生态浮床技术在居住区景观水体修复中的研究与应用进展

张悦玲

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

1 居住区景观水体与生态浮床技术概述

1.1 居住区景观水体

居住区景观水体是指人们居住的地方周围与水相关的自然或人工水体及其景观。自古以来，我国的文明和城市兴起都与水息息相关，人们潜移默化地选择了临水而居。我国在居住区水环境方面的探索已有3000多年的历史[1]，居住区水环境的存在不仅可以为人们提供了生活娱乐所需的水源，更为居民带来了美丽、宁静和与自然亲近的居住体验。

按照规模大小划分，居住区水环境可大致分为大型天然水体、中型景观水体和小型景观水体三类[2]。现代居住区对景观水体的设计和规划越发注重与现代艺术的融合。然而，中型景观水体和小型景观水体往往流量小，自净能力弱，环境容量小，生态系统相对简单。同时，由于地表径流、雨水和污水的涌入、鱼类排泄物以及水生植物腐败等所带来的影响，景观水体更容易富营养化并诱发水华和黑臭问题，大大降低了水体的观赏效果和环境价值。目前，修复受污染景观水体的技术主要包括机械曝气、泥沙疏浚、接触过滤等物理法；絮凝沉降、氧化消毒等化学法[3]；以及人工湿地，微生物强化等生物方法。单一的物理或化学方法虽然可以在短时间内改善富营养化景观水体的水质，但往往伴随着投资大、持续时间短、二次污染和环境安全潜在威胁等缺陷，而传统生物技术存在效率低、占地面积大、微生物适应周期长等问题。因此，有效开发景观水体的修复技术对提高居住区环境质量具有重要意义。

1.2 生态浮床技术

生态浮床技术是一种新型的水体修复技术，它在传统人工湿地的基础上发展而来。这项技术在景观水修复工程中越来越受欢迎和广泛应用，原因是它具有投资少、效率高、不占用额外土地、适应水深范围广、操作灵活、维护简单和绿色经济等优点。研究表明，生态浮床技术对水中的氮磷污染物具有较高的去除效率，并且能够有效抑制藻类生长。此外，它还可以有效地预防水体富营养化，并为水生动物和鸟类提供栖息地。

生态浮床技术最早出现在20世纪初，最初是被土耳其沿海居民用于种植水生经济作物，通过在生态浮床载体上种植水生植物，实现了无土栽培，无需施肥和额外的土地占用，这在当地得到了广泛推广。随后，人们发现生态浮床上的植物可以吸收水中的养分用于自身的生长和繁殖，并且附着在植物根部的生物膜通过微生物的作用可增强水中污染物的降解，从而生态浮床逐渐发展成为一种净水技术[4]。德国于1979年正式建立了第一个生态浮床技术系统，并将其用于水净化。此后，一些发达国家如英国、美国、日本和加拿大相继采用生态浮床技术来处理污染的河流、湖泊和水库等景观水域并取得了良好的净化效果，我国一直重视生态环境保护，近年来在使用生态浮床技术来修复景观水体方面取得了良好的进展。

2 生态浮床组件元素

2.1 浮体框架

浮体框架提供生态浮床所需浮力，使植物能在水面上生长，适应不同水深，弥补人工湿地对水位变化适应性差。早期生态浮床的载体框架由竹子、树枝、稻草等天然材料构成，后来引入聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯等新型载体。这些新材料具有稳定性高、耐久性好、抗冲击载荷强、不溶解等优点。针对居住区景观水体而言，在选择生态浮床载体框架时，应充分考虑浮体框架的大小是否与景观水体匹配，还应综合考虑易获得、价格低、疏水性好、稳定性高、无二次污染、易生物膜富集等因素。

2.2 植物种类

植物在生态浮床中起着重要作用：吸收水中污染物、提供微生物附着位点、美化环境、提供栖息地。适合生态浮床的植物大致可分为三类：挺水植物，漂浮植物和沉水植物，其中，美人蕉、菖蒲等挺水植物的养分吸收能力强；水葫芦、浮萍等漂浮植物适应性强，生长迅速；角苔、水苔等沉水植物抗污能力强。植物生长状况对养分含量和污染物去除能力产生影响，一般来说，植物生长得越好，每株植物可以获得的养分含量就越高，并且在水中对污染物的吸收和去除能力越强。居住区景观水体的主要污染物是C、N和P，这些污染物正可以作为植物生长的营养元素，因此应优先选择适应当地环境、抗逆性强、耐低温、根系发达、景观效果好、经济价值高的植物物种建立生态浮床[5]。

