國內生態浮床研究進展

陳進樹

摘 要：回顧生態浮床的建造技術，分析生態浮床的應用現狀及存在的問題，結合目前的研究現狀，探討生態浮床未來的發展方向。

關鍵詞：生態浮床；富營養化；水生植物；研究進展

中圖分類號 X52 文獻標識碼 A 文章編號 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

生態浮床也稱為生態浮島、漂浮濕地，是一種將現代農藝和生態工程措施綜合集成的水面無土種植技術；該技術通過植物根系的吸附、吸收作用及根系周圍附著的細菌和其他微生物形成的生物膜的水解代謝作用，分解吸收水體中的有機物和富余的營養成分，通過收割植物體的形式，將營養物質搬離水體，使污染物大幅度減少，從而起到凈化水質、美化環境的作用。相對于物理化學的凈化水質方法，它具有操作簡單、占地少、造價低、凈化能力好的特點，因此該技術受到國內外生物學家的重視。最早研究該技術的是美國生態學家Gurmey，我國的宋祥甫等在1991年即開展了用生態浮床治理城區污染河道實驗；由于我國工農業發展迅速，城區人口激增，對水資源的消耗與污染加劇，而污染治理設施的建造與管理相對滯后，同時由于水面的縮小及生活生產中產生的氮磷等營養物質的不斷輸入，致使我國大部分湖泊呈現富營養化趨勢，特別是靠近城區環境的水體受到嚴重污染；據李睿等[1]的研究報導，我國85%湖泊出現不同程度的富營養化及治理水污染的高成本問題，因此該項技術在國內得到更多的關注和研究。本文擬對以往的這些研究進行總結分析，并對今后該技術的發展進行展望。

1 生態浮床的建造研究

生態浮床的構造對浮床植物的生長、水體的凈化效果以及平時的運營管理具有重要的影響，因此浮床的建造研究受到眾多學者的關注。自生態浮床創設以來，其發展大致經歷以下幾個階段：第一代是竹子構架的，它的特點是造價低，但效果差，壽命短；第二代是以聚苯乙烯（EPS）泡沫為主，雖然制造工藝簡單，造價也較低廉，但易產生白色污染，所以現在也基本沒用；第三代主要是聚乙烯（PE）及其衍生產品，它克服了前二類產品的缺點，但植物的根系沒有與定植基質結合在一起；第四代是新材料浮床，主要特點是植物的根系和浮床的材料可溶為一體，且材料本身為中空管狀結構，能夠形成很好的水體微動力循環，產品主要是美國生產的，由于材料專利壁壘及售價高，目前國內普及率較低。

據曹勇等[2]的研究報導，生態浮床作為水面植物定植結構，其建造設計必須綜合考慮以下幾個因素：（1）穩定性（浮床需能抵抗一定的風浪、水流的沖擊而不至于被沖壞）。（2）耐久性（浮床能多年重復使用而不會腐爛）。（3）景觀性（栽植的植物觀賞性好）。（4）經濟性（建造成本較低）。（5）便利性（設計過程中施工、運行、維護比較方便）。除了這些，作為一種水體凈化裝置，還應當具有較強的水質凈化能力；而浮床的凈化能力，主要是通過植物的吸收作用和其根系周圍的微生物的分解作用來完成的；針對浮床的這些要求，國內的學者進行了相關的研究，并取得一些成果。

