生態(tài)浮床在改善農(nóng)村澇池水質(zhì)方面的作用

張銳

摘要：在我國北方干旱地區(qū)的農(nóng)村，逐漸被人們廢棄的澇池水體黑臭情況日趨嚴(yán)重，極大地制約了新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)村生態(tài)文明體系的形成，澇池水質(zhì)改善迫在眉睫。生態(tài)浮床作為一種綠色生態(tài)的水體治理技術(shù)，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(tài)浮床治理技術(shù)并將生態(tài)浮床水體治理原理應(yīng)用于澇池水質(zhì)改善。

關(guān)鍵字：生態(tài)浮床? 澇池? 黑臭水體? 生態(tài)恢復(fù)

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(nóng)村，是充分利用地表徑流而修筑的蓄水工程，以滿足當(dāng)?shù)鼐用裨谟盟系男枨螅嘤脕韮π钣晁?。然而隨著美麗鄉(xiāng)村與生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展，澇池疏于管理，功能弱化。為此，陜西省2016年啟動實施了農(nóng)村澇池水生態(tài)修復(fù)工程，計劃“十三五”期間修（改）建澇池9070座。由于內(nèi)源治理與外源阻截以及構(gòu)建材料方面存在欠缺的原因，截止2018年6月，關(guān)中已經(jīng)實施的1500多座澇池，78.2%出現(xiàn)不同程度的水體黑臭現(xiàn)象。水體黑臭的澇池不僅不能為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┤粘Ｊ褂盟?，而且已?jīng)成為制約美麗鄉(xiāng)村與生態(tài)文明建設(shè)的瓶頸，背離了生態(tài)文明建設(shè)和柔性治水的大背景。因此，對澇池水質(zhì)的改善迫在眉睫。水體治理的方法一般包括物理法、化學(xué)法和生物法。傳統(tǒng)的物理法和化學(xué)法在費用上較高、易造成二次污染且往往治標(biāo)不治本。因此，用生物法治理水體是當(dāng)前水體治理的趨勢，生態(tài)浮床生物防治技術(shù)又是當(dāng)前水體治理的熱點。生態(tài)浮床工藝因具有可操作性強(qiáng)、運行成本低、易維護(hù)、生態(tài)風(fēng)險小、景觀效果好等優(yōu)點，作為一種新型富營養(yǎng)化水體修復(fù)技術(shù)，已得到廣泛研究和應(yīng)用。

2生態(tài)浮床研究及應(yīng)用

生態(tài)浮床又稱人工浮床、生態(tài)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(yǎng)化的水質(zhì)，利用生態(tài)工學(xué)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(zhì)，運用無土栽培技術(shù)、應(yīng)用物種間共生關(guān)系，建立高效的人工生態(tài)系統(tǒng)，使水體中的污染負(fù)荷大幅降低，從而使水體透明度大幅度提高，同時水質(zhì)指標(biāo)也得到有效的改善，特別是對藻類有很好的抑制效果。在農(nóng)村水體污染治理、建設(shè)城市濕地等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

2.1生態(tài)浮床技術(shù)

2.1.1浮床的結(jié)構(gòu)與分類

生態(tài)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(tǒng)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(wǎng)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(jìn)水質(zhì)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(shè)置一個小型的浮子的做法比較多[2]。

生態(tài)浮床根據(jù)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(gòu)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(zhì)沒有凈化作用，一般用于景觀設(shè)置。濕式浮床中有框架的使用較多。生態(tài)浮床依據(jù)功能劃分為消浪形、水質(zhì)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(tài)浮床治理水體效果

生態(tài)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(yǎng)得到轉(zhuǎn)移，從而治理由于封閉或自循環(huán)不足帶來的水體腥臭、富營養(yǎng)化現(xiàn)象。

