人工生態(tài)浮床技術(shù)在水環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用進展

黃文丹

(福建省環(huán)境科學(xué)研究院，福建省環(huán)境工程重點實驗室，福州　350013)

· 綜述 ·

人工生態(tài)浮床技術(shù)在水環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用進展

黃文丹

(福建省環(huán)境科學(xué)研究院，福建省環(huán)境工程重點實驗室，福州350013)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人類對水環(huán)境的破壞日益嚴重，河湖的水質(zhì)惡化成為當今人類所面臨的重大環(huán)境問題之一，人工生態(tài)浮床作為一項新型的水質(zhì)凈化技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)不但有凈化水體的功能，還具有一定的觀賞價值和經(jīng)濟價值，受到廣泛的青睞，應(yīng)用前景廣闊。將人工生態(tài)浮床的研究進行綜述，并對人工生態(tài)浮床技術(shù)今后的發(fā)展進行了展望。

人工生態(tài)浮床；水質(zhì)改善；研究進展；展望

1　引　言

水環(huán)境和人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人類對水環(huán)境的破壞日益嚴重，河湖的水質(zhì)惡化成為當今人類所面臨的重大環(huán)境問題之一，如何改善河湖的水質(zhì)已成為擺在人類面前的頭等大事。人類嘗試用各種方法來改善河湖的水質(zhì)，1988年Hoeger首次提出將生態(tài)浮床作為一項水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)，并闡述其在德國湖泊中的應(yīng)用情況，國外逐步開始將人工生態(tài)浮床應(yīng)用到地表水體的污染治理和生態(tài)修復(fù)中來，到目前為止，人工生態(tài)浮床已成為世界范圍內(nèi)重要的水質(zhì)修復(fù)技術(shù)之一[1～4]。近年來我國的人工生態(tài)浮床技術(shù)正處于快速發(fā)展時期，目前已成功將人工生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用在湖泊、河流、河口等水域的水質(zhì)治理和生態(tài)修復(fù)中[5～10]。

人工生態(tài)浮床又稱人工浮床、人工浮島、生物浮床、生態(tài)浮床等，是以高分子材料為載體和基質(zhì)，采用現(xiàn)代農(nóng)藝和生態(tài)工程措施綜合集成的水面無土種植技術(shù)，不僅能達到凈化水質(zhì)的效果，同時又能營造出優(yōu)美的水上景觀[11]。人工生態(tài)浮床主要通過以下幾個途徑對水體凈化[12～14]：(1)植物在生長過程中吸收水體中的溶解性氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，到收獲季節(jié)時通過收割達到去除氮磷的作用；(2)發(fā)達的植物根系在水體中形成濃密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能吸附水中懸浮顆粒物，而懸浮顆粒物本身又能吸附其他污染物，提高對污染物的降解能力, 通過懸浮顆粒物的沉降將污染物移出水體；(3)在植物根區(qū)硝化菌和反硝化菌等微生物大量繁殖形成生物膜，從而提高對污染物的降解能力；(4)植物可通過根系向水體中釋放大量氧氣，提高水體溶解氧含量、促進污染物的快速凈化；(5)人工生態(tài)浮床本身能夠有效遮蔽陽光，進而影響水體中的浮游藻類的光合作用，加之接觸沉淀作用，使得浮游藻類沉淀，水體透明度提高；(6)許多浮床植物如鳳眼蓮、狐尾藻、金魚藻、蘆葦、旱傘草等都能夠分泌克制藻類生長的化學(xué)物質(zhì)，從而抑制水體中浮游藻類的生長繁殖。

2　人工生態(tài)浮床技術(shù)的研究

人工生態(tài)浮床類型多種多樣，根據(jù)浮床的結(jié)構(gòu)可將其分為有框型和無框型兩種，無框型人工生態(tài)浮床雖然更加貼近自然而且景觀上更好看，但有框型人工生態(tài)浮床在抗沖擊和使用壽命等方面優(yōu)于無框型，故在實際應(yīng)用中有框型人工浮床占70%。有框型人工生態(tài)浮床主要由框體、載體、基質(zhì)和植物等組成，對于這些組成部分的探索是人工生態(tài)浮床技術(shù)研究熱點。