2.3 床体基质

最初，生态浮床中床体基质的功能是固定植物并促进生物膜附着。常见的床体基质材料包括稻草、塑料、海绵和无土，不同床体基质固定植物的方法也不同。随着研究的进展，新材料如椰壳、火山砾石、陶粒和聚丙烯纤维等也被应用于生态浮床。这些新材料具有更优秀的吸附、絮凝和沉淀污染物等功能，进一步增强了生态浮床的水质改善作用。在选择生态浮床介质时，应考虑成本低、弹性好、易获得、吸水性强、易固定和不易腐烂等因素。同时，使用微孔膜隔离可以避免培养基和植物根系直接接触，减少对根系的损害、收获的难度，并提高资源利用率。

3 居住区景观水体生态浮床修复机制

3.1 水体自净

除了生态浮床水处理系统对水质的改善作用外，水体的自净过程也在去除污染物方面发挥重要作用。一般来说，浮游植物、浮游动物和水生动物共同在水系中形成水生生态系统。浮游植物通过吸收水中的营养物质来生长，并通过光合作用降低污染物浓度。浮游动物和水生动物捕食浮游植物，加速养分的同化和利用。此外，颗粒污染物的沉降也有助于污染物去除。水体自净对氮的去除率通常高于对磷的去除率，这与水体中氮浓度较高且浮游植物对氮需求较大有关。水体的自净性受光照、温度、溶解氧和污染物浓度等环境条件影响。与大型天然水体相比，尽管水自净对中型和小型景观水体中污染物去除的贡献相对较小，但由于中型和小型景观水体的面积相对较小，深度较浅，水生生态系统相对简单且更脆弱，其作用仍然重要。

3.2 植物吸收

生态浮床的构造特性促使植物根系分散生长形成滤网结构，吸附和过滤水体中的非溶解态颗粒物，提高水体透明度，同时减缓水流速度促使颗粒物沉降，同时达到除磷的效果。溶解性污染物通过主动运输、扩散和对流扩散进入植物根系表面。植物在生态浮床系统中使用养分构建自身组织，并通过代谢转化降低水中污染物浓度，具体表现为植物根系吸收氮、磷等营养盐，并通过生长收割将污染物彻底移除。浮床植物还能吸收重金属和有机物，但富集能力因植物种类和重金属种类而异。不同植物物种的生长条件和形态差异导致其对污染物去除的贡献差异较大，植物吸收对氮、磷去除的平均贡献约为24.9 ～62.6%和31.4 ～67.1%，因此，在修复富营养化景观水体方面可以发挥重要作用[6]。

3.3 微生物转化和沉降

生态浮床中发达的植物根系不仅增强了植物对水中污染物的吸收能力，还为微生物提供了附着位点，从而在根系表面形成生物膜。生物膜中的细菌和原生动物通过同化和转化利用小分子养分，并分泌酶加速大分子污染物的降解。水生植物根系释放氧气，使得生物膜不断生长为包含细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物的微生物共生体。生物膜形成的好氧-厌氧区，有利于硝化、反硝化、厌氧磷释放和好氧磷吸收。此外，浮床系统的植物根系、载体和介质能拦截和吸附水中的颗粒污染物，避免水力扰动影响内源性释放，通过沉降作用去除污染物。然而，不同浮床系统中的根系、水流量和水质差异导致沉降对污染物去除的贡献有所不同。微生物转化和沉降在植物根区发挥作用，对氮素和磷的去除贡献率在7.9 ～75.6%和11.9 ～69.1%之间。因此，微生物转化和沉降是生态浮床在水净化中的主要机制，为提升生态浮床的净化能力提供了主要方向。

