生物浮岛净化效果及植物配置研究

王素玉，张 飞，何嘉辉

(1.广州市水之道生态环境修复有限公司，广东 广州 510380；2.广州市新之地环保产业股份有限公司，广东 广州 510380)

生物浮岛技术运用农艺学中无土栽培技术的原理，把高等水生植物或改良的陆生草本、木本植物，以浮岛(即浮体栽培岛)作为载体[1]，种植到富营养化水体的水面，通过植物生长过程中对N、P等植物必需元素的吸收利用，及其植物根系和浮岛基质等对水体中悬浮物的吸附作用，富集水体中的有害物质[2]；与此同时，植物根系释放出有机分泌物，促进根际微生物的生长，从而加速微生物对有机污染物的分解[3-5]。随着水质指标的改善，尤其是DO的大幅度增加，为好氧微生物的大量繁殖创造了条件，通过微生物对有机污染物、营养物的进一步分解，是水质得到进一步改善，最终通过收获植物体的形式，将N、P等营养物质以及吸附积累在植物体内和根系表面的污染物移出水体，使水体中的污染物大幅度减少，水质得到改善，从而为水生生物的生存、繁衍创造生态环境条件，为最终修复水生态系统提供可能[6]。

实践证明通过生物浮岛净化系统，去除水体有机污染COD/BOD，同时消除水体黑臭现象、控制水华爆发，提高水体透明度，同时达到一定的景观效果[6]。

植物是生物浮岛发挥其作用的最关键因素，植物的选取不但影响生物浮岛净水的功效，其选择和配置还影响工程的景观效果[7]。本研究对生物浮岛的水质净化效果以及浮岛植物的搭配进行研究。

1 试验地点与方法

1.1 试验地点

围隔试验所在地沙坦涌，位于广州市荔湾区桥中街光电科技基地园区旁边，是广州市综合整治的121条河涌之一，同时也是列入综合整治和污水处理工程范围的河涌之一。

1.2 试验方法

围隔设于沙坦涌中段，平行设置。每个围隔面积为2m×10m，每个围隔放置面积为1m×6m生物浮岛，其中5m2设置浮板用于承载植物，其余约1m2用塑料网承载大聚藻和圆币草植物。采用防水帆布做围隔材料，围隔高于水面约10～20cm(降水多的时候，围隔外水会漫入围隔，导致围隔内外水体交换)，围隔下部加以重物，放置防水帆布上浮。

两个围隔所种的植物种类和数量均相同：9株水鬼蕉，9株美人蕉，12株风车草、两盆圆币草以及两箩大聚藻。

从多次的监测结果看，沙坦涌水质较差，COD、BOD、总氮、总磷、氨氮等多项指标均劣于《地表水环境质量标准》中的V类水限值，而且黑臭严重，是典型的城市黑臭水体。

样点布置说明：沙坦涌围隔试验共设置4个采样点，两个平行围隔标记为“围隔内南”和“围隔内北”，围隔外面的采样点标记为“围隔外”，采样一个多月后，在围隔南边河道纵横交汇的地方增设采样点，标记为“上游”。

1.3 测试项目与方法

主要常规项目分析方法：浮岛运行过程中，水样中的CODcr，氨氮和DO等指标的测定均采用《水河废水监测分析方法》中的标准方法，采用多次对比试验来控制数据质量。当前后2次试验数据偏差小于5%时，直接取2次试验的平均值作为试验结果；当前后2次试验数据偏差大于5%时，进行第3次试验，且控制3次试验偏差小于10%。

2 结果与分析

2.1 生物浮岛的水质净化效果分析

2.1.1 总磷效果分析

从总磷变化图1可以看出，沙坦涌的总磷含量一直偏高，最高超过2.0mg/L。前100天，由于围隔初步建成，及几次暴雨发生，围隔较为低矮，导致水位上升，淹没围隔，围隔内外水体交换，所以出现围隔内外水质相差不大的情况。100天左右结果显示，围隔内总磷明显低于围隔外，反映了浮床植物的明显的净化效果(如图所示)。由于雨季来临，围隔被淹，第200天结果显示围隔内外总磷含量趋于相同。

图1 总磷净化效果

2.1.2 总氮效果分析

从总氮变化图2看出，实验地点总氮含量一直偏高，最高值超过50.0mg/L。前100天，由于围隔初步建成，及几次暴雨发生，围隔较为低矮，导致水位上升，淹没围隔，围隔内外水体交换，所以出现围隔内外水质相差不大的情况。第100天左右结果显示，围隔内总氮略低于围隔外，反映了浮床植物对氮的去除效率较低(如图所示)。由于雨季来临，围隔被淹，第200天结果显示围隔内外总氮含量趋于相同。

