人工浮床技术及其应用研究进展

人工浮床技术及其应用研究进展摘要：本文阐述了人工浮床的技术原理，及对水体中氮、磷、有机物的去除机理作了详细介绍，并全面综述了人工浮床技术在国内外的研究进展。关键词：人工浮床；无土栽培；净化水体；中图分类号：S317文献标识码：A文章编号：Abstract:Thispaperdescribesthetechnicalprinciplesofartificialfloatingbeds,anddetaileddescriptionofnitrogenandphosphorus,organicmatterremovalmechanismandcomprehensiveoverviewoftheresearchprogressofartificialfloatingbedtechnologyathomeandabroad。Keywords:artificialfloatingbedsoillesscultivationcleanwater引言人工浮床又名“人工生物浮床”、“”、“人工浮岛”、“”、“浮床无土栽培”等，是一种通过无土栽培的技术措施，以高分子材料为载体，把高等水生植物或改良的陆生植物直接种植到受污染水域上，制成的可漂浮的植物浮体组合系统。人工浮床通过植物根部的吸收与吸附作用和物种竞争相克机理，削减水体中的氮、磷等营养物质，从而达到净化水质及美化水面的景观效果，体现了一种新型的水体生态管理和污染控制理念。1技术原理人工浮床系统净化污染水体的原理如图1所示。图1人工浮床净化机理图：一方面，表现在利用表面积很大的植物根系在水中形成浓密的网，吸附水体中大量的悬浮物，并逐渐在植物根系表面形成生物膜，膜中微生物吞噬和代谢水中的污染物成为无机物，使其成为植物的营养物质，通过光合作用转化为植物细胞的成分，促进其生长，最后通过收割浮岛植物减少水中营养盐；另一方面，浮岛通过遮挡阳光抑制藻类的光合作用，减少浮游植物生长量，通过接触沉淀作用促使浮游植物沉降，有效防止“水华”发生，提高水体的透明度，其作用相对于前者更为明显，同时浮岛上的植物可供鸟类栖息，下部植物根系可形成鱼类和水生昆虫生息环境。水面上覆盖的植物可被看作是介于大气和水面之间很厚的生物膜，风速因水体表面植物而降低，减少固体悬浮物重新悬浮的几率，较快提高水体透明度。人工浮床另一重要作用是隔膜作用，在温带冬季，可避免水体表面结冰，缓冲水温的急剧变化对浮床系统的净水性能的冲击；在夏季，浮床植物可以防止水体受到阳光的直接照射，有利于降低水温。人工浮床植物拥有大量根，形成根系环境，降低水流速度，防止沟流、短流的发生，为悬浮物的沉淀创造良好的水力学条件；水体流过植物根系时，不溶性胶体就会被根系吸附而沉淀下来，附着于根系的菌体在内源呼吸阶段发生凝聚，凝聚的菌胶团可以把悬浮物和代谢物通过絮凝作用截留下来。由于根区效应1（rhizosphereeffect）的作用，植物根区中的微生物群体密度一般比水体中非根区微生物密度大，即根区是微生物赖以生存的重要场所。而根系生物量的多少、比表面积的大小是决定根区微生物附着数量的关键因素，即根系生物量大、比表面积大的植物根系可附着更多的微生物，这是影响人工浮床系统净水效果优劣的重要因素。人工浮床系统中植物根系及根状茎上形成的根孔，可提供一个良好的污染物吸附、转化界面，此“多介质界面”特有的微生物活性可加速污染物降解与转化。2人工浮床对水体中氮、磷及有机物的去除人工浮床系统中，水体的氮素主要通过基质、植物吸收及微生物硝化反硝化等途径去除。水体中的氮素一般以有机氮和NH3-N氨氮的形式存在。有机氮在人工浮床系统中被异养微生物转化为氨氮NH3-N，称之为氨化反应，之后氨氮在根区硝化菌的作用下转化为亚硝酸盐氮NO2-N和硝酸盐氮NO3-N，最后通过根区反硝化菌的反硝化作用以及根系的同化吸收作用从系统中去除。无机氮主要通过植物生长吸收及氨氮NH3-N的挥发作用去除。另外，也有研究报道，由于植物根系周围微环境中存在许多好氧、缺氧、厌氧区，可能同时存在同时硝化反硝化过程。