1.1 物理結構建造研究 生態浮床一般是由浮床的框體、浮床床體、浮床基質、浮床植物四部分組成，目前對于浮床的建造研究主要是針對這些結構進行的改良研制；趙廣勝等[3]研制了“齒合插接型”水生植物景觀浮床，該裝置是以高密度聚苯乙烯制成，采用“齒合插接”技術，使得模塊與模塊之間鑲嵌在一起，其種植槽采用倒圓錐形并在底部留有大孔徑透水口，便于植物根系物迅速向水中伸展生長，使根部充分與水接觸吸收水中的氮、磷、重金屬等物質，起到凈化水體作用；王芳等[4]研制了一種生物質碳源組合型生態浮床，該生態浮床系統由上層的PVC管材浮床支架，中層的由高分子纖維繩和玉米芯組成的生物掛膜基質與生物碳源及下層的多孔有機玻璃填料沉箱與沉水植物三層組成；據報導該系統具較豐富的生物多樣性，具有較高脫氮能力；馬強等[5]研發的增加彈性立體材料的新型生態浮床，該系統上的彈性材料吸附細菌等微生物形成的生物膜對水體的凈化有較強的效果；蔡魯祥[6]發明的可拆式扇形生態浮床，組件為扇形，組件間可拆式連接，能有效避免在回收時遭到破壞；田昌鳳等[7]研制了氣提式生態浮床，采用羅茨風機為生態浮床提供氣源，可將池塘下層水體提升到浮床表層，經過浮床上配置的植物凈化吸收、陶粒吸附，以及填料的微生物降解后重新流回到池塘底部，該裝備能有效降低池塘水體氨氮和亞硝氮含量。顧兆俊等[8]發明了一種養殖污水的凈化方法及基于該方法的生態浮床，該生態浮床包括表層凈化區，中層凈化區，底層凈化區，表層凈化區和底層凈化層的四周用帶有過水孔的材料封閉；表層凈化區與中層凈化區隔開，其內種植挺水植物，并設有生物填料，生物填料顆粒的外徑大于所述過水孔的內徑；中層凈化區四周用漁網圍住，下方通過漁網與底層凈化區隔開，中層凈化區內養殖濾食性魚；底層凈化區下方封閉，設有陶粒，陶粒的外徑大于所述過水孔的內徑，并以所述陶粒為介質種植沉水植物。這些研發，提升了我國的生態浮床技術的應用水平，但也存在著一定的不足；比如，植物的根系不能附著在基質上，對風浪的抵抗性較差，或者建造工藝較為繁瑣，或者使用壽命較短、凈化效率不高等問題。因此，今后還應當進一步加快新型浮床建造材料的生產研究。

1.2 生物篩選研究

1.2.1 水生植物的篩選 生態浮床對水體的凈化水質及景觀作用，最終是靠浮床的生物系統來完成的，所以合適以及生長良好的植物及微生物是生態浮床凈化能力的保證。生物的篩選主要是選擇適合水面生長的植物及微生物；篩選合適的水生植物的研究進行的比較早。李止正等[9]進行了生態浮床的經濟效果研究，在太湖上種植39種高等陸生植物，成活率達100%，這為后期開展水上種植物的研究提供了一定的依據；周曉紅等[10]進行以美人蕉、綠蘿、馬麗安3種景觀植物為試材制成生態浮床，試驗表明，3種植物對污染水體均有很好的凈化效果和一定的景觀價值，可作為城市河道污染水體治理的優良物種而推廣使用；羅固源等[11]選取美人蕉、風車草、菖蒲和香根草4種常見的浮床植物為研究對象，對其生長特性及吸收氮磷的能力進行比較研究，結果顯示美人蕉對水體中氮磷的吸收能力最強；吳建強等[12]選取美人蕉、黃菖蒲、再力花和千屈菜作為研究對象，對其生長特性和氮磷吸收能力進行試驗研究，結果表明，美人蕉對磷的吸收能力最強；賀鴻志等[13]研究了野生稻、香根草和風車草構建的浮床系統對富營養化水體的凈化效果，實驗發現這3種植物對水體總氮（TN）和總磷（TP）均具有較好的凈化效果，都能使水體溶解氧（DO）濃度明顯增加，并能抑制藻類等浮游植物的生長，其中以風車草對富營養化水體的綜合修復能力最強；蔣躍等[14]選取美人蕉、再力花和千屈菜3種當地常見植物作為研究對象，構建上海市淀山湖富營養化治理生態浮床工程，對3種植物的生長特性、氮磷吸收能力的優化配置進行比較研究，結果表明美人蕉與再力花配的混作浮床系統能夠在保證氮吸收量較高的同時，比單種再力花的浮床系統吸收更多的磷；陳友媛[15]選取春羽、綠蘿和銅錢草3種常見觀賞植物作為水培試驗研究對象，探討這3種植物的水生栽培技術并用于去除模擬污水（劣V類）的凈化效果，結果顯示春羽、綠蘿、銅錢草對污染水體均具有較好的適應性及水體凈化能力，這為水培觀賞植物應用于湖泊等污染水體的生態修復治理工程提供了參考；徐凌悅[16]進行水稻與空心菜吸收不同 N/P水體中氮磷的研究，結果表明浮床水稻與空心菜能較好地吸收富營養化水體中的氮磷元素。這些研究，對生態浮床植物的選擇提供了借鑒，但總體上還不夠理想，在景觀性，季節性上還有待于進一步的提升。我國的水生植物種類較多，今后應當加強對水生植物的篩選工作，選出生命力強，觀賞效果好的水生植物。

