丁國慶, 王 霄, 吳 憂, 南 靜, 宋海亮, 楊玉立

(南京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210023)

0 引 言

重金屬作為水體污染中常見的一類污染物質(zhì),具有高毒性、來源廣、性質(zhì)穩(wěn)定、不易被環(huán)境所降解等特性[1-2]。其在水體中通常以溶解態(tài)、懸浮態(tài)及沉積態(tài)形式存在,在經(jīng)歷遷移、轉(zhuǎn)化、累積等過程后,常在生物體內(nèi)大量富集,易導(dǎo)致生物體代謝紊亂、發(fā)育停滯甚至死亡[3]。當(dāng)人體內(nèi)積存重金屬時(shí),易造成肝、腎功能衰竭、神經(jīng)系統(tǒng)受損等危害[4]。

在我國,重要河流、湖泊、水庫均存在重金屬污染問題,且污染率高達(dá)80%[5]。其中,Hg、Cu、Cr、Mn、Co、Zn、Ge、Ni、Pb等重金屬的水體污染問題較為常見[6-7]。相關(guān)研究表明,我國重金屬污染現(xiàn)狀較為嚴(yán)重,并且該污染仍呈上升趨勢(shì)[8]。

水體重金屬的處理技術(shù)主要分為物理法、化學(xué)法和生物法[9]。物理處理技術(shù)包括吸附、膜分離和蒸發(fā)等[10-11],其優(yōu)點(diǎn)主要是操作簡單,不易造成二次污染。化學(xué)法的常用方法包括電化學(xué)、絮凝沉淀和離子交換等[12-13],其具有處理時(shí)間短、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)[14]。生物處理作為目前研究熱點(diǎn),常用治理方法包括藻類修復(fù)、微生物修復(fù)和植物修復(fù)等[15-16]。生物處理具有處理費(fèi)用低廉、操作簡單、無二次污染等優(yōu)點(diǎn),但易受溫度和季節(jié)條件影響,無法進(jìn)行持續(xù)處理,且無法適用于重金屬濃度較高水體的處理[17]。而人工濕地耦合微生物燃料電池(CW-MFC)是一項(xiàng)利用電化學(xué)、介質(zhì)、植物和微生物的物理、化學(xué)和生物協(xié)同作用,對(duì)于重金屬廢水進(jìn)行凈化的新型技術(shù)。本文將對(duì)于CW-MFC處理重金屬廢水的現(xiàn)有研究進(jìn)行綜述,并從基質(zhì)、電化學(xué)、微生物和植物4個(gè)方面闡述CW-MFC去除廢水中重金屬的相關(guān)機(jī)理。

1 CW-MFC概述及處理廢水優(yōu)勢(shì)

人工濕地(CW)技術(shù)近年來擁有廣闊的應(yīng)用前景,但在實(shí)際處理過程中常受有機(jī)污染負(fù)荷過大、填料堵塞淤積等問題影響,而微生物燃料電池(MFC)是一種利用微生物催化降解有機(jī)物質(zhì),同時(shí)產(chǎn)生電能的新型污水凈化技術(shù)。在CW中加入MFC體系后,不僅可以強(qiáng)化人工濕地中污水處理的效能,緩解填料污染情況,而且還可以回收利用所產(chǎn)生的電能,實(shí)現(xiàn)污水的資源化處理。在CW-MFC中,植物產(chǎn)生的有機(jī)物和廢水中的有機(jī)物被陽極區(qū)域的產(chǎn)電菌氧化,生成電子和H+。產(chǎn)生的電子通過外部電路傳遞到陰極[18],而產(chǎn)生的H+在溶液中擴(kuò)散移動(dòng)至陰極,最終與電子受體O2在陰極發(fā)生還原反應(yīng)[19],從而完成了整個(gè)產(chǎn)電過程。

