利用Actinoscirpus grossus来关联植物与污染物质量比在印染工业废水处理中的应用

《Water Resources and Industry》：Correlating plant-to-pollutant mass ratio in phytotreating batik industry effluent using Actinoscirpus grossus

　　本研究采用马来西亚本土植物Actinoscirpus grossus，通过植物-污染物质量比（PPR）方法，系统评估其处理 batik 染织废水的能力。实验设置4种 PPR（21-49 g plant/g COD），发现 PPR=33 g plant/g COD 时 COD去除率达77.2%，且植物存活率最优。微观分析显示植物根系结构适应污染物，验证了PPR方法在平衡处理效率与植物生长中的有效性。研究为小型染织企业废水处理提供可复制的技术方案。

　　### 一、引言

Batik作为一种传统纺织工艺，深受东南亚国家人民的喜爱。这种工艺不仅具有文化价值，而且在经济上也占据重要地位。然而，Batik产业在生产过程中会产生大量未经妥善处理的废水，这些废水含有大量的化学物质和染料，对环境造成严重威胁。在马来西亚，Batik产业被视为一种以手工艺为主的经济贡献，但其主要由小型或家庭式企业运营，导致污水处理系统几乎不存在。由于缺乏专业技能和高昂的安装与维护成本，这些企业往往无法有效处理废水，从而成为环境问题的一部分。

Batik废水的主要成分包括染料、化学助剂以及大量的有机物，这些成分在自然环境中难以降解，容易造成水体污染。为了应对这一挑战，许多研究已经尝试引入不同的废水处理技术，例如太阳能光催化、吸附、电化学处理、厌氧生物膜反应器等。然而，这些技术通常需要较高的设备投入和专业技术支持，对于资源有限的小型企业来说并不适用。因此，寻找一种经济、高效且易于实施的废水处理方法成为当前研究的重点。

Phytoremediation作为一种利用植物去除污染物的生物技术，近年来受到越来越多的关注。这种方法不仅能够有效降低废水中的化学需氧量（COD）和颜色，还能减少对环境的影响。然而，传统的植物-单位面积比例（PPR）方法在处理Batik废水时存在一定的局限性，即未充分考虑废水中的污染物负荷，导致植物生长受阻或处理效果不佳。因此，研究如何优化PPR以提高Batik废水处理的效率和可行性具有重要意义。

### 二、材料与方法

#### 2.1 Batik废水的来源与特性分析

Batik废水的采集地点位于马来西亚东部的Kelantan州的一家Batik工厂。该废水呈现出绿色，pH值为10.17–10.78，属于碱性环境。COD含量在620–637 mg/L之间，颜色值在330–346 ADMI之间，均超过了马来西亚的环境质量标准（2009年）。因此，需要进一步的处理措施。

废水中的COD和颜色含量主要来源于染料的使用。由于大多数织物对染料的吸附能力较低，大量染料残留于废水中。此外，废水中的化学物质和染料对水体的污染程度较高，处理难度较大。因此，选择合适的植物进行处理至关重要。

#### 2.2 植物的繁殖与实验设置

本研究采用马来西亚本土植物Actinoscirpus grossus（曾称为Scirpus grossus）作为主要的处理植物。这些植物从Pahang州的Tasik Chini地区获取，并在UKM的温室中进行繁殖。实验过程中，使用高密度聚乙烯（HDPE）容器，内部填充3:2:1比例的土壤、肥料和沙子，每容器种植9株植物，并每周浇水两次，持续六周。

最终，选择了72株健康的、高度在90–110 cm之间的植物，并将其移至18个反应器中。每个反应器的体积为5 L，包含4株植物，总重量在40.0–40.8 g之间。为了评估不同污染物浓度对植物的影响，实验中保持植物重量一致，从而可以预测单位植物生物量能够处理的污染物负荷，为后续的规模化应用提供参考。

#### 2.3 植物生长监测与微观分析

实验过程中，对植物的生长情况进行定期监测。观察了植物的新芽数量、健康状况以及是否出现枯萎或死亡的情况。植物的生长高度每周测量一次，计算其相对生长率（RGR）。在实验结束时，对植物的茎和根进行扫描电子显微镜（SEM）分析，以观察其形态变化。实验中的植物样本在采集后用蒸馏水清洗并晾干，随后切片并固定在金属支架上，进行金涂层处理，最后使用场发射SEM进行观察。

