不同生态浮床对景观水质的净化效果

刘勇

摘要：【目的】明确不同生态浮床改善亚热带地区景观水质的效果，为我国南方地区应用生态浮床技术修复生态水环境提供参考依据。【方法】对比分析不同生态浮床对景观水体化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）去除能力及浮床植物生长状况的影响。【结果】美人蕉、鸢尾、花叶芦竹均能适应较高有机物及氮、磷浓度的水体，具有良好的适应性，对水体COD、TP、TN及NH4+-N也表现出良好的去除能力，但以美人蕉的净化效果最佳。美人蕉+组合填料生态浮床、美人蕉生态浮床、组合填料浮床對水体COD、TP、TN及NH4+-N的去除能力分别为33.75～48.98、0.23～0.93、3.71～10.26和4.12～8.44 mg/m2，3种不同生态浮床对水体COD、TP、TN和NH4+-N的去除能力存在极显著差异（P<0.01），去除能力排序为美人蕉+组合填料生态浮床>美人蕉生态浮床>组合填料浮床。【结论】美人蕉+组合填料生态浮床对水体COD、TP、TN及NH4+-N的去除效果最佳，较单一使用美人蕉生态浮床和组合填料浮床的净化效果更具优势，可作为我国南方地区修复生态水环境的首选生态浮床。

关键词： 生态浮床；美人蕉；组合填料；景观水质；净化效果

中图分类号： S682.32 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）06-0916-05

0 引言

【研究意义】生态浮床是利用生物吸收、吸附消化及降解水中有机污染物的生态习性，而起到净化水质、改善区域生态环境、美化景观等修复作用，具有良好生态效益的水体修复技术，已受到广泛关注和大面积推广应用（王彦玲等，2011）。传统的生物浮床主要依靠浮床上种植的水生植物吸收氮、磷等营养物和有机质，但由于受浮床植物量的限制，其净化效果难以进一步提高，且至今尚未形成相应的行业技术标准，缺乏通用性。我国南北地区间的气候与环境条件等差异明显，改善不同类型生态景观水质效果的生态浮床技术也必然不同。因此，如何因地制宜地借鉴国内外先进景观水质功能恢复技术和经验，在广西南宁探究生态浮床修复景观水质的效果，对我国南方地区大面积推广生态浮床技术修复生态水环境具有重要意义。【前人研究进展】20世纪80年代，德国学者首次将生态浮床技术应用于净化污染水体，此后生态浮床技术在欧美、日本等发达国家得到迅速推广应用（Vollenweider，1985）。日本在琵琶湖、诹访湖等各种水域采用生态浮床净化技术，不仅有效净化了水质，还改善了区域景观（郭培章和宋群，2003）。1991年我国开始引进生态浮床技术，并逐步应用于污染水体治理，其净化水质效果非常明显（肖羽堂等，2005；刘臣炜和汪德爟，2006；宋李桐，2007；李海英等，2009；孙远奎，2010）。自1991年以来，我国利用生态浮床技术在湖泊、河道等不同水域进行生态水环境修复，累计成功种植了46个科130多种陆生植物（黎华寿等，2003；卢进登等，2005；陈丽丽等，2012）。黄莹等（2013）通过分析漓江的河流形态、水质状况、河岸植被群落结构，结果发现，应用生态砾石床水质净化技术、植物浮岛技术、增加河岸植被缓冲带等一系列生态修复技术，可促进漓江旅游生态系统的可持续发展。高岩等（2014）通过模拟试验比较不同生长阶段凤眼莲对富营养化水体氮、磷的去除效果，结果发现生长初期凤眼莲通过主动吸收净化高浓度水体氮的速率最快、贡献最高，而通过凤眼莲根系调节的生物脱氮途径理论上较弱。温奋翔等（2015）研究表明，千屈菜、黄菖蒲、鸢尾在营造景观和净化水质方面协同作用良好，其中千屈菜表现尤为突出，可作为北方地区生态浮床的首选植物。【本研究切入点】目前，有关国内生态浮床的技术研究主要是针对发达地区大面积的河道、湖泊等水域，针对我国南亚热带地区水环境、水生态特征水处理的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】通过对比分析不同生态浮床对景观水体化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）去除能力及浮床植物生长状况的影响，旨在明确不同生态浮床改善亚热带地区景观水质的效果，为我国南方地区应用生态浮床技术修复生态水环境提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

