范玉超+杨涛+潘莹等

摘 要：根据生物炭的强吸附特性，对传统生态浮床进行改进，构建了由浮床框体、床体、内外双环圆柱结构种植单元、沉水植物生长袋4个部分组成的新型组合生态浮床，结合水下空间和水面景观重点描述了浮床的构建过程，为生态浮床的发展提供了新的思路。

关键词：生态浮床；生物炭；吸附；净化

中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）15-95-04

The Design of Ecological Floating Bed Based on Biochar

Fan Yuchao et al.

（School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：According to the strong adsorption properties of biochar，a new kind of floating bed named combined ecological floating bed was constructed，which included the floating bed frame body，the bed body，inside and outside double cylindrical structure with planting unit，submerged plants grow bags of four parts.Combination with under-water space and water landscape were used to mainly describe the process of the construction of the floating bed，providing a way for the development of ecological floating bed.

Key words：Ecological floating bed；Biochar；Absorption；Purification

随着工农业的快速发展，污染物进入环境的途径增多，从而引发了一系列的环境问题，其中水体富营养化已成为水污染问题的重中之重。水体富营养化是指湖泊、水库、河流等水体受纳过量的氮、磷（N、P）等营养物，促使藻类暴发进而导致水体水质恶化并加速水体老化，从而使水体生态系统和水功能受到阻碍和破坏的过程[1～3]。水体富营养化造成鱼类等水生动植物死亡，引起水质下降，威胁安全用水。

国家环境保护“十二五”规划指出，深化重点流域水污染防治，遏制湖体富营养化趋势，主要入湖支流基本消除劣Ⅴ类水质。鉴于湖泊、河流、水库等水体富营养化问题形势严峻，广大科技工作者进行了大量的研究，生态浮床技术正是在此背景下发展起来的一种水体原位修复技术，具有无需占地、低成本、材料来源广泛、操作方便、修复效果好、运行管理简单的特点[4]。为此，本文介绍了生态浮床的研究现状，并对传统生态浮床结构进行改进，以期对富营养化水体的生态修复技术有所帮助。

1 生态浮床技术

1.1 生态浮床的净化机理 作为一种新型水体富营养化修复技术，生态浮床被广泛研究及应用。它主要是将高等水生植物或改良后的陆生植物运用无土栽培技术种植到浮于水面的床体上，通过植物根系的吸收、吸附作用和根系附着微生物的降解作用，削减水体中的氮、磷等营养物质，并以收获植物体的形式将其搬离水体，达到净化水质的作用并兼具环境美学功能[5-8]。生态浮床的主要净化机理是利用植物根系形成生物膜，通过氨氧化、反硝化作用等途径，将污染物吸收或转化，同时利用浮床植物在营养物质、光照等方面的竞争优势，抑制藻类生长[9-11]。

1.2 生态浮床的结构和功能 生态浮床的主要结构有：浮床框体、床体、基质和植物，如图1所示。其按框体材料的不同主要分为：竹竿浮床、泡沫浮床、竹筐浮床、椰丝浮床、轮胎浮床、塑料管浮床、塑料片浮床、混凝土浮床、塑料盘浮床。按构造结构又可分为干式生态浮床和湿式生态浮床，其中植物和水接触的为湿式，不接触的为干式[12]。

图1 生态浮床结构

浮床结构单元的研究主要集中在床体、基质和植物方面：

1.2.1 床体 床体的主要作用是为生态浮床提供浮力，保证能够支撑基质和植物。常用的床体材料有：（1）有机高分子材料：具有加工特性好，强度大，化学稳定性好，材质轻等优点，如聚苯乙烯泡沫板，聚丙板等[13-14]；（2）无机材料：多孔结构，比表面积大，适合于微生物附着挂膜，可高效吸附污染物质，但加工难度大、成本高，实际中应用较少，如陶粒、蛭石和珍珠岩等[15-17]。

1.2.2 浮床 浮床基质用来固定植物，并保证植物能够充分吸收水分、氧气和养料，兼具耐腐、弹性足、固定力强、蓄肥、保肥、无污染的特性。常用海绵、椰子纤维等天然材料作为浮床基质的材料。

1.2.3 植物 植物是浮床净化水体的主体，需要其能够适应当地的气候条件，具有较高的成活率、抗污能力强、能够快速生长、生物量大，根系发达、根茎繁殖力强，并具备一定的观赏性和经济价值。目前应用较多的浮床植物有美人蕉、水浮莲、香根草、菖蒲、石菖蒲、凤眼莲、水芹菜、水雍菜等[18-20]。

