不同生態(tài)浮床對景觀水質(zhì)的凈化效果

劉勇

摘要：【目的】明確不同生態(tài)浮床改善亞熱帶地區(qū)景觀水質(zhì)的效果，為我國南方地區(qū)應(yīng)用生態(tài)浮床技術(shù)修復(fù)生態(tài)水環(huán)境提供參考依據(jù)。【方法】對比分析不同生態(tài)浮床對景觀水體化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）去除能力及浮床植物生長狀況的影響?！窘Y(jié)果】美人蕉、鳶尾、花葉蘆竹均能適應(yīng)較高有機(jī)物及氮、磷濃度的水體，具有良好的適應(yīng)性，對水體COD、TP、TN及NH4+-N也表現(xiàn)出良好的去除能力，但以美人蕉的凈化效果最佳。美人蕉+組合填料生態(tài)浮床、美人蕉生態(tài)浮床、組合填料浮床對水體COD、TP、TN及NH4+-N的去除能力分別為33.75～48.98、0.23～0.93、3.71～10.26和4.12～8.44 mg/m2，3種不同生態(tài)浮床對水體COD、TP、TN和NH4+-N的去除能力存在極顯著差異（P<0.01），去除能力排序為美人蕉+組合填料生態(tài)浮床>美人蕉生態(tài)浮床>組合填料浮床?！窘Y(jié)論】美人蕉+組合填料生態(tài)浮床對水體COD、TP、TN及NH4+-N的去除效果最佳，較單一使用美人蕉生態(tài)浮床和組合填料浮床的凈化效果更具優(yōu)勢，可作為我國南方地區(qū)修復(fù)生態(tài)水環(huán)境的首選生態(tài)浮床。

關(guān)鍵詞： 生態(tài)浮床；美人蕉；組合填料；景觀水質(zhì)；凈化效果

中圖分類號： S682.32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）06-0916-05

0 引言

【研究意義】生態(tài)浮床是利用生物吸收、吸附消化及降解水中有機(jī)污染物的生態(tài)習(xí)性，而起到凈化水質(zhì)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、美化景觀等修復(fù)作用，具有良好生態(tài)效益的水體修復(fù)技術(shù)，已受到廣泛關(guān)注和大面積推廣應(yīng)用（王彥玲等，2011）。傳統(tǒng)的生物浮床主要依靠浮床上種植的水生植物吸收氮、磷等營養(yǎng)物和有機(jī)質(zhì)，但由于受浮床植物量的限制，其凈化效果難以進(jìn)一步提高，且至今尚未形成相應(yīng)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏通用性。我國南北地區(qū)間的氣候與環(huán)境條件等差異明顯，改善不同類型生態(tài)景觀水質(zhì)效果的生態(tài)浮床技術(shù)也必然不同。因此，如何因地制宜地借鑒國內(nèi)外先進(jìn)景觀水質(zhì)功能恢復(fù)技術(shù)和經(jīng)驗，在廣西南寧探究生態(tài)浮床修復(fù)景觀水質(zhì)的效果，對我國南方地區(qū)大面積推廣生態(tài)浮床技術(shù)修復(fù)生態(tài)水環(huán)境具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】20世紀(jì)80年代，德國學(xué)者首次將生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用于凈化污染水體，此后生態(tài)浮床技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家得到迅速推廣應(yīng)用（Vollenweider，1985）。日本在琵琶湖、諏訪湖等各種水域采用生態(tài)浮床凈化技術(shù)，不僅有效凈化了水質(zhì)，還改善了區(qū)域景觀（郭培章和宋群，2003）。1991年我國開始引進(jìn)生態(tài)浮床技術(shù)，并逐步應(yīng)用于污染水體治理，其凈化水質(zhì)效果非常明顯（肖羽堂等，2005；劉臣煒和汪德爟，2006；宋李桐，2007；李海英等，2009；孫遠(yuǎn)奎，2010）。自1991年以來，我國利用生態(tài)浮床技術(shù)在湖泊、河道等不同水域進(jìn)行生態(tài)水環(huán)境修復(fù)，累計成功種植了46個科130多種陸生植物（黎華壽等，2003；盧進(jìn)登等，2005；陳麗麗等，2012）。黃瑩等（2013）通過分析漓江的河流形態(tài)、水質(zhì)狀況、河岸植被群落結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用生態(tài)礫石床水質(zhì)凈化技術(shù)、植物浮島技術(shù)、增加河岸植被緩沖帶等一系列生態(tài)修復(fù)技術(shù)，可促進(jìn)漓江旅游生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。高巖等（2014）通過模擬試驗比較不同生長階段鳳眼蓮對富營養(yǎng)化水體氮、磷的去除效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生長初期鳳眼蓮?fù)ㄟ^主動吸收凈化高濃度水體氮的速率最快、貢獻(xiàn)最高，而通過鳳眼蓮根系調(diào)節(jié)的生物脫氮途徑理論上較弱。溫奮翔等（2015）研究表明，千屈菜、黃菖蒲、鳶尾在營造景觀和凈化水質(zhì)方面協(xié)同作用良好，其中千屈菜表現(xiàn)尤為突出，可作為北方地區(qū)生態(tài)浮床的首選植物?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，有關(guān)國內(nèi)生態(tài)浮床的技術(shù)研究主要是針對發(fā)達(dá)地區(qū)大面積的河道、湖泊等水域，針對我國南亞熱帶地區(qū)水環(huán)境、水生態(tài)特征水處理的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過對比分析不同生態(tài)浮床對景觀水體化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）去除能力及浮床植物生長狀況的影響，旨在明確不同生態(tài)浮床改善亞熱帶地區(qū)景觀水質(zhì)的效果，為我國南方地區(qū)應(yīng)用生態(tài)浮床技術(shù)修復(fù)生態(tài)水環(huán)境提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

