本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法。
背景技术：
砷是一种在自然界广泛存在的化学元素，其常见的存在形式是砷酸盐as(ⅴ)和亚砷酸盐as(ⅲ)。砷及其可溶性化合物具有很强的毒性，可以通过呼吸道、食物、饮用水或者皮肤接触进入人体，对人类和动植物都有很大的危害。
随着社会的不断发展，生活水平的不断提高，人们对饮用水的卫生要求越来也高。目前我国生活饮用水卫生标准(gb5749-2006)已经将砷含量0.05mg/l改为0.0lmg/l。尽管标准提高，但我国仍是世界上砷污染最严重的国家之一,群体性砷中毒以及砷污染事件时有发生。如何修复砷污染水体或土壤已经成为我国面临的难题。
目前，解决水体中砷污染的方法如下：有沉淀法、吸附法、离子交换法、中和氧化法、离子浮选法、电絮凝法、萃取法、膜分离法等。但这些方法工程量大、投资费用高、适用面积少、同时还可能导致二次污染。这些方法中较为成熟的是吸附法和沉淀法，但一般多用于处理小规模砷污染的水体或工业废水，在复杂的大水体系中成功运用的实例屈指可数，难以大面积应用；植物修复法在水体重金属砷污染修复当中应用比较广泛，利用一些对重金属有吸收积累能力的水生植物，一方面可以降低水体及沉积物中重金属的浓度，达到净化水体的作用；另一方面又可以定期收货打捞植物，对它们进行回收处理，避免再次进入环境而造成二次污染。目前发现蜈蚣草是砷超富集植物，但是蜈蚣草的根不能长期浸泡在湿地的水环境中，目前多用于土壤修复过程中，在水体修复中应用较少。
虽然近年来，世界各国水体污染控制中对于水质的改善取得了一定的成果，但是利用植物对水体中的砷进行吸收、富集、转化仍没有找到比较理想的方法。
因此，开发一种利用植物对水体中的砷进行吸收、富集、转化的方法具有重要的研究意义和应用价值。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中利用植物对水体中的砷进行吸收、富集、转化的方法改善效果不佳的缺陷，提供一种净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法。本发明提供的净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法可充分利用水铁矿对砷的物理吸附作用和蜈蚣草的生物吸收过程，将垂直流人工湿地的微污染水源中的砷持续向湿地植物蜈蚣草转移，大大降低微污染水源中的砷的含量。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法，包括如下步骤：
s1：在湿地基质开设过水通道以形成吸水部，并在过水通道的底部放置过滤层；
s2：在过滤层上放置底部和侧壁开孔的第一滤池，第一滤池内放置有至少包含水铁矿的第一填料；所述第一滤池与过滤层的高度之和低于所述过水通道的高度；
s3：在第一滤池上叠放底部和侧壁开孔的第二滤池，并在第二滤池内放置第二填料，所述第二填料的上部突出于所述过水通道；所述第二填料为用于固定和培育蜈蚣草的固体颗粒和水铁矿的混合物；
s4：在所述第二填料上移植蜈蚣草，利用水铁矿和蜈蚣草对水源中的砷进行吸附、富集和转化。
本发明通过构建一种两节式的滤池（第一滤池和第二滤池）来解决蜈蚣草的根长期浸泡在湿地环境的水环境中易腐烂死去的问题。将蜈蚣草移植在部分浸入过水通道，部分突出于过水通道的第二填料中，可有效避免其根部长期浸泡在水体环境中，有利于蜈蚣草的生长存活并充分发挥出其富集砷的生物吸附优势。同时，通过在第一滤池和第二滤池中均设置含有水铁矿的填料，可利用水铁矿的物理吸附作用将过水通道中的砷富集到水铁矿的表面，以供蜈蚣草的生物吸附，进一步提高蜈蚣草的富集效果。
优选地，s1中所述过滤层为碎石。
优选地，s2和s3中所述第一滤池和第二滤池均为陶质滤池。
第二填料中的固体颗粒可根据蜈蚣草的生长培育需求进行选取，优选地，s2和s3中所述第一填料和第二填料均为石英砂与水铁矿的混合物；所述石英砂与水铁矿的质量比为8~12:1。
该特定组成条件的第一填料和第二填料既可充分保证蜈蚣草的生长环境，又可以充分发挥出水铁矿的作用，成本低廉。
更为优选地，所述石英砂与水铁矿的质量比为10:1。
优选地，所述石英砂的粒径为1.0~1.7mm，所述水铁矿为粉末状。
本发明所指的粉末状是指粒径为2~6nm的水铁矿。
为了提高蜈蚣草的存活率，优选地，s4中所述蜈蚣草为3~4片新叶的蜈蚣草幼苗。