1.2.2 微生物 據調查，中國90%以上的水域污染是因水體中的N、P含量過高而引起的富營養化造成的，所以N、P元素的去除對水體的凈化作用具有關鍵的作用。據李海英[17]研究微曝氣水芹生態浮床中發現微生物硝化反硝化作用是浮床系統除氮的主要機制，植物水芹吸收只占1/10，其余均為微生物脫氮；范潔群[18]研究，浮床系統中植物吸收只是系統去氮的一種途徑，微生物脫氮在浮床脫氮途徑中占主導作用；因此，水中N元素的去除，浮床植物所起的作用較小，主要的動力是浮床植物根系及水中的微生物；朱靜平等[19]研究3種水培植物根系分泌的有機酸對氮循環菌的影響，結果表明3種植物根系分泌物中的有機酸對氨化細菌和反硝化細菌的生長具有促進作用，對亞硝化細菌和硝化細菌的生長具有抑制作用；吳偉等[20]采用彈性生物填料為人工基質，研究以土著微生物及外源微生物為菌源構建的池塘固定化微生物菌膜系統及對養殖水體的原位修復；結果顯示固定化微生物處理技術可使水體中微生物的數量提高1倍以上，對水質富營養化控制的效果良好；薛彥君等[21]以美人蕉生態浮床為研究對象，研究曝氣時間對植物生態浮床去除水體中營養鹽的影響，結果表明曝氣時間4h/d試驗組的美人蕉根際細菌總數最高，水體中營養鹽的去除效果最佳。

2 生態浮床的運用

生態浮床具有原位修復富營養化水體及生態景觀的作用，但其對風浪的抵抗力較小，所以目前主要是應用于水流較緩慢的淡水湖泊及城市內河和公園水體中。孫從軍等[22]進行了淀山湖富營養化防治與生態修復試驗，結果表明浮床技術可有效削減富營養化水體中的COD、TN、氨氮和TP等，為后續的生態修復工程奠定了良好基礎；高陽俊等[23]以美人蕉和傘草對重富營養化的大清河水質凈化研究，也取得了較好的凈化效果；李威等[24]運用浮床技術對佛山市的汾江河水質進行凈化研究，結果表明浮床對水質的凈化效果明顯；鄭楊忠等[25]在三峽庫區香溪河的支流高嵐河庫灣修建生物浮島進行水質凈化研究，結果表明浮島區水質較好，藻類生物量也明顯降低；趙豐等[26]以浮床技術對城市污染水體中污染物的凈化研究，浮床技術污染水體均有很好的凈化效果和一定的景觀價值。

生態浮床對水質的凈化作用，除了通過吸收水中的N、P等元素外，還以其具有強大的除藻功能息息相關；王端超等[72]研究了冬季生態浮床對浮游藻類數量及生物多樣性的影響，結果表明即使在冬季較低溫的情況下水生植物新陳代謝緩慢，但生態浮床對浮游藻類的數量及生物多樣性影響明顯。

3 展望

水體的富營養化是城市水污染的主要因素，也是影響公園景觀的一個重要的原因。目前生態浮浮床技術雖然還存在凈化能力較弱、受季節變化影響較大及應用范圍較小等不足的問題，但由于具有原位修復、成本低廉、能為野生動植物提供生息空間及改善景觀的功能，因此成為解決水體特別是城區附近水體富營養化的重要方法。今后，為促進該項技術更深入的運用，應加大新開生態浮床的物理建造研究，提高浮床抗風浪能力及使用壽命，拓寬它的應用范圍，特別是海水方面的應用。另外，應更深入進行浮床植物的篩選，水生植物是生態浮床的核心構成，對生態浮床技術的凈化水質功能具有決定性的作用，我國水生植物資源豐富，但應用于生態浮床的植物研究報導相對較少，因此，今后應當進一步加強這方面的研究；另外，微生物特別是與N、P的吸附、分解相關的微生物的篩選及固定化技術也是生態浮床未來應深入研究的內容，微生物是生態浮床凈化水質的重要組成部分，特別是對于N元素的去除，具有決定性的作用，因此篩選出具有較強適應環境及分解能力強的微生物并將其固定到浮床上也將是今后研究的一個重要方向。

隨著建造成本的降低及凈化能力的增強，生態浮床技術將會在城市公園生態景觀和新農村建設中得到更多的應用。

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（責編：張長青）