生態(tài)浮床技術(shù)在居住區(qū)景觀水體修復(fù)中的研究與應(yīng)用進展

張悅玲

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

1 居住區(qū)景觀水體與生態(tài)浮床技術(shù)概述

1.1 居住區(qū)景觀水體

居住區(qū)景觀水體是指人們居住的地方周圍與水相關(guān)的自然或人工水體及其景觀。自古以來，我國的文明和城市興起都與水息息相關(guān)，人們潛移默化地選擇了臨水而居。我國在居住區(qū)水環(huán)境方面的探索已有3000多年的歷史[1]，居住區(qū)水環(huán)境的存在不僅可以為人們提供了生活娛樂所需的水源，更為居民帶來了美麗、寧靜和與自然親近的居住體驗。

按照規(guī)模大小劃分，居住區(qū)水環(huán)境可大致分為大型天然水體、中型景觀水體和小型景觀水體三類[2]。現(xiàn)代居住區(qū)對景觀水體的設(shè)計和規(guī)劃越發(fā)注重與現(xiàn)代藝術(shù)的融合。然而，中型景觀水體和小型景觀水體往往流量小，自凈能力弱，環(huán)境容量小，生態(tài)系統(tǒng)相對簡單。同時，由于地表徑流、雨水和污水的涌入、魚類排泄物以及水生植物腐敗等所帶來的影響，景觀水體更容易富營養(yǎng)化并誘發(fā)水華和黑臭問題，大大降低了水體的觀賞效果和環(huán)境價值。目前，修復(fù)受污染景觀水體的技術(shù)主要包括機械曝氣、泥沙疏浚、接觸過濾等物理法；絮凝沉降、氧化消毒等化學(xué)法[3]；以及人工濕地，微生物強化等生物方法。單一的物理或化學(xué)方法雖然可以在短時間內(nèi)改善富營養(yǎng)化景觀水體的水質(zhì)，但往往伴隨著投資大、持續(xù)時間短、二次污染和環(huán)境安全潛在威脅等缺陷，而傳統(tǒng)生物技術(shù)存在效率低、占地面積大、微生物適應(yīng)周期長等問題。因此，有效開發(fā)景觀水體的修復(fù)技術(shù)對提高居住區(qū)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

1.2 生態(tài)浮床技術(shù)

生態(tài)浮床技術(shù)是一種新型的水體修復(fù)技術(shù)，它在傳統(tǒng)人工濕地的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。這項技術(shù)在景觀水修復(fù)工程中越來越受歡迎和廣泛應(yīng)用，原因是它具有投資少、效率高、不占用額外土地、適應(yīng)水深范圍廣、操作靈活、維護簡單和綠色經(jīng)濟等優(yōu)點。研究表明，生態(tài)浮床技術(shù)對水中的氮磷污染物具有較高的去除效率，并且能夠有效抑制藻類生長。此外，它還可以有效地預(yù)防水體富營養(yǎng)化，并為水生動物和鳥類提供棲息地。

生態(tài)浮床技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀初，最初是被土耳其沿海居民用于種植水生經(jīng)濟作物，通過在生態(tài)浮床載體上種植水生植物，實現(xiàn)了無土栽培，無需施肥和額外的土地占用，這在當?shù)氐玫搅藦V泛推廣。隨后，人們發(fā)現(xiàn)生態(tài)浮床上的植物可以吸收水中的養(yǎng)分用于自身的生長和繁殖，并且附著在植物根部的生物膜通過微生物的作用可增強水中污染物的降解，從而生態(tài)浮床逐漸發(fā)展成為一種凈水技術(shù)[4]。德國于1979年正式建立了第一個生態(tài)浮床技術(shù)系統(tǒng)，并將其用于水凈化。此后，一些發(fā)達國家如英國、美國、日本和加拿大相繼采用生態(tài)浮床技術(shù)來處理污染的河流、湖泊和水庫等景觀水域并取得了良好的凈化效果，我國一直重視生態(tài)環(huán)境保護，近年來在使用生態(tài)浮床技術(shù)來修復(fù)景觀水體方面取得了良好的進展。