孫從軍等[4]在淀山湖進(jìn)行的水體富營養(yǎng)化防治實驗的結(jié)果表明，浮床技術(shù)可有效削減富營養(yǎng)化水體中的COD、TN、氨氮和TP濃度，并提高水體透明度，為后續(xù)的生態(tài)修復(fù)工程奠定了良好的基礎(chǔ)。羅固源等[5]在長江次流臨江河回水區(qū)做的試驗表明，美人蕉、風(fēng)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(dá)到90%、93%和80%。

組合型生態(tài)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(tài)浮床進(jìn)行強(qiáng)化，固定化強(qiáng)化浮床系統(tǒng)的TN去除率比單獨浮床系統(tǒng)提高了17.25%。

2.2生態(tài)浮床的植物選擇及生物組合

2.2.1浮床植物的選擇

生態(tài)浮床對水體的凈化及景觀作用，最終是靠浮床的生物系統(tǒng)來完成的，所以合適以及生長良好的植物及微生物是生態(tài)浮床凈化能力的保證[8]。因此，浮床植物的選擇是浮床技術(shù)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

植物去除污染物效果是浮床植物選擇時的主要依據(jù)。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(shù)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(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境，能夠耐受病蟲害和較少依賴人工維護(hù)[10]。隨著生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用的不斷深入和基礎(chǔ)研究的加強(qiáng)，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(qiáng)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(tài)浮床

普通植物生態(tài)浮床受植物生長、生物元素單一等的影響，往往凈化水質(zhì)效率低。組合型生態(tài)浮床是傳統(tǒng)生態(tài)浮床技術(shù)的改進(jìn)，主要包括2種類型：即在植物和浮體的基礎(chǔ)上增加基質(zhì)和在植物、填料和浮體的基礎(chǔ)上增加慮食性動物[11]。劉海洪等[12]的研究表明，組合型生態(tài)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(xì)菌和反硝化細(xì)菌后，TN的去除率提高了13.7%，且組合型生態(tài)浮床中人工介質(zhì)富集的微生物是氮磷等污染物的凈化主體。

在傳統(tǒng)的人工浮島技術(shù)的基礎(chǔ)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(tài)浮床、微曝氣生態(tài)浮床、生物島柵等新型人工浮床，可進(jìn)一步提升人工浮床對水體的凈化效果[13]。但組合式生態(tài)浮床也有缺點， 主要有以下兩個方面：（1）生物膜中硝化菌數(shù)量不占優(yōu)，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(zhì)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(xì)菌大都是異養(yǎng)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(xì)菌的碳源物質(zhì)有限， 這就會大大制約反硝化進(jìn)程[14]。

2.3生態(tài)浮床應(yīng)用

生態(tài)浮床對風(fēng)的抵抗力較弱，因此目前主要應(yīng)用于水流較緩慢的湖泊、池塘、城市內(nèi)河及公園水體中[8]。生態(tài)浮床的首要應(yīng)用是對水質(zhì)的改善，其次，在改善水質(zhì)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(shù)對城市污染水體中污染物的凈化作用，結(jié)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(yōu)良物種而推廣使用。此外，生態(tài)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(jìn)生態(tài)恢復(fù)。

3生態(tài)浮床改善澇池水質(zhì)

3.1澇池水體富營養(yǎng)化

3.1.1澇池水體富營養(yǎng)化的原因

水體富營養(yǎng)化跟生活污水排入，地表徑流，雨污水排入都有關(guān)系，種植用的化肥，農(nóng)藥中都有氮磷等營養(yǎng)鹽，空氣污染，這些雨水等都會給水體帶來營養(yǎng)物質(zhì)，久而久之，水體中的營養(yǎng)物質(zhì)富集，就會造成水體富營養(yǎng)化，當(dāng)然影響最大的是生活污水。農(nóng)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(nóng)村隨處可見。一堆散發(fā)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(jìn)水口被農(nóng)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(fā)惡臭。