2.1人工生態(tài)浮床框體和載體研究

人工生態(tài)浮床的框體起到固定浮床和增加浮床的穩(wěn)定性的作用，因而作為框體材料需要堅固、穩(wěn)定、能抗風(fēng)浪，目前人工生態(tài)浮床的框體多采用高分子材料PVC管、不銹鋼管、木材、毛竹等材料來制作。不銹鋼管或鍍鋅管等材料雖然硬度高、抗沖擊能力強、持久耐用，但由于這些材料的比重大，必須布設(shè)浮筒用以增加浮力，而且其價格較貴，故采用的不多；木頭、毛竹等材料雖然更加貼近自然、價格也不貴，但若將其常年浸沒在水中，容易腐爛，故使用的也相對較少；PVC管因具備比重輕、抗沖擊力較強、持久耐用、價格低等優(yōu)點，得到廣泛的應(yīng)用[15]。

人工生態(tài)浮床的載體是植物生長的支撐物，是整個浮床浮力的主要提供者，井艷文等[6]認為作為人工生態(tài)浮床的載體需要具備以下4個條件：(1)材質(zhì)比重小，綠色環(huán)保，防腐蝕， 耐老化，可反復(fù)使用；(2)抗風(fēng)浪沖擊能力強；(3)具備柔性連接，整體能隨水體上下浮動；(4)植物栽種孔穴能夠滿足植物生長期種植密度要求。此外，代培等[16]認為作為人工生態(tài)浮床的載體，還應(yīng)具有無維護、材料價格低廉、來源廣泛以及有利于微生物附著生長掛膜等特點。聚苯乙烯泡沫板由于具有浮力大、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，故其作為人工生態(tài)浮床的載體備受人們的青睞，得到非常廣泛的應(yīng)用，但其也存在一定的缺點，當浮床廢棄后聚苯乙烯泡沫板將形成白色污染[17,18]。目前還有將蛭石、陶瓷、珍珠巖等作為人工生態(tài)浮床的載體，這些材料具有微孔結(jié)構(gòu)，可繁殖大量微生物形成生物膜，有利于污染物降解，但由于其費用較高，使用的相對較少[10,19～21]。

2.2人工生態(tài)浮床基質(zhì)和植物

人工生態(tài)浮床的基質(zhì)是用于固定植物，應(yīng)具備彈性好，固定強、易吸水、儲肥強、不腐爛等特點來保證植物的直立和正常生長。目前多使用海綿、椰子纖維、陶粒等材料；也有使用土壤作為浮床基質(zhì)，但由于土壤重量大，又易于造成水體污染，故應(yīng)用的較少[15,22,23]。

植物是人工生態(tài)浮床凈化水體的主體，需要具備以下條件：適應(yīng)當?shù)貧夂蚝退|(zhì)條件、凈化能力好、抗逆性強、易于管理、具有一定的觀賞性和經(jīng)濟價值等。到目前為止用于大型水庫、湖泊和河流等水體凈化的植物有46科100多種，已經(jīng)運用于人工生態(tài)浮床來凈化水體的植物主要有美人蕉、石菖蒲、菖蒲、香蒲、蘆葦、荻、多花黑麥草、水稻、牛筋草、香根草、旱傘草、鳳眼蓮、海芋、水浮蓮、菱、水芹菜、空心菜、狐尾藻、金魚藻等[18,19,24～29]。這些植物均具有生長快、分株多、根系發(fā)達、根莖繁殖能力強、生物量大等特點，此外還具有一定的觀賞價值和經(jīng)濟價值。如美人蕉的發(fā)達根系能吸收水體中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，其花色艷麗具有較高的觀賞價值，此外根莖和花能入藥具備一定經(jīng)濟價值；蘆葦具有發(fā)達的匍匐狀根莖，葦稈能造紙和人造絲等，根莖能入藥；香根草生物量大適應(yīng)性強，吸收氮磷能力強，其莖稈也能入藥。

