生态浮床在改善农村涝池水质方面的作用

2019-10-21张锐

中国电气工程学报 2019年12期

张锐

摘要：在我国北方干旱地区的农村，逐渐被人们废弃的涝池水体黑臭情况日趋严重，极大地制约了新农村建设和农村生态文明体系的形成，涝池水质改善迫在眉睫。生态浮床作为一种绿色生态的水体治理技术，在治理湖泊、河道等方面已有显著成效，因此本文简单介绍生态浮床治理技术并将生态浮床水体治理原理应用于涝池水質改善。

关键字：生态浮床涝池黑臭水体生态恢复

1引言

涝池是一种人造池塘，主要分布于我国水资源缺乏的北方农村，是充分利用地表径流而修筑的蓄水工程，以满足当地居民在用水上的需求，多用来储蓄雨水。然而随着美丽乡村与生态文明建设的发展，涝池疏于管理，功能弱化。为此，陕西省2016年启动实施了农村涝池水生态修复工程，计划“十三五”期间修（改）建涝池9070座。由于内源治理与外源阻截以及构建材料方面存在欠缺的原因，截止2018年6月，关中已经实施的1500多座涝池，78.2%出现不同程度的水体黑臭现象。水体黑臭的涝池不仅不能为当地居民提供日常使用水，而且已经成为制约美丽乡村与生态文明建设的瓶颈，背离了生态文明建设和柔性治水的大背景。因此，对涝池水质的改善迫在眉睫。水体治理的方法一般包括物理法、化学法和生物法。传统的物理法和化学法在费用上较高、易造成二次污染且往往治标不治本。因此，用生物法治理水体是当前水体治理的趋势，生态浮床生物防治技术又是当前水体治理的热点。生态浮床工艺因具有可操作性强、运行成本低、易维护、生态风险小、景观效果好等优点，作为一种新型富营养化水体修复技术，已得到广泛研究和应用。

2生态浮床研究及应用

生态浮床又称人工浮床、生态浮岛、人工生物浮床、无土栽培浮床等[1]。它是人工浮岛的一种，针对富营养化的水质，利用生态工学原理，降解水中的COD、氮和磷的含量。其原理为以水生植物为主体、高分子材料等为载体和基质，运用无土栽培技术、应用物种间共生关系，建立高效的人工生态系统，使水体中的污染负荷大幅降低，从而使水体透明度大幅度提高，同时水质指标也得到有效的改善，特别是对藻类有很好的抑制效果。在农村水体污染治理、建设城市湿地等领域有广泛的应用。

2.1生态浮床技术

2.1.1浮床的结构与分类

生态浮床一般由四个部分组成，即浮岛框架、植物浮床、水下固定装置以及水生植被。

传统的有框浮床一般用PVC管等作为框架。植物浮床用椰子树的纤维、鱼网之类的材料和土壤混合在一起制成的比较多，由于装入土壤会增加重量且促进水质恶化，目前使用得比较少，只有20%左右。水下固定形式要视地基状况而定，常用的有重量式、锚固式等。另外，为了缓解因水位变动引起的浮岛间的相互碰撞，一般在浮岛本体和水下固定端之间设置一个小型的浮子的做法比较多[2]。

生态浮床根据水和植物是否接触可以分为湿式与干式。湿式浮床可再分为有框和无框两种，因此在构造上浮床主要分为干式浮床、有框湿式浮床、无框湿式浮床三类[3]。干式浮床对水质没有净化作用，一般用于景观设置。湿式浮床中有框架的使用较多。生态浮床依据功能划分为消浪形、水质净化性和提供栖息地型三类，浮床的外观形状有正方形、三角形、长方形、圆形等多种。

2.1.2生态浮床治理水体效果

生态浮床主要是通过植物根系的吸收、吸附、及根系上的微生物的净化作用来去除水体中的氮、磷以及大的颗粒物，使水体营养得到转移，从而治理由于封闭或自循环不足带来的水体腥臭、富营养化现象。

孙从军等[4]在淀山湖进行的水体富营养化防治实验的结果表明，浮床技术可有效削减富营养化水体中的COD、TN、氨氮和TP浓度，并提高水体透明度，为后续的生态修复工程奠定了良好的基础。罗固源等[5]在长江次流临江河回水区做的试验表明，美人蕉、风车草对N、P、COD的去除率分别为51.3%、44.7%、26.7%、46.6%、40%和25%，去除效果理想。张择瑞等[6]的试验表明，酸模、麦冬和沿阶草3种植物对TP、NH4+-N、TOC降解效果良好，酸模对TP、NH4+-N和TOC的去除率分别达到90%、93%和80%。

