生態浮床在改善農村澇池水質方面的作用

張銳

摘要：在我國北方干旱地區的農村，逐漸被人們廢棄的澇池水體黑臭情況日趨嚴重，極大地制約了新農村建設和農村生態文明體系的形成，澇池水質改善迫在眉睫。生態浮床作為一種綠色生態的水體治理技術，在治理湖泊、河道等方面已有顯著成效，因此本文簡單介紹生態浮床治理技術并將生態浮床水體治理原理應用于澇池水質改善。

關鍵字：生態浮床? 澇池? 黑臭水體? 生態恢復

1引言

澇池是一種人造池塘，主要分布于我國水資源缺乏的北方農村，是充分利用地表徑流而修筑的蓄水工程，以滿足當地居民在用水上的需求，多用來儲蓄雨水。然而隨著美麗鄉村與生態文明建設的發展，澇池疏于管理，功能弱化。為此，陜西省2016年啟動實施了農村澇池水生態修復工程，計劃“十三五”期間修（改）建澇池9070座。由于內源治理與外源阻截以及構建材料方面存在欠缺的原因，截止2018年6月，關中已經實施的1500多座澇池，78.2%出現不同程度的水體黑臭現象。水體黑臭的澇池不僅不能為當地居民提供日常使用水，而且已經成為制約美麗鄉村與生態文明建設的瓶頸，背離了生態文明建設和柔性治水的大背景。因此，對澇池水質的改善迫在眉睫。水體治理的方法一般包括物理法、化學法和生物法。傳統的物理法和化學法在費用上較高、易造成二次污染且往往治標不治本。因此，用生物法治理水體是當前水體治理的趨勢，生態浮床生物防治技術又是當前水體治理的熱點。生態浮床工藝因具有可操作性強、運行成本低、易維護、生態風險小、景觀效果好等優點，作為一種新型富營養化水體修復技術，已得到廣泛研究和應用。

2生態浮床研究及應用

生態浮床又稱人工浮床、生態浮島、人工生物浮床、無土栽培浮床等[1]。它是人工浮島的一種，針對富營養化的水質，利用生態工學原理，降解水中的COD、氮和磷的含量。其原理為以水生植物為主體、高分子材料等為載體和基質，運用無土栽培技術、應用物種間共生關系，建立高效的人工生態系統，使水體中的污染負荷大幅降低，從而使水體透明度大幅度提高，同時水質指標也得到有效的改善，特別是對藻類有很好的抑制效果。在農村水體污染治理、建設城市濕地等領域有廣泛的應用。

2.1生態浮床技術

2.1.1浮床的結構與分類

生態浮床一般由四個部分組成，即浮島框架、植物浮床、水下固定裝置以及水生植被。

傳統的有框浮床一般用PVC管等作為框架。植物浮床用椰子樹的纖維、魚網之類的材料和土壤混合在一起制成的比較多，由于裝入土壤會增加重量且促進水質惡化，目前使用得比較少，只有20%左右。水下固定形式要視地基狀況而定，常用的有重量式、錨固式等。另外，為了緩解因水位變動引起的浮島間的相互碰撞，一般在浮島本體和水下固定端之間設置一個小型的浮子的做法比較多[2]。

生態浮床根據水和植物是否接觸可以分為濕式與干式。濕式浮床可再分為有框和無框兩種，因此在構造上浮床主要分為干式浮床、有框濕式浮床、無框濕式浮床三類[3]。干式浮床對水質沒有凈化作用，一般用于景觀設置。濕式浮床中有框架的使用較多。生態浮床依據功能劃分為消浪形、水質凈化性和提供棲息地型三類，浮床的外觀形狀有正方形、三角形、長方形、圓形等多種。

2.1.2生態浮床治理水體效果

生態浮床主要是通過植物根系的吸收、吸附、及根系上的微生物的凈化作用來去除水體中的氮、磷以及大的顆粒物，使水體營養得到轉移，從而治理由于封閉或自循環不足帶來的水體腥臭、富營養化現象。

孫從軍等[4]在淀山湖進行的水體富營養化防治實驗的結果表明，浮床技術可有效削減富營養化水體中的COD、TN、氨氮和TP濃度，并提高水體透明度，為后續的生態修復工程奠定了良好的基礎。羅固源等[5]在長江次流臨江河回水區做的試驗表明，美人蕉、風車草對N、P、COD的去除率分別為51.3%、44.7%、26.7%、46.6%、40%和25%，去除效果理想。張擇瑞等[6]的試驗表明，酸模、麥冬和沿階草3種植物對TP、NH4+-N、TOC降解效果良好，酸模對TP、NH4+-N和TOC的去除率分別達到90%、93%和80%。

