為0.3 0.4mm;在所述箱體的 底部設置有泡沫塑料浮板，以保證調節和保持箱體頂部懸浮於水面20cm以上；在箱體頂面 相對對角側設有固定鎖扣，以用於加裝繩索從而固定裝置在水體中的位置以及便於回收。
本發明方法的優點和特點如下所述
(1) 採用"植物材料吸附劑-水絲蚓"生物聯合去除景觀水體中的重金屬汙染物，能夠 有效降低水體中重金屬汙染物濃度，成本和運營費用低廉，操作簡便，可應用在開放的景觀 水體中，且不會對水生生態系統產生影響；
(2) 利用水絲蚓攝食吸附重金屬後的植物材料吸附劑，可減少吸附劑作為生物吸附劑後 可能存在的解吸附和有機質分解對水體影響的風險；
(3) "植物材料吸附劑-水絲蚓"聯合去除景觀水體重金屬汙染物裝置結構簡單，製作成 本低廉，可被重複使用。


圖1是本發明一種植物材料吸附劑一水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的特 殊專用裝置。
具體實施例方式
現將本發明結合附圖及實施例作進一步描述。 實施例l
本發明利用植物材料吸附劑一水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物。本發明主 要設計了一種專用裝置，該裝置如圖l所示，該裝置包括有箱體l、箱體骨架2、硬質尼龍篩 網3、水絲蚓固定隔離網4、固定鎖扣5和泡沫塑料浮板6;箱體l由箱體骨架2及其間的硬 質尼龍篩網3包圍組成；所述硬質尼龍篩網的孔徑為小於0.5mm;水絲蚓固定隔離網4位於 離箱體底部三分之一箱體總高度處，該固定隔離網的孔徑為小於0.7mm;固定隔離網4和尼 龍篩網3的厚度為0.3 0.4mm;在所述箱體1的底部設置有泡沫塑料浮板6，以保證調節和 保持箱體1頂部懸浮於水面20cm以上；在箱體1頂面相對對角側設有固定鎖扣5，以用於加 裝繩索從而固定裝置在水體中的位置以及便於回收。
在上述專用裝置箱體中的水絲蚓固定隔離網上先後分別放置水絲頓生物及植物材料吸附 劑；植物材料吸附劑的投加量與水絲蚓生物的投放量兩者重量比例為5: 1,將箱體放置於需 處理的景觀水體中，並保持箱體頂部懸於水面20cm以上。
植物材料吸附劑和水絲蚓生物的準備過程如下所述
(1) 植物材料吸附劑的製備將具有良好水絲躬l適口性的植物農業副產物預先進行研磨， 並過篩，其平均粒徑為0.50mm;所述的植物性農業副產品為麥麩或穀殼。
(2) 水絲蚓生物的準備選擇健康的水絲蚓成蟲，蟲體體長為25 40mm，體寬為0.7 0.8mm，蟲體體質健壯，活力較強，呈紅色或紅褐色。
本實施例中，其具體操作過程如下
根據所需處理的景觀水體中重金屬汙染物濃度，將經預先2天飢餓處理的健康水絲頓成 蟲放置於箱體水絲蚓隔網內；水絲蚓的放置量依據所需處理水體中的重金屬汙染情況而定， 當水體中重金屬汙染物濃度為lmg/L時，投放量約為250g鮮重/m、健康水絲衂成蟲應表現 為蟲體體長25 40mm，體寬0.7 0.8mm,蟲體體質健壯，活力較強，呈紅色或紅褐色；將 "植物材料吸附劑-水絲蚓"聯合去除景觀水體重金屬汙染物的裝置放置於需處理的景觀水體 內，用繩索固定箱體位置；向裝置中投加經預先研磨過篩、粒徑約0.50mm的植物材料吸附 劑，每隔2 4天向裝置中再次追投植物材料吸附劑；植物材料吸附劑總投加量與水絲蟲引生物量的比例為5:1;根據季節以及水體受汙染程度等情況，"植物材料吸附劑-水絲蚓"聯合去除 景觀水體重金屬的處理周期可為7 10天，處理結束後，將裝置內的水絲蚓及剩餘吸附劑回 收；根據裝置內水絲蚓生命活性情況，更換水絲蚓後重複進行上述處理。 本發明方法的實驗室試驗
(1) 在實驗室條件下，分別進行了水絲蚓和麥麩去除人工汙水中重金屬鉛汙染物的實驗。 在水絲蚓去除重金屬實驗中，僅向"麥麩-水絲蚓"生物聯合去除景觀水體重金屬汙染物的裝 置中投加水絲蚓，所採用的人工汙水中Pb^濃度為50mg/L，實驗用水總體積為50L，水絲蟲引 投加量為50g鮮重。經過8天處理，水體中Pb^濃度降至1.35mg/L,平均去除率可達97.2%， 其中蟲體對人工汙水中Pb^的吸附率約為65%。實驗結束後，水絲蚓生命活性情況仍然良好。
