生态浮床技术及应用的研究进展

白丽荣，郑博颖，张 勇，芦站根

(1. 衡水学院 生命科学学院，河北 衡水 053000；2. 枣强县农业局，河北 枣强 053100)

水体富营养化是指湖泊、水库、海湾等封闭性或半封闭性水体以及某些河流水体，在人类活动的影响下，氮、磷营养元素富集，导致营养盐浓度过高，使水质恶化，某些特征性藻类(主要为蓝藻、绿藻)异常增殖．研究表明，全球范围内有40 %左右的湖泊和水库均表现出不同程度的富营养化；20 世纪90年代中后期调查显示，我国富营养化湖泊已占被调查湖泊数的77 %[1]．造成水体富营养化的原因归纳起来有以下几种：农业生产中大量地使用氮肥和磷肥，氮、磷等元素随降雨或灌溉经地表径流或渗滤方式进入地面水体或地下水体中；畜禽排泄物直接排入水体或先进入土壤然后随地表径流间接进入江河、湖泊而污染水体；燃料燃烧产生的大量氮氧化合物通过降水降落在土壤或水体表面，污染地表水源，致使含氮化合物浓度升高；生活污水、生活垃圾以及某些工业废水的大量排放等．随着大气污染日益严重，大气沉降也成为重要的水域富营养化原因之一[2]．

水体富营养化使水质产生严重恶化，同时还影响周边水环境和人文景观，甚至可能通过给水系统危害到公众的健康，因此，富营养化水体的治理成为当今亟需解决的一项重大课题．国内外对富营养化水体的治理主要采用物理、化学及生物修复技术．物理、化学方法在修复富营养化水体的同时也加剧了原本已经很脆弱的水生生态系统的破坏；生物调控方法是利用生物进行生命活动时的生理生化作用以及营养物质在食物链间的传递过程中，将湖泊中污染物与过量营养盐发生降解和转化，达到长期水体净化的作用．生物调控技术包括种植水生维管束植物、微生物净化技术、生物浮床技术、生物链调控技术等．从自20 世纪70年代末在德国设计建造并投入应用的生态浮床(ecological floating bed)，作为一项重要的水环境生态治理技术，已经广泛应用于农业废水处理、城市雨水处理和富营养湖泊治理等各个方面．生态浮床技术引入我国后，广泛应用于湖泊、水库、城市河道等水体的污染治理．

水生植物作为湖泊生态系统的主要初级生产者，具有吸收、吸附、富集水体中营养物质以及对某些藻类的化感作用．利用水生植物富集氮、磷是治理、调节和抑制水体富营养化，维持生态系统结构与功能的重要手段．以水生植物为主体的生态浮床技术，运用无土栽培的技术原理，以高分子材料为载体和基质，把水生植物或改良驯化的陆生植物移栽到水面浮床上，通过植物的根系吸收、吸附、截留水体中的氮、磷等营养物质，再通过收割植物将其搬离水体，以达到净化水质的目的．生态浮床应用于富营养化水体修复，具有充分利用水面、无需占用土地、可操作性强、运行成本低、生态风险小、景观效果好、植物资源可作为食品和饲料回收再利用、不产生二次污染等优点．因此，生态浮床作为一种生态处理技术越来越受到人们的重视．

1 生态浮床修复富营养化水体机理

氮和磷是限制水生植物生物量最主要的营养元素．因此，氮、磷在湖泊水体及沉积物中的形态及其迁移释放行为，对湖泊富营养化起着决定性的作用[3]．生态浮床技术通过将水生植物植于可以漂浮于水面的床体之上，利用植物的吸收、吸附、过滤和微生物的净化作用来去除水体中的氮磷以及大的颗粒物，是水环境治理与水生态修复相兼顾的实用技术．此外，一些植物在与藻类竞争营养物质和光能的过程中，还能分泌化学克生物质，从而抑制浮游植物及藻类的生长繁殖，防止水华现象的发生；植物的光合作用释放的氧气有助于提高水体的溶解氧的含量，改善水体；并在植物根系附近形成好氧、厌氧、缺氧的环境，有利于硝化细菌的硝化、反硝化进程．另外，水生植物在水面还能形成一面特有的绿色效应，不仅能提高区域环境质量，还能吸引不同种群的飞鸟等来觅食，通过飞鸟的迁徙作用也能带走部分污染物[4]．

生态浮床对水体氮、磷的吸收主要依靠植物的吸收和浮床微生物的分解作用，温度直接影响着植物和微生物的生存和生长，因此在不同季节生态浮床对水体的净化效率存在差异[5]．浮床系统的最佳运行水温为25 ~ 29℃．温度过高时，光合作用降低甚至被抑制，此时植物泌氧能力下降，不利于微生物的硝化过程；温度过低时，植物会枯萎或者死亡，微生物的活性也会降低，这些都不利于氮、磷元素的去除．

2 生态浮床技术应用现状

水生植物的选择是生态浮床技术的关键．选取浮床植物的要素：1) 具有较好的水质净化功能；2) 移植成活率高，长势良好；3) 不会对当地的生态环境带来危害；4) 具有一定的景观价值或经济价值；5) 价格适中，综合利用价值高．因此，结合区域特点、季节和植物自身生长规律等因素，选择合适的浮床植物是浮床研究中的一个重要方面．