陽極反應(yīng): 葡萄糖:C6H12O6+6H2O6CO2+24H++24e- 醋酸:CH3COO-+2H2O2CO2+7H++8e- 乳酸: 陰極反應(yīng): O2+4H++4e-2H2O圖1 CW-MFC去除污染物質(zhì)機(jī)制Fig. 1 Mechanism of pollutants removal by CW-MFC

CW-MFC耦合系統(tǒng)由于MFC的加入,處理效果普遍高于常規(guī)CW系統(tǒng)。作為一種新興的污水處理技術(shù),其對(duì)于染料廢水[20]、含鹽廢水[21]、農(nóng)藥廢水[22]及工業(yè)廢水[23]等水體都具有較好的凈化效果。相較于傳統(tǒng)廢水中的重金屬修復(fù)技術(shù),CW-MFC從多維度去除污染物質(zhì),具有成本低、處理效果顯著、穩(wěn)定性高、不易產(chǎn)生二次污染及中間產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn),擁有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和前景。

2 CW-MFC處理重金屬研究現(xiàn)狀

2.1 高價(jià)態(tài)金屬離子

2.1.1 鉻

鉻(Cr)具有高毒性及強(qiáng)致癌、致畸性,對(duì)環(huán)境和人體危害較大。LIU等[30]設(shè)計(jì)了菖蒲人工濕地微生物燃料電池(CW-MFC),用于處理含Cr(VI)廢水。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)水Cr(VI)濃度為12.07 mg/L 時(shí),種植后9 h的CW-MFC對(duì)Cr(VI)的去除率達(dá)到98.92%,低濃度Cr(VI)的添加提高了CW-MFC的發(fā)電量,而高濃度Cr(VI)的添加導(dǎo)致功率下降。MU等[31]發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水濃度為Cr(VI)(60 mg/L)和COD (500 mg/L),電極間距為10 cm時(shí),功率密度最高,為458.2 mW/m3。HRT為3 d時(shí),Cr (VI)和COD去除率最高,分別為90.7% 和 92.5%。同研究[32]以生物陶瓷、沸石、方解石和火山巖為原料,構(gòu)建了不同填料的上流式CW-MFC體系,發(fā)現(xiàn)COD去除率均超過93%,除陶瓷填料體系外,其余體系均獲得了高于90%的Cr(VI)去除率。KONG等[33]以鐵屑、活性炭作為陽極填料,黃鐵礦、礫石和陶粒作為中間層填料,構(gòu)建了不同填料條件下的CW-MFC系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)不同裝置對(duì)于Cr(VI)的去除效果差異不大,去除率在97.32%～98.46%范圍內(nèi)。但在總Cr的去除效果上,以鐵屑為陽極、黃鐵礦為中間層的裝置獲得了最高的去除率,為88.10% ± 6.43%,同時(shí)該裝置擁有更高的電壓輸出((572.63±4.56) mV)與功率密度(18.57 mW/m2)。