2 生態(tài)浮床組件元素

2.1 浮體框架

浮體框架提供生態(tài)浮床所需浮力，使植物能在水面上生長，適應(yīng)不同水深，彌補人工濕地對水位變化適應(yīng)性差。早期生態(tài)浮床的載體框架由竹子、樹枝、稻草等天然材料構(gòu)成，后來引入聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯等新型載體。這些新材料具有穩(wěn)定性高、耐久性好、抗沖擊載荷強、不溶解等優(yōu)點。針對居住區(qū)景觀水體而言，在選擇生態(tài)浮床載體框架時，應(yīng)充分考慮浮體框架的大小是否與景觀水體匹配，還應(yīng)綜合考慮易獲得、價格低、疏水性好、穩(wěn)定性高、無二次污染、易生物膜富集等因素。

2.2 植物種類

植物在生態(tài)浮床中起著重要作用：吸收水中污染物、提供微生物附著位點、美化環(huán)境、提供棲息地。適合生態(tài)浮床的植物大致可分為三類：挺水植物，漂浮植物和沉水植物，其中，美人蕉、菖蒲等挺水植物的養(yǎng)分吸收能力強；水葫蘆、浮萍等漂浮植物適應(yīng)性強，生長迅速；角苔、水苔等沉水植物抗污能力強。植物生長狀況對養(yǎng)分含量和污染物去除能力產(chǎn)生影響，一般來說，植物生長得越好，每株植物可以獲得的養(yǎng)分含量就越高，并且在水中對污染物的吸收和去除能力越強。居住區(qū)景觀水體的主要污染物是C、N和P，這些污染物正可以作為植物生長的營養(yǎng)元素，因此應(yīng)優(yōu)先選擇適應(yīng)當?shù)丨h(huán)境、抗逆性強、耐低溫、根系發(fā)達、景觀效果好、經(jīng)濟價值高的植物物種建立生態(tài)浮床[5]。

2.3 床體基質(zhì)

最初，生態(tài)浮床中床體基質(zhì)的功能是固定植物并促進生物膜附著。常見的床體基質(zhì)材料包括稻草、塑料、海綿和無土，不同床體基質(zhì)固定植物的方法也不同。隨著研究的進展，新材料如椰殼、火山礫石、陶粒和聚丙烯纖維等也被應(yīng)用于生態(tài)浮床。這些新材料具有更優(yōu)秀的吸附、絮凝和沉淀污染物等功能，進一步增強了生態(tài)浮床的水質(zhì)改善作用。在選擇生態(tài)浮床介質(zhì)時，應(yīng)考慮成本低、彈性好、易獲得、吸水性強、易固定和不易腐爛等因素。同時，使用微孔膜隔離可以避免培養(yǎng)基和植物根系直接接觸，減少對根系的損害、收獲的難度，并提高資源利用率。

3 居住區(qū)景觀水體生態(tài)浮床修復(fù)機制

3.1 水體自凈

除了生態(tài)浮床水處理系統(tǒng)對水質(zhì)的改善作用外，水體的自凈過程也在去除污染物方面發(fā)揮重要作用。一般來說，浮游植物、浮游動物和水生動物共同在水系中形成水生生態(tài)系統(tǒng)。浮游植物通過吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)來生長，并通過光合作用降低污染物濃度。浮游動物和水生動物捕食浮游植物，加速養(yǎng)分的同化和利用。此外，顆粒污染物的沉降也有助于污染物去除。水體自凈對氮的去除率通常高于對磷的去除率，這與水體中氮濃度較高且浮游植物對氮需求較大有關(guān)。水體的自凈性受光照、溫度、溶解氧和污染物濃度等環(huán)境條件影響。與大型天然水體相比，盡管水自凈對中型和小型景觀水體中污染物去除的貢獻相對較小，但由于中型和小型景觀水體的面積相對較小，深度較淺，水生生態(tài)系統(tǒng)相對簡單且更脆弱，其作用仍然重要。

