當(dāng)前，國內(nèi)印染廢水的處理普遍采用生化法。但隨著日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，對(duì)印染廢水的深度處理已勢在必行〔1〕。目前，對(duì)印染廢水的深度處理大多集中在強(qiáng)化絮凝、高級(jí)氧化、強(qiáng)化生物處理、膜分離等方面，以去除印染生化尾水中殘存的污染物。其中，物化法雖然可達(dá)到較好的處理效果，但運(yùn)行費(fèi)用較高，難以推廣〔2, 3〕;強(qiáng)化生物處理則可能存在尾水中殘存污染物因接近傳統(tǒng)生物處理的極限而使處理效果有限的問題。大量研究表明，沉水植物具有吸收水中氮、磷等物質(zhì)的作用〔4, 5〕，并可提高水體透明度〔6〕，增加水體溶解氧〔7〕，防止水質(zhì)惡化和藻類滋生〔8, 9〕，該類植物已廣泛應(yīng)用于改善水環(huán)境質(zhì)量的生態(tài)修復(fù)。
印染生化尾水的透明度低，水下光照強(qiáng)度較弱，不利于沉水植物的生長，直接應(yīng)用沉水植物凈化有困難。設(shè)置水下人工光源補(bǔ)光或許是一種可行的解決方法。已有研究表明，人工光源可以對(duì)陸生植物的生長發(fā)育〔10〕、光合特性〔11, 12〕、抗逆和衰老〔13〕等產(chǎn)生較大影響。其中，可通過調(diào)控光質(zhì)使人工光源的光譜與植物光合作用的光譜的吸收峰值吻合，實(shí)現(xiàn)光合作用最大化，促進(jìn)植物生長。但到目前為止，未見采用人工光源強(qiáng)化沉水植物的生長和處理印染生化尾水的報(bào)道。筆者研究了紅光、藍(lán)光、白光3種人工光源于晚間補(bǔ)光3 h條件下，金魚藻和苦草2種典型沉水植物對(duì)印染廢水生化尾水中色度、總磷及氨氮的去除效果，取得了較滿意的結(jié)果。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示。
?圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置示意
該實(shí)驗(yàn)裝置由不透光的塑料桶(半徑25 cm，高70 cm)、2 L量筒(半徑9 cm，高50 cm)、人工光源(LED燈管)和定時(shí)器組成。人工光源垂直安裝在不透光的塑料桶中央，并與定時(shí)器相連，由定時(shí)器控制人工光源的啟閉時(shí)間。
1.2 實(shí)驗(yàn)材料
沉水植物：金魚藻和苦草，采自南京師范大學(xué)仙林校區(qū)采月湖。實(shí)驗(yàn)挑選生長狀態(tài)良好的成熟植株，根、莖、葉、嫩芽齊全且性狀統(tǒng)一。將實(shí)驗(yàn)所用沉水植物清洗干凈，用自來水在實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行1周的適應(yīng)性培養(yǎng)。
實(shí)驗(yàn)光源：3種LED光源。紅光，光譜范圍620~770 nm;白光，光譜范圍390~780 nm;藍(lán)光，光譜范圍420~500 nm。功率為9 W，燈管長度45 cm。
實(shí)驗(yàn)水樣：某印染園區(qū)的生化尾水，其水質(zhì)：NH4+-N 7.0～8.5 mg/L，TP 1～2 mg/L，色度 35～40倍，COD 80～100 mg/L，BOD5 25～30 mg/L，SS 70～75 mg/L，pH 7.0～7.8。
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
取實(shí)驗(yàn)水樣2 L置于量筒中，以紗布包裹石子，并用尼龍繩將其與沉水植物的植株根部輕輕纏繞在一起后，緩緩沉入水樣中，使沉水植物呈直立狀 ，如圖 1所示。實(shí)驗(yàn)共設(shè)4組，分別為補(bǔ)紅光組、補(bǔ)藍(lán)光組、補(bǔ)白光組和作為對(duì)照的無補(bǔ)光組。每組由4個(gè)量筒組成，設(shè)平行樣，2個(gè)量筒種植金魚藻，2個(gè)量筒種植苦草。日間，將實(shí)驗(yàn)量筒置于窗臺(tái)邊，接受自然光照;晚間，分別將它們放回不透光且安裝有人工光源的塑料桶中，補(bǔ)光3 h(19：00~22：00)。實(shí)驗(yàn)周期為2周，實(shí)驗(yàn)中每日定時(shí)添加蒸餾水來補(bǔ)充蒸發(fā)的水分。實(shí)驗(yàn)開始后，分別在第3、5、7、9、11、13、15 天采集水樣，分析色度、TP、NH4+-N等水質(zhì)指標(biāo)，并在實(shí)驗(yàn)開始和實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，分別測定植物鮮重。