組合型生態浮床、人工填料等治理水體的效果更為明顯。馮晨等人[7]采用海藻酸鈉—氯化鈣包埋法制備固定化反硝化菌小球，將固定化反硝化小球加入生態浮床進行強化，固定化強化浮床系統的TN去除率比單獨浮床系統提高了17.25%。

2.2生態浮床的植物選擇及生物組合

2.2.1浮床植物的選擇

生態浮床對水體的凈化及景觀作用，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[8]。因此，浮床植物的選擇是浮床技術中最關鍵的環節。

植物去除污染物效果是浮床植物選擇時的主要依據。研究表明，氮、磷吸收的主要植物包括水葵、美人蕉、睡蓮、菖蒲等;TP吸收類有喜旱蓮子草、睡蓮、荇菜等;TN吸收類有水蕹菜、香菇草、浮萍等;COD吸收類有寬葉香蒲;NH3-N吸收類有美人蕉、水蕹菜;重金屬吸收類有寬葉香蒲、狐尾草等[9]。大多數浮床采用的植物為菖蒲、鳶尾、美人蕉等，它們對水體中的氮、磷和COD等有很好的去除率。此外，浮床所栽種的植物必須滿足以下3個條件：能夠適應當地的氣候環境，能夠耐受病蟲害和較少依賴人工維護[10]。隨著生態浮床技術應用的不斷深入和基礎研究的加強，篩選新型浮床植物組合或培育特異性植物，使得植物對低氧污水有較強適用性，同時能夠通過光合作用泌氧，提高水體的氧含量。

2.2.2組合型生態浮床

普通植物生態浮床受植物生長、生物元素單一等的影響，往往凈化水質效率低。組合型生態浮床是傳統生態浮床技術的改進，主要包括2種類型：即在植物和浮體的基礎上增加基質和在植物、填料和浮體的基礎上增加慮食性動物[11]。劉海洪等[12]的研究表明，組合型生態浮床比普通水生植物浮床對氨氮、總氮等的平均去除效率高。王國芳等[11]的研究表明，三角帆蚌慮食性動物通過慮食、消化作用使COD的去除率提高了21.8%，增加了硝化細菌和反硝化細菌后，TN的去除率提高了13.7%，且組合型生態浮床中人工介質富集的微生物是氮磷等污染物的凈化主體。

在傳統的人工浮島技術的基礎上，通過增加水流層級、曝氣、微生物等方式，形成了立體式生態浮床、微曝氣生態浮床、生物島柵等新型人工浮床，可進一步提升人工浮床對水體的凈化效果[13]。但組合式生態浮床也有缺點， 主要有以下兩個方面：（1）生物膜中硝化菌數量不占優，使脫氮效果受到限制。污水中氮的去除方式一方面是通過植物和基質的吸收，另一方面則是通過微生物的硝化、反硝化作用來完成。（2）受水體影響較大，反硝化細菌大都是異養菌種，其生命活動需要外來的碳源，如果水體中可以作為反硝化細菌的碳源物質有限， 這就會大大制約反硝化進程[14]。

2.3生態浮床應用

生態浮床對風的抵抗力較弱，因此目前主要應用于水流較緩慢的湖泊、池塘、城市內河及公園水體中[8]。生態浮床的首要應用是對水質的改善，其次，在改善水質的同時對水體景觀也具有美化的效果。趙豐等[15]用香菇草、睡蓮、西伯利亞鳶尾三種植物為主體，研究了浮床技術對城市污染水體中污染物的凈化作用，結果表明，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，可作為城市景觀污染水體治理的優良物種而推廣使用。此外，生態浮床還可作為魚類、鳥類、昆蟲類的生息場所，提高生物多樣性、促進生態恢復。

3生態浮床改善澇池水質

3.1澇池水體富營養化

3.1.1澇池水體富營養化的原因

水體富營養化跟生活污水排入，地表徑流，雨污水排入都有關系，種植用的化肥，農藥中都有氮磷等營養鹽，空氣污染，這些雨水等都會給水體帶來營養物質，久而久之，水體中的營養物質富集，就會造成水體富營養化，當然影響最大的是生活污水。農村生活垃圾處理、生活污水排放方式仍不完善，垃圾亂堆、污水亂排在農村隨處可見。一堆散發著惡臭的垃圾長年累月堆積在路邊、溪水邊、田邊、池塘邊，廢棄的澇池進水口被農村生活垃圾、建筑垃圾所填埋，堵塞和污染澇池上方來水面，在雨水的沖刷下大量的濾滲液排入水體。同時，由于生活污水的傾倒以及水中動植物和微生物的繁殖、死亡和腐敗等一系列生化活動使水體散發惡臭。

