浮床植物在水体环境修复中的应用研究

罗鼎晖

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

生态浮床技术是指利用无土栽培原理，使用人工制造的浮力载体承载具有去污能力的植物，以达到净化水质的目的[1]。植物作为生态浮床净水作用的决定性因素，其净水机理主要包含以下3个方面：①植物根系对水体悬浮物的吸附作用以及对水体氮、磷等营养物质的富集吸收作用；②植物根系表面附着的生物膜以及形成的微生物小生境对水体污染物的降解作用；③植物对藻类的化感作用及克藻效应。近年来，浮床植物栽培及净水效果研究取得了一系列成果，对污染地表水体修复起到了积极作用。笔者总结了国内浮床植物栽培历程，归纳了其净水效果影响因素，展望了“浮床植物+”技术体系发展前景。

2 生态浮床及浮床植物研究背景

应用于水体治理的人工浮岛(floating campus)最早由德国于1979年建造[2]，此后欧美、日本等发达国家以提供野生动物栖息地、净化水质以及美化河湖滨岸带景观为目的，开展植物生态浮床技术研究。

我国生态浮床研究最早始于20世纪80年代，李止正等[3]利用丙烯袋式和浮框式两种浮体模式在太湖大水面种植39种高等陆生植物，所有植物均能成活和生长，实验结果为后续学者进行无土栽培植物研究提供了理论基础和事实依据。步入21世纪以来，由于城市化过程不断压缩水体面积以及生产生活废水中氮磷等营养物质的输入，我国许多河流湖泊发生富营养化现象，特别在城市中或靠近城市的水体污染严重。生态浮床作为兼具经济性、美观性和稳定性的水体净化技术手段，浮床植物又作为净化水质的主要作用部分，许多学者开展了植物筛选和栽培工作，目前常应用于水体净化的浮床植物种类见表1。

表1 水体环境修复中常用浮床植物种类

3 浮床植物栽培历程及筛选原则

为充分了解我国浮床植物栽培历程，总结浮床植物筛选过程和原则，本文梳理了近20年国内浮床植物栽培研究。如表2所示，从大范围选种试验无土栽培植物成活率，到比较不同单一种类植物净化效率，再到比较混合种植植物净化效率，可提炼出筛选原则如下：①浮床植物需具备对环境适应性强、生物量大的特征。②不同种类浮床植物净化水体指标效率有所差异，需根据治理水体原水指标确定选用植物种类。③混合种植相较单一种植净化效率更好，但需综合考虑混合植物景观配置效果和植物间生态位竞争现象。④在有特殊温度和盐度需求条件下，应因地制宜配置浮床植物，如在冬季温度低于5 ℃且对浮床植物有过冬要求，可考虑种植耐寒性植物，如西伯利亚鸢尾和黄菖蒲等；在盐度较高水域，可考虑种植耐盐性植物，如海马齿等。

4 影响浮床植物净水效果的因素

4.1 温度

温度是影响植物生长的重要因素，浮床植物在不同温度梯度下净水效果存在差异。胡绵好[11]等在人工生长室内设置10 ℃、22 ℃和35 ℃三种梯度，试验水芹浮床和豆瓣菜浮床的净水效率。结论表明：22 ℃处理下两种浮床植物体内TN和TP含量明显高于10 ℃和35 ℃处理，且10 ℃和22 ℃处理下豆瓣菜浮床对TN的去除率明显高于水芹浮床。罗固源[12]等在室外建立试验场，针对美人蕉浮床净水效果进行为期一年的试验，结论表明:美人蕉浮床运行的最适温度(水温)为25～29 ℃。

表2 近20年浮床植物栽培历程

4.2 种植密度

近年来，浮床植物种植密度对净水效果的影响逐渐引起学者们的重视。张择端[13]等在室内设置1.56、3.13及4.69 g/L三种绿萝浮床种植密度，结论表明：种植密度为3.13 g/L时，绿萝浮床对水体总N、总TOC去除率较高，种植密度较高或较低均会抑制净水效率。

4.3 种植方式

一般而言，混合种植浮床植物净水效率较单一种植要高。吕家展[14]等选取鸢尾、风车草、美人蕉、花叶芦竹、水鬼蕉5种常见浮床植物，采取美人蕉+风车草、美人蕉+水鬼蕉、鸢尾+水鬼蕉以及美人蕉+鸢尾4种混合种植方式，比较单种和混种净水效果，结论表明：美人蕉+鸢尾组合对COD、TP去除效果最好，花叶芦竹对TN去除效果最好，下一步可考虑美人蕉+鸢尾+花叶芦竹混合种植。王志超[15]等选取水葱、千屈菜和风车草作为试验浮床植物，采取3种植物单种和水葱+千屈菜+风车草混种4种种植方式，比较净水效果。结论表明混合种植方式中整株植物N、P累积量高于单种，混合浮床可在当地水体环境修复进行推广。

4.4 水力负荷

水力负荷也是影响浮床植物净水效果的因素之一。黄秋雨[16]等通过建立4种不同水力负荷条件(0.5 m/d、1 m/d、1.5 m/d和2 m/d)研究生态浮床净水效果，结论表明，水力负荷0.5 m/d条件下下生态浮床净水效果最好，2 m/d最差，1 m/d和1.5 m/d净水效果相当。

5 展望—“浮床植物+”技术体系集成

生态浮床虽然具备操作简单、费用低、形态美观等优点，但仍然存在浮床植物生物量有限以及对河道氮、磷深度清理不足的缺点。尤其在一些重污染河道中，有研究表明水体中过高的H2S和NH3含量会毒害水生植物[17]。近年来，许多研究侧重于构建“浮床植物+”技术集成体系，相较于传统浮床，净水能力均有进一步提高。

5.1 “生物+浮床植物”协同净化系统

目前有研究表明构建合理的“生物+浮床植物”体系有利于促进浮床植物净化效果。Li Xianning[18]等通过引入滤食性贝类和填料，建立“贝类+填料+空心菜”、“贝类+填料”和“填料+空心菜”三种模式，比较净水效果。结论表明:“贝类+填料+空心菜”模式净水效果较好。张丽艳[19]等通过挂膜将微生物菌类与填料相结合，再与千屈菜浮床结合形成强化生物浮床。结论表明，强化生物浮床对NO3--N和NH4+-N均具备良好的去除效果，去除率可达81.5%和67.2%。

5.2 “浮床植物+生态修复技术”集成体系

目前，针对重污染河道，单纯依靠浮床植物种类筛选，不仅耗时，且一般不能达到理想的净水效果。闫诚[20]等选用黄菖蒲作为浮床植物，设置了曝气+电解强化浮床、电解生态浮床和传统生态浮床3个实验组，对比其净水效果。实验结论表明，在重污染水体中，曝气+电解强化浮床对NH4+-N去除效率要优于传统生态浮床和电解生态浮床。高寒[21]等选用黄花鸢尾作为浮床植物，将黄花鸢尾根部和改良型火山石填料用活性炭网包裹，研究其净水效果。结论表明，在重污染水体中，相较于黄花鸢尾浮床，组合型生态浮床中黄花鸢尾长势更好且净水能力更优。