国内生态浮床研究进展

2017-02-15陈进树

安徽农学通报 2017年1期

陈进树

摘要：回顾生态浮床的建造技术，分析生态浮床的应用现状及存在的问题，结合目前的研究现状，探讨生态浮床未来的发展方向。

关键词：生态浮床；富营养化；水生植物；研究进展

中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）01-0021-03

Abstract：In this paper，the research status of construction technology of ecological floating beds were reviewed，application status and problems were analyzed，At the same time，combining the current research stutus，directions for future research of ecological floating bed were discussed.

Key words：Ecological floating bed；Eutrophication；Aquatic plants；Research progress

生态浮床也称为生态浮岛、漂浮湿地，是一种将现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植技术；该技术通过植物根系的吸附、吸收作用及根系周围附着的细菌和其他微生物形成的生物膜的水解代谢作用，分解吸收水体中的有机物和富余的营养成分，通过收割植物体的形式，将营养物质搬离水体，使污染物大幅度减少，从而起到净化水质、美化环境的作用。相对于物理化学的净化水质方法，它具有操作简单、占地少、造价低、净化能力好的特点，因此该技术受到国内外生物学家的重视。最早研究该技术的是美国生态学家Gurmey，我国的宋祥甫等在1991年即开展了用生态浮床治理城区污染河道实验；由于我国工农业发展迅速，城区人口激增，对水资源的消耗与污染加剧，而污染治理设施的建造与管理相对滞后，同时由于水面的缩小及生活生产中产生的氮磷等营养物质的不断输入，致使我国大部分湖泊呈现富营养化趋势，特别是靠近城区环境的水体受到严重污染；据李睿等[1]的研究报导，我国85%湖泊出现不同程度的富营养化及治理水污染的高成本问题，因此该项技术在国内得到更多的关注和研究。本文拟对以往的这些研究进行总结分析，并对今后该技术的发展进行展望。

1 生态浮床的建造研究

生态浮床的构造对浮床植物的生长、水体的净化效果以及平时的运营管理具有重要的影响，因此浮床的建造研究受到众多学者的关注。自生态浮床创设以来，其发展大致经历以下几个阶段：第一代是竹子构架的，它的特点是造价低，但效果差，寿命短；第二代是以聚苯乙烯（EPS）泡沫为主，虽然制造工艺简单，造价也较低廉，但易产生白色污染，所以现在也基本没用；第三代主要是聚乙烯（PE）及其衍生产品，它克服了前二类产品的缺点，但植物的根系没有与定植基质结合在一起；第四代是新材料浮床，主要特点是植物的根系和浮床的材料可溶为一体，且材料本身为中空管状结构，能够形成很好的水体微动力循环，产品主要是美国生产的，由于材料专利壁垒及售价高，目前国内普及率较低。

据曹勇等[2]的研究报导，生态浮床作为水面植物定植结构，其建造设计必须综合考虑以下几个因素：（1）稳定性（浮床需能抵抗一定的风浪、水流的冲击而不至于被冲坏）。（2）耐久性（浮床能多年重复使用而不会腐烂）。（3）景观性（栽植的植物观赏性好）。（4）经济性（建造成本较低）。（5）便利性（设计过程中施工、运行、维护比较方便）。除了这些，作为一种水体净化装置，还应当具有较强的水质净化能力；而浮床的净化能力，主要是通过植物的吸收作用和其根系周围的微生物的分解作用来完成的；针对浮床的这些要求，国内的学者进行了相关的研究，并取得一些成果。

1.1 物理结构建造研究生态浮床一般是由浮床的框体、浮床床体、浮床基质、浮床植物四部分组成，目前对于浮床的建造研究主要是针对这些结构进行的改良研制；赵广胜等[3]研制了“齿合插接型”水生植物景观浮床，该装置是以高密度聚苯乙烯制成，采用“齿合插接”技術，使得模块与模块之间镶嵌在一起，其种植槽采用倒圆锥形并在底部留有大孔径透水口，便于植物根系物迅速向水中伸展生长，使根部充分与水接触吸收水中的氮、磷、重金属等物质，起到净化水体作用；王芳等[4]研制了一种生物质碳源组合型生态浮床，该生态浮床系统由上层的PVC管材浮床支架，中层的由高分子纤维绳和玉米芯组成的生物挂膜基质与生物碳源及下层的多孔有机玻璃填料沉箱与沉水植物三层组成；据报导该系统具较丰富的生物多样性，具有较高脱氮能力；马强等[5]研发的增加弹性立体材料的新型生态浮床，该系统上的弹性材料吸附细菌等微生物形成的生物膜对水体的净化有较强的效果；蔡鲁祥[6]发明的可拆式扇形生态浮床，组件为扇形，组件间可拆式连接，能有效避免在回收时遭到破坏；田昌凤等[7]研制了气提式生态浮床，采用罗茨风机为生态浮床提供气源，可将池塘下层水体提升到浮床表层，经过浮床上配置的植物净化吸收、陶粒吸附，以及填料的微生物降解后重新流回到池塘底部，该装备能有效降低池塘水体氨氮和亚硝氮含量。顾兆俊等[8]发明了一种养殖污水的净化方法及基于该方法的生态浮床，该生态浮床包括表层净化区，中层净化区，底层净化区，表层净化区和底层净化层的四周用带有过水孔的材料封闭；表层净化区与中层净化区隔开，其内种植挺水植物，并设有生物填料，生物填料颗粒的外径大于所述过水孔的内径；中层净化区四周用渔网围住，下方通过渔网与底层净化区隔开，中层净化区内养殖滤食性鱼；底层净化区下方封闭，设有陶粒，陶粒的外径大于所述过水孔的内径，并以所述陶粒为介质种植沉水植物。这些研发，提升了我国的生态浮床技术的应用水平，但也存在着一定的不足；比如，植物的根系不能附着在基质上，对风浪的抵抗性较差，或者建造工艺较为繁琐，或者使用寿命较短、净化效率不高等问题。因此，今后还应当进一步加快新型浮床建造材料的生产研究。

