一种利用优质光源促进浮萍快速净化微污染地表水的方法与流程

本发明属于水生能源植物环境修复领域，具体涉及一种利用优质光源促进浮萍快速净化微污染地表水的方法。

背景技术：

地表水是人类生活用水的重要来源之一，但当前污染形势严峻。《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)规定，ⅰ-ⅲ类水可作为人类饮用水，而ⅳ-ⅴ类水属于微污染水体，仅能作为工业或农业用水。随着人口持续增长，人水关系日趋紧张，微污染地表水体的治理迫在眉睫。

目前，净化微污染地表水体的主要方法包括：生物活性炭吸附、离子交换、膜过滤处理、电去离子、电渗析等。上述方法虽都能起到一定的作用，但同时也都存在局限性。

其中，生物活性炭吸附周期较长，受水温影响较大，且可能会造成生物泄露，水体中致病微生物将直接危害人类健康；离子交换处理中树脂的再生还原需要酸碱液的处理，后续再生液难以处理；膜过滤处理技术虽效果较好，但其建设及运营成本高，而且在微污染水体处理中，容易出现膜堵塞和反冲洗等问题，同时还会去除某些对人体有益的微量元素；电去离子及电渗析会增加电能投入，耗电量过高，经济性不好。

因此，寻找新的环境友好型微污染地表水体处理方法非常重要。近年来，浮萍因能显著去除水体中氮、磷等物质而逐渐受到重视，其在治理水体污染时，具有低能耗、低成本、环境友好等特点，表现出良好的微污染水体治理前景。但依然存在自身的局限性：一般来说，浮萍只能在大面积的浅水域内繁殖，在光照不适宜、开阔地较少的山区及城市等地，繁殖速度明显减缓，无法满足微污染水体净化需求。

光强、光周期、光质或光谱能量分布等，是影响植物生长发育的重要因素。现有研究表明，单一的红光、蓝光、绿光、黄光，及红-蓝组合光，红-蓝-绿组合光等，对某些植物的生长表现出明显促进作用。如一篇名为“不同光质对番茄幼苗生长和生理特性的影响”的报道中提出，单一的红光可提高番茄幼苗中碳水化合物含量。但不同植物上，不同光的作用不尽相同，甚至可能抑制生长。如一篇名为“bluelightdose-responsesofleafphotosynthesis,morphology,andchemicalcompositionofcucumissativusgrownunderdifferentcombinationsofredandbluelight”的报道中指出，单一红光下生长的黄瓜会产生光合作用紊乱，而7％的蓝光可以逆转这种现象，且其光合能力在蓝光比例为50％时最高。

但不同光质或光谱能量分布对浮萍生长影响的相关研究还未见报道，探讨何种单一光或以适当比例混合的混合光对浮萍生长的影响，对提高浮萍生存能力、有效进行微污染水体处理，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用优质光源促进浮萍快速净化微污染地表水的方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种利用优质光源促进浮萍快速净化微污染地表水的方法：将浮萍接种于待处理的微污染水体中，置于红光：蓝光＝1:1～7:1的红-蓝混合光下培养，所述红、蓝光比值为光量子通量密度比；所述红光的峰值波长为660nm；所述蓝光的峰值波长为450nm。

优选的，所述红光：蓝光＝4:1。

优选的，所述红-蓝混合光的光量子通量密度为80～200μmol/m²/s。

优选的，所述红-蓝混合光的光量子通量密度为110μmol/m²/s。

优选的，所述红光的半高峰宽不高于为15nm；所述蓝光的半高峰宽不高于20nm。

优选的，所述培养的温度为25℃。

优选的，所述培养的时间为2～7天。

优选的，所述浮萍的接种量为80％～100％。

优选的，所述红-蓝混合光由红光led灯和蓝光led灯组合提供。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的净化微污染地表水的方法，无毒无害，对环境友好，可快速净化水中的氮、磷等污染物。

2、本发明培养浮萍时，在白光的基础上，去除不必要的光谱，只使用了红-蓝混合光，有效减少了浮萍培养过程中光能的消耗，节省了电力资源，且达到了极显著优于白光的效果。试验表明，同样采用光量子通量密度为110μmol/m²/s的光照条件培养浮萍，与传统白光led灯作为光源相比，采用的红-蓝混合光led灯可减少12.56％电能消耗。