#### 2.4 化学参数的监测与分析

在实验过程中，每周从反应器中采集废水样本，使用针筒抽取10 mL，并通过APHA标准方法进行分析。监测的参数包括pH值、COD和颜色。pH值使用HACH HQ11D pH计测量，COD和颜色则使用HACH DR6000光谱仪进行测定。颜色分析基于可见光谱范围（400–700 nm）的透射率，计算其吸收光谱并得出颜色去除率。

#### 2.5 统计数据分析

实验数据通过SPSS Version 21软件进行统计分析，计算各组之间的平均值和显著性差异。使用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后检验来确定不同处理条件下的显著性差异。通过这些分析，可以评估不同PPR对COD和颜色去除效率的影响，并选择最合适的处理方案。

### 三、结果与讨论

#### 3.1 Batik废水的特性

Batik废水的pH值较高，表明其具有碱性特征，这可能与染料固定过程中使用的钠硅酸盐有关。钠硅酸盐的pH值通常在11–13之间，因此Batik废水的pH值较高。COD和颜色含量均超过了马来西亚的环境标准，表明废水需要进一步处理。

#### 3.2 植物生长分析与生存状况

在实验中，植物的生长状况受到废水浓度的影响。PPR1（49 g植物/g COD）和PPR2（33 g植物/g COD）的植物在28天后仍然保持健康状态，而PPR3（27 g植物/g COD）和PPR4（21 g植物/g COD）的植物则出现了枯萎和死亡现象。这表明，较高的PPR有助于植物的生存，而较低的PPR可能导致植物无法有效处理废水。

#### 3.3 COD和颜色去除性能

实验结果显示，不同PPR对COD和颜色的去除效果有所不同。PPR1和PPR2在去除COD方面表现较好，分别达到59.6%和77.2%。然而，颜色去除效果较低，PPR1和PPR2分别达到62.3%和15.9%。这表明，虽然COD去除率较高，但颜色去除仍存在一定的挑战。

#### 3.4 与其他研究的比较

与其他研究相比，本研究中使用的PPR方法在处理Batik废水方面表现出一定的优势。例如，Canna indica在3天内可去除90%的COD，但未报告植物的生存状况。相比之下，本研究中的PPR方法不仅关注COD去除，还考虑了植物的生长和生存，确保处理过程的可持续性。

#### 3.5 Batik废水对植物组织的影响

通过扫描电子显微镜（SEM）分析，发现Batik废水对植物的茎和根结构产生了显著影响。暴露在废水中的植物茎部气孔缩小，根部细胞壁增厚。这些变化可能是由于植物在应对污染物时的应激反应，例如通过沉积半纤维素和木质素来增强结构稳定性。

#### 3.6 植物-污染物质量比方法的意义

PPR方法在废水处理中具有重要意义。通过计算植物与污染物的质量比，可以更精确地确定处理所需的植物数量，从而提高处理效率并降低成本。此外，PPR方法还可以帮助研究人员在不同废水条件下进行有效的比较和优化，为未来的规模化应用提供科学依据。

### 四、结论

马来西亚本土植物Actinoscirpus grossus在Batik废水处理中表现出良好的适应性和去除能力。PPR方法在处理过程中比传统的植物-单位面积比例方法更为有效，能够更好地平衡处理效果和植物生长。实验结果显示，PPR2（33 g植物/g COD）在去除COD和颜色方面表现最佳，且植物的生存状况良好。这一发现为未来Batik废水处理提供了可行的解决方案，同时也符合联合国可持续发展目标（SDGs）中的清洁水与卫生、负责任的消费与生产以及生命在水中的目标。

通过本研究，可以为其他研究人员提供参考，帮助他们优化处理方案并实现废水的可持续处理。此外，PPR方法还可以应用于其他类型的工业废水处理，建立相应的数据库以支持更广泛的应用。总之，PPR方法在提高Batik废水处理效率和可行性方面具有重要价值。