组合型生态浮床、人工填料等治理水体的效果更为明显。冯晨等人[7]采用海藻酸钠—氯化钙包埋法制备固定化反硝化菌小球，将固定化反硝化小球加入生态浮床进行强化，固定化强化浮床系统的TN去除率比单独浮床系统提高了17.25%。

2.2生态浮床的植物选择及生物组合

2.2.1浮床植物的选择

生态浮床对水体的净化及景观作用，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[8]。因此，浮床植物的选择是浮床技术中最关键的环节。

植物去除污染物效果是浮床植物选择时的主要依据。研究表明，氮、磷吸收的主要植物包括水葵、美人蕉、睡莲、菖蒲等;TP吸收类有喜旱莲子草、睡莲、荇菜等;TN吸收类有水蕹菜、香菇草、浮萍等;COD吸收类有宽叶香蒲;NH3-N吸收类有美人蕉、水蕹菜;重金属吸收类有宽叶香蒲、狐尾草等[9]。大多数浮床采用的植物为菖蒲、鸢尾、美人蕉等，它们对水体中的氮、磷和COD等有很好的去除率。此外，浮床所栽种的植物必须满足以下3个条件：能够适应当地的气候环境，能够耐受病虫害和较少依赖人工维护[10]。随着生态浮床技术应用的不断深入和基础研究的加强，筛选新型浮床植物组合或培育特异性植物，使得植物对低氧污水有较强适用性，同时能够通过光合作用泌氧，提高水体的氧含量。

2.2.2组合型生态浮床

普通植物生态浮床受植物生长、生物元素单一等的影响，往往净化水质效率低。组合型生态浮床是传统生态浮床技术的改进，主要包括2种类型：即在植物和浮体的基础上增加基质和在植物、填料和浮体的基础上增加虑食性动物[11]。刘海洪等[12]的研究表明，组合型生态浮床比普通水生植物浮床对氨氮、总氮等的平均去除效率高。王国芳等[11]的研究表明，三角帆蚌虑食性动物通过虑食、消化作用使COD的去除率提高了21.8%，增加了硝化细菌和反硝化细菌后，TN的去除率提高了13.7%，且组合型生态浮床中人工介质富集的微生物是氮磷等污染物的净化主体。

在传统的人工浮岛技术的基础上，通过增加水流层级、曝气、微生物等方式，形成了立体式生态浮床、微曝气生态浮床、生物岛栅等新型人工浮床，可进一步提升人工浮床对水体的净化效果[13]。但组合式生态浮床也有缺点，主要有以下两个方面：（1）生物膜中硝化菌数量不占优，使脱氮效果受到限制。污水中氮的去除方式一方面是通過植物和基质的吸收，另一方面则是通过微生物的硝化、反硝化作用来完成。（2）受水体影响较大，反硝化细菌大都是异养菌种，其生命活动需要外来的碳源，如果水体中可以作为反硝化细菌的碳源物质有限，这就会大大制约反硝化进程[14]。

2.3生态浮床应用

生态浮床对风的抵抗力较弱，因此目前主要应用于水流较缓慢的湖泊、池塘、城市内河及公园水体中[8]。生态浮床的首要应用是对水质的改善，其次，在改善水质的同时对水体景观也具有美化的效果。赵丰等[15]用香菇草、睡莲、西伯利亚鸢尾三种植物为主体，研究了浮床技术对城市污染水体中污染物的净化作用，结果表明，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，可作为城市景观污染水体治理的优良物种而推广使用。此外，生态浮床还可作为鱼类、鸟类、昆虫类的生息场所，提高生物多样性、促进生态恢复。

3生态浮床改善涝池水质

3.1涝池水体富营养化

3.1.1涝池水体富营养化的原因

水体富营养化跟生活污水排入，地表径流，雨污水排入都有关系，种植用的化肥，农药中都有氮磷等营养盐，空气污染，这些雨水等都会给水体带来营养物质，久而久之，水体中的营养物质富集，就会造成水体富营养化，当然影响最大的是生活污水。农村生活垃圾处理、生活污水排放方式仍不完善，垃圾乱堆、污水乱排在农村随处可见。一堆散发着恶臭的垃圾长年累月堆积在路边、溪水边、田边、池塘边，废弃的涝池进水口被农村生活垃圾、建筑垃圾所填埋，堵塞和污染涝池上方来水面，在雨水的冲刷下大量的滤渗液排入水体。同时，由于生活污水的倾倒以及水中动植物和微生物的繁殖、死亡和腐败等一系列生化活动使水体散发恶臭。

