張悅玲

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

1 居住區(qū)景觀水體與生態(tài)浮床技術(shù)概述

1.1 居住區(qū)景觀水體

居住區(qū)景觀水體是指人們居住的地方周圍與水相關(guān)的自然或人工水體及其景觀。自古以來，我國的文明和城市興起都與水息息相關(guān)，人們潛移默化地選擇了臨水而居。我國在居住區(qū)水環(huán)境方面的探索已有3000多年的歷史[1]，居住區(qū)水環(huán)境的存在不僅可以為人們提供了生活?yuàn)蕵匪璧乃矗鼮榫用駧砹嗣利?、寧靜和與自然親近的居住體驗(yàn)。

按照規(guī)模大小劃分，居住區(qū)水環(huán)境可大致分為大型天然水體、中型景觀水體和小型景觀水體三類[2]。現(xiàn)代居住區(qū)對(duì)景觀水體的設(shè)計(jì)和規(guī)劃越發(fā)注重與現(xiàn)代藝術(shù)的融合。然而，中型景觀水體和小型景觀水體往往流量小，自凈能力弱，環(huán)境容量小，生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)，由于地表徑流、雨水和污水的涌入、魚類排泄物以及水生植物腐敗等所帶來的影響，景觀水體更容易富營(yíng)養(yǎng)化并誘發(fā)水華和黑臭問題，大大降低了水體的觀賞效果和環(huán)境價(jià)值。目前，修復(fù)受污染景觀水體的技術(shù)主要包括機(jī)械曝氣、泥沙疏浚、接觸過濾等物理法；絮凝沉降、氧化消毒等化學(xué)法[3]；以及人工濕地，微生物強(qiáng)化等生物方法。單一的物理或化學(xué)方法雖然可以在短時(shí)間內(nèi)改善富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體的水質(zhì)，但往往伴隨著投資大、持續(xù)時(shí)間短、二次污染和環(huán)境安全潛在威脅等缺陷，而傳統(tǒng)生物技術(shù)存在效率低、占地面積大、微生物適應(yīng)周期長(zhǎng)等問題。因此，有效開發(fā)景觀水體的修復(fù)技術(shù)對(duì)提高居住區(qū)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

1.2 生態(tài)浮床技術(shù)

生態(tài)浮床技術(shù)是一種新型的水體修復(fù)技術(shù)，它在傳統(tǒng)人工濕地的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。這項(xiàng)技術(shù)在景觀水修復(fù)工程中越來越受歡迎和廣泛應(yīng)用，原因是它具有投資少、效率高、不占用額外土地、適應(yīng)水深范圍廣、操作靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單和綠色經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，生態(tài)浮床技術(shù)對(duì)水中的氮磷污染物具有較高的去除效率，并且能夠有效抑制藻類生長(zhǎng)。此外，它還可以有效地預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化，并為水生動(dòng)物和鳥類提供棲息地。

生態(tài)浮床技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初，最初是被土耳其沿海居民用于種植水生經(jīng)濟(jì)作物，通過在生態(tài)浮床載體上種植水生植物，實(shí)現(xiàn)了無土栽培，無需施肥和額外的土地占用，這在當(dāng)?shù)氐玫搅藦V泛推廣。隨后，人們發(fā)現(xiàn)生態(tài)浮床上的植物可以吸收水中的養(yǎng)分用于自身的生長(zhǎng)和繁殖，并且附著在植物根部的生物膜通過微生物的作用可增強(qiáng)水中污染物的降解，從而生態(tài)浮床逐漸發(fā)展成為一種凈水技術(shù)[4]。德國于1979年正式建立了第一個(gè)生態(tài)浮床技術(shù)系統(tǒng)，并將其用于水凈化。此后，一些發(fā)達(dá)國家如英國、美國、日本和加拿大相繼采用生態(tài)浮床技術(shù)來處理污染的河流、湖泊和水庫等景觀水域并取得了良好的凈化效果，我國一直重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)，近年來在使用生態(tài)浮床技術(shù)來修復(fù)景觀水體方面取得了良好的進(jìn)展。