根據(jù)生態(tài)浮床植物容易獲得、適應(yīng)環(huán)境氣候等原則，并綜合考慮植物的凈化效果、經(jīng)濟(jì)價值和美學(xué)價值等因素（李英杰等，2004），選定具有亞熱帶地區(qū)適應(yīng)性和高觀賞價值的美人蕉（Canna generalis）、鳶尾（Iris tectorum）、花葉蘆竹（Arundo donax）作為研究對象。生物填料選用組合填料，其結(jié)構(gòu)是將塑料圓片壓扣改成雙圈大塑料環(huán)，用醛化纖維或滌綸絲壓在塑料環(huán)的環(huán)圈上，使纖維束均勻分布；內(nèi)圈是雪花狀塑料枝條，既能掛膜又能有效切割氣泡，提高氧的轉(zhuǎn)移速率和利用率。試驗用水取自廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園景觀水域，其水體特性見表1。

1. 2 試驗方法

試驗分為兩個階段，第一階段是通過單一植物浮床遴選出凈化效果較好的植物品種，即植物遴選；第二階段是不同生態(tài)浮床凈化效果對比分析。

1. 2. 1 植物遴選試驗 采用單一的美人蕉、鳶尾、花葉蘆竹生態(tài)浮床處理方式，3次重復(fù)。3種處理方式分別在直徑100 cm、高120 cm的獨(dú)立矩形水泥池中進(jìn)行，每個水池有效水深100 cm。供試植物在試驗開始前進(jìn)行水樣適應(yīng)性培養(yǎng)2周，種植密度27株/m2。試驗周期60 d，每隔5 d采集水樣1次，對COD、TP、TN和NH4+-N等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測定分析。試驗結(jié)束后，對各處理組植物的相對生長情況進(jìn)行調(diào)查。

1. 2. 2 不同生態(tài)浮床凈化效果對比分析 試驗共設(shè)3種生態(tài)浮床，分別是單一遴選植物浮床、遴選植物+組合填料（浮床下掛組合填料有效長度0.9 m，每個浮床下掛9條）及組合填料浮床。其他試驗處理方法與1.2.1同。

1. 3 水質(zhì)指標(biāo)測定分析

參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》，COD采用重鉻酸鉀法進(jìn)行測定，TP采用鉬酸銨分光光度法進(jìn)行測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進(jìn)行測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測定。生態(tài)浮床系統(tǒng)對污染物的去除效果以去除能力表示，計算公式為：

L=（C0V0-CiVi）/A

式中，L為浮床系統(tǒng)對各污染物的去除能力，C0表示待測指標(biāo)初始濃度（mg/L），V0表示水的初始體積（L），Ci和Vi則表示第i天時的待測指標(biāo)濃度（mg/L）和水體積（L），A為浮床面積。