3、本发明惊喜地发现，在r：b＝4:1这一特定比例的组合光下培养时，浮萍的生长效率及去微污染水体效果达到最佳，效果远优于白光、单一光或其它比例的红-蓝光。

4、本发明所述方法培养的浮萍，在净化水体的同时，还能快速生长并积累淀粉，在微污染水体处理结束后，可进一步加工为药材、食物、饲料等，综合利用率高。

附图说明

图1为不同光质下浮萍对ⅳ类水中氮去除效果对比图；

图2为不同光质下浮萍对ⅴ类水中氮去除效果对比图；

图3为不同光质下浮萍对ⅳ类水中磷去除效果对比图；

图4为不同光质下浮萍对ⅴ类水中磷去除效果对比图；

图5为不同光质下浮萍在ⅳ类水中生物量积累对比图；

图6为不同光质下浮萍在ⅴ类水中生物量积累对比图；

图7为不同光质下浮萍在ⅳ类水中干基增长率对比图；

图8为不同光质下浮萍在ⅴ类水中干基增长率对比图；

图9为不同光质下浮萍在ⅳ类水中淀粉含量增长对比图；

图10为不同光质下浮萍在ⅴ类水中淀粉含量增长对比图；

图11为不同光质下浮萍在ⅳ类水中淀粉积累速率对比图；

图12为不同光质下浮萍在ⅴ类水中淀粉积累速率对比图；

图13为不同光质下浮萍在ⅳ类水中淀粉重量对比图；

图14为不同光质下浮萍在ⅴ类水中淀粉重量对比图。

具体实施方式

下面通过各实施例及对比例，对本发明利用优质光源促进浮萍快速净化微污染地表水的方法做进一步说明。

1、浮萍准备

下述实施例和对比例中，少根紫萍(landoltia.punctata0202)，简称l.punctata0202，采集自中国四川省成都市新津县，上述品种的浮萍保存于中国科学院成都生物研究所的浮萍种质数据库。

2、微污染水体准备

下述实施例和对比例中，微污染水体分别依照《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)中规定的ⅳ、ⅴ类水质，向自来水中添加硫酸铵和硝酸钾，使配制后的水体中氨氮和磷含量达到理论地表ⅳ、ⅴ类水质标准。调整后的ⅳ类水体中nh4⁺-n为1.65mg/l、tp为0.32mg/l、ph＝7.2，ⅴ类水体中nh⁴⁺-n为2.01mg/l、tp为0.47mg/l、ph＝7.1。

3、浮萍淀粉含量、微污染水体处理效果的测定与计算方法

下述各实施例及对比例中，浮萍淀粉含量的测定方法为：分别将干燥的浮萍粉碎成粉末，称取0.03～0.06g浮萍干粉置于250ml磨口锥形瓶中，加入30ml6mol/l的hcl溶液和100ml蒸馏水，装上冷凝管，置沸水浴中回流2h。回流完毕，立即用流动水冷却，待浮萍样品水解液冷却至室温后，加入naoh调节水解液的ph＝7。然后加入20ml20wt％醋酸铅溶液，摇匀后放置10min，转移至500ml容量瓶中，加蒸馏水定容至500ml，过滤，弃去初滤液，收集5ml滤液，过预活化好的反相c18固相萃取小柱，弃去最初的1～2ml，收集后面的3～4ml，再用0.22μm的水系滤膜过滤，得滤液。

(1)利用电感耦合等离子体发射光谱仪(icp)测定水中实时的磷含量；用德国wtw多功能水质分析仪(thespectroquantanalysissystemphotolab6100)及德国默克公司(merck)与该仪器配套的试剂，联合测定水中实时的氮含量，测定方法按试剂和仪器说明书进行。

(2)利用hplc测定滤液中葡萄糖含量，再根据公式：淀粉含量＝葡萄糖含量/1.1，计算浮萍淀粉含量。

(3)浮萍淀粉积累速度按下式计算：

g淀粉＝(ct×wt-c0×w0)/100/s/t单位：g/m²/d

gs＝g淀粉×365×10000/1000/1000单位：t/hac/y(吨/公顷/年)

上式中，g淀粉为淀粉积累速度(g/m²/d)ct为t天浮萍淀粉含量(％)，c0为浮萍初始淀粉含量(％)，wt为t天收获浮萍干重(g)，w0为初始淀粉干重(g)，s为接种面积(m²)，t为培养时间(d)。

4、试剂准备

(1)hoagland培养液的配制方法如下：

1)用蒸馏水按照表1所述的母液配方中各试剂的浓度配制a、b、c、d、e、f六种母液。其中，配制母液a时，先用6mol/l的hcl溶液将ca(no3)2·4h2o、kno3、kh2po4溶解，再加入蒸馏水配制成目标浓度；配制母液d时，先用6mol/l的koh溶液将edta溶解，再加入蒸馏水配制成目标浓度；其余母液均用蒸馏水直接配制。