根据生态浮床植物容易获得、适应环境气候等原则，并综合考虑植物的净化效果、经济价值和美学价值等因素（李英杰等，2004），选定具有亚热带地区适应性和高观赏价值的美人蕉（Canna generalis）、鸢尾（Iris tectorum）、花叶芦竹（Arundo donax）作为研究对象。生物填料选用组合填料，其结构是将塑料圆片压扣改成双圈大塑料环，用醛化纤维或涤纶丝压在塑料环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率。试验用水取自广西农业职业技术学院校园景观水域，其水体特性见表1。

1. 2 试验方法

试验分为两个阶段，第一阶段是通过单一植物浮床遴选出净化效果较好的植物品种，即植物遴选；第二阶段是不同生态浮床净化效果对比分析。

1. 2. 1 植物遴选试验 采用单一的美人蕉、鸢尾、花叶芦竹生态浮床处理方式，3次重复。3种处理方式分别在直径100 cm、高120 cm的独立矩形水泥池中进行，每个水池有效水深100 cm。供试植物在试验开始前进行水样适应性培养2周，种植密度27株/m2。试验周期60 d，每隔5 d采集水样1次，对COD、TP、TN和NH4+-N等水质指标进行测定分析。试验结束后，对各处理组植物的相对生长情况进行调查。

1. 2. 2 不同生态浮床净化效果对比分析 试验共设3种生态浮床，分别是单一遴选植物浮床、遴选植物+组合填料（浮床下挂组合填料有效长度0.9 m，每个浮床下挂9条）及组合填料浮床。其他试验处理方法与1.2.1同。

1. 3 水质指标测定分析

参照《水和废水监测分析方法》，COD采用重铬酸钾法进行测定，TP采用钼酸铵分光光度法进行测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法进行测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法进行测定。生态浮床系统对污染物的去除效果以去除能力表示，计算公式为：

L=（C0V0-CiVi）/A

式中，L为浮床系统对各污染物的去除能力，C0表示待测指标初始浓度（mg/L），V0表示水的初始体积（L），Ci和Vi则表示第i天时的待测指标浓度（mg/L）和水体积（L），A為浮床面积。

1. 4 统计分析

试验数据采用SPSS 19.0进行统计分析，包括单因素方差分析及Duncans多重比较。

2 结果与分析

2. 1 单一植物生态浮床的生物净增长量

适应性培养1周后，由于浮床植物处于污水的适应期，生长缓慢，但至移栽初期其焉萎状态已完全消失，均表现出较强的适应性。从遴选试验第3周开始，浮床植物进入快速生长期，美人蕉、鸢尾和花叶芦竹均表现出植株明显增大、根数增多、根系发达的现象。至试验结束时，浮床植物仍保持较高的生长速度，说明美人蕉、鸢尾和花叶芦竹均能适应高浓度有机物及氮、磷的水体，具有良好的适应性。由表2可知，单一植物生态浮床的生物净增长量存在极显著差异（P<0.01，下同），其中以美人蕉最高，其生物净增长量达275.4 g，故优选为后续研究的浮床植物。

2. 2 单一植物生态浮床的水质净化效果

由表3可知，3种浮床植物对COD的去除能力在19.30～38.39 mg/m2，均表现出较高的去除能力。不同单一植物生态浮床的COD去除能力存在一定差异，表现为美人蕉>鸢尾>花叶芦竹，且美人蕉与鸢尾、花叶芦竹间达极显著差异。3种浮床植物对TP的去除能力在0.71～0.81 mg/m2，其中，美人蕉对TP的去除能力与花叶芦竹、鸢尾间存在极显著差异，而花叶芦竹与鸢尾间的差异不显著（P>0.05，下同），具体排序为美人蕉>花叶芦竹>鸢尾。3种浮床植物对TN的去除能力在8.63～9.14 mg/m2，去除能力排序为美人蕉>鸢尾>花叶芦竹，以美人蕉对TN的去除能力最强，极显著高于花叶芦竹和鸢尾。3种浮床植物对NH4+-N的去除能力在6.15～6.83 mg/m2，去除能力排序为美人蕉>花叶芦竹>鸢尾，仍以美人蕉对NH4+-N的去除能力最强，显著高于花叶芦竹和鸢尾。综上所述，美人蕉、鸢尾和花叶芦竹对水体COD、TP、TN及NH4+-N均表现出良好的去除能力，但以美人蕉的净化效果最佳。