更为优选地，所述蜈蚣草幼苗的培育过程为：蜈蚣草孢子浸泡过夜后分散洒布在与第二填料组成相同的混合物上，盖上塑料薄膜至出现萌发的配子体；然后揭开塑料薄膜，无菌条件下受精，培育至长出3~4片新叶的幼苗。
优选地，s4中所述第二填料吸附饱和后移植所述蜈蚣草。
为了进一步提高蜈蚣草的富集效果及降低成本，优选地，所述方法还包括步骤s5：当第一滤池中的砷含量高于第一预设值，且第二滤池中的砷含量低于第二预设值时，交换第一填料和第二填料的位置或交换第一滤池和第二滤池的位置，并将所述蜈蚣草移植在所述第一填料上；所述第一填料和第二填料的组成相同。
在蜈蚣草富集一段时间后，第二滤池中的砷含量要低于第一滤池中的砷含量，当两者的砷含量的差值较大时，可交换第一填料和第二填料的位置或者交换第一滤池和第二滤池的位置，可进一步利用第二填料中的水铁矿的物理吸附作用，实现水铁矿的循环利用，降低成本。
优选地，所述第一预设值为0.05mg/l。
优选地，所述第二预设值为0.005mg/l。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法可充分利用水铁矿对砷的物理吸附作用和蜈蚣草的生物吸收过程，将垂直流人工湿地的微污染水源中的砷持续向湿地植物蜈蚣草转移，大大降低微污染水源中的砷的含量，处理效果好。
附图说明
图1是实施例1提供的净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法的流程示意图；
图2是实施例1和实施例2提供的两节式的滤池的工作示意图；
图3是实施例1和实施例2提供的第一滤池或第二滤池的结构示意图；
图4为实施例1提供的两节式的滤池的另一工作示意图；
图5是实施例2提供的净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法的流程示意图；
图6是实施例2提供的两节式的滤池的工作示意图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法，主要选用两节式的滤池，如图1，包括如下步骤：
s101：在湿地基质开设过水通道以形成吸水部，并在过水通道的底部放置过滤层；
具体地，利用外径为8cm的土柱采样器在湿地基质上打出过水通道，过水通道为直径约8cm、深20cm的管状通道，过滤层为5cm厚度的碎石。
s102：在过滤层上放置底部和侧壁开孔的第一滤池，第一滤池内放置有第一填料；第一滤池与过滤层的高度之和低于过水通道的高度；
具体地，第一滤池为陶质滤池，高度为10cm，内径为6cm，第一填料为石英砂与水铁矿的混合物，石英砂与水铁矿的质量比为10:1（石英砂500g，水铁矿50g），石英砂的粒径为1.5mm，水铁矿为粉末状。
应当理解的是，石英砂与水铁矿的质量比可根据实际需要进行调整。
s103：在第一滤池的上方叠放底部和侧壁开孔的第二滤池，并在第二滤池内放置第二填料，第二填料的上部突出于过水通道。
具体地，第二滤池的大小与第一滤池一致，第二填料的组成与第一填料的组成一致，石英砂可较好的实现蜈蚣草的固定和培育。
s104：在第二填料上移植蜈蚣草，利用水铁矿和蜈蚣草对水源中的砷进行吸附、富集和转化。
具体地，蜈蚣草通过如下过程培育得到：
收集成熟蜈蚣草孢子：采集成熟的蜈蚣草羽叶，室温晾干，轻轻敲打过程中收集黄褐色灰尘状的孢子，装于塑料管中4℃冰箱中保存；
基质准备：将500克石英砂和50克水铁矿混合均匀并放置到3cm高的容器中做栽培基质；
孢子处理：将蜈蚣草孢子浸泡于自来水中24小时；
播种：用移液枪吸取蜈蚣草孢子水溶液接种在栽培基质上，盖上塑料薄膜，在室温下光照培养2~3周后出现肉眼可见的绿色小点，显示孢子已经萌发出配子体。揭开塑料薄膜，定时喷洒无菌水，促进配子体根上的精子向原叶体上的卵子移动并受精，受精后的营养体培养3~4周后经由有丝分裂成长成孢子体。
孢子体移栽：当孢子体长出3~4片新叶时，用镊子轻轻夹出试管苗移栽到第二填料上。
另外，待第二填料吸附饱和后再将蜈蚣草移植。
将蜈蚣草移植在部分浸入过水通道，部分突出于过水通道的第二填料中，可有效避免其根部长期浸泡在水体环境中，有利于蜈蚣草的生长存活并充分发挥出其富集砷的生物吸附优势。同时，通过在第一滤池和第二滤池中均设置含有水铁矿的填料，可利用水铁矿的物理吸附作用将过水通道中的砷富集到水铁矿的表面，以供蜈蚣草的生物吸附，进一步提高蜈蚣草的富集效果。