2)按表1所述的每升hoagland培养液中各种母液的添加量，及步骤1)的方法分别配制并充分混合后，利用hcl及naoh调整混合液ph值为5.0，得最终的hoagland培养液。所配制的hoagland培养液中，n元素的浓度为349.73mg/l，p元素的浓度为154.89mg/l。

表1hoagland培养液各母液配方组成表

(2)1/5浓度hoagland培养液的配制方法：

将步骤(1)配制的hoagland培养液与4倍于其体积的蒸馏水混合均匀即得。

5、光源准备

下述各对比例中，光源为普通白光led灯，光质组成为，蓝光：绿光：红光(b：g：r)＝37：45：28。

全文中各光的比例均为光量子通量密度比，光量子通量密度指对应的光源在接种了浮萍的表面的光密度。

下述各实施例中，如无特殊说明，红光由红光led灯提供，峰值波长为660nm、半高峰宽为15nm，下述简称为r；蓝光由蓝光led灯提供，峰值波长为450nm、半高峰宽为20nm，下述简称为b。

其中，半高峰宽是对光质的要求。半高峰宽越小，光的峰值波长越接近红、蓝光的要求(660nm、450nm)，光质也就越好；上述半高峰宽均为光源上限，超过则对应光的波长也会随之改变，浮萍的净水时间会相应延长，但只要依然属于红、蓝光的波长范围内，最终仍可达到净水的效果。

说明书附图中的红-蓝光全部为：红光波长为660nm，蓝光波长为450nm，r：b＝4:1的红-蓝混合光，混合光的光量子通量密度为110μmol/m²/s。

6、微污染水体净化达标的标准：达到《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)规定的ⅰ类水标准：氮含量低于0.15mg/l；磷含量低于0.02mg/l。理想状态为：净化在2d及更短时间内达标。

下述实施例和对比例同步进行。

对比例1：普通白光下培养浮萍净化ⅳ类水

(1)在表面积为54cm²的培养容器中加入500mlⅳ类水，取初始淀粉含量为4.51wt％、初始生物量以干重计为14.07g/m²的鲜浮萍1.0g，转入所述培养容器中(覆盖率约为100％)，采用普通白光led灯为光源，在25℃、光量子通量密度为110μmol/m²/s的光照条件下，全光照培养培养7天，每天用蒸馏水补充水至原液面高度。

其它条件相同时，浮萍接种覆盖率为80％～100％，净水效果变化不大。为方便操作和阐述，本文全部采用覆盖率100％左右的接种率。

(2)在培养的第1、2、3、5、7天进行取样按时间点收取浮萍，取出的浮萍样品用蒸馏水清洗3遍，置于滤袋中经脱水机脱去自由水，于烘箱中在60℃过夜烘干至恒重，称重记录。

再将浮萍粉碎成粉末，用hplc测定葡萄糖含量，并根据上述公式计算淀粉含量。测定每次取样浮萍的干重、淀粉含量，计算浮萍的生物量、干物质积累速率、淀粉含量、淀粉产量和淀粉积累速率，结果如图5、7、9、11、13所示。其中，生物量(biomass)，是指测定时刻单位面积内生物的有机物质(干重)总量。

由图5、7中的生物量和干物质积累速率数据可知，上述微污染水处理达标和浮萍生长过程持续的7天中，浮萍的生物量分别为:23.47g/m²(1d)、32.59g/m²(2d)、44.27g/m²(3d)、58.28g/m²(5d)和69.79g/m²(7d)。浮萍的平均干物质积累速率分别为9.39g/m²d(1d)、9.25g/m²d(2d)、10.06g/m²d(3d)、8.84g/m²d(5d)和7.69g/m²d(7d)，浮萍均正常生长。

由图9、11、13中的淀粉含量数据可知，浮萍的平均淀粉含量为20.80％(3d)，淀粉积累速率为3.05g/m²d(3d)。结合生物量和浮萍的淀粉含量可得：浮萍的淀粉产量为：0.049g(3d)。

(3)培养期间在第1、2、3、5、7天进行取样，测定各容器中污染物的浓度并计算浮萍对微污染水体的氮去除率和磷去除率(结果如图1、3所示)，水中各污染物的浓度如表2所示。