表1 CW-MFC對(duì)于各類型廢水的處理效能及產(chǎn)電性能

WANG等[34]構(gòu)建了不同的降流式李氏禾人工濕地-微生物燃料電池(DLCW-MFC)處理Cr(VI)和對(duì)氯苯酚(4-CP)的單一污染廢水及復(fù)合污染廢水,發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)器在單一Cr(VI)污染和C&P復(fù)合污染條件下的Cr(VI)去除率均達(dá)到了99%,并且發(fā)現(xiàn)與中間層和陽極區(qū)層相比,陰極層在COD及Cr(VI)的去除中起主要作用,其可能是因?yàn)閺U水首先接觸陰極層,更多的碳源被微生物代謝,Cr被細(xì)菌吸附,在系統(tǒng)中沉淀,并被植物吸收和富集。同研究[35]探索了DLCW-MFC系統(tǒng)在不同pH條件下對(duì)去除Cr(VI)和4-CP、電化學(xué)性能和Cr富集狀況的影響,結(jié)果表明,在pH為6.5時(shí),DLCW-MFC對(duì)Cr(VI)和4-CP的去除率最高,分別為99.0%和78.6%。同時(shí),在pH為6.5時(shí),系統(tǒng)的輸出電壓為543 mV,功率密度為72.25 mW/m2,優(yōu)于pH分別為7.4和5.8時(shí)的輸出電壓和功率密度。該結(jié)果表明,當(dāng)pH為6.5時(shí)增強(qiáng)了體系的電荷轉(zhuǎn)移能力和離子擴(kuò)散能力。同時(shí),pH 6.5也促進(jìn)了生長和光合作用,并增強(qiáng)了李氏禾的鉻富集能力(4.56 mg/10株)。LIU等[36]探究了多個(gè)因素對(duì)于CW-MFC去除Cr(VI)的影響,首先在不同電極間距下(5、10、15 cm)、發(fā)現(xiàn)電極間距為10 cm時(shí)Cr(VI)去除率最高,為98.8%,最大功率密度為37.8 mW/m2。在不同電極面積條件下(25、75、100 cm2),具有75 cm2陰極面積的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最高的功率密度39.9 mW/m2和相應(yīng)的Cr(VI)去除效率90.9%。最后探究了不同植物類型的影響(莎草、水蔥、菖蒲、美人蕉、香蒲、鳶尾草),發(fā)現(xiàn)水蔥CW-MFC具有更好的綜合性能,最大功率密度為40.6 mW/m2,Cr(VI)去除速率常數(shù)為0.346 h-1。

2.1.2 砷

砷(As)是一種類金屬元素,以化合物形式廣泛存在于生態(tài)環(huán)境中。KABUTEY等[37]構(gòu)建了一種新型的大型植物生物陰極SMFC(mSMFC),采用大植物復(fù)合陰極處理,獲得了89.18%的As去除率?？偦瘜W(xué)需氧量去除率為73.27%,SMFC的最大輸出電壓為0.353 V,功率密度為74.16 mW/m3,凈發(fā)電量為0.015 kW·h/m3。ZHU等[38]以沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)(SMFC)為參照,發(fā)現(xiàn)在種植了植物后的沉積物微生物燃料電池系統(tǒng)(P-SMFC)功率密度提高了36.7%,砷去除率提高了7.6%,并且隨時(shí)間變化,第64天至第200天,砷去除率提高了29.4%。

2.2 低價(jià)態(tài)金屬離子

2.2.1 鋅

2.2.2 鎳

鎳(Ni)是人體必需的生命元素,在人體內(nèi)含量極微。當(dāng)環(huán)境中存在過量的鎳元素時(shí),可能會(huì)對(duì)人體會(huì)造成皮膚、消化系統(tǒng)、肝腎功能等的損傷。劉婷婷等[41]考察了不同電極間距下(12、15、18、20 cm) 的CW-MFC對(duì)Zn和Ni的去除性能,發(fā)現(xiàn)不同電極間距對(duì)于CW-MFC去除重金屬性能的影響很大,對(duì)于Zn的去除率分別為84.68%、64.56%、66.98%和50.23%,而對(duì)于Ni的去除率分別為74.14%、66.09%、64.00%和48.01%。當(dāng)間距為12 cm時(shí),CW-MFC系統(tǒng)對(duì)Zn和Ni的去除效果最好,相較于CW,去除率分別提高了64%和26%,同時(shí)該條件下,CW-MFC系統(tǒng)的輸出電壓和最大功率密度分別達(dá)到513 mV和50.76 mW/m3。CHENG等[42]將沸石、煤渣、陶粒和顆?；钚蕴孔鳛殛枠O填料,研究不同陽極填料下的CW-MFC運(yùn)行性能和微生物群落響應(yīng),發(fā)現(xiàn)以顆?；钚蕴孔鳛殛枠O的裝置在不同的鎳初始濃度下產(chǎn)生超過99%的鎳去除效率,同時(shí)產(chǎn)生了573 mV的最大輸出電壓,8.95 mW/m2的功率密度和177.9 ω的內(nèi)阻。