1.3 生态浮床的研究进展 目前，对于富营养化水体的治理与修复，人们越来越多的采用生态浮床技术，特别是欧美发达国家。该技术既改善了湖泊、水库及饮用水水源地的水质，同时避免了物理、化学方法带来的投资大、操作难和易引起二次污染等问题。

美国生态学家Gurney最早开展浮床技术的研究[21]。20世纪70年代起，为了改善水质、消除水体污染，日本、欧美等发达国家率先采用生态浮床技术治理水域，达到了净化水质的目的[22]。如日本在琵琶湖、霞浦、诹访湖等著名湖泊、水库以及公园的池塘等水域设置生物浮床，不仅有效的净化了水质，而且改善了湖滨景观[23]。1995年Tomas等[24]以污水作为培养基来研究季节和水力停留时间对浮游水生植物吸收磷的影响，筛选出对P吸收较强的十大水生植物，其中以美人蕉和鱼腥草的吸收率最高。同年，第六届世界湖泊大会在日本召开，人工浮床技术进一步被人们认可[25]。

Komer等[26]研究了浮萍对生活污水中氮/磷的去除，结果表明，30%～52%的氮/磷去除都直接或间接来自植物的贡献。Chang[27]在佛罗里达州利用浮床植物在构造的隔围内进行实验，综合经济和处理效果后得出，5%的覆盖面积效果好于10%。Lloyd等[28]在新加坡的克兰芝水库利用香蒲、香根草和毛蓼构造浮床，结果表明，3种植物浮床对TN和TP的去除负荷较高。

国内生态浮床的研究大致始于20世纪90年代，起初浮床中栽培的植物多是水生植物，后来环境学者将陆地上种植的草本陆生植物种植在浮床上，取得了较好的净化效果及更高的收获量与景观效果[29]。

王国祥等[30]利用镶嵌组合植物群落控制湖泊饮用水源区藻类及氮污染，结果表明，净化后藻类生物量、数量，总氮均显著下降，水质得到明显改善。邴旭文等[31]采用浮床无土栽培技术，在池塘水面种植美人蕉控制富营养化，结果显示，在富营养化池塘中，美人蕉的覆盖率与水体中N、P的去除率呈正相关。黄廷林等[32]将绿萝、美人蕉和龟背竹3种植物用于人工浮床，试验期间，植物对水中N、P的去除效果较好且长势良好。孙连鹏等[33]研究了不同季节美人蕉浮床去除水体中氮素等营养物质的净化效果，结果表明，春季美人蕉浮床对水中氮素的去除效果较好，秋季去除效果有所下降。

司友斌等[34]以巢湖湖水、合肥环城河水及安农大池塘水作为供试水样，研究浮床香根草对富营养化水体的净化效果，试验表明，香根草生长良好，在56d生长期内对总氮去除率均达85%以上，对氨氮去除率可达100%，对总磷也有较高去除率；同时，香根草是一种集原料、饲料、燃料于一体的经济植物，此技术具有广阔的应用前景。童昌华等[35]利用水生植物净化和底泥遮蔽的方法对养鱼池的富营养化水体进行研究，结果表明，狐尾藻和微齿眼子菜对水中TN、TP和NO3-N的去除效果最好，1个月后对TN、TP的去除率均可达80%以上。卢进登等[7]利用人工生物浮床栽培植物20余种，成活率大都在70%以上，研究认为芦苇对水质的净化效果最好，其次分别为荻、水稻、蕹菜、牛筋草、香蒲和美人蕉。其中对蕹菜和水稻植株的检测完全符合国家有关卫生标准，可作为蔬菜和青饲料。

郑剑峰等[36]研究了美人蕉和风车草浮床在冬季低温条件下对氮、磷的迁移能力，结果显示，2种植物都能在低温条件下正常生长，并对氮、磷有一定的吸收且生物量明显增加。Zhao等[37]利用河道周围的植物构建浮床净化河水，结果表明，夏季浮床对各项指标的去除率都明显高于春冬季，同时，浮床植物对Ca、Mg、Fe、Mn等重金属有一定的去除效果。

2 基于生物炭的生态浮床设计

在传统生态浮床技术中，植物体系物理吸附和生物吸收除去氮、磷所需要的时间往往都是几十个小时或者几十天，且贡献较小，净化功能主要是通过附着在浮床系统上微生物的硝化、反硝化作用来实现。因此，提高微生物在浮床系统上的附着、增殖能力，提高脱氮除磷效果是当前生态浮床技术存在的问题和研究的工作重点。

