浮床植物在水體環境修復中的應用研究

羅鼎暉

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

生態浮床技術是指利用無土栽培原理，使用人工制造的浮力載體承載具有去污能力的植物，以達到凈化水質的目的[1]。植物作為生態浮床凈水作用的決定性因素，其凈水機理主要包含以下3個方面：①植物根系對水體懸浮物的吸附作用以及對水體氮、磷等營養物質的富集吸收作用；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水體污染物的降解作用；③植物對藻類的化感作用及克藻效應。近年來，浮床植物栽培及凈水效果研究取得了一系列成果，對污染地表水體修復起到了積極作用。筆者總結了國內浮床植物栽培歷程，歸納了其凈水效果影響因素，展望了“浮床植物+”技術體系發展前景。

2 生態浮床及浮床植物研究背景

應用于水體治理的人工浮島(floating campus)最早由德國于1979年建造[2]，此后歐美、日本等發達國家以提供野生動物棲息地、凈化水質以及美化河湖濱岸帶景觀為目的，開展植物生態浮床技術研究。

我國生態浮床研究最早始于20世紀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，實驗結果為后續學者進行無土栽培植物研究提供了理論基礎和事實依據。步入21世紀以來，由于城市化過程不斷壓縮水體面積以及生產生活廢水中氮磷等營養物質的輸入，我國許多河流湖泊發生富營養化現象，特別在城市中或靠近城市的水體污染嚴重。生態浮床作為兼具經濟性、美觀性和穩定性的水體凈化技術手段，浮床植物又作為凈化水質的主要作用部分，許多學者開展了植物篩選和栽培工作，目前常應用于水體凈化的浮床植物種類見表1。

表1 水體環境修復中常用浮床植物種類

3 浮床植物栽培歷程及篩選原則

為充分了解我國浮床植物栽培歷程，總結浮床植物篩選過程和原則，本文梳理了近20年國內浮床植物栽培研究。如表2所示，從大范圍選種試驗無土栽培植物成活率，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浮床植物需具備對環境適應性強、生物量大的特征。②不同種類浮床植物凈化水體指標效率有所差異，需根據治理水體原水指標確定選用植物種類。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位競爭現象。④在有特殊溫度和鹽度需求條件下，應因地制宜配置浮床植物，如在冬季溫度低于5 ℃且對浮床植物有過冬要求，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]等在人工生長室內設置10 ℃、22 ℃和35 ℃三種梯度，試驗水芹浮床和豆瓣菜浮床的凈水效率。結論表明：22 ℃處理下兩種浮床植物體內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]等在室外建立試驗場，針對美人蕉浮床凈水效果進行為期一年的試驗，結論表明:美人蕉浮床運行的最適溫度(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，浮床植物種植密度對凈水效果的影響逐漸引起學者們的重視。張擇端[13]等在室內設置1.56、3.13及4.69 g/L三種綠蘿浮床種植密度，結論表明：種植密度為3.13 g/L時，綠蘿浮床對水體總N、總TOC去除率較高，種植密度較高或較低均會抑制凈水效率。

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、風車草、美人蕉、花葉蘆竹、水鬼蕉5種常見浮床植物，采取美人蕉+風車草、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，結論表明：美人蕉+鳶尾組合對COD、TP去除效果最好，花葉蘆竹對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、千屈菜和風車草作為試驗浮床植物，采取3種植物單種和水蔥+千屈菜+風車草混種4種種植方式，比較凈水效果。結論表明混合種植方式中整株植物N、P累積量高于單種，混合浮床可在當地水體環境修復進行推廣。

4.4 水力負荷

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

5 展望—“浮床植物+”技術體系集成

生態浮床雖然具備操作簡單、費用低、形態美觀等優點，但仍然存在浮床植物生物量有限以及對河道氮、磷深度清理不足的缺點。尤其在一些重污染河道中，有研究表明水體中過高的H2S和NH3含量會毒害水生植物[17]。近年來，許多研究側重于構建“浮床植物+”技術集成體系，相較于傳統浮床，凈水能力均有進一步提高。

5.1 “生物+浮床植物”協同凈化系統

目前有研究表明構建合理的“生物+浮床植物”體系有利于促進浮床植物凈化效果。Li Xianning[18]等通過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]等通過掛膜將微生物菌類與填料相結合，再與千屈菜浮床結合形成強化生物浮床。結論表明，強化生物浮床對NO3--N和NH4+-N均具備良好的去除效果，去除率可達81.5%和67.2%。

5.2 “浮床植物+生態修復技術”集成體系

目前，針對重污染河道，單純依靠浮床植物種類篩選，不僅耗時，且一般不能達到理想的凈水效果。閆誠[20]等選用黃菖蒲作為浮床植物，設置了曝氣+電解強化浮床、電解生態浮床和傳統生態浮床3個實驗組，對比其凈水效果。實驗結論表明，在重污染水體中，曝氣+電解強化浮床對NH4+-N去除效率要優于傳統生態浮床和電解生態浮床。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包裹，研究其凈水效果。結論表明，在重污染水體中，相較于黃花鳶尾浮床，組合型生態浮床中黃花鳶尾長勢更好且凈水能力更優。