表2普通白光下培养的浮萍净化ⅳ类水的效果

从表2可看出，普通白光(红-蓝-绿混合光)下培养的浮萍，在第二天对水中磷的去除效果不理想，在第三天净化达到地表ⅰ类水标准，达标后，水中氮、磷含量几乎不再变化。

实施例1：单一红光下培养浮萍净化ⅳ类水

(1)按照对比例1的操作步骤，将光源由普通白光led灯换为红光led灯，其余条件完全相同，全光照培养7天。于1、2、3、5、7天分别取样。

(2)按对比例1的方法测定每次取样浮萍的干重、淀粉含量，计算浮萍的生物量、干物质积累速率、淀粉含量、淀粉产量和淀粉积累速率，结果如图5、7、9、11、13所示。

由图5、图7中的生物量和干物质积累速率数据可知，浮萍的生物量分别为:25.63g/m²(1d)、34.59g/m²(2d)、52.66g/m²(3d)、67.25g/m²(5d)和72.30g/m²(7d)。浮萍的平均干物质积累速率分别为11.56g/m²d(1d)、10.26g/m²d(2d)、12.86g/m²d(3d)、10.63g/m²d(5d)和8.32g/m²d(7d)，浮萍均正常生长。

由图9、11、13中的淀粉含量数据可知，浮萍的平均淀粉含量为28.9％(3d)，淀粉积累速率为4.86g/m²d(3d)。结合生物量和浮萍的淀粉含量可得：浮萍的淀粉产量为：0.078g(3d)。

(3)培养期间在第1、2、3、5、7天进行取样，测定各容器中污染物的浓度并计算浮萍对微污染水体的氮去除率和磷去除率(结果如图1、3所示)，水中各污染物的浓度如表3所示。

表3单一红光下培养的浮萍净化ⅳ类水的效果

上述结果表明，单一红光培养时，浮萍的生长及对微污染水体的处理，前三天都明显优于相同条件下白光培养时的生长状况及去污效果；尤其是第二天，对磷的去除率是白光处理下去除率的1.35倍；但依然到第三天，净水处理才全部达标。

实施例2：单一蓝光下培养浮萍净化ⅳ类水

(1)按照对比例1的操作步骤，将光源由普通白光led灯换为蓝光led灯，其余条件完全相同，全光照培养7天。于1、2、3、5、7天分别取样。

(2)按对比例1的方法，测定每次取样浮萍的干重、淀粉含量，计算浮萍的生物量、干物质积累速率、淀粉含量、淀粉产量和淀粉积累速率，结果如图5、7、9、11、13所示。

由图5、7中的生物量和干物质积累速率数据可知，浮萍的生物量分别为：26.72g/m²(1d)、35.69g/m²(2d)、52.98g/m²(3d)、67.53g/m²(5d)和70.62g/m²(7d)。浮萍的平均干物质积累速率分别12.65g/m²d(1d)、10.81g/m²d(2d)、12.97g/m²d(3d)、10.29g/m²d(5d)和8.07g/m²d(7d)，浮萍均正常生长。

由图9、11、13中的淀粉含量数据可知，浮萍的平均淀粉含量为26.7％(3d)，淀粉积累速率为4.50g/m²d(3d)。结合生物量和浮萍的淀粉含量可得：浮萍的淀粉产量为：0.073g(3d)。

(3)培养期间在第1、2、3、5、7天进行取样，测定各容器中污染物的浓度并计算浮萍对微污染水体的氮去除率和磷去除率(结果如图1、3所示)，水中各污染物的浓度如表4所示。

表4单一蓝光下培养的浮萍净化ⅳ类水的效果

结果表明：单一蓝光作用时，浮萍对微污染水体的处理效果，明显优于相同条件下白光培养及单一红光培养时的去污效果，但对磷的去除率依然在第三天才达标；浮萍的淀粉积累，优于白光，略弱于红光。这可能是因为红光与浮萍的光合作用有关联，可促进淀粉的积累。

实施例3：不同比例的红-蓝混合光下培养浮萍净化ⅳ类水

(1)按照对比例1的操作步骤，将光源由普通白光led灯换为红-蓝混合光led灯，红、蓝光比例如表5所示。其余条件完全相同，全光照培养7天。于第1、2、3、5、7天分别取样。

表5红-蓝混合光各比例

(2)按对比例1的方法，测定每次取样浮萍的干重、淀粉含量，计算浮萍的生物量、干物质积累速率、淀粉含量、淀粉产量和淀粉积累速率。结果如表6所示。

表6不同比例红-蓝混合光作用下浮萍的生长情况

(3)按对比例1的方法，测定各容器中污染物的浓度并计算浮萍对微污染水体的氮去除率和磷去除率，结果如表7所示。

表7不同比例的红-蓝光净化微污染水体的效果

结果表明：r：b＝6:1～1:1的处理，第二天水中的氮、磷含量均能达标；同时，发明人惊喜地发现，r：b＝5:1时，效果较好；r：b＝4:1时，去除效果极佳，可达到其它组别第三天甚至第四天才能达到的效果，而其余比例的红-蓝光都无法达到这一效果。