2. 3 美人蕉+组合填料生态浮床的生物净增长量

通过对比美人蕉+组合填料生态浮床与美人蕉生态浮床的生物净增长量，发现美人蕉+组合填料生态浮床的生物净增长量（312.6 g）极显著高于美人蕉生态浮床（275.4 g），说明组合填料在生态浮床从水体中吸收氮、磷的过程中发挥重要作用。

2. 4 不同生态浮床水质净化效果的对比分析

由表4可知，3种生态浮床对COD表现出较高的去除能力，去除能力在33.75～48.98 mg/m2，不同生态浮床间的COD去除能力存在极显著差异，表现为美人蕉+

组合填料>美人蕉>组合填料，即以美人蕉+组合填料生态浮床对有机物的去除效果最佳。3种生态浮床对TP的去除能力在0.23～0.93 mg/m2，TP去除能力排序为美人蕉+组合填料>美人蕉>组合填料，不同生态浮床间存在极显著差异，说明美人蕉+组合填料对含磷废水具有良好的去除效果。3种生态浮床对TN的去除能力在3.71～10.26 mg/m2，不同生态浮床对TN的去除能力也存在极显著差异，表现为美人蕉+组合填料>美人蕉>组合填料，说明生态浮床去除TN时必须兼顾植物和微生物的作用才能获得最佳效果。3种生态浮床对NH4+-N的去除能力在4.12～8.44 mg/m2，不同生态浮床对NH4+-N的去除能力存在极显著差异，表现为美人蕉+

组合填料>美人蕉>组合填料，说明浮床植物与组合填料的组合能显著提高生态浮床系统对NH4+-N去除能力。单一的组合填料由于缺乏植物的输氧功能，各种微生物的作用未能得到充分发挥，因此表现出较低的去除能力。

3 讨论

COD、TP、TN、NH4+-N的去除效果与生态浮床采用的植物、填料及系统处理时间等直接相关（杨凤娟，2011）。本研究结果表明，美人蕉生态浮床对COD的去除能力极显著高于鸢尾生态浮床和花叶芦竹生态浮床，可能是美人蕉发达的根系为水体微生物提供了良好的附着载体；美人蕉+组合填料生态浮床对COD的去除能力为48.98 mg/m2，净化效果优于美人蕉生态浮床和组合填料浮床，是由于浮床植物与组合填料同时发挥作用，促使微生物能在附着载体上大量生长繁殖并形成生物膜，从而强化生态浮床系统对有机物的降解作用（刘娅琴等，2010）。

美人蕉+组合填料生态浮床对TP表现出较高的去除能力（0.93 mg/m2），极显著高于美人蕉生态浮床（0.84 mg/m2），表明除了浮床植物的吸附、吸收作用外，浮床底部下悬挂的组合填料也发挥一定作用，不但对水体磷元素起到拦截作用，消除水体中的大部分不溶性磷，而且生物膜上的嗜磷菌可将废水中的有机磷分解为无机磷，供给浮床植物吸收利用（唐静杰和周青，2009）。美人蕉+组合填料生态浮床和美人蕉生态浮床对TP的去除能力均极显著高于组合填料浮床，说明浮床植物根系对水体磷的吸收作用是实现去磷的主要途径。

美人蕉+组合填料生态浮床还表现出较强的脱氮效果，对TN的去除能力为10.26 mg/m2，极显著高于美人蕉生态浮床和组合填料浮床，表明生态浮床对TN的去除必须兼顾植物和微生物的作用才能获得最佳效果。此外，组合填料浮床的TN去除能力极显著低于美人蕉生态浮床，可能是组合填料缺乏植物的输氧功能，各种微生物的作用未能得到充分发挥而引起。吴建强等（2007）也曾研究表明，生态浮床对TN的去除能力与植物生长情况密切相关，植物长势越好、根系越发达，其泌氧能力越强，进而增强水体的输氧能力。本研究结果进一步验证了这一观点，且遴选试验发现美人蕉、鸢尾和花叶芦竹3种浮床植物中以美人蕉的生长状况最佳、根系最发达，即美人蕉对TN有较强的去除能力。