1. 4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，包括單因素方差分析及Duncans多重比較。

2 結(jié)果與分析

2. 1 單一植物生態(tài)浮床的生物凈增長量

適應(yīng)性培養(yǎng)1周后，由于浮床植物處于污水的適應(yīng)期，生長緩慢，但至移栽初期其焉萎狀態(tài)已完全消失，均表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。從遴選試驗第3周開始，浮床植物進(jìn)入快速生長期，美人蕉、鳶尾和花葉蘆竹均表現(xiàn)出植株明顯增大、根數(shù)增多、根系發(fā)達(dá)的現(xiàn)象。至試驗結(jié)束時，浮床植物仍保持較高的生長速度，說明美人蕉、鳶尾和花葉蘆竹均能適應(yīng)高濃度有機(jī)物及氮、磷的水體，具有良好的適應(yīng)性。由表2可知，單一植物生態(tài)浮床的生物凈增長量存在極顯著差異（P<0.01，下同），其中以美人蕉最高，其生物凈增長量達(dá)275.4 g，故優(yōu)選為后續(xù)研究的浮床植物。

2. 2 單一植物生態(tài)浮床的水質(zhì)凈化效果

由表3可知，3種浮床植物對COD的去除能力在19.30～38.39 mg/m2，均表現(xiàn)出較高的去除能力。不同單一植物生態(tài)浮床的COD去除能力存在一定差異，表現(xiàn)為美人蕉>鳶尾>花葉蘆竹，且美人蕉與鳶尾、花葉蘆竹間達(dá)極顯著差異。3種浮床植物對TP的去除能力在0.71～0.81 mg/m2，其中，美人蕉對TP的去除能力與花葉蘆竹、鳶尾間存在極顯著差異，而花葉蘆竹與鳶尾間的差異不顯著（P>0.05，下同），具體排序為美人蕉>花葉蘆竹>鳶尾。3種浮床植物對TN的去除能力在8.63～9.14 mg/m2，去除能力排序為美人蕉>鳶尾>花葉蘆竹，以美人蕉對TN的去除能力最強(qiáng)，極顯著高于花葉蘆竹和鳶尾。3種浮床植物對NH4+-N的去除能力在6.15～6.83 mg/m2，去除能力排序為美人蕉>花葉蘆竹>鳶尾，仍以美人蕉對NH4+-N的去除能力最強(qiáng)，顯著高于花葉蘆竹和鳶尾。綜上所述，美人蕉、鳶尾和花葉蘆竹對水體COD、TP、TN及NH4+-N均表現(xiàn)出良好的去除能力，但以美人蕉的凈化效果最佳。

2. 3 美人蕉+組合填料生態(tài)浮床的生物凈增長量

通過對比美人蕉+組合填料生態(tài)浮床與美人蕉生態(tài)浮床的生物凈增長量，發(fā)現(xiàn)美人蕉+組合填料生態(tài)浮床的生物凈增長量（312.6 g）極顯著高于美人蕉生態(tài)浮床（275.4 g），說明組合填料在生態(tài)浮床從水體中吸收氮、磷的過程中發(fā)揮重要作用。

2. 4 不同生態(tài)浮床水質(zhì)凈化效果的對比分析

由表4可知，3種生態(tài)浮床對COD表現(xiàn)出較高的去除能力，去除能力在33.75～48.98 mg/m2，不同生態(tài)浮床間的COD去除能力存在極顯著差異，表現(xiàn)為美人蕉+

組合填料>美人蕉>組合填料，即以美人蕉+組合填料生態(tài)浮床對有機(jī)物的去除效果最佳。3種生態(tài)浮床對TP的去除能力在0.23～0.93 mg/m2，TP去除能力排序為美人蕉+組合填料>美人蕉>組合填料，不同生態(tài)浮床間存在極顯著差異，說明美人蕉+組合填料對含磷廢水具有良好的去除效果。3種生態(tài)浮床對TN的去除能力在3.71～10.26 mg/m2，不同生態(tài)浮床對TN的去除能力也存在極顯著差異，表現(xiàn)為美人蕉+組合填料>美人蕉>組合填料，說明生態(tài)浮床去除TN時必須兼顧植物和微生物的作用才能獲得最佳效果。3種生態(tài)浮床對NH4+-N的去除能力在4.12～8.44 mg/m2，不同生態(tài)浮床對NH4+-N的去除能力存在極顯著差異，表現(xiàn)為美人蕉+

組合填料>美人蕉>組合填料，說明浮床植物與組合填料的組合能顯著提高生態(tài)浮床系統(tǒng)對NH4+-N去除能力。單一的組合填料由于缺乏植物的輸氧功能，各種微生物的作用未能得到充分發(fā)揮，因此表現(xiàn)出較低的去除能力。