实施例4：光量子通量密度对净化的影响

按照对比例1的操作步骤，将光源由普通白光led灯换为红光波长为660nm，蓝光波长为450nm，r：b＝4:1的红-蓝混合光led灯，将浮萍分为6组，混合光的光量子通量密度分别为80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200μmol/m²/s。其余条件完全相同，全光照培养7天。

每半天取样一次，测定各容器中污染物的浓度，得出净化达标的时间，以0.5d为最小单位，结果如表8所示。

表8光量子通量密度对净化微污染水体效果的影响

结果表明，光量子通量密度与处理效果呈正相关关系，在光量子通量密度为110μmol/m²/s时，微污染水体在2d内即可处理达标，而后再增加这个值，水体净化虽可更快达标，但效果并不明显，且耗能大幅上升，成本不断增加。综合考虑后，优选光量子通量密度为110μmol/m²/s。

对比例2：普通白光下浮萍净化ⅴ类水

(1)在表面积为54cm²的培养容器中加入500mlⅴ类水，取初始淀粉含量为6.61wt％、初始生物量以干重计为18.52g/m²的鲜浮萍1.0g转入所述培养容器中，采用普通白光led灯作为光源，在25℃、光量子通量密度为110μmol/m²/s的光照条件下，全光照培养，每天用蒸馏水补充蒸发掉的水至原液面高度。

(2)按时间点收取浮萍，采用与对比例1相同的实验条件测定和计算本实施例中收获的少根紫萍干重、淀粉含量，计算浮萍的生物量、干物质积累速率、淀粉含量和淀粉产量和淀粉积累速率，结果如图6、8、10、12、14所示。

由图6、8中的生物量和干物质积累速率数据可知，上述微污染水处理和浮萍生长过程持续的7天中，浮萍的生物量为:22.18g/m²(1d)、27.41g/m²(2d)、38.71g/m²(3d)、50.30g/m²(5d)和57.70g/m²(7d)。浮萍的平均干物质积累速率分别为3.67g/m²d(1d)、4.45g/m²d(2d)、6.73g/m²d(3d)、6.36g/m²d(5d)和5.59g/m²d(7d)，浮萍均正常生长。

由图10、12、14中的淀粉含量数据可知，上述微污染水处理达标时，浮萍的平均淀粉含量为20.13％(3d)，淀粉积累速率分别为2.19g/m²d(3d)。结合生物量和浮萍的淀粉含量可得浮萍的淀粉产量为：0.042g(3d)。

(3)培养期间在第1、2、3、5、7天进行取样，测定各容器中污染物的浓度并计算浮萍对微污染水体的氮去除率和磷去除率(结果见图2、4)，水中各污染物的浓度如表9所示。

表9普通白光下培养的浮萍净化ⅴ类水的效果

实施例5：r：b＝4：1混合光下净化ⅴ类水

(1)按对比例2的操作步骤，将光源由普通白光led灯换为r：b＝4:1的混合光led灯，其余条件完全相同，全光照培养7天，于1、2、3、5、7天分别取样。

(2)以对比例2的方法，测定各容器中污染物的浓度并计算浮萍对微污染水体的氮去除率和磷去除率，结果如图2、4所示。

水中各污染物的浓度具体数据如表10所示。

表10r:b＝4：1培养的浮萍净化ⅴ类水的效果

结果显示：第一、二天水体中氮、磷的去除率，都极显著优于对比例2，且第二天水体就达到饮用水标准。

(3)以对比例2的方法，测定和计算本实施例中收获的少根紫萍干重、淀粉含量，计算浮萍的生物量、干物质积累速率、淀粉含量和淀粉产量和淀粉积累速率，结果如图6、8、10、12、14所示。

由图6、8中的生物量和干物质积累速率数据可知，上述微污染水处理和浮萍生长过程持续的7天中，浮萍的生物量为:29.94g/m²(1d)、40.37g/m²(2d)、53.68g/m²(3d)、71.39g/m²(5d)和94.28g/m²(7d)。浮萍的平均干物质积累速率分别为11.42g/m²d(1d)、10.92g/m²d(2d)、11.72g/m²d(3d)、10.57g/m²d(5d)和10.82g/m²d(7d)。由图10、12、14中的淀粉含量数据可知，浮萍的平均淀粉含量为32.54％(3d)，淀粉积累速率分别为5.42g/m²d(3d)。结合生物量和浮萍的淀粉含量可得浮萍的淀粉产量为0.094g(3d)。由此延长浮萍在水体的停留时间可获得高淀粉含量的浮萍，为后期浮萍资源化应用提供参考。