2.2.3 鉛

鉛(Pb)作為一種極為常見的工業(yè)金屬元素,具有不易降解、高毒害性等特性,在自然環(huán)境中難以自凈。ZHAO等[43]構(gòu)建了兩個(gè)CW-MFC裝置,發(fā)現(xiàn)Pb(Ⅱ) 降低了內(nèi)阻并增加了CW-MFC系統(tǒng)的功率密度,實(shí)驗(yàn)組(添加5 mg/L Pb(Ⅱ))的電壓(343.16 ± 12.14)mV顯著高于對(duì)照組(295.49 ± 13.91)mV,實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的最高功率密度分別為7.432 mW/m2和3.873 mW/m2,CW-MFC能夠有效去除Pb(Ⅱ)(84.86% ± 3%),但除NH3-N去除效率外,各組對(duì)常見污染物的去除無顯著差異。

3 CW-MFC去除重金屬的機(jī)理

3.1 基質(zhì)作用

基質(zhì)可通過吸附作用截留部分重金屬,常見的基質(zhì)為礫石、沸石、生物陶瓷、熔巖、火山巖和爐渣等[44-45]。LU等[28]以鐵礦石作為基質(zhì),證明了CW-MFC中基質(zhì)的吸附作用在整個(gè)污染物質(zhì)的去除過程中起著重要作用。

在CW-MFC中,基質(zhì)吸附的主要影響因素有基質(zhì)材料、基質(zhì)粒徑、重金屬種類、濃度、pH、運(yùn)行周期和水力停留時(shí)間(HRT)。

(1)基質(zhì)材料、基質(zhì)粒徑對(duì)吸附的影響

基質(zhì)材料和粒徑?jīng)Q定了其飽和吸附量的大小。研究表明,相較于天然吸附劑和生物吸附劑,合成吸附劑在重金屬的去除上更具有優(yōu)勢(shì)。并且當(dāng)粒徑越小時(shí),比表面積越大,意味著可以提供更多的吸附位點(diǎn)[10]。

(2)重金屬種類與濃度對(duì)吸附的影響

同一種材料在不同重金屬的吸附效果上有所差異,當(dāng)廢水中含有多種重金屬時(shí),往往會(huì)降低該材料對(duì)于單一重金屬的吸附性能。重金屬的初始濃度也會(huì)影響材料的吸附量,通常,吸附容量會(huì)隨著重金屬濃度的升高而增加[46],但超過一定濃度后吸附容量便會(huì)下降,這主要是由于吸附劑吸附點(diǎn)位活性的降低,減少了飽和吸附量所導(dǎo)致的[47]。

(3)pH對(duì)吸附的影響

pH對(duì)于重金屬吸附的影響較大,重金屬的吸附率通常會(huì)隨著pH的升高出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),5～7為最佳pH條件。當(dāng)pH過低時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致氫離子競(jìng)爭(zhēng)吸附,結(jié)合重金屬的吸附點(diǎn)位而使其吸附率下降。而當(dāng)pH過高時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致重金屬水解,影響吸附[48]。

(4)水力停留時(shí)間(HRT)和運(yùn)行周期對(duì)吸附的影響

吸附能力隨時(shí)間的變化,通常表現(xiàn)為初始時(shí)吸附速率不斷提升,吸附量增大。而當(dāng)吸附趨于飽和時(shí),吸附速率逐漸減小,直至飽和,此過程中可能會(huì)出現(xiàn)少量解吸、再吸附現(xiàn)象。在CW-MFC中,更大的HRT所帶來的小流速的進(jìn)水模式有利于基質(zhì)的吸附,而長時(shí)間的運(yùn)行周期使得基質(zhì)的吸附量不斷趨于飽和。