蜈蚣草生物吸附砷的过程及其原理为：蜈蚣草首先通过根部通过磷的吸收通道吸收砷,再由磷的转运子进入细胞中。存在根部细胞中的砷通过主动运输吸收方式将砷转运至地上部分的羽叶中储存。在低砷浓度时,细胞壁会优先与砷结合,将砷固定在细胞壁上,限制其向内部转运。但蜈蚣草细胞壁对砷的贮存能力有限,因此当体内砷浓度过高时,绝大部分砷都会通过区隔化作用聚集到羽叶的胞液中。
整个两节式的滤池的工作示意过程和滤池的结构示意图如图2和图3。
经测定，垂直流人工湿地平均过流量0.3m3/m2·d，吸附处理前后水源水中砷的浓度分别为0.05和0.005mg/l、水铁矿对砷的饱和吸附量按0.06g/g计算，单个滤池吸附饱和的时间大约是75天。
此外，该方法还包括步骤s105：当第一滤池中的砷含量高于第一预设值，且第二滤池中的砷含量低于第二预设值时，交换第一滤池和第二滤池的位置，并将蜈蚣草移植在第一填料上。
具体地。当第一滤池中的砷含量高于0.05mg/l，第二滤池中的砷含量低于0.05mg/l时，交换第一滤池和第二滤池的位置，并将蜈蚣草移植到第一填料上，可实现水铁矿的循环利用，如图4。
实施例2
本实施例提供一种净化垂直流人工湿地含砷微污染水源的方法，主要选用两节式的滤池，如图5，包括如下步骤：
s201：在湿地基质开设过水通道以形成吸水部，并在过水通道的底部放置过滤层；
具体地，利用外径为8cm的土柱采样器在湿地基质上打出过水通道，过水通道为直径约8cm、深20cm的管状通道，过滤层为5cm厚度的碎石。
s202：在过滤层上放置底部和侧壁开孔的第一滤池，第一滤池内放置有第一填料；第一滤池与过滤层的高度之和低于过水通道的高度；
具体地，第一滤池为陶质滤池，高度为10cm，内径为6cm，第一填料为石英砂与水铁矿的混合物，石英砂与水铁矿的质量比为10:1（石英砂500g，水铁矿50g），石英砂的粒径为1.5mm，水铁矿为粉末状。
应当理解的是，石英砂与水铁矿的质量比可根据实际需要进行调整。
s203：在第一滤池的上方叠放第二滤池，并在第二滤池内放置第二填料，第二填料的上部突出于过水通道。
具体地，第二滤池的大小与第一滤池一致，第二填料的组成与第一填料的组成一致，石英砂可较好的实现蜈蚣草的固定和培育。
s204：在第二填料上移植蜈蚣草，以吸附水源中的砷利用水铁矿和蜈蚣草对水源中的砷进行吸附、富集和转化。
具体地，蜈蚣草通过如下过程培育得到：
收集成熟蜈蚣草孢子：采集成熟的蜈蚣草羽叶，室温晾干，轻轻敲打过程中收集黄褐色灰尘状的孢子，装于塑料管中4℃冰箱中保存；
基质准备：将500克石英砂和50克水铁矿混合均匀并放置到3cm高的容器中做栽培基质；
孢子处理：将蜈蚣草孢子浸泡于自来水中24小时；
播种：用移液枪吸取蜈蚣草孢子水溶液接种在栽培基质上，盖上塑料薄膜，在室温下光照培养2~3周后出现肉眼可见的绿色小点，显示孢子已经萌发出配子体。揭开塑料薄膜，定时喷洒无菌水，促进配子体根上的精子向原叶体上的卵子移动并受精，受精后的营养体培养3~4周后经由有丝分裂成长成孢子体。
孢子体移栽：当孢子体长出3~4片新叶时，用镊子轻轻夹出试管苗移栽到第二填料上。
另外，待第二填料吸附饱和后再将蜈蚣草移植。
将蜈蚣草移植在部分浸入过水通道，部分突出于过水通道的第二填料中，可有效避免其根部长期浸泡在水体环境中，有利于蜈蚣草的生长存活并充分发挥出其富集砷的生物吸附优势。同时，通过在第一滤池和第二滤池中均设置含有水铁矿的填料，可利用水铁矿的物理吸附作用将过水通道中的砷富集到水铁矿的表面，以供蜈蚣草的生物吸附，进一步提高蜈蚣草的富集效果。
蜈蚣草生物吸附砷的过程及其原理为：蜈蚣草首先通过根部通过磷的吸收通道吸收砷,再由磷的转运子进入细胞中。存在根部细胞中的砷通过主动运输吸收方式将砷转运至地上部分的羽叶中储存。在低砷浓度时,细胞壁会优先与砷结合,将砷固定在细胞壁上,限制其向内部转运。但蜈蚣草细胞壁对砷的贮存能力有限,因此当体内砷浓度过高时,绝大部分砷都会通过区隔化作用聚集到羽叶的胞液中
整个两节式的滤池的工作示意过程如图2。
此外，该方法还包括步骤s205：当第一滤池中的砷含量高于第一预设值，且第二滤池中的砷含量低于第二预设值时，交换第一填料和第二填料的位置，并将蜈蚣草移植在第一填料上。
具体地，当第一滤池中的砷含量高于0.05mg/l，第二滤池中的砷含量低于0.05mg/l时，交换第一填料和第二填料的位置，并将蜈蚣草移植到第一填料上，可实现水铁矿的循环利用，如图6。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。