3 討論

COD、TP、TN、NH4+-N的去除效果與生態(tài)浮床采用的植物、填料及系統(tǒng)處理時間等直接相關(guān)（楊鳳娟，2011）。本研究結(jié)果表明，美人蕉生態(tài)浮床對COD的去除能力極顯著高于鳶尾生態(tài)浮床和花葉蘆竹生態(tài)浮床，可能是美人蕉發(fā)達(dá)的根系為水體微生物提供了良好的附著載體；美人蕉+組合填料生態(tài)浮床對COD的去除能力為48.98 mg/m2，凈化效果優(yōu)于美人蕉生態(tài)浮床和組合填料浮床，是由于浮床植物與組合填料同時發(fā)揮作用，促使微生物能在附著載體上大量生長繁殖并形成生物膜，從而強(qiáng)化生態(tài)浮床系統(tǒng)對有機(jī)物的降解作用（劉婭琴等，2010）。

美人蕉+組合填料生態(tài)浮床對TP表現(xiàn)出較高的去除能力（0.93 mg/m2），極顯著高于美人蕉生態(tài)浮床（0.84 mg/m2），表明除了浮床植物的吸附、吸收作用外，浮床底部下懸掛的組合填料也發(fā)揮一定作用，不但對水體磷元素起到攔截作用，消除水體中的大部分不溶性磷，而且生物膜上的嗜磷菌可將廢水中的有機(jī)磷分解為無機(jī)磷，供給浮床植物吸收利用（唐靜杰和周青，2009）。美人蕉+組合填料生態(tài)浮床和美人蕉生態(tài)浮床對TP的去除能力均極顯著高于組合填料浮床，說明浮床植物根系對水體磷的吸收作用是實(shí)現(xiàn)去磷的主要途徑。

美人蕉+組合填料生態(tài)浮床還表現(xiàn)出較強(qiáng)的脫氮效果，對TN的去除能力為10.26 mg/m2，極顯著高于美人蕉生態(tài)浮床和組合填料浮床，表明生態(tài)浮床對TN的去除必須兼顧植物和微生物的作用才能獲得最佳效果。此外，組合填料浮床的TN去除能力極顯著低于美人蕉生態(tài)浮床，可能是組合填料缺乏植物的輸氧功能，各種微生物的作用未能得到充分發(fā)揮而引起。吳建強(qiáng)等（2007）也曾研究表明，生態(tài)浮床對TN的去除能力與植物生長情況密切相關(guān)，植物長勢越好、根系越發(fā)達(dá)，其泌氧能力越強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)水體的輸氧能力。本研究結(jié)果進(jìn)一步驗證了這一觀點(diǎn)，且遴選試驗發(fā)現(xiàn)美人蕉、鳶尾和花葉蘆竹3種浮床植物中以美人蕉的生長狀況最佳、根系最發(fā)達(dá)，即美人蕉對TN有較強(qiáng)的去除能力。

美人蕉+組合填料生態(tài)浮床對NH4+-N的去除能力顯著高于美人蕉生態(tài)浮床和組合填料浮床，去除能力為8.44 mg/m2。李先寧等（2007）研究表明，NH4+-N的去除主要得益于植物和微生物的共同作用，且植物吸收發(fā)揮主要作用，而填料能給微生物提供優(yōu)良的附著條件，從而促進(jìn)氨化、硝化及反硝化作用的進(jìn)行，達(dá)到去除水體NH4+-N的效果。本研究結(jié)果還表明，單一植物生態(tài)浮床中美人蕉對NH4+-N的去除能力與花葉蘆竹和鳶尾間存在顯著差異，說明美人蕉強(qiáng)大根系的泌氧功能是引起水體NH4+-N減少的原因之一，同樣美人蕉發(fā)達(dá)的根系為水體微生物提供了更優(yōu)的生存環(huán)境，因此美人蕉適宜作為組合型生態(tài)浮床的首選植物。由于研究時間和試驗條件的限制，有關(guān)浮床植物根系與根際微生物間的相互影響機(jī)制尚有待進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

美人蕉+組合填料生態(tài)浮床對水體COD、TP、TN及NH4+-N的去除效果最佳，較單一使用美人蕉生態(tài)浮床或組合填料浮床的凈化效果更具優(yōu)勢，可作為我國南方地區(qū)修復(fù)生態(tài)水環(huán)境的首選生態(tài)浮床。

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（責(zé)任編輯 蘭宗寶）