(2) 在麥麩吸附實驗中，僅向"麥麩-水絲蝴"聯合去除景觀水體重金屬汙染物的裝置 中投加麥麩，所採用的麥麩粒徑為0.5mm，所採用的人工汙水中P滻濃度為200mg/L，實驗 用水總體積為50L，麥麩的投加量為200g。經過90min的處理後，水體中Pb"濃度降至89.32 mg/L，平均去除率為55.34%。
將用於PbS+吸附後的麥麩烘乾並投餵水絲蚓後，水絲蚓表現出良好的攝食取向，且攝食 後生命活性良好。
權利要求
1、一種植物材料吸附劑-水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法，其特徵在於具有以下的過程和步驟a.植物材料吸附劑的製備將具有良好水絲蚓適口性的植物性農業副產物預先進行研磨，並過篩，控制其粒徑為0.50mm左右；所述的植物農業副產物為麥麩，穀殼、玉米、玉米芯等，選擇其中的任一種或兩種的混合物；b.水絲蚓生物的準備，選擇健康的水絲蚓成蟲，蟲體體長為25～40mm，體寬0.7～0.8mm，蟲體體質健壯，活力較強，呈紅色或紅褐色；c.將上述植物材料吸附劑和水絲蚓生物先後分別放置於箱體中的隔離網上；植物材料吸附劑的投加量與水絲蚓生物的投放量兩者的重量比例為5∶1；將箱體放置於需處理的景觀水體中，並保持箱體頂部懸於水面20cm以上。
2、 如權補要求1所述的一種植物材料吸附劑一水絲蚓聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方 法，其特徵在於所述的水絲蚓隔離網的孔徑為小於0.7mm;所述水體中的重金屬汙染物濃度 為lmg/L時，水絲蚓生物的投放量為250g/m3。
3、 一種植物材料吸附劑一水絲頓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法中使用的專用 裝置，該裝置包括有箱體(1)、箱體骨架(2)、硬質尼龍篩網(3)、水絲蚓固定隔離網(4)、 固定鎖扣(5)和泡沫塑料浮板(6);其特徵在於箱體(1)由箱體骨架(2)及其間的硬質 尼龍篩網(3)包圍組成；所述硬質尼龍篩網的孔徑為小於0.5mm;水絲蚓固定隔離網(4) 位於離箱體底部三分之一箱體總高度處，該固定隔離網的孔徑為小於0.7mm;固定隔離網(4) 和尼龍篩網(3)的厚度為0.3 0.4mm;在所述箱體(1)的底部設置有泡沫塑料浮板(6)， 以保證調節和保持箱體(1)頂部懸浮於水面20cm以上；在箱體(1)頂面相對對角側設有 固定鎖扣(5)，以用於加裝繩索從而固定裝置在水體中的位置以及便於回收。
全文摘要
本發明涉及一種植物材料吸附劑—水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物的方法及其裝置，屬於水體淨化及環境保護技術領域。本發明利用植物材料吸附劑和水絲蚓生物聯合去除景觀水體中重金屬汙染物。本發明敘述了植物材料吸附劑的製備及水絲蚓生物的準備過程，並補用本發明的專用裝置，即帶有水絲蚓固定隔離網的箱體，將水絲蚓和吸附劑先後放置於該固定隔離網上，然後使箱體懸浮放於需處理的水體中，箱頂面露出水面，每隔2～4天向裝置中再次追投植物材料吸附劑，處理周期為7～10天。本發明方法通過水絲蚓攝食吸附重金屬後的植物材料吸附劑，可有效提高水體重金屬的生物去除效果。
文檔編號B01J20/22GK101580304SQ20091005386
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者丁國際, 何池全, 劉佳苗, 張亞克, 方嘉芸, 霞 梁, 高夢凡 申請人:上海大學