水体中磷素的去除途径主要包括：基质及植物根系的吸收与过滤、植物的同化吸收、根区微生物的降解及悬浮物质的物理化学作用。污染水体中磷的存在形态主要是各种磷酸盐，最常见的是正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐。有基质的人工浮床系统中，比如陶粒型人工浮床，其基质对无机磷的去除作用，主要取决于基质中所含铁、铝氧化物的量，铁、铝、钙氧化物可以和磷酸盐结合生成磷酸铁、磷酸铝、磷酸钙沉淀，浮床系统中的植物也能去除无机磷，主要是在吸收同化作用下，将磷变成植物体的组成部分，通过植物收割将磷去除；适宜条件下，根区微生物中的聚磷菌(PAOs)在厌氧条件下的释磷及好氧条件下的超量摄磷也利于对磷的去除。水体中的有机物主要是通过植物根系对有机物的吸附截留作用，好氧/兼氧微生物的降解得到去除；与此同时，植物根系释出大量能降解有机物的分泌物，从而加速了有机污染物的分解。3人工浮床技术的国内外研究人工浮床应用于水体污染治理开始于20世纪70年代。1979年德国建造的schwimmkampen(floatingcampus)21是当代最早的将人工浮床(又名人工浮岛)应用于水处理领域的例子。此后，国外有人研究了利用水生高等植物净化污水的实例，选用的是一般的水生杂草，如凤眼莲（EichhorniacrassipesSolms）、喜旱莲子草（AlternantheraphiloixeroidesGriseb）和阔叶香蒲（TyphalatifoliaL）等。这些植物虽然有一定的净水能力，有些也可用作饲料、燃料等，但总的经济效益并不高，况且有些植物，如凤眼莲，生态入侵性很强，极易泛滥成灾。1982年开始，日本在慈贺县琵琶湖建造了人工浮床系统（人工浮岛），作为鲤鱼、鲫鱼、诸子等鱼类的孵卵所。1995年日本研究者在霞浦(土浦市大岩田)进行的隔离水域试验表明，在生物浮床占有率只有25%的条件下，削减了94%的浮游植物细胞数，而且有浮床的水域中化学需氧量COD浓度比对照水域低50%，但是冬天因受水温影响，各水域水质差别不大32。同一时期，美国利用多种鱼类养殖废水水培生产生菜、西红柿、草莓和黄瓜等蔬菜及风信子等花卉43。Nathalie等4用商业化深液流（NFT）水培系统漂浮栽培毛曼佗罗（D.innoxia）净化修复生活污水，取得了较好的效果5。我国的一些学者从20世纪80年代起也对人工浮床技术在水环境污染生态修复方面开展了一些有意义的研究。宋祥甫等人65利用浮床技术种植水稻，不但获得了较大的干物质产量，而且在收获农产品、美化水域景观的同时，也能去除了水体中导致富营养化的主体因素-的氮、磷元素，从而为建立利用浮岛植物净化富营养化水域提供了科学依据。在“十五”期间，宋祥甫教授就对浮床技术在治理污染水体方面的有效性做了具体论述，为浮床技术的进一步发展奠定了基础7。马立珊等人86利用香根草（Vetiveriazizanioids）分别净化南京秦淮河、金川河、玄武湖的富营养化水体，生物量可高达750t/hm2.a，可以在理论上去除氮、磷的量分别达11251325kg/hm2.a，450600kg/hm2.a。，试验为利用浮岛技术治理富营养化水域提供了新的科学依据。王旭明等人9研究表明水雍菜对污水中的氮、磷和化学耗氧量具有明显的去除效果。由文辉等人10研究表明水雍菜和水芹菜具有很好的净化效果和经济价值。刘士哲等人117利用风车草（Cyperusalternifolius）、彩叶草（Coleusblumei）和茉莉（Jasmnumsambac）净化富营养化水体，试验结果表明三种植物对氮磷、化学需氧量的净化能力为：风车草最好，彩叶草次之，茉莉最差，并提出今后还需要进一步对污染物吸收量更高的具有观赏价值的植物进行筛选。聂智凌等人128采用三种人工浮床池（美人蕉组合填料、美人蕉球形填料、美人蕉）对西太湖地区的一条富营养化的河水进行了浮床池净化试验，结果表明设置填料的二种浮床池对河水净化效果比不设置填料的