表2 常見基質(zhì)對(duì)于重金屬的吸附情況

3.2 電化學(xué)作用

CW-MFC中的電化學(xué)作用主要包括電還原、電吸附以及電沉積作用。其往往會(huì)受電極材料、有機(jī)污染負(fù)荷和氧化還原電位梯度等因素影響[54]。其中,電極材料決定電導(dǎo)率和內(nèi)阻,會(huì)對(duì)電化學(xué)性能產(chǎn)生直接影響。有機(jī)物質(zhì)為陽極微生物提供碳源,滿足其生長及代謝需求。當(dāng)COD濃度過低時(shí),將不利于微生物代謝和產(chǎn)電,而當(dāng)濃度過高時(shí),會(huì)造成陰極微生物過度生長,消耗陰極溶解氧,限制了電極上反應(yīng)物與產(chǎn)物之間的相互傳遞。在CW-MFC中,電子由氧化還原電位低處向高處流動(dòng),通過改變進(jìn)水模式、種植濕地植物、增大水力停留時(shí)間等均可以增大氧化還原電位梯度,提高電化學(xué)性能。

3.2.1 電還原作用

在CW-MFC中,電還原主要是由于微生物降解有機(jī)物質(zhì)過程中產(chǎn)生的電子經(jīng)陽極向陰極傳輸,重金屬離子在陰極接收電子實(shí)現(xiàn)還原。即重金屬離子在陰極被還原成單質(zhì)或沉積物,并沉積在陰極表面。在此過程中,氧化還原電位較高的金屬(如Pb2+、Ni2+、Ag+、Cu2+、Pd2+、Pt2+、Au+)相較于電位較低的金屬(如Zn2+、Cd2+)更易被還原。MU[31-32]等利用CW-MFC構(gòu)型處理含Cr(VI)的廢水,通過測(cè)定總Cr和Cr(VI)含量,以及相應(yīng)元素分析及價(jià)態(tài)分析,證實(shí)了Cr(VI)在陰極存在還原反應(yīng)。同時(shí),WANG[40]等構(gòu)建了不同基質(zhì)(顆?；钚蕴俊⑻樟?的反應(yīng)器,探究其對(duì)于Zn和Ni的去除性能及產(chǎn)電性能,發(fā)現(xiàn)以活性炭作為陰極填料的反應(yīng)器陰極Zn和Ni的富集率最高,分別為27.16%和15.13%,同時(shí)通過測(cè)定發(fā)現(xiàn),Zn主要以Zn2+的形式與氧結(jié)合,形成ZnO,從廢水中去除。而Ni通過Ni、NiO、Ni(OH)2等形式被去除。

3.2.2 電沉積作用

電沉積主要發(fā)生在CW-MFC的陰極,在電化學(xué)作用下,水接收電子產(chǎn)生氫氧根離子,重金屬離子與氫氧根離子結(jié)合形成沉淀,從而實(shí)現(xiàn)重金屬離子的去除[55]。LIU[56]等采用直流(DC)或交流(AC)電沉積與氧化石墨烯改性碳?xì)蛛姌O(CF-GO)處理低濃度和高濃度重金屬污染工業(yè)廢水。與傳統(tǒng)吸附方法相比,電沉積方法顯示更高的容量?；厥章曙@著高于傳統(tǒng)吸附過程,而且易于回收廢水中的不同重金屬[57]。

3.2.3 電吸附作用

電吸附即是由于陽極與陰極間的電壓形成的靜電場(chǎng),使水體中的重金屬離子向電性相反的電極移動(dòng),最后在電極填料處富集,從而實(shí)現(xiàn)水體中重金屬的去除[58]。HUANG等[59]以中孔碳(OMC)作為電吸附電極,用來吸附含有水溶液中的銅離子,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)施加電壓0.8 V時(shí),該電極材料對(duì) Cu2+的電吸附容量高達(dá)70.18 mg/g。在CW-MFC中,由于電化學(xué)的加入,促進(jìn)了基質(zhì)對(duì)于污染物質(zhì)的吸附作用。王丹丹等[60]以碳?xì)譃殡娢讲牧?在進(jìn)水銅濃度為25 mg/L,初始pH為5,極板間距為4 mm,工作電壓為1.8 V條件下,發(fā)現(xiàn)單位質(zhì)量炭氈吸附量為9.93 mg/g,去除率為97.5%。LIU等[61]以沸石作為基質(zhì),在CW中分別集成直流電(EC)和MFC,發(fā)現(xiàn)EC和MFC的加入使得含氧官能團(tuán)的數(shù)量明顯高于CW,可以促進(jìn)污染物質(zhì)的吸附。此外,該集成加速了離子的擴(kuò)散速率,促進(jìn)污染物質(zhì)在沸石和生物膜之間的界面遷移[62]。