4 居住区景观水体修复中生态浮床设计参数

4.1 浮床覆盖率

生态浮床在水体表面的覆盖率是生态浮床设计中的主要控制参数之一，在一定范围内随着浮床覆盖率的增加，污染物的去除率会提高。同时，生态浮床的设置一定程度上降低了水面的光照强度，可抑制浮游植物的生长。然而，过度覆盖会削弱大气对水体溶解氧的补充而阻断水体的复氧作用，并破坏水生生态系统，同时还会增加建设成本。有研究表明，随着浮床覆盖率的增加，水中氮的去除效率有所提高，但溶解氧浓度有所下降[7]。在实际应用中，当浮床占据景观水体水域面积的 50%以上时，其净化性能就会因水体缺氧而下降。不仅如此，过大的浮床覆盖率也会影响景观水体的美观，降低其观赏价值。

4.2 植物密度

植物密度是通过每单位面积在床体基质上种植的植物数量来衡量的。较高的植物密度通常意味着更大的植物吸收潜力和对污染物的去除效率。然而，由于空间限制，过多的植物密度会影响植物的正常生长.不同植物物种的植株密度范围也有所不同，其中，蕹菜的植株密度最低(8株/m2)，水稻植株密度最高(1071株/m2)，而常见的水生植物美人蕉和菖蒲的植株密度分别约为150和20株/m2[8]。一般来说，植物密度与植物物种的个体大小呈负相关。在不影响植物正常生长的情况下，应尽可能增加植物密度。

4.3 设计水深

生态浮床作为一种浮水处理技术，对设计水深具有很强的适应性。在实际应用中，适当的设计水深对于保持生态浮床的良好处理性能至关重要。水位过高会导致水分层，限制了生态浮床的净化能力，不利于施工和锚固；而过低的水位不利于生态浮床的稳定性和植物生长。不同植物种的根长差异较大，莎草科植物通常植株体型高大，其根长可达到90cm；而苇状羊茅一类体型较小的植物根长只有18cm左右。根系除了对植株成长有很大影响外，对水质的净化也有很大的贡献，因此，水体的设计水深应大于生态浮床所种植植物的最大根长。因此，在设计生态浮床水深时应考虑场地条件、植物生长特性和净化效果等因素。综合多项类似研究发现，推荐生态浮床的设计水深为60 ～110 cm[9]。

4.4 水动力条件

地表水体的水动力条件主要包括水流情况、风浪大小等。一般而言，水流过急或风浪过大不 仅会对床体及植物产生破坏，还会缩短浮床净化污 水的水力停留时间，进而导致净化效果的下降。有研究表明，生态浮床的布局位置也影响其净化能力，设置生态浮床会降低流速，提高水位，而较低的水流速有利于生态浮床净化效率的提高[10]。还有研究表明，流经生态浮床植物根系的水流越大，污染物去除率越高，平行排列的生态浮床净化效果优于串联分布。因此，生态浮床的设计应尽可能靠近景观水体的滨水区，以减少对其对水文特征的影响。

5 结论与展望

本文基于生态组成要素和设计参数，系统回顾和探讨了利用生态浮床技修复居住区景观水体的可行性。同时，深入分析了生态浮床技术的修复机制以及作用方式，为提高污染物去除效率提供了一定的参考。最后，针对生态浮床技术修复居住区景观水体方面的研究和应用问题，提出了需要考虑的设计参数。主要结论如下：1)浮体框架应选择易于获取，价格低，疏水性好，稳定性高的材料。植物应选择当地抗逆性强、耐寒性好、根系发达、景观效果高、经济价值高的植物品种。床体基质应选择弹性好、吸水性强、易固定、不易腐烂的材料；2)生态浮床的设计水深建议为60 ～110cm，植物种植密度与植物大小成反比。浮床覆盖率应与水体的富营养化程度以及水域面积综合考量，过高或过低均会降低生态浮床的处理效率；3)生态浮床对居住区景观水体水质的处理机制包括水自净，植物吸收，微生物同化和沉降。其中，微生物转化和沉降对污染物去除的贡献最大；4)未来生态浮床在修复居住区景观水体水质的研究应侧重于提高其净化效率和季节适应性，通过研制绿色环保的载体材料、选育高适应性水生植物以及筛选高效的特定微生物提升生态浮床的技术性能。

参考文献：:

[1]崔贺,张欣,董磊.生态浮床技术流域水环境治理中的研究与应用进展[J].净水技术.2021,40 (S1):343-350.

[2]肖安明,刘盛,刘奕明,等.人工浮岛技术在水体修复中的应用[J].净水技术.2022,41 (10):120-129.

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