美人蕉+组合填料生态浮床对NH4+-N的去除能力显著高于美人蕉生态浮床和组合填料浮床，去除能力为8.44 mg/m2。李先宁等（2007）研究表明，NH4+-N的去除主要得益于植物和微生物的共同作用，且植物吸收发挥主要作用，而填料能给微生物提供优良的附着条件，从而促进氨化、硝化及反硝化作用的进行，达到去除水体NH4+-N的效果。本研究结果还表明，单一植物生态浮床中美人蕉对NH4+-N的去除能力与花叶芦竹和鸢尾间存在显著差异，说明美人蕉强大根系的泌氧功能是引起水体NH4+-N减少的原因之一，同样美人蕉发达的根系为水体微生物提供了更优的生存环境，因此美人蕉适宜作为组合型生态浮床的首选植物。由于研究时间和试验条件的限制，有关浮床植物根系与根际微生物间的相互影响机制尚有待进一步探究。

4 结论

美人蕉+组合填料生态浮床对水体COD、TP、TN及NH4+-N的去除效果最佳，较单一使用美人蕉生态浮床或组合填料浮床的净化效果更具优势，可作为我国南方地区修复生态水环境的首选生态浮床。

参考文献：

陈丽丽，李秋华，高延进，吴昊，林陶，夏品华，张明时. 2012. 模拟生态浮床种植6种水生植物改善水质效果研究[J]. 水生态学杂志，33（4）：78-83.

Chen L L，Li Q H，Gao Y J，Wu H，Lin T，Xia P H，Zhang M S. 2012. Research on water quality improvement effect by 6 kinds of aquatic plants on simulation ecological floating bed[J]. Journal of Hydrogeology，33（4）：78-83.

高岩，马涛，张振华，张力，王岩，严少华. 2014. 不同生长阶段凤眼莲净化不同程度富营养化水体的效果研究[J]. 农业环境科学学报，33（12）：2427-2435.

Gao Y，Ma T，Zhang Z H，Zhang L，Wang Y，Yan S H. 2014. Nutrient removals from eutrophic water by Eichhornia crassipes at different growth stages[J]. Journal of Agro-Environment Science，33（12）：2427-2435.

郭培章，宋群. 2003. 中外水体富营养化治理案例研究[M]. 北京：中国计划出版社.

Guo P Z，Song Q. 2003. A Case Study of Chinese and Foreign Eutrophic Water Body[M]. Beijing：China Planning Press.

黄莹，阙欣欣，李彩云. 2013. 漓江沿岸水陆交错带景观调查与生态修复技术[J]. 南方农业学报，44（10）：1700-1704.

Huang Y，Que X X，Li C Y. 2013. Study on landscape ecological restoration technology of land/inland water ecotones along Li River[J]. Journal of Southern Agriculture，44（10）：1700-1704.

黎华寿，聂呈荣，方文杰，黎永锋. 2003. 浮床栽培植物生长特性的研究[J]. 华南农业大学学报（自然科学版），24（2）：12-15.

Li H S，Nie C R，Fang W J，Li Y F. 2003. Studies on the growing characteristics of plants grown in floating soilless culture system[J]. Journal of South China Agricultural University（Natural Science Edition），24（2）：12-15.

李海英，杨海华，柯凡，冯慕华，李文朝. 2009. 微曝气生态浮床的净化效果与生物膜特性研究[J]. 中国给水排水，25（7）：35-40.

Li H Y，Yang H H，Ke F，Feng M H，Li W C. 2009. Purification effect and biofilm characteristics of micro-aerated ecological floating bed[J]. China Water & Wastewater，25（7）：35-40.

李先寧，宋海亮，朱光灿，李大成，吕锡武. 2007. 组合型生态浮床的动态水质净化特性[J]. 环境科学，28（11）：2448-2452.

Li X N，Song H L，Zhu G C，Li D C，Lü X W. 2007. Characteri-

stic of combined floating bed ecosystem for water purification under dynamic condition[J]. Environmental Science，28（11）：2448-2452.

李英杰，许秋瑾，金相灿，胡社荣，胡少贞. 2004. 湖泊水生植被恢复物种选择及群落配置分析[J]. 环境污染治理技术与设备，5（8）：23-26.