3.2 植物吸收

生態(tài)浮床的構(gòu)造特性促使植物根系分散生長形成濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，吸附和過濾水體中的非溶解態(tài)顆粒物，提高水體透明度，同時減緩水流速度促使顆粒物沉降，同時達到除磷的效果。溶解性污染物通過主動運輸、擴散和對流擴散進入植物根系表面。植物在生態(tài)浮床系統(tǒng)中使用養(yǎng)分構(gòu)建自身組織，并通過代謝轉(zhuǎn)化降低水中污染物濃度，具體表現(xiàn)為植物根系吸收氮、磷等營養(yǎng)鹽，并通過生長收割將污染物徹底移除。浮床植物還能吸收重金屬和有機物，但富集能力因植物種類和重金屬種類而異。不同植物物種的生長條件和形態(tài)差異導(dǎo)致其對污染物去除的貢獻差異較大，植物吸收對氮、磷去除的平均貢獻約為24.9 ～62.6%和31.4 ～67.1%，因此，在修復(fù)富營養(yǎng)化景觀水體方面可以發(fā)揮重要作用[6]。

3.3 微生物轉(zhuǎn)化和沉降

生態(tài)浮床中發(fā)達的植物根系不僅增強了植物對水中污染物的吸收能力，還為微生物提供了附著位點，從而在根系表面形成生物膜。生物膜中的細菌和原生動物通過同化和轉(zhuǎn)化利用小分子養(yǎng)分，并分泌酶加速大分子污染物的降解。水生植物根系釋放氧氣，使得生物膜不斷生長為包含細菌、真菌、藻類、原生動物和后生動物的微生物共生體。生物膜形成的好氧-厭氧區(qū)，有利于硝化、反硝化、厭氧磷釋放和好氧磷吸收。此外，浮床系統(tǒng)的植物根系、載體和介質(zhì)能攔截和吸附水中的顆粒污染物，避免水力擾動影響內(nèi)源性釋放，通過沉降作用去除污染物。然而，不同浮床系統(tǒng)中的根系、水流量和水質(zhì)差異導(dǎo)致沉降對污染物去除的貢獻有所不同。微生物轉(zhuǎn)化和沉降在植物根區(qū)發(fā)揮作用，對氮素和磷的去除貢獻率在7.9 ～75.6%和11.9 ～69.1%之間。因此，微生物轉(zhuǎn)化和沉降是生態(tài)浮床在水凈化中的主要機制，為提升生態(tài)浮床的凈化能力提供了主要方向。

4 居住區(qū)景觀水體修復(fù)中生態(tài)浮床設(shè)計參數(shù)

4.1 浮床覆蓋率

生態(tài)浮床在水體表面的覆蓋率是生態(tài)浮床設(shè)計中的主要控制參數(shù)之一，在一定范圍內(nèi)隨著浮床覆蓋率的增加，污染物的去除率會提高。同時，生態(tài)浮床的設(shè)置一定程度上降低了水面的光照強度，可抑制浮游植物的生長。然而，過度覆蓋會削弱大氣對水體溶解氧的補充而阻斷水體的復(fù)氧作用，并破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，同時還會增加建設(shè)成本。有研究表明，隨著浮床覆蓋率的增加，水中氮的去除效率有所提高，但溶解氧濃度有所下降[7]。在實際應(yīng)用中，當浮床占據(jù)景觀水體水域面積的 50%以上時，其凈化性能就會因水體缺氧而下降。不僅如此，過大的浮床覆蓋率也會影響景觀水體的美觀，降低其觀賞價值。

4.2 植物密度

植物密度是通過每單位面積在床體基質(zhì)上種植的植物數(shù)量來衡量的。較高的植物密度通常意味著更大的植物吸收潛力和對污染物的去除效率。然而，由于空間限制，過多的植物密度會影響植物的正常生長.不同植物物種的植株密度范圍也有所不同，其中，蕹菜的植株密度最低(8株/m2)，水稻植株密度最高(1071株/m2)，而常見的水生植物美人蕉和菖蒲的植株密度分別約為150和20株/m2[8]。一般來說，植物密度與植物物種的個體大小呈負相關(guān)。在不影響植物正常生長的情況下，應(yīng)盡可能增加植物密度。