目前研究较多的水生植物有挺水植物、漂浮植物、浮叶植物和沉水植物等．挺水植物和浮叶植物不仅具有较高的氮磷吸收效果，同时具有较好的观赏性，因而这些植物在富营养化水体修复的研究和应用方面均较广泛，挺水植物如菖蒲(Acorus calamus)和水芹菜(Oenanthe javanica)，漂浮植物如凤眼莲(Eichhornia crassipes)、空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)等；沉水植物如黑藻(Hydrilla verticillatata)、菹草(Potamogeton crispus)等，因植株全部沉于水中，氮磷等营养物质吸收效率高，沉水植物逐渐成为了研究热点．朱秀红等[6]研究证实鸢尾(lris tectorum)、旱伞草(Cyperus alternifolius)、莼菜(Brasenia schreberi)、红掌(Anthurium andraeanum)对水体的氮、磷有明显的净化作用；李文芬等[7]研究发现芦苇(Phragmites australis)、凤眼莲、水葱(Scirpus validus)、水芹菜对水体中氮、磷有明显的吸收能力；周遗品等[8]研究了风车草(即旱伞草)、观音竹(Bambusa multiplex)、红龙草(Altemanthera Ficoidea cv."Ruliginosa”)等4 种植物对水体中总磷、溶解性磷、总氮、氨氮等指标的吸收情况；娄敏等[9]发现大薸(Pistia stratiotes)、凤眼莲、紫萍(Spirodela polyrrhiza)对藻类的生长有明显的抑制效果；唐萍等[10]研究了水花生和浮萍(Lemna minor)对水体中栅藻生长的抑制作用；茅孝仁[11]研究发现，大聚藻(Myriophyllum aquatic)和美人蕉有较大的生物净增量和较强的水质净化能力，可作为优选的生态浮床水生植物，黄菖蒲(Iris pseudacorus)和鸢尾具有较强的耐寒性，可与其他水生植物组配使用，以提高冬季条件下的持续净水能力和景观效果．

空心菜(Ipomoea aquatica)为须根系，根系发达，且在每节除腋芽外，可长出不定根，再生能力强，且有较强的耐污性能，因此近年来作为生态浮床理想物种，广泛用于治理污染河道、富营养化湖泊等．水芹菜是水生宿根草本植物，喜水耐寒，具有较高的生物量，可以多次收割，是冬春季节净化重污染河道的经济有效的生物材料[12]．

对于漂浮植物来说，只能利用表层水体，对于深度较大的水体，其净化效果很难进一步提高．研究表明，单纯依靠植物的吸收作用对氮、磷等营养物的去除率小于10 %．为了克服传统生态浮床净污主体的单一性，在其基础上衍变出了水生动植物组合式生态浮床．组合式生态浮床是在水生植物的根下水体中养殖水生动物，利用水生动植物间的捕食关系及动物的能动关系，发挥作为消费者和生产者的水生动物与水生植物之间的相互依赖制约关系，构成完整生态食物链和食物网，控制水体富营养化．同时，动物在水中的活动，有利于调整水中溶解氧的含量，也能进一步促进水生植物对营养盐的吸收、吸附作用[13]．目前该技术中使用较多的水生动物有蚌类、螺类、食草鱼类、杂食鱼类等．所以，适当引入具有良好吸盐抑藻效应的水生植物和土著草食性鱼类，可优化调整湖泊生物链和营养级结构，构建营养负荷削减的生物链筛选及其优化调控技术．

人工生物浮床技术能够去除水体中的氮、磷等营养物质，实现水体富营养化的控制，但该技术中植物的选型和群落的最优化配置还有待深入研究．同时，植物载体的抗腐蚀性和抗风浪性也需进一步提高．从长远来看，研发以生物技术为主体，联合物理、化学、物化、环境因子调控等多种技术复合而成的技术体系，是今后的发展趋势[14]．

[1]李辉,潘学军,史丽琼.湖泊内源氮磷污染分析方法及特征研究进展[J].环境化学,2011,30(1):281-290.

[2]陆洪省,曹晓强,昭日格图.水体富营养化控制的研究进展[J].科技创新导报,2012(11):11.

[3]汪松美,周晓红,储金宇,等.空心菜浮床+仿生植物系统对污染物去除效果[J].环境科学与技术,2013,36(3):78-82.

[4]宋丰明,汪银梅,曹文平.生态浮床的应用现状及发展[J].安徽农业科学,2011,39(11):6647 -6648.

[5]张亚娟,王军霞,刘存歧.美人蕉浮床对富营养水体氮、磷去除效果的研究进展[J].安徽农业科学,2011,39(10):6053-6054.

[6]朱秀红,夏丹,杨阳,等. 4 种水生植物对污染水体净化效果的研究[J].河南农业大学学报,2013,47(1):87-91.

[7]李文芬,刘沛芬,颜亨梅.5 种浮床植物在水环境恢复治理中的净化差异[J].北京师范大学学报:自然科学版,2012,48(2):173-176.

[8]周遗品,雷泽湘,刘雯.不同植物对生活污水中氮磷的去除效果研究[J].广东农业科学,2011,(22):147-148.

[9]娄敏,廖柏寒,刘红玉,等.3 种水生漂浮植物处理富营养化水体的研究[J].中国生态农业学报,2005,13(3):194-195.

[10]张伟,韩士群,郭起金.凤眼莲、水花生、鲢鱼对富营养化水体藻类及氮、磷的去除作用[J].江苏农业学报,2012,28(5):1037- 1041.

[11]茅孝仁,周金波.几种生态浮床常用水生植物的水质净化能力研究.[J].浙江农业科学,2011(1):157-159.

[12]汪开英,郑水生,郭宗楼.提高生态浮床系统脱氮除磷效率研究进展[J].湿地科学,2012,10(1):116-118.

[13]曹文平,王冰冰.生态浮床的应用及进展[J].工业水处理,2013,33(2):5-8.

[14]李安峰,潘涛,杨冲.水体富营养化治理与控制技术综述[J].安徽农业科学,2012,40(16):9041-9044.