浮床植物在水體環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用研究

羅鼎暉

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

生態(tài)浮床技術(shù)是指利用無(wú)土栽培原理，使用人工制造的浮力載體承載具有去污能力的植物，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的[1]。植物作為生態(tài)浮床凈水作用的決定性因素，其凈水機(jī)理主要包含以下3個(gè)方面：①植物根系對(duì)水體懸浮物的吸附作用以及對(duì)水體氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集吸收作用；②植物根系表面附著的生物膜以及形成的微生物小生境對(duì)水體污染物的降解作用；③植物對(duì)藻類的化感作用及克藻效應(yīng)。近年來(lái)，浮床植物栽培及凈水效果研究取得了一系列成果，對(duì)污染地表水體修復(fù)起到了積極作用。筆者總結(jié)了國(guó)內(nèi)浮床植物栽培歷程，歸納了其凈水效果影響因素，展望了“浮床植物+”技術(shù)體系發(fā)展前景。

2 生態(tài)浮床及浮床植物研究背景

應(yīng)用于水體治理的人工浮島(floating campus)最早由德國(guó)于1979年建造[2]，此后歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家以提供野生動(dòng)物棲息地、凈化水質(zhì)以及美化河湖濱岸帶景觀為目的，開(kāi)展植物生態(tài)浮床技術(shù)研究。

我國(guó)生態(tài)浮床研究最早始于20世紀(jì)80年代，李止正等[3]利用丙烯袋式和浮框式兩種浮體模式在太湖大水面種植39種高等陸生植物，所有植物均能成活和生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)學(xué)者進(jìn)行無(wú)土栽培植物研究提供了理論基礎(chǔ)和事實(shí)依據(jù)。步入21世紀(jì)以來(lái)，由于城市化過(guò)程不斷壓縮水體面積以及生產(chǎn)生活廢水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入，我國(guó)許多河流湖泊發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，特別在城市中或靠近城市的水體污染嚴(yán)重。生態(tài)浮床作為兼具經(jīng)濟(jì)性、美觀性和穩(wěn)定性的水體凈化技術(shù)手段，浮床植物又作為凈化水質(zhì)的主要作用部分，許多學(xué)者開(kāi)展了植物篩選和栽培工作，目前常應(yīng)用于水體凈化的浮床植物種類見(jiàn)表1。

表1 水體環(huán)境修復(fù)中常用浮床植物種類

3 浮床植物栽培歷程及篩選原則

為充分了解我國(guó)浮床植物栽培歷程，總結(jié)浮床植物篩選過(guò)程和原則，本文梳理了近20年國(guó)內(nèi)浮床植物栽培研究。如表2所示，從大范圍選種試驗(yàn)無(wú)土栽培植物成活率，到比較不同單一種類植物凈化效率，再到比較混合種植植物凈化效率，可提煉出篩選原則如下：①浮床植物需具備對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、生物量大的特征。②不同種類浮床植物凈化水體指標(biāo)效率有所差異，需根據(jù)治理水體原水指標(biāo)確定選用植物種類。③混合種植相較單一種植凈化效率更好，但需綜合考慮混合植物景觀配置效果和植物間生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。④在有特殊溫度和鹽度需求條件下，應(yīng)因地制宜配置浮床植物，如在冬季溫度低于5 ℃且對(duì)浮床植物有過(guò)冬要求，可考慮種植耐寒性植物，如西伯利亞鳶尾和黃菖蒲等；在鹽度較高水域，可考慮種植耐鹽性植物，如海馬齒等。

4 影響浮床植物凈水效果的因素

4.1 溫度

溫度是影響植物生長(zhǎng)的重要因素，浮床植物在不同溫度梯度下凈水效果存在差異。胡綿好[11]等在人工生長(zhǎng)室內(nèi)設(shè)置10 ℃、22 ℃和35 ℃三種梯度，試驗(yàn)水芹浮床和豆瓣菜浮床的凈水效率。結(jié)論表明：22 ℃處理下兩種浮床植物體內(nèi)TN和TP含量明顯高于10 ℃和35 ℃處理，且10 ℃和22 ℃處理下豆瓣菜浮床對(duì)TN的去除率明顯高于水芹浮床。羅固源[12]等在室外建立試驗(yàn)場(chǎng)，針對(duì)美人蕉浮床凈水效果進(jìn)行為期一年的試驗(yàn)，結(jié)論表明:美人蕉浮床運(yùn)行的最適溫度(水溫)為25～29 ℃。