1.2 生物筛选研究

1.2.1 水生植物的筛选生态浮床对水体的净化水质及景观作用，最终是靠浮床的生物系统来完成的，所以合适以及生长良好的植物及微生物是生态浮床净化能力的保证。生物的筛选主要是选择适合水面生长的植物及微生物；筛选合适的水生植物的研究进行的比较早。李止正等[9]进行了生态浮床的经济效果研究，在太湖上种植39种高等陆生植物，成活率达100%，这为后期开展水上种植物的研究提供了一定的依据；周晓红等[10]进行以美人蕉、绿萝、马丽安3种景观植物为试材制成生态浮床，试验表明，3种植物对污染水体均有很好的净化效果和一定的景观价值，可作为城市河道污染水体治理的优良物种而推广使用；罗固源等[11]选取美人蕉、风车草、菖蒲和香根草4种常见的浮床植物为研究对象，对其生长特性及吸收氮磷的能力进行比较研究，结果显示美人蕉对水体中氮磷的吸收能力最强；吴建强等[12]选取美人蕉、黄菖蒲、再力花和千屈菜作为研究对象，对其生长特性和氮磷吸收能力进行试验研究，结果表明，美人蕉对磷的吸收能力最强；贺鸿志等[13]研究了野生稻、香根草和风车草构建的浮床系统对富营养化水体的净化效果，实验发现这3种植物对水体总氮（TN）和总磷（TP）均具有较好的净化效果，都能使水体溶解氧（DO）浓度明显增加，并能抑制藻类等浮游植物的生长，其中以风车草对富营养化水体的综合修复能力最强；蒋跃等[14]选取美人蕉、再力花和千屈菜3种当地常见植物作为研究对象，构建上海市淀山湖富营养化治理生态浮床工程，对3种植物的生长特性、氮磷吸收能力的优化配置进行比较研究，结果表明美人蕉与再力花配的混作浮床系统能够在保证氮吸收量较高的同时，比单种再力花的浮床系统吸收更多的磷；陈友媛[15]选取春羽、绿萝和铜钱草3种常见观赏植物作为水培试验研究对象，探讨这3种植物的水生栽培技术并用于去除模拟污水（劣V类）的净化效果，结果显示春羽、绿萝、铜钱草对污染水体均具有较好的适应性及水体净化能力，这为水培观赏植物应用于湖泊等污染水体的生态修复治理工程提供了参考；徐凌悦[16]进行水稻与空心菜吸收不同 N/P水体中氮磷的研究，结果表明浮床水稻与空心菜能较好地吸收富营养化水体中的氮磷元素。这些研究，对生态浮床植物的选择提供了借鉴，但总体上还不够理想，在景观性，季节性上还有待于进一步的提升。我国的水生植物种类较多，今后应当加强对水生植物的筛选工作，选出生命力强，观赏效果好的水生植物。

1.2.2 微生物据调查，中国90%以上的水域污染是因水体中的N、P含量过高而引起的富营养化造成的，所以N、P元素的去除对水体的净化作用具有关键的作用。据李海英[17]研究微曝气水芹生态浮床中发现微生物硝化反硝化作用是浮床系统除氮的主要机制，植物水芹吸收只占1/10，其余均为微生物脱氮；范洁群[18]研究，浮床系统中植物吸收只是系统去氮的一种途径，微生物脱氮在浮床脱氮途径中占主导作用；因此，水中N元素的去除，浮床植物所起的作用较小，主要的动力是浮床植物根系及水中的微生物；朱静平等[19]研究3种水培植物根系分泌的有机酸对氮循环菌的影响，结果表明3种植物根系分泌物中的有机酸对氨化细菌和反硝化细菌的生长具有促进作用，对亚硝化细菌和硝化细菌的生长具有抑制作用；吴伟等[20]采用弹性生物填料为人工基质，研究以土著微生物及外源微生物为菌源构建的池塘固定化微生物菌膜系统及对养殖水体的原位修复；结果显示固定化微生物处理技术可使水体中微生物的数量提高1倍以上，对水质富营养化控制的效果良好；薛彦君等[21]以美人蕉生态浮床为研究对象，研究曝气时间对植物生态浮床去除水体中营养盐的影响，结果表明曝气时间4h/d试验组的美人蕉根际细菌总数最高，水体中营养盐的去除效果最佳。