色度采用分光光度法測定〔14〕;總磷采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)測定;氨氮采用納氏試劑比色法(GB 7479—1987)測定;植物鮮重通過先吸干植株表面的水分，然后用天平測定。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
2.1 對(duì)印染生化尾水色度的去除效果
3種人工光源補(bǔ)光條件下，金魚藻和苦草對(duì)印染生化尾水中色度的去除效果如圖 2所示。
?圖 2 不同人工光源補(bǔ)光條件下金魚藻和苦草對(duì)色度的去除效果
(a)金魚藻(b)苦草
由圖 2(a)可知，補(bǔ)光可顯著促進(jìn)金魚藻對(duì)印染生化尾水中色度的去除效果。其中，當(dāng)停留時(shí)間為5 d時(shí)，紅光補(bǔ)光的金魚藻可將印染生化尾水色度從40倍降至8倍左右，色度去除率達(dá)到80.0%左右。由圖 2(b)可知，當(dāng)停留時(shí)間為5 d時(shí)，在各種人工光源補(bǔ)光條件下，苦草均可將印染生化尾水色度從40倍降至31倍左右，色度去除率僅為22.5%，補(bǔ)光可略微提高苦草去除水體色度的效果，但光質(zhì)之間的差異不顯著。
對(duì)比圖 2(a)和圖 2(b)可以看出，金魚藻對(duì)色度的降低要明顯優(yōu)于苦草，主要原因在于：一方面，苦草系寬葉沉水植物，金魚藻系細(xì)葉沉水植物，后者的比表面積大，與水的接觸面積較大，有利于物質(zhì)的傳遞吸收;另一方面，金魚藻為典型喜光陽性植物，生長速度較快，苦草為典型喜陰植物，生長速度比金魚藻慢，使得苦草對(duì)水中物質(zhì)的吸收較金魚藻少。由此可見，補(bǔ)光對(duì)促進(jìn)喜陽植物的污水脫色效果明顯。
2.2 對(duì)印染生化尾水總磷的去除效果
3種人工光源補(bǔ)光條件下，金魚藻和苦草對(duì)印染生化尾水中TP的去除效果如圖 3所示。
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圖 3 不同人工光源補(bǔ)光條件下金魚藻和苦草對(duì)TP的去除效果
(a)金魚藻(b)苦草
由圖 3(a)可知，各種人工光源補(bǔ)光條件下，金魚藻對(duì)印染生化尾水中的TP均有良好的去除效果，且明顯優(yōu)于不補(bǔ)光的效果。當(dāng)停留時(shí)間為5 d時(shí)，補(bǔ)紅光、補(bǔ)藍(lán)光、補(bǔ)白光和無補(bǔ)光條件下，金魚藻可將TP由初始的1.50 mg/L分別降為0.11、0.32、0.42、0.82 mg/L，TP去除率分別為92.6%、78.6%、72.1%、45.3%，處理效果整體表現(xiàn)為補(bǔ)紅光>補(bǔ)藍(lán)光>補(bǔ)白光>無補(bǔ)光。
由圖 3(b)可知，當(dāng)停留時(shí)間為5 d時(shí)，補(bǔ)紅光、補(bǔ)藍(lán)光、補(bǔ)白光和無補(bǔ)光條件下，苦草可將TP由初始的1.50 mg/L分別降為1.03、1.16、1.26、1.32 mg/L，TP去除率分別為31.3%、22.6%、16%和12%，處理效果整體表現(xiàn)為補(bǔ)紅光>補(bǔ)藍(lán)光>補(bǔ)白光>無補(bǔ)光。
與金魚藻相比，苦草的TP去除率較低，主要原因也在于相對(duì)于金魚藻，苦草的比表面積較小及生長速度較慢。
2.3 對(duì)印染生化尾水氨氮的去除效果
3種人工光源補(bǔ)光條件下，金魚藻和苦草對(duì)印染生化尾水中NH4+-N的去除效果如圖 4所示。
?圖 4 不同人工光源補(bǔ)光條件下金魚藻和苦草對(duì)NH4+-N的去除效果