3.3 微生物作用

微生物作用主要體現(xiàn)在吸附作用、還原及沉淀作用。微生物作用的主要影響因素有重金屬種類、濃度、pH和溫度。同一微生物對(duì)于不同金屬離子及濃度的耐受程度存在差異,微生物去除重金屬的初始速度會(huì)隨著重金屬濃度的增加而增大,當(dāng)濃度過高時(shí),微生物活動(dòng)受到抑制,去除速率下降。適宜的pH和溫度是保證微生物生長和代謝的前提,pH和溫度過高或過低均會(huì)影響微生物活性。一般來說,微生物最佳生長pH為6～7,最佳溫度為20～30 ℃。

3.3.1 微生物吸附作用

微生物吸附作用可以分為胞內(nèi)吸附、細(xì)胞表面吸附及胞外吸附。細(xì)胞內(nèi)吸附是指金屬離子通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞后,微生物通過分離化作用使其分布在新陳代謝不活躍的區(qū)域中,或?qū)⒔饘匐x子與熱穩(wěn)定化的蛋白質(zhì)結(jié)合,使其變形成毒性較低的形態(tài)[63]。細(xì)胞表面吸附是指金屬離子在溶解態(tài)狀態(tài)下,受細(xì)胞表面羥基、羧基等官能團(tuán)的作用,被吸附到細(xì)胞表面,實(shí)現(xiàn)重金屬在廢水中的去除。金屬離子進(jìn)入細(xì)胞后,自身分泌的胞外聚合物(EPS)對(duì)可溶性重金屬具有螯合沉淀作用[64]。

微生物分泌的EPS具有很強(qiáng)的金屬螯合能力,主要有以下兩點(diǎn)原因:(1)胞外聚合物上存在能和高價(jià)金屬陽離子發(fā)生離子交換的多種官能團(tuán)如單羧酸、多羧酸、磷酸二酯、膦酸和巰基,官能團(tuán)上的陽離子和外源金屬離子經(jīng)過離子交換去除水體中金屬離子;(2)胞外聚合物上官能團(tuán)和重金屬離子之間的離子交換過程一般是可自發(fā)進(jìn)行的熵增過程[65]。圖2描述了胞外聚合物和重金屬離子交換的過程。首先離散狀態(tài)的胞外聚合物表面的官能團(tuán)上的陽離子和水體中的重金屬離子發(fā)生離子交換,然后含有重金屬離子離散狀態(tài)的胞外聚合物Zeta電位降低[66],膠體顆粒間的斥力下降,因此更容易聚合形成復(fù)合團(tuán)聚體,復(fù)合團(tuán)聚體再以多聚體-金屬絮體的形式從污水中通過沉降或過濾的形式從水體中分離。

圖2 EPS吸附重金屬機(jī)理Fig. 2 Adsorption mechanism of heavy metals by EPS

3.3.2 微生物還原及沉淀作用

在不利的生存環(huán)境中,微生物自身會(huì)生產(chǎn)大量的酶來抵御外部環(huán)境。已有文獻(xiàn)表明,其代謝過程中分泌的氧化還原酶可以使得一些變價(jià)金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng),降低其在水中的溶解度或毒性[67]。MU等[32]在CW-MFC處理含Cr(VI)廢水的研究中發(fā)現(xiàn),填料層中脫氫酶、脲酶和堿性磷酸酶活性與Cr(VI)的去除率呈正相關(guān)關(guān)系,表明較高的酶活性有助于Cr(VI)和COD的去除。