2.1 设计思路 针对当前生态浮床技术存在的问题，结合生物炭的强吸附性和植物对污染物吸收的共同作用，将两者利用起来达到对水体的高效净化。生物炭环境友好，本身可作为一种超强吸附剂对水体起到一定程度的净化，且水体中的微生物可吸附在生物炭表面[38]。

2.2 浮床设计 基于生物炭的生态浮床设计以生物炭作为基质，单元结构上采用内外双环组合方式，方便植物收获及季节性更换。

2.2.1 浮床框体 采用浮管作为框体，PVC浮管耐腐蚀、经久耐用、成本低、易于回收，不产生二次污染；另外，浮管可以提供浮力，增加整个浮床的稳定性，且便于和床体进行安装。

2.2.2 床体 选择应用较广泛的高密度聚乙烯（HPDE）制成的薄板，该材料密度为0.94～0.97g/cm3[39]，坚固耐用，具有良好的抗腐蚀性和稳定性，不入水下沉。目前已有该材料制成的具有特殊边角设计的模块，可以用U型扣或螺丝进行连接，组装拆卸更便捷。此次设计我们选择了矩形形状的床体，实际应用中可根据地形和湖泊特点，设计成六边形或菱形等结构。

2.2.3 基质 生物炭是难溶、稳定、高度芳香化，且富含碳素的黑色蓬松状固态物质，属于黑炭范畴，其碳、氢、氧、氮等含碳量在70%以上[40]。生物炭具有致密的微孔结构，比表面积巨大，吸附能力强，且生产成本低、生态安全、无污染、适合大面积推广，在治理水体和土壤重金属及有机污染方面得到了广泛的应用。花泥吸水性强、易塑形，能够固定植物并为植物生长提供良好环境。

每个种植单元由大口径PVC管构建内外双环结构，外环填充生物炭，内环填充花泥并种植植物。内环底部封有多孔尼龙网，既可防治植物掉落，又可保持内环的独立性，方便取出更换或收割植物，如图2所示。

图2 基于生物炭的生态浮床种植单元俯视、剖面图

2.2.4 植物 植物适宜生长的温度、气候、降水等因素差异较大，因此，必须因地制宜、因时制宜的选择浮床植物。例如：安徽北部地区适合选择西伯利亚莺尾、千屈菜、花叶美人蕉等，这几种植物量大、根系发达、根茎繁殖能力强、植株优美，具有一定的观赏价值。

2.2.5 组合物 在浮床主体结构的基础上，每个床体单元的拐角设计一个沉水植物生长袋（大网孔），内置陶粒和植物种，并用塑料绳将其固定于床体。优先选择菹草、狐尾藻等适应能力强的沉水植物。沉水植物生长袋的应用在稳定床体的同时，还可以进一步吸收水体中的氮磷等物质，并可以充分提高对水体的分层利用率，加速对污染物的去除。浮床结构设计图如图3所示。

图3 基于生物炭的生态浮床设计

2.3 设计优点 （1）设计采用生物炭作为生态浮床的基质具有以下优点：①生物炭能够吸附水中的重金属、有机物及氮磷等物质，提高污染物与植物根部的接触浓度；②生物炭疏松多孔，为微生物提供巨大的附着空间，增加浮床结构单元中微生物的数量和种类，提高对污染物的去除能力；③生物炭含有一定的微量元素和有机物质，具有保肥、保水的能力，能够促进植物的生长。（2）生长后期植物根系穿出花泥接触到生物炭，此时植物根系既能从水体中吸收有机物和离子，又能从生物炭中吸收有机物，通过根系形成生物膜将污染物吸收、转化。（3）沉水植物以生长袋为根基向水体中层生长，其枝叶和根系在水中形成浓密的“生物网”，吸附水体中大量的悬浮物。发达的植物根系表面也可附着微生物降解污染物。

3 展望

目前，我国城市湖泊大部分处于重度富营养化阶段，既影响城市景观又威胁用水安全。生态浮床技术集净化水质、减少污染、改善环境等综合效益为一体，并且制作成本低、操作简便、易于推广。基于生物炭的生态浮床设计，采用内外双环结构，内环方便取出，可种植水芹、生菜等经济作物，在净化水质、增加城市湖泊景观效果的同时，还可以获得一定的经济收益；床体拐角设沉水植物生长袋，拓展下层水体利用空间，沉水植物形成的“生物网”又可吸附水中悬浮物，增加微生物量，提高污染物处理效果。因此，基于生物炭的生态浮床设计具有广阔的应用前景。

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