由于植物是人工生態(tài)浮床凈化主體，近幾年對于植物的凈化能力研究較多。例如，對比不同植物對磷的去除能力差異，盧進登等利用人工生態(tài)浮床在富營養(yǎng)化的水體中栽培了7種植物，發(fā)現(xiàn)對于總磷凈化效果蘆葦最好，其次為荻、水稻、蕹菜、牛筋草、香蒲和美人蕉[30,31]，然而江浩等[32]研究發(fā)現(xiàn)美人蕉和香蒲對磷的去除效率高于蘆葦?？紤]不同的水溫中植物對氮磷的去除效率不同，胡綿好等[33]在人工生態(tài)浮床上種植水芹和水田芥通過調(diào)節(jié)溫度(35℃為高溫、22℃為中溫、10℃為低溫)來研究不同溫度下兩種植物對去除氮磷能力的差異，結(jié)果表明水田芥在低溫條件下除氮能力最強，水芹在高溫條件下除氮能力最強；對于去除磷的能力上在低溫和中等溫度條件下兩種植物去除能力差不多，而在高溫條件下水芹強于水田芥?？紤]到生物量有限，光靠植物本身來凈化水體效果受到限制，李先寧等[34,35]開發(fā)了一種由水生植物、水生動物和微生物膜構(gòu)建的組合型新生態(tài)浮床技術(shù)，分為上、中、下3層結(jié)構(gòu)：上層為水生植物區(qū)，種植水生經(jīng)濟植物，中層為水生動物區(qū)，籠養(yǎng)濾食性水生動物貝類，下層為人工介質(zhì)區(qū)，懸掛兼具軟性及半軟性人工填料，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)組合型人工生態(tài)浮床不僅具有良好的去氮磷效果，還提高了水體的透明度。

3　人工生態(tài)浮床技術(shù)在水環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

人工生態(tài)浮床的應(yīng)用可以追溯到我國三國時期(公元3世紀)，當時南方地區(qū)利用菰的根系和莖形成的漂浮物進行水上種稻[17]。而人工生態(tài)浮床技術(shù)在水環(huán)境治理方面的應(yīng)用，則是從1988年Hoeger[1]將人工生態(tài)浮床作為一項水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)并在應(yīng)用于德國湖泊水體修復(fù)開始。日本1993年在琵琶島設(shè)置綠化浮島，種植水生植物，不僅改善了湖濱的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，還起到保護湖岸和美化湖濱景觀的功效[36]。

在我國，20世紀90年代，璞培民等[5]開始在太湖構(gòu)建物理-生態(tài)工程中應(yīng)用了人工生態(tài)浮床技術(shù)，在湖中布設(shè)塑料網(wǎng)載體利用浮游植物發(fā)達的根系吸附懸浮物質(zhì)并吸收營養(yǎng)物質(zhì)取得良好的效果。宋祥甫等[36,37]在富營養(yǎng)化水域表面種植蔬菜、花卉等植物來去除氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)來凈化水體，同時達到收獲農(nóng)產(chǎn)品和美化景觀的功效，為浮床陸生植物治理富營養(yǎng)化水體提供科學(xué)依據(jù)。到21世紀初，井艷文等[6,38]采用人工生態(tài)浮床技術(shù)治理北京市什剎海、永定河等污染水體，發(fā)現(xiàn)人工生態(tài)浮床技術(shù)用于河湖水體的效果良好，試驗封閉區(qū)水體透明度好于湖區(qū)天然水體，總氮和總磷的含量呈逐漸下降的趨勢。秦伯強等[7]在太湖梅梁灣建立示范區(qū)，提出了消除風(fēng)浪、除藻和控藻、降低懸浮物濃度，再輔以水生植被(主要是浮葉植物和漂浮植物)恢復(fù)、附著生物富集等一系列措施，以達到凈化水質(zhì)之目標，實驗結(jié)果顯示示范區(qū)的水質(zhì)得到了初步的改善，示范區(qū)內(nèi)的懸浮物濃度較示范區(qū)外的懸浮物濃度低30%，相當于去除顆粒態(tài)氮500t以上、磷10t以上。李英杰等[8]在太湖五里湖西南部一條入湖河流的河口處布設(shè)人工生態(tài)浮床來凈化水體，通過分析浮床建成前后、浮床撤除前后以及浮床邊和開闊水道之間水質(zhì)的差異, 考察了浮床對河口水質(zhì)的凈化效果, 并對凈化機理進行了分析，結(jié)果表明, 人工生態(tài)浮床具有很強的凈化能力，經(jīng)過浮床段后總氮和總磷等濃度均得到明顯降低，說明人工生態(tài)浮床在去除污染物方面起到重要的作用。