3.4 植物作用

植物對(duì)于重金屬離子的去除作用主要體現(xiàn)為根系分泌物、根系泌氧以及植物自身的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)作用。其在CW-MFC中的生長易受溫度、光照及pH等條件影響[70]。

3.4.1 植物根系分泌物作用

植物根系分泌的某些代謝產(chǎn)物能夠改變根際環(huán)境,從而對(duì)廢水中的重金屬產(chǎn)生活化、鈍化或改變重金屬離子價(jià)態(tài)和降低毒性的作用[71]。同時(shí),植物根系也會(huì)影響微生物相互共生形成菌根來加強(qiáng)植物對(duì)重金屬的吸收[72]。TU等[73]以蜈蚣草為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)其根系分泌的植物酸和草酸等可溶性有機(jī)碳顯著增強(qiáng)了植物對(duì)As的吸收,同時(shí)也促進(jìn)了As向復(fù)葉的轉(zhuǎn)移。

3.4.2 植物根系泌氧作用

植物經(jīng)光合作用后將產(chǎn)生的氧氣輸送到根際,提高了根系附近基質(zhì)的溶解氧含量,這種現(xiàn)象稱為根系泌氧(ROL)。一方面,水體中的充足的溶解氧使得重金屬氧化態(tài)含量高,增強(qiáng)了其溶解性和移動(dòng)性,促進(jìn)了濕地植物對(duì)重金屬的吸收[74]。何長歡等[75]以不同類型濕地植物作為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)不同種類的濕地植物根系泌氧量與植物重金屬積累量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這說明濕地植物的泌氧能力對(duì)于重金屬的吸收起著重要作用。另一方面,ROL過程提高了根際區(qū)域的氧化還原電位,促進(jìn)了CW-MFC的產(chǎn)電以及陽極微生物對(duì)于污染物質(zhì)的去除。SHEN等[76]將與挺水植物相比根系泌氧更強(qiáng)的沉水植物應(yīng)用于CW-MFC,獲得了不錯(cuò)的電輸出和污染物質(zhì)去除效果。

3.4.3 植物富集作用

植物通過吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)等作用,使重金屬在植物內(nèi)不斷積累,從而實(shí)現(xiàn)水體重金屬的去除。大部分重金屬離子是通過金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入植物根細(xì)胞的,并在植物體內(nèi)進(jìn)一步轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡貯存[77]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)[39],CW-MFC構(gòu)型處理含Ni和Zn廢水時(shí),水葫蘆比假鳶尾草擁有更強(qiáng)的富集能力,且根系的富集量遠(yuǎn)大于莖和葉。

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)于CW-MFC去除廢水中重金屬的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)歸納,并從基質(zhì)作用(吸附),電化學(xué)作用(電還原、電沉積、電吸附),微生物作用(微生物吸附、微生物還原及沉淀)及植物作用(根系分泌物、根系泌氧、植物富集)等角度對(duì)CW-MFC去除重金屬的機(jī)理進(jìn)行了闡述。

CW-MFC作為一種新型的水處理技術(shù),可以在處理多種類型廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能。近年來,利用該體系處理含重金屬廢水的研究逐步展開并已取得了一定的成果,但仍存在研究僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段、重金屬濃度過高產(chǎn)生毒害作用、重金屬與抗生素共存時(shí)增加抗生素抗性基因豐度等問題?；诖?為了解決上述問題,未來的研究方向可以從以下幾方面開展:(1)開展現(xiàn)場(chǎng)中試或者放大試驗(yàn),進(jìn)一步確認(rèn)其在室外條件下的實(shí)際處理效能;(2)對(duì)CW-MFC耐受不同重金屬進(jìn)水濃度的閾值開展研究,減小重金屬的生態(tài)毒性影響;(3)加強(qiáng)CW-MFC對(duì)重金屬和抗生素復(fù)合污染控制效果的研究,抑制抗性基因擴(kuò)散與傳播。