2 生態(tài)浮床組件元素

2.1 浮體框架

浮體框架提供生態(tài)浮床所需浮力，使植物能在水面上生長(zhǎng)，適應(yīng)不同水深，彌補(bǔ)人工濕地對(duì)水位變化適應(yīng)性差。早期生態(tài)浮床的載體框架由竹子、樹枝、稻草等天然材料構(gòu)成，后來引入聚苯乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯等新型載體。這些新材料具有穩(wěn)定性高、耐久性好、抗沖擊載荷強(qiáng)、不溶解等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)居住區(qū)景觀水體而言，在選擇生態(tài)浮床載體框架時(shí)，應(yīng)充分考慮浮體框架的大小是否與景觀水體匹配，還應(yīng)綜合考慮易獲得、價(jià)格低、疏水性好、穩(wěn)定性高、無二次污染、易生物膜富集等因素。

2.2 植物種類

植物在生態(tài)浮床中起著重要作用：吸收水中污染物、提供微生物附著位點(diǎn)、美化環(huán)境、提供棲息地。適合生態(tài)浮床的植物大致可分為三類：挺水植物，漂浮植物和沉水植物，其中，美人蕉、菖蒲等挺水植物的養(yǎng)分吸收能力強(qiáng)；水葫蘆、浮萍等漂浮植物適應(yīng)性強(qiáng)，生長(zhǎng)迅速；角苔、水苔等沉水植物抗污能力強(qiáng)。植物生長(zhǎng)狀況對(duì)養(yǎng)分含量和污染物去除能力產(chǎn)生影響，一般來說，植物生長(zhǎng)得越好，每株植物可以獲得的養(yǎng)分含量就越高，并且在水中對(duì)污染物的吸收和去除能力越強(qiáng)。居住區(qū)景觀水體的主要污染物是C、N和P，這些污染物正可以作為植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素，因此應(yīng)優(yōu)先選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境、抗逆性強(qiáng)、耐低溫、根系發(fā)達(dá)、景觀效果好、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的植物物種建立生態(tài)浮床[5]。

2.3 床體基質(zhì)

最初，生態(tài)浮床中床體基質(zhì)的功能是固定植物并促進(jìn)生物膜附著。常見的床體基質(zhì)材料包括稻草、塑料、海綿和無土，不同床體基質(zhì)固定植物的方法也不同。隨著研究的進(jìn)展，新材料如椰殼、火山礫石、陶粒和聚丙烯纖維等也被應(yīng)用于生態(tài)浮床。這些新材料具有更優(yōu)秀的吸附、絮凝和沉淀污染物等功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了生態(tài)浮床的水質(zhì)改善作用。在選擇生態(tài)浮床介質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮成本低、彈性好、易獲得、吸水性強(qiáng)、易固定和不易腐爛等因素。同時(shí)，使用微孔膜隔離可以避免培養(yǎng)基和植物根系直接接觸，減少對(duì)根系的損害、收獲的難度，并提高資源利用率。

3 居住區(qū)景觀水體生態(tài)浮床修復(fù)機(jī)制

3.1 水體自凈

除了生態(tài)浮床水處理系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的改善作用外，水體的自凈過程也在去除污染物方面發(fā)揮重要作用。一般來說，浮游植物、浮游動(dòng)物和水生動(dòng)物共同在水系中形成水生生態(tài)系統(tǒng)。浮游植物通過吸收水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來生長(zhǎng)，并通過光合作用降低污染物濃度。浮游動(dòng)物和水生動(dòng)物捕食浮游植物，加速養(yǎng)分的同化和利用。此外，顆粒污染物的沉降也有助于污染物去除。水體自凈對(duì)氮的去除率通常高于對(duì)磷的去除率，這與水體中氮濃度較高且浮游植物對(duì)氮需求較大有關(guān)。水體的自凈性受光照、溫度、溶解氧和污染物濃度等環(huán)境條件影響。與大型天然水體相比，盡管水自凈對(duì)中型和小型景觀水體中污染物去除的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，但由于中型和小型景觀水體的面積相對(duì)較小，深度較淺，水生生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單且更脆弱，其作用仍然重要。