表2 近20年浮床植物栽培歷程

4.2 種植密度

近年來(lái)，浮床植物種植密度對(duì)凈水效果的影響逐漸引起學(xué)者們的重視。張擇端[13]等在室內(nèi)設(shè)置1.56、3.13及4.69 g/L三種綠蘿浮床種植密度，結(jié)論表明：種植密度為3.13 g/L時(shí)，綠蘿浮床對(duì)水體總N、總TOC去除率較高，種植密度較高或較低均會(huì)抑制凈水效率。

4.3 種植方式

一般而言，混合種植浮床植物凈水效率較單一種植要高。呂家展[14]等選取鳶尾、風(fēng)車(chē)草、美人蕉、花葉蘆竹、水鬼蕉5種常見(jiàn)浮床植物，采取美人蕉+風(fēng)車(chē)草、美人蕉+水鬼蕉、鳶尾+水鬼蕉以及美人蕉+鳶尾4種混合種植方式，比較單種和混種凈水效果，結(jié)論表明：美人蕉+鳶尾組合對(duì)COD、TP去除效果最好，花葉蘆竹對(duì)TN去除效果最好，下一步可考慮美人蕉+鳶尾+花葉蘆竹混合種植。王志超[15]等選取水蔥、千屈菜和風(fēng)車(chē)草作為試驗(yàn)浮床植物，采取3種植物單種和水蔥+千屈菜+風(fēng)車(chē)草混種4種種植方式，比較凈水效果。結(jié)論表明混合種植方式中整株植物N、P累積量高于單種，混合浮床可在當(dāng)?shù)厮w環(huán)境修復(fù)進(jìn)行推廣。

4.4 水力負(fù)荷

水力負(fù)荷也是影響浮床植物凈水效果的因素之一。黃秋雨[16]等通過(guò)建立4種不同水力負(fù)荷條件(0.5 m/d、1 m/d、1.5 m/d和2 m/d)研究生態(tài)浮床凈水效果，結(jié)論表明，水力負(fù)荷0.5 m/d條件下下生態(tài)浮床凈水效果最好，2 m/d最差，1 m/d和1.5 m/d凈水效果相當(dāng)。

5 展望—“浮床植物+”技術(shù)體系集成

生態(tài)浮床雖然具備操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、形態(tài)美觀等優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在浮床植物生物量有限以及對(duì)河道氮、磷深度清理不足的缺點(diǎn)。尤其在一些重污染河道中，有研究表明水體中過(guò)高的H2S和NH3含量會(huì)毒害水生植物[17]。近年來(lái)，許多研究側(cè)重于構(gòu)建“浮床植物+”技術(shù)集成體系，相較于傳統(tǒng)浮床，凈水能力均有進(jìn)一步提高。

5.1 “生物+浮床植物”協(xié)同凈化系統(tǒng)

目前有研究表明構(gòu)建合理的“生物+浮床植物”體系有利于促進(jìn)浮床植物凈化效果。Li Xianning[18]等通過(guò)引入濾食性貝類和填料，建立“貝類+填料+空心菜”、“貝類+填料”和“填料+空心菜”三種模式，比較凈水效果。結(jié)論表明:“貝類+填料+空心菜”模式凈水效果較好。張麗艷[19]等通過(guò)掛膜將微生物菌類與填料相結(jié)合，再與千屈菜浮床結(jié)合形成強(qiáng)化生物浮床。結(jié)論表明，強(qiáng)化生物浮床對(duì)NO3--N和NH4+-N均具備良好的去除效果，去除率可達(dá)81.5%和67.2%。

5.2 “浮床植物+生態(tài)修復(fù)技術(shù)”集成體系

目前，針對(duì)重污染河道，單純依靠浮床植物種類篩選，不僅耗時(shí)，且一般不能達(dá)到理想的凈水效果。閆誠(chéng)[20]等選用黃菖蒲作為浮床植物，設(shè)置了曝氣+電解強(qiáng)化浮床、電解生態(tài)浮床和傳統(tǒng)生態(tài)浮床3個(gè)實(shí)驗(yàn)組，對(duì)比其凈水效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，在重污染水體中，曝氣+電解強(qiáng)化浮床對(duì)NH4+-N去除效率要優(yōu)于傳統(tǒng)生態(tài)浮床和電解生態(tài)浮床。高寒[21]等選用黃花鳶尾作為浮床植物，將黃花鳶尾根部和改良型火山石填料用活性炭網(wǎng)包裹，研究其凈水效果。結(jié)論表明，在重污染水體中，相較于黃花鳶尾浮床，組合型生態(tài)浮床中黃花鳶尾長(zhǎng)勢(shì)更好且凈水能力更優(yōu)。