設(shè)置在農(nóng)田附近的澇池由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過度施用化肥、農(nóng)藥、大量未被作物吸收的殘留物隨降雨徑流進(jìn)入，導(dǎo)致水體呈富營養(yǎng)狀態(tài)，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(dǎo)致水體的溶解氧含量降低，使水質(zhì)迅速變差，并出現(xiàn)惡臭，甚至?xí)a(chǎn)生毒性較強(qiáng)的微囊藻毒素，與地下水發(fā)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(jìn)入澇池，造成澇池水體無機(jī)鹽和有機(jī)質(zhì)含量迅速升高。

此外，由于淤泥腐殖質(zhì)沉積深厚，造成有機(jī)腐敗耗氧量增加，發(fā)生水質(zhì)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(fā)生反應(yīng)消耗了水體中的氧氣且生成氨氮等物質(zhì)。致使?jié)吵厮w發(fā)生黑臭的主要元素為有機(jī)物、氨氮、總磷、總氮、類大腸桿菌等。

3.2生態(tài)浮床應(yīng)用于澇池水體治理

3.2.1澇池生態(tài)浮床的植物選擇

美人蕉生長迅速、生物量大、去污能力強(qiáng)，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(qū)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(zhì)凈化期長，水質(zhì)改善效果好，耐寒能力強(qiáng)，能在水上自然越冬，管理工作量小，是優(yōu)質(zhì)的生態(tài)浮床植物。

農(nóng)村水質(zhì)的特點是高氮，高COD污染，這主要是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活引起的[17]。黃勇強(qiáng)等[18]的研究表明，處理COD和TN方面空心菜比美人蕉具有優(yōu)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(qū)農(nóng)村擁有澇池數(shù)量眾多，若在改善澇池水質(zhì)的同時使?jié)吵氐木坝^功能得到強(qiáng)化，則將加快北方地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)及農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)。因此在選擇浮床植物時，可對植物進(jìn)行合理配置，同時考慮綜合景觀效果強(qiáng)的植物。周偉華等[19]的研究結(jié)果顯示，在4種不同植物的浮床系統(tǒng)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(tài)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(qiáng)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(tài)浮床在治理效果上強(qiáng)于傳統(tǒng)單一式浮床，因此在浮床中加入人工基質(zhì)效果更佳。虞中杰等[20]在人工浮床中分別加入3種填料，發(fā)現(xiàn)凈化水質(zhì)最好的是球形填料與框架結(jié)構(gòu)的組合。孫博等[21]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(fù)，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(guān)關(guān)系，20%的覆蓋組對各營養(yǎng)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(tǒng)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(jié)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(dá)到：90.79%，89.83%，93.26%，89.40%，但是植物在秋冬季節(jié)枯萎，必須進(jìn)行收割處理以防止植物腐敗帶來二次污染。

4結(jié)語

生態(tài)浮床作為一種綠色生態(tài)、易于實現(xiàn)的新型水體治理技術(shù)，具有價格低廉、養(yǎng)護(hù)簡單、不會造成二次污染等特點，對水體中氮、磷、氨氮、有機(jī)物等物質(zhì)有明顯的去除作用，已是當(dāng)前湖泊、池塘、河道等水體治理的重要技術(shù)措施。

澇池作為一種人工濕地是西北農(nóng)村生態(tài)環(huán)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(dāng)下澇池的使用率非常低，但是其作為我國西北地區(qū)農(nóng)村的特殊景觀仍有獨特的價值。修復(fù)整治澇池是實現(xiàn)關(guān)中水系聯(lián)通最基礎(chǔ)、最有效的舉措，是黃土高原地區(qū)固溝保塬和關(guān)中地區(qū)水源保護(hù)、水路治理治本之策，是加強(qiáng)農(nóng)村雨水資源綜合利用的基本途徑[24]。運用生態(tài)浮床治理我國農(nóng)村澇池的黑臭水體，不僅使?jié)吵厮w治理變得方便、高效，而且對農(nóng)村澇池景觀起到改善作用。因此，廣泛應(yīng)用生態(tài)浮床治理農(nóng)村澇池已是一種趨勢。

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