2 生态浮床的运用

生态浮床具有原位修复富营养化水体及生态景观的作用，但其对风浪的抵抗力较小，所以目前主要是应用于水流较缓慢的淡水湖泊及城市内河和公园水体中。孙从军等[22]进行了淀山湖富营养化防治与生态修复试验，结果表明浮床技术可有效削减富营养化水体中的COD、TN、氨氮和TP等，为后续的生态修复工程奠定了良好基础；高阳俊等[23]以美人蕉和伞草对重富营养化的大清河水质净化研究，也取得了较好的净化效果；李威等[24]運用浮床技术对佛山市的汾江河水质进行净化研究，结果表明浮床对水质的净化效果明显；郑杨忠等[25]在三峡库区香溪河的支流高岚河库湾修建生物浮岛进行水质净化研究，结果表明浮岛区水质较好，藻类生物量也明显降低；赵丰等[26]以浮床技术对城市污染水体中污染物的净化研究，浮床技术污染水体均有很好的净化效果和一定的景观价值。

生态浮床对水质的净化作用，除了通过吸收水中的N、P等元素外，还以其具有强大的除藻功能息息相关；王端超等[72]研究了冬季生态浮床对浮游藻类数量及生物多样性的影响，结果表明即使在冬季较低温的情况下水生植物新陈代谢缓慢，但生态浮床对浮游藻类的数量及生物多样性影响明显。

3 展望

水体的富营养化是城市水污染的主要因素，也是影响公园景观的一个重要的原因。目前生态浮浮床技术虽然还存在净化能力较弱、受季节变化影响较大及应用范围较小等不足的问题，但由于具有原位修复、成本低廉、能为野生动植物提供生息空间及改善景观的功能，因此成为解决水体特别是城区附近水体富营养化的重要方法。今后，为促进该项技术更深入的运用，应加大新开生态浮床的物理建造研究，提高浮床抗风浪能力及使用寿命，拓宽它的应用范围，特别是海水方面的应用。另外，应更深入进行浮床植物的筛选，水生植物是生态浮床的核心构成，对生态浮床技术的净化水质功能具有决定性的作用，我国水生植物资源丰富，但应用于生态浮床的植物研究报导相对较少，因此，今后应当进一步加强这方面的研究；另外，微生物特别是与N、P的吸附、分解相关的微生物的筛选及固定化技术也是生态浮床未来应深入研究的内容，微生物是生态浮床净化水质的重要组成部分，特别是对于N元素的去除，具有决定性的作用，因此筛选出具有较强适应环境及分解能力强的微生物并将其固定到浮床上也将是今后研究的一个重要方向。

随着建造成本的降低及净化能力的增强，生态浮床技术将会在城市公园生态景观和新农村建设中得到更多的应用。

参考文献

[1]李睿，黄浩，韩锡.具有生物载体和基质双功能材料在生态浮床的应用[J].节水灌溉，2015（4）：55-58.

[2]曹勇，孙从军.生态浮床的结构设计[J].环境科学与技术，2009，32（2）：121-124.

[3]赵广胜，李清清，崔建平.一种水体修复设施——拼接组合式水生植物浮岛[J].林业实用技术，2008（10）：46-47.

[4]王芳，张汇文，吴国华，等.生物质碳源组合型生态浮床系统脱氮效果研究[J].环境工程学报，2014，8（8）：3009-3106.

[5]马强，高明瑜，谭伟，等.新型生态浮岛在改善水质中的作用及生物膜载体微生物特征研究[J].环境科学，2011，32（6）：1596-1601.

[6]蔡鲁祥.生态浮岛 [P].中国专利，CN202107573U，2012-01-11.

[7]田昌凤，朱林，车轩，等.池塘养殖气提式生态浮床的研制[J].渔业现代化，2014，41（1）：1-5.

[8]顾兆俊，刘兴国，朱浩，等.一种养殖污水的净化方法及基于该方法的生态浮床[P].中国专利，CN103193324A，2013-07-10.

[9]李止正，黄国宏，倪晋山.太湖大水面无土栽培高等陆生植物研究[J].植物学报，1991，33（8）：614-620.

[10]周晓红，王国祥，冯冰冰，等.3種景观植物对城市河道污染水体的净化效果[J].环境科学研究，2009，22（1）：108-113.