图2 总氮净化效果

2.1.3 氨氮效果分析

由氨氮变化图3可知，氨氮含量变化与总氮变化趋势相似，氨氮占总氮比例很高，这与水体黑臭这一表象是吻合的，监测到氨氮最高值超过40mg/L。前100天，由于围隔初步建成，及几次暴雨发生，围隔较为低矮，导致水位上升，淹没围隔，围隔内外水体交换，所以出现围隔内外水质相差不大的情况。第100天左右结果显示，围隔内氨氮略高于围隔外，反映了围隔内浮床植物由于覆盖率过大，及植物的腐败导致氨氮偏高(如图所示)。由于雨季来临，围隔被淹，第200天结果显示围隔内外总氮含量趋于相同。

图3 氨氮净化效果

Fig.3 Purification effect of ammonia nitrogen

2.1.4 硝酸盐氮效果分析

从硝酸盐氮变化图4可得，硝酸盐氮变化的总体趋势与总氮和氨氮相反，先高后低，硝酸盐氮占总氮比例不高。前100天，由于围隔初步建成，及几次暴雨发生，围隔较为低矮，导致水位上升，淹没围隔，围隔内外水体交换，所以出现围隔内外水质相差不大的情况。第100天左右结果显示，围隔内硝态氮明显低于围隔外，反映了浮床植物对硝态氮的明显净化效果(如图所示)。由于雨季来临，围隔被淹，第100天结果显示围隔内外总磷含量趋于相同。

图4 硝酸盐氮净化效果

以上监测结果表明，在一定条件下，生物浮岛对城市黑臭水体有较好的净化作用。

2.2 浮岛植物生长的研究

试验初期选用的五种植物：水鬼蕉、美人蕉、风车草、圆币草以及大聚藻均能很好适应黑臭水环境，长势良好，但搭配有待进一步优化。如：大聚藻在种植初期，根系不发达，生物量也不大，容易被水冲走，所以在流速大的水体以及暴雨季节，不适宜选大聚藻做浮岛植物。本次试验，将大聚藻和圆币草一同放在塑料网上，由于圆币草生长速度快，能迅速扩大覆盖的水面面积，而大聚藻在种植初期，生长缓慢，会被圆币草覆盖，所以大聚藻和圆币草不适宜相邻种植。圆币草不适宜与水鬼蕉相邻种植，在种植初期，长高速度不如圆币草。圆币草可以跟美人蕉、风车草等高大且生长快的植物相邻种植。

2.3 植物配置方案

植物优选名录及资料，选出32种常用人工湿地植物作为浮岛备选植物，包括：紫背竹竿、黄花蔺、黄苞蝎尾蕉、白姜花、水鬼蕉、薏茨、地毯草、台湾草、马尼拉草、香根草、狗牙根、百喜草、弯叶画眉草、钝叶草、马蹄金、天堂草、黄花鸢尾、风车草、菖蒲、茨菰、泽苔草、水葱、芦竹、再力花、梭鱼草、千屈草、美人蕉、假俭草、铺地黍、香蒲、纸莎草和芦苇。

根据植物水上部分高度(近似看做是植株高度)，可以把植物划分为四个级别，分别是50cm以下，50～100cm，100～150cm以及150cm以上。

优选植物均为常用的人工湿地植物，具有发达的根系，能很好地适应水生环境。其中根系长度达到5～10cm的有：水鬼蕉、黄花鸢尾和菖蒲，达到10cm以上的有：黄花蔺、风车草、梭鱼草和美人蕉，香根草的根系长度更是达到2～3m。以上列出的32种植物，约有一半会开花，包括有：黄花蔺、黄花苞蝎尾蕉、白姜花、水鬼蕉、薏茨、黄花鸢尾、风车草、茨菰、水葱、再力花、梭鱼草、千屈草、假俭草、纸莎草、美人蕉。

由沙坦涌的试验可知，浮岛植物配置需要考虑植物对水体的净化能力，植物的高低搭配，避免出现圆币草与水鬼蕉相邻种植，对于景观水体，还需要考虑植物观赏性，如整体形状、叶片颜色、花期和花色等。