Li Y J，Xu Q J，Jin X C，Hu S R，Hu S Z. 2004. Analyses on species selection and community collocation of saprophyte in lake restoration[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control，5（8）：23-26.

刘臣炜，汪德爟. 2006. 湖泊富营养化内源污染的机理和控制技术研究[J]. 农业环境科学学报，25（S2）：814-818.

Liu C W，Wang D G. 2006. Principle and control of eutrophication for lakes polluted by internal origin[J]. Journal of Agro-Environment Science，25（S2）：814-818.

刘娅琴，邹国燕，宋祥甫，付子轼，潘琦，刘福兴，范洁群. 2010. 框式复合型生态浮床对富营养水体浮游植物群落结构的影响[J]. 水生生物学报，34（1）：196-203.

Liu Y Q，Zou G Y，Song X F，Fu Z S，Pan Q，Liu F X，Fan J Q. 2010. Effects of a new ecological floating bed system（EFBS） on phytoplankton community in eutrophicated water[J]. Acta Hydrobiologica Sinica，34（1）：196-203.

卢进登，帅方敏，赵丽娅，康群，李兆华. 2005. 人工生物浮床技术治理富营养化水体的植物遴选[J]. 湖北大学学报（自然科学版），27（4）：402-404.

Lu J D，Shuai F M，Zhao L Y，Kang Q，Li Z H. 2005. Choosing plants for treating eutrophic water by artificial floating rafts[J]. Journal of Hubei University（Natural Science），27（4）：402-404.

宋李桐. 2007. 西北地区城市景观水体的水质净化和生态修复研究[D]. 西安：西安建筑科技大学.

Song L T. 2007. Water purification and ecological remediation for cityscape water in northwest region[D]. Xian：Xian University of Architecture and Technology.

孙远奎. 2010. 生态浮床技术净化城市景观水体的试验研究[D]. 济南：山东建筑大学.

Sun Y K. 2010. Study on the scenic water purification by ecological floating bed[D]. Jinan：Shandong Jianzhu University.

唐静杰，周青. 2009. 生态浮床在富营养化水体修复中的应用[J]. 环境与可持续发展，（2）：24-27.

Tang J J，Zhou Q. 2009. Application of ecological floating bed in repairing eutrophic water body[J]. Environment and Sustainable Development，（2）：24-27.

王彦玲，韩士群，宋伟，周庆，黄建萍. 2011. 植物与螺组合浮床对富营养化水体的净化效果[J]. 江苏农业学报，27（2）：295-300.

Wang Y L，Han S Q，Song W，Zhou Q，Huang J P. 2011. The purification of eutrophic water by floatingbed of plants and Bellamya aeruginosa Reeve[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences，27（2）：295-300.

温奋翔，王兵，肖波，王庆海，赵东阳，陈乐. 2015. 北方景观水体中生态浮床的植物筛选与水质净化效果[J]. 环境工程学报，9（12）：5881-5886.

Wen F X，Wang B，Xiao B，Wang Q H，Zhao D Y，Chen L. 2015. Plants screening of ecological floating bed and its effects on water quality purification in an artificial lake in Northern China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，9（12）：5881-5886.

吴建强，黄沈发，丁玲. 2007. 水生植物水体修复机理及其影响因素[J]. 水资源保护，23（4）：18-22.

Wu J Q，Hang S F，Ding L. 2007. Mechanisms of water restoration by aquatic plants and its influencing factors[J]. Water Resources Protection，23（4）：18-22.

肖羽堂，趙美姿，高立杰. 2005. 富氧生物膜法修复微污染水源的机理研究[J]. 长江流域资源与环境，14（6）：796-800.

Xiao Y T，Zhao M Z，Gao L J. 2005. Rehabilitation mechanism of slightly polluted water by oxygen enrichment and biofilm device[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin，14（6）：796-800.

杨凤娟. 2011. 不同工艺生态浮床技术对污染水体的净化效果、机制及示范研究[D]. 广州：暨南大学.

Yang F J. 2011. Decontamination performance and mechanism of different floating bed technology in treating polluted water and engineering demonstration[D]. Guangzhou：Jinan University.

Vollenweider R A. 1985. Elemental and biochemical composition of plankton biomass； some comments and explorations[J]. Archiv Für Hydrobiologie， 105（1）：11-29.

（责任编辑 兰宗宝）