设置在农田附近的涝池由于农业生产中过度施用化肥、农药、大量未被作物吸收的残留物随降雨径流进入，导致水体呈富营养状态，在温度、光照等条件适宜的情况下，引起藻类大量繁殖，从而导致水体的溶解氧含量降低，使水质迅速变差，并出现恶臭，甚至会产生毒性较强的微囊藻毒素，与地下水发生交换，间接威胁着群众的饮水安全，尤其是在汛期暴雨洪水裹挟大量泥沙进入涝池，造成涝池水体无机盐和有机质含量迅速升高。

此外，由于淤泥腐殖质沉积深厚，造成有机腐败耗氧量增加，发生水质恶化。

3.1.2涝池黑臭水体包含的元素

过度的污染物在水体中发生反应消耗了水体中的氧气且生成氨氮等物质。致使涝池水体发生黑臭的主要元素为有机物、氨氮、总磷、总氮、类大肠杆菌等。

3.2生态浮床应用于涝池水体治理

3.2.1涝池生态浮床的植物选择

美人蕉生长迅速、生物量大、去污能力强，同时具有良好的景观效果，在治理池塘、河道污染时已被广泛使用。但是它不耐寒，5℃以下即被冻死，在我国北方地区难以越冬，第二年需重新种植。鸢尾虽生物量及再生能力不如美人蕉却是一种耐寒植物。丛海兵等[16]的研究表明，黄菖蒲（黄鸢尾）水质净化期长，水质改善效果好，耐寒能力强，能在水上自然越冬，管理工作量小，是优质的生态浮床植物。

农村水质的特点是高氮，高COD污染，这主要是由于农业生产生活引起的[17]。黄勇强等[18]的研究表明，处理COD和TN方面空心菜比美人蕉具有优势。将空心菜与美人蕉混合种植去除污染物效果更加。

我国北方干旱地区农村拥有涝池数量众多，若在改善涝池水质的同时使涝池的景观功能得到强化，则将加快北方地区新农村建设及农村生态文明建设。因此在选择浮床植物时，可对植物进行合理配置，同时考虑综合景观效果强的植物。周伟华等[19]的研究结果显示，在4种不同植物的浮床系统景观功能的综合评价方面：再力花>美人蕉>千屈菜>黄菖蒲。

3.2.2涝池生态浮床类型的选择

由于干式浮床不具有水体治理作用且无框湿式浮床在强度及使用时间上比有框式较差，因此选用有框湿式浮床为宜。同时，组合型生态浮床在治理效果上强于传统单一式浮床，因此在浮床中加入人工基质效果更佳。虞中杰等[20]在人工浮床中分别加入3种填料，发现净化水质最好的是球形填料与框架结构的组合。孙博等[21]研究发现，当填料的投配率为30%时其性价比最高。

3.2.3注意事项

首先，注意覆盖率对浮床去污的效果影响。覆盖率过高，不利于溶解氧的恢复，而覆盖率过低则去除效果不明显。研究表明，浮床的净化效果与浮床覆盖率呈正相关关系，20%的覆盖组对各营养因子的去除率最高，使用价值最大[22]。

其次，注意温度对去污效率的影响。罗固源等[23]的研究表明，浮床系统的最佳运行水温为25～29℃，此时浮床植物的平均株高为209.9cm，浮床对TN和TP的去除率分别为38.7%～44.1%和38.6%～43.6%。

最后，注意植物的季节性特征。肖程洲等[17]的研究表明，香蒲，金鱼藻，芦苇，莲藕这四种植物搭配在7-9月份对涝池水体中氨氮的去除效率分别达到：90.79%，89.83%，93.26%，89.40%，但是植物在秋冬季节枯萎，必须进行收割处理以防止植物腐败带来二次污染。

4结语

生态浮床作为一种绿色生态、易于实现的新型水体治理技术，具有价格低廉、养护简单、不会造成二次污染等特点，对水体中氮、磷、氨氮、有机物等物质有明显的去除作用，已是当前湖泊、池塘、河道等水体治理的重要技术措施。

涝池作为一种人工湿地是西北农村生态环境的重要组成部分，承载着许多人的成长记忆和人文情怀。虽然当下涝池的使用率非常低，但是其作为我国西北地区农村的特殊景观仍有独特的价值。修复整治涝池是实现关中水系联通最基础、最有效的举措，是黄土高原地区固沟保塬和关中地区水源保护、水路治理治本之策，是加强农村雨水资源综合利用的基本途径[24]。运用生态浮床治理我国农村涝池的黑臭水体，不仅使涝池水体治理变得方便、高效，而且对农村涝池景观起到改善作用。因此，广泛应用生态浮床治理农村涝池已是一种趋势。

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