設置在農田附近的澇池由于農業生產中過度施用化肥、農藥、大量未被作物吸收的殘留物隨降雨徑流進入，導致水體呈富營養狀態，在溫度、光照等條件適宜的情況下，引起藻類大量繁殖，從而導致水體的溶解氧含量降低，使水質迅速變差，并出現惡臭，甚至會產生毒性較強的微囊藻毒素，與地下水發生交換，間接威脅著群眾的飲水安全，尤其是在汛期暴雨洪水裹挾大量泥沙進入澇池，造成澇池水體無機鹽和有機質含量迅速升高。

此外，由于淤泥腐殖質沉積深厚，造成有機腐敗耗氧量增加，發生水質惡化。

3.1.2澇池黑臭水體包含的元素

過度的污染物在水體中發生反應消耗了水體中的氧氣且生成氨氮等物質。致使澇池水體發生黑臭的主要元素為有機物、氨氮、總磷、總氮、類大腸桿菌等。

3.2生態浮床應用于澇池水體治理

3.2.1澇池生態浮床的植物選擇

美人蕉生長迅速、生物量大、去污能力強，同時具有良好的景觀效果，在治理池塘、河道污染時已被廣泛使用。但是它不耐寒，5℃以下即被凍死，在我國北方地區難以越冬，第二年需重新種植。鳶尾雖生物量及再生能力不如美人蕉卻是一種耐寒植物。叢海兵等[16]的研究表明，黃菖蒲（黃鳶尾）水質凈化期長，水質改善效果好，耐寒能力強，能在水上自然越冬，管理工作量小，是優質的生態浮床植物。

農村水質的特點是高氮，高COD污染，這主要是由于農業生產生活引起的[17]。黃勇強等[18]的研究表明，處理COD和TN方面空心菜比美人蕉具有優勢。將空心菜與美人蕉混合種植去除污染物效果更加。

我國北方干旱地區農村擁有澇池數量眾多，若在改善澇池水質的同時使澇池的景觀功能得到強化，則將加快北方地區新農村建設及農村生態文明建設。因此在選擇浮床植物時，可對植物進行合理配置，同時考慮綜合景觀效果強的植物。周偉華等[19]的研究結果顯示，在4種不同植物的浮床系統景觀功能的綜合評價方面：再力花>美人蕉>千屈菜>黃菖蒲。

3.2.2澇池生態浮床類型的選擇

由于干式浮床不具有水體治理作用且無框濕式浮床在強度及使用時間上比有框式較差，因此選用有框濕式浮床為宜。同時，組合型生態浮床在治理效果上強于傳統單一式浮床，因此在浮床中加入人工基質效果更佳。虞中杰等[20]在人工浮床中分別加入3種填料，發現凈化水質最好的是球形填料與框架結構的組合。孫博等[21]研究發現，當填料的投配率為30%時其性價比最高。

3.2.3注意事項

首先，注意覆蓋率對浮床去污的效果影響。覆蓋率過高，不利于溶解氧的恢復，而覆蓋率過低則去除效果不明顯。研究表明，浮床的凈化效果與浮床覆蓋率呈正相關關系，20%的覆蓋組對各營養因子的去除率最高，使用價值最大[22]。

其次，注意溫度對去污效率的影響。羅固源等[23]的研究表明，浮床系統的最佳運行水溫為25～29℃，此時浮床植物的平均株高為209.9cm，浮床對TN和TP的去除率分別為38.7%～44.1%和38.6%～43.6%。

最后，注意植物的季節性特征。肖程洲等[17]的研究表明，香蒲，金魚藻，蘆葦，蓮藕這四種植物搭配在7-9月份對澇池水體中氨氮的去除效率分別達到：90.79%，89.83%，93.26%，89.40%，但是植物在秋冬季節枯萎，必須進行收割處理以防止植物腐敗帶來二次污染。

4結語

生態浮床作為一種綠色生態、易于實現的新型水體治理技術，具有價格低廉、養護簡單、不會造成二次污染等特點，對水體中氮、磷、氨氮、有機物等物質有明顯的去除作用，已是當前湖泊、池塘、河道等水體治理的重要技術措施。

澇池作為一種人工濕地是西北農村生態環境的重要組成部分，承載著許多人的成長記憶和人文情懷。雖然當下澇池的使用率非常低，但是其作為我國西北地區農村的特殊景觀仍有獨特的價值。修復整治澇池是實現關中水系聯通最基礎、最有效的舉措，是黃土高原地區固溝保塬和關中地區水源保護、水路治理治本之策，是加強農村雨水資源綜合利用的基本途徑[24]。運用生態浮床治理我國農村澇池的黑臭水體，不僅使澇池水體治理變得方便、高效，而且對農村澇池景觀起到改善作用。因此，廣泛應用生態浮床治理農村澇池已是一種趨勢。

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