优选植物中，开花的有：黄花蔺、黄花苞蝎尾蕉、白姜花、水鬼蕉、薏茨、黄花鸢尾、风车草、茨菰、水葱、再力花、梭鱼草、千屈草、假俭草、纸莎草、美人蕉。这15种可开花的植物，植株普遍高大，可以与较低的植物搭配，形成中间高大有花，四周低矮无花的“伞”造型，或者是中间高大，四周低矮，长年开花的“伞”型。再综合考虑景观要求，初步设计植物配置方案：

(1)以9株植物为一个单元，美人蕉与千屈草的搭配，观赏性强。

这个配置使用了美人蕉和千屈草两种植物，美人蕉植株明显比千屈草高。美人蕉居中，四周环绕千屈草，可以形成中间高四周低的“伞”型结构，造型美观。全年开花，花色很多，千屈草夏秋两季开花，花色为白色或者四色。

(2)以9株植物为一个单元，黄花鸢尾和水鬼蕉的搭配，观赏性、实用性强。

本配置使用了黄花鸢尾和水鬼蕉两种植物，黄花鸢尾高大挺拔，能长到1.5m以上，水鬼蕉较之婆娑，植株也较小，1m以下，两者配合能形成“伞”型，造型优美。水鬼蕉和黄花鸢尾，均叶色翠绿，花期集中在夏秋两季，花色有黄有白，景观性强。

(3)以9株植物为一个单元，风车草和圆币草的搭配，观赏性、实用性强。本配置使用了风车草和圆币草两种植物。风车植株高大，能长到1m以上，外形挺拔，“上大下小”的造型，花期不定。圆币草生长旺盛，叶色翠绿，与风车草比，植株较小，最高长到0.5m左右。本配置整体造型也是“伞”型，中间高，四周低。在栽种初期，圆币草可以栽种在网格上，无须以株做为单位进行栽种。风车草和圆币草均为常用浮岛植物，从沙坦涌的试验可知，这两种植物均能迅速适应劣V类水体环境，生长旺盛。

(4)以9株植物为一个单元，梭鱼草和茨菰的搭配，美观实用。

本配置使用了梭鱼草和茨菰两种植物，梭鱼草为多年停水或湿生草本植物，叶片较大，植株高大，能长到1～2m。茨菰为多年生挺水植物，高达1.2m。梭鱼草和茨菰植株都比较高大，可添加浮瓶增加浮力。梭鱼草花期5～10月，开紫色花，茨菰花期7～9月，开百色花。梭鱼草与茨菰的搭配，花期集中在夏秋两季，中间开紫色花，四周开百色花，观赏性强。梭鱼草根茎为须状不定根，长15～30cm，具根毛，地下茎粗壮。茨菰地下具有根茎，线段形成球茎，球茎表面附薄膜质鳞片。

(5)以9株植物为一个单元，再力花和纸莎草的搭配，美观实用，但需要及时管理。

本配置使用再力花和纸莎草两种植物，再力花植株高大，能达2m以上，叶片长。纸莎草茎秆治理丛生，总苞叶状。纸莎草植株高大，最多能长到1m以上。两种植物都属于高大的湿生植物，可添加浮瓶增加浮力。再力花是温带地区花卉，越冬能力差，不耐寒，入冬后地上部分逐渐枯死，影响美观。从沙坦涌试验可得，种在河岸的再力花入冬后水上部分枯萎。即使在广州使用再力花作为浮岛植物，应加强人工管理，在越冬前收割水上部分，而且水下部分有种植篮承载，保存根茎在水中越冬。再力花和纸莎草的搭配，花期集中在夏秋，花期较短，两种植物均开紫色花，紫色是一种神秘高贵的颜色，这两种植物的搭配，适合用于对景观要求比较高且人工管理完善的水体。

(6)两株植物并列，留出足够的空间让小船行驶，人在船上进行种植、收割等操作。适用于窄长河道，便于管理。

每种植物连续种植一段，可有“十步一景”乐趣。也可以按花色进行搭配，花色相同的连续种植，如种植一段开紫色花的再力花之后，可以接着种同样开紫色花的千屈草或者纸莎草。同时开花的时候，一篇紫色，同异并存。

3 结论

研究表明生物浮岛技术对河道的水质具有一定的保持和净化作用，特别对总磷和硝酸盐氮的处理效果更好，针对氨氮的处理，要加强浮岛植物的收割管理。综合考虑景观要求，提出多种高大植株与较低的植物搭配，形成中间高大有花，四周低矮无花的“伞”造型，或者是中间高大，四周低矮，长年开花的“伞”型的植物配置方案。