4.3 設(shè)計水深

生態(tài)浮床作為一種浮水處理技術(shù)，對設(shè)計水深具有很強的適應(yīng)性。在實際應(yīng)用中，適當?shù)脑O(shè)計水深對于保持生態(tài)浮床的良好處理性能至關(guān)重要。水位過高會導(dǎo)致水分層，限制了生態(tài)浮床的凈化能力，不利于施工和錨固；而過低的水位不利于生態(tài)浮床的穩(wěn)定性和植物生長。不同植物種的根長差異較大，莎草科植物通常植株體型高大，其根長可達到90cm；而葦狀羊茅一類體型較小的植物根長只有18cm左右。根系除了對植株成長有很大影響外，對水質(zhì)的凈化也有很大的貢獻，因此，水體的設(shè)計水深應(yīng)大于生態(tài)浮床所種植植物的最大根長。因此，在設(shè)計生態(tài)浮床水深時應(yīng)考慮場地條件、植物生長特性和凈化效果等因素。綜合多項類似研究發(fā)現(xiàn)，推薦生態(tài)浮床的設(shè)計水深為60 ～110 cm[9]。

4.4 水動力條件

地表水體的水動力條件主要包括水流情況、風(fēng)浪大小等。一般而言，水流過急或風(fēng)浪過大不 僅會對床體及植物產(chǎn)生破壞，還會縮短浮床凈化污 水的水力停留時間，進而導(dǎo)致凈化效果的下降。有研究表明，生態(tài)浮床的布局位置也影響其凈化能力，設(shè)置生態(tài)浮床會降低流速，提高水位，而較低的水流速有利于生態(tài)浮床凈化效率的提高[10]。還有研究表明，流經(jīng)生態(tài)浮床植物根系的水流越大，污染物去除率越高，平行排列的生態(tài)浮床凈化效果優(yōu)于串聯(lián)分布。因此，生態(tài)浮床的設(shè)計應(yīng)盡可能靠近景觀水體的濱水區(qū)，以減少對其對水文特征的影響。

5 結(jié)論與展望

本文基于生態(tài)組成要素和設(shè)計參數(shù)，系統(tǒng)回顧和探討了利用生態(tài)浮床技修復(fù)居住區(qū)景觀水體的可行性。同時，深入分析了生態(tài)浮床技術(shù)的修復(fù)機制以及作用方式，為提高污染物去除效率提供了一定的參考。最后，針對生態(tài)浮床技術(shù)修復(fù)居住區(qū)景觀水體方面的研究和應(yīng)用問題，提出了需要考慮的設(shè)計參數(shù)。主要結(jié)論如下：1)浮體框架應(yīng)選擇易于獲取，價格低，疏水性好，穩(wěn)定性高的材料。植物應(yīng)選擇當?shù)乜鼓嫘詮姟⒛秃院?、根系發(fā)達、景觀效果高、經(jīng)濟價值高的植物品種。床體基質(zhì)應(yīng)選擇彈性好、吸水性強、易固定、不易腐爛的材料；2)生態(tài)浮床的設(shè)計水深建議為60 ～110cm，植物種植密度與植物大小成反比。浮床覆蓋率應(yīng)與水體的富營養(yǎng)化程度以及水域面積綜合考量，過高或過低均會降低生態(tài)浮床的處理效率；3)生態(tài)浮床對居住區(qū)景觀水體水質(zhì)的處理機制包括水自凈，植物吸收，微生物同化和沉降。其中，微生物轉(zhuǎn)化和沉降對污染物去除的貢獻最大；4)未來生態(tài)浮床在修復(fù)居住區(qū)景觀水體水質(zhì)的研究應(yīng)側(cè)重于提高其凈化效率和季節(jié)適應(yīng)性，通過研制綠色環(huán)保的載體材料、選育高適應(yīng)性水生植物以及篩選高效的特定微生物提升生態(tài)浮床的技術(shù)性能。

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