4　展　望

人工生態(tài)浮床作為一種新型的污水凈化技術(shù)，經(jīng)過多年的實踐，已經(jīng)較為成熟，在國內(nèi)外河湖水體水質(zhì)改善和生態(tài)修復(fù)中得到廣泛的應(yīng)用，在改善水質(zhì)和美化景觀方面發(fā)揮了非常好的作用，具有良好的應(yīng)用前景。但是，人工生態(tài)浮床也存在的一些問題，今后人工生態(tài)浮床的發(fā)展方向除了尋找新型材料外，還應(yīng)該考慮以下幾個方面:(1)考慮到不同水體的污染情況存在差異，以及不同植物對污染物的去除能力也不盡相同，需要針對不同的水體，采用不同植物的組合進行人工生態(tài)浮床的構(gòu)建；(2)不同的季節(jié)植物的生長情況不一樣，尤其在冬季，許多植物處于休眠狀態(tài)凈化效果減弱，應(yīng)考慮不同季節(jié)的植物組合，提高人工生態(tài)浮床在冬季的凈化能力；(3)在風(fēng)浪較大的區(qū)域，使用人工生態(tài)浮床存在的不穩(wěn)定性，可考慮采用人工生態(tài)浮床和消減風(fēng)浪設(shè)備的水平組合，在風(fēng)浪較大的地區(qū)前緣架設(shè)消減風(fēng)浪的裝置，使得人工浮床在較為穩(wěn)定的水環(huán)境下發(fā)揮作用，增強其使用壽命和去除效果；(4)在水體較深的情況下，生態(tài)浮床植物的根系長度有限，對于深部的水體凈化能力較差，可采用人工生態(tài)浮床和填料的垂直組合，在生態(tài)浮床下方架設(shè)人工填料，微生物在填料上形成微生物膜，可明顯地提高對污染物的去除效率；(5)應(yīng)考慮若水體中有毒有害的污染物質(zhì)含量高，若富集到植物體中，人類加以利用，對人類將產(chǎn)生潛在的威脅，必須進行無毒害處理。

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Application Progress of the Artificial Ecological Floating-bed in Aquatic Environment Recovery

HUANG Wen-dan

(FujianProvincialAcademyofEnvironmentalScience,FujianKeyLaboratoryofEnvironmentalEngineering,Fuzhou350013,China)

With the development of industrial and agricultural, the aquatic environment is seriously damaged by human activity, and the deterioration of the water quality of rivers and lakes has been one of the major environmental problems for human beings. The artificial ecological floating-bed has become a popular technology in restoring aquatic environment. It not only has effective purified ability, but also brings a certain ornamental and economic benefits. Currently, the study of the technology focuses on the selection of floating-bed materials, plants selection and combination of artificial ecological floating-bed, and so on. This paper reviewed the artificial ecological floating-bed technology in restoring aquatic environment, and discussed the development of this new technology in the future.

Artificial ecological floating-bed; water quality improvement; research progress; prospect

2014-11-26

黃文丹(1986-)，女，福建福州人， 2010年畢業(yè)于華東師范大學(xué)第四紀地質(zhì)專業(yè)，博士，主要從事環(huán)境科研、規(guī)劃和管理工作。

X703

A

1001-3644(2015)02-0145-04