(a)金魚藻(b)苦草
由圖 4(a)可知，各種人工光源補(bǔ)光條件下，金魚藻對(duì)印染生化尾水中的NH4+-N均有良好的去除效果，且略優(yōu)于不補(bǔ)光的效果，其中，補(bǔ)紅光的金魚藻對(duì)NH4+-N去除速度最快。當(dāng)停留時(shí)間為5 d時(shí)，補(bǔ)紅光、補(bǔ)藍(lán)光、補(bǔ)白光和無補(bǔ)光條件下，金魚藻可將NH4+-N由初始的8.00 mg/L分別降為1.83、2.68、3.26、4.08 mg/L，NH4+-N去除率分別為77.1%、66.5%、59.2%和48.9%，處理效果整體表現(xiàn)為補(bǔ)紅光>補(bǔ)藍(lán)光>補(bǔ)白光>無補(bǔ)光。
由圖 4(b)可知，當(dāng)停留時(shí)間為5 d時(shí)，補(bǔ)紅光、補(bǔ)藍(lán)光、補(bǔ)白光和無補(bǔ)光條件下，苦草可將NH4+-N由初始的8.00 mg/L分別降至4.66、5.36、5.48、5.94 mg/L，NH4+-N去除率分別為41.8%、33.0%、31.5%和25.8%，處理效果整體亦表現(xiàn)為補(bǔ)紅光>補(bǔ)藍(lán)光>補(bǔ)白光>無補(bǔ)光。
與金魚藻相比，苦草的NH4+-N去除率較低。
2.4 各種光源條件下的沉水植物鮮重凈增量
在停留時(shí)間為15 d的實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各種人工光源條件下，金魚藻及苦草的鮮重凈增量見圖 5。
?圖 5 不同人工光源補(bǔ)光條件下金魚藻和苦草鮮重凈增量
由圖 5可知，采用人工光源補(bǔ)光的金魚藻和苦草的鮮重凈增量均高于無補(bǔ)光條件下的鮮重凈增量，各種人工光源補(bǔ)光對(duì)沉水植物鮮重凈增量的作用大小依次為補(bǔ)紅光>補(bǔ)藍(lán)光>補(bǔ)白光>無補(bǔ)光 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用人工光源補(bǔ)光促進(jìn)了金魚藻和苦草的生長，其中，紅光和藍(lán)光的促進(jìn)生長作用更加明顯。這也印證了植物光合作用主要以波長610～720 nm的紅、橙光以及波長400~510 nm的藍(lán)、紫光為吸收峰值區(qū)域〔15〕。
此外，同樣在補(bǔ)紅光條件下，金魚藻的鮮重增加量達(dá)到17.2 g，苦草鮮重增加量只有5.1 g，說明在光照充足的條件下，喜光陽性植物金魚藻(光飽和點(diǎn)1 000 μmol·s/m2)的生長速度較快，喜陰植物苦草(光飽和點(diǎn)200 μmol·s/m2)的生長速度比金魚藻慢〔16〕。由于人工光源促進(jìn)了沉水植物的生長，進(jìn)而強(qiáng)化了其對(duì)水中污染物質(zhì)的吸收。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)人工光源補(bǔ)光條件下，金魚藻和苦草對(duì)印染生化尾水中色度、TP和NH4+-N的去除效果均優(yōu)于無補(bǔ)光組，表明人工光源補(bǔ)光對(duì)沉水植物的凈化效果具有強(qiáng)化作用。
(2)不同人工光源補(bǔ)光對(duì)沉水植物鮮重凈增量的作用大小依次為補(bǔ)紅光>補(bǔ)藍(lán)光>補(bǔ)白光>無補(bǔ)光，與凈化效果一致，表明不同光譜的光源對(duì)沉水植物的生長促進(jìn)作用效果不同。紅光和藍(lán)光由于與沉水植物光合作用的光譜吸收峰值較吻合，其促進(jìn)沉水植物生長的作用更加明顯，更加強(qiáng)化了對(duì)水中污染物質(zhì)的吸收。
(3)紅光輔助金魚藻的凈化處理效果最好，當(dāng)停留時(shí)間為5 d時(shí)，可將印染生化尾水的色度從40倍降至8倍左右，TP從1.50 mg/L降為0.11 mg/L，NH4+-N從8.00 mg/L降為1.83 mg/L，色度、TP、NH4+-N去除率分別達(dá)到80.0%、92.6%和77.1%，處理出水達(dá)到地表水環(huán)境V類水標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)。