3.2 植物吸收

生態(tài)浮床的構(gòu)造特性促使植物根系分散生長(zhǎng)形成濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，吸附和過濾水體中的非溶解態(tài)顆粒物，提高水體透明度，同時(shí)減緩水流速度促使顆粒物沉降，同時(shí)達(dá)到除磷的效果。溶解性污染物通過主動(dòng)運(yùn)輸、擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散進(jìn)入植物根系表面。植物在生態(tài)浮床系統(tǒng)中使用養(yǎng)分構(gòu)建自身組織，并通過代謝轉(zhuǎn)化降低水中污染物濃度，具體表現(xiàn)為植物根系吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽，并通過生長(zhǎng)收割將污染物徹底移除。浮床植物還能吸收重金屬和有機(jī)物，但富集能力因植物種類和重金屬種類而異。不同植物物種的生長(zhǎng)條件和形態(tài)差異導(dǎo)致其對(duì)污染物去除的貢獻(xiàn)差異較大，植物吸收對(duì)氮、磷去除的平均貢獻(xiàn)約為24.9 ～62.6%和31.4 ～67.1%，因此，在修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體方面可以發(fā)揮重要作用[6]。

3.3 微生物轉(zhuǎn)化和沉降

生態(tài)浮床中發(fā)達(dá)的植物根系不僅增強(qiáng)了植物對(duì)水中污染物的吸收能力，還為微生物提供了附著位點(diǎn)，從而在根系表面形成生物膜。生物膜中的細(xì)菌和原生動(dòng)物通過同化和轉(zhuǎn)化利用小分子養(yǎng)分，并分泌酶加速大分子污染物的降解。水生植物根系釋放氧氣，使得生物膜不斷生長(zhǎng)為包含細(xì)菌、真菌、藻類、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物的微生物共生體。生物膜形成的好氧-厭氧區(qū)，有利于硝化、反硝化、厭氧磷釋放和好氧磷吸收。此外，浮床系統(tǒng)的植物根系、載體和介質(zhì)能攔截和吸附水中的顆粒污染物，避免水力擾動(dòng)影響內(nèi)源性釋放，通過沉降作用去除污染物。然而，不同浮床系統(tǒng)中的根系、水流量和水質(zhì)差異導(dǎo)致沉降對(duì)污染物去除的貢獻(xiàn)有所不同。微生物轉(zhuǎn)化和沉降在植物根區(qū)發(fā)揮作用，對(duì)氮素和磷的去除貢獻(xiàn)率在7.9 ～75.6%和11.9 ～69.1%之間。因此，微生物轉(zhuǎn)化和沉降是生態(tài)浮床在水凈化中的主要機(jī)制，為提升生態(tài)浮床的凈化能力提供了主要方向。

4 居住區(qū)景觀水體修復(fù)中生態(tài)浮床設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 浮床覆蓋率

生態(tài)浮床在水體表面的覆蓋率是生態(tài)浮床設(shè)計(jì)中的主要控制參數(shù)之一，在一定范圍內(nèi)隨著浮床覆蓋率的增加，污染物的去除率會(huì)提高。同時(shí)，生態(tài)浮床的設(shè)置一定程度上降低了水面的光照強(qiáng)度，可抑制浮游植物的生長(zhǎng)。然而，過度覆蓋會(huì)削弱大氣對(duì)水體溶解氧的補(bǔ)充而阻斷水體的復(fù)氧作用，并破壞水生生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)還會(huì)增加建設(shè)成本。有研究表明，隨著浮床覆蓋率的增加，水中氮的去除效率有所提高，但溶解氧濃度有所下降[7]。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)浮床占據(jù)景觀水體水域面積的 50%以上時(shí)，其凈化性能就會(huì)因水體缺氧而下降。不僅如此，過大的浮床覆蓋率也會(huì)影響景觀水體的美觀，降低其觀賞價(jià)值。

4.2 植物密度

植物密度是通過每單位面積在床體基質(zhì)上種植的植物數(shù)量來衡量的。較高的植物密度通常意味著更大的植物吸收潛力和對(duì)污染物的去除效率。然而，由于空間限制，過多的植物密度會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng).不同植物物種的植株密度范圍也有所不同，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)，而常見的水生植物美人蕉和菖蒲的植株密度分別約為150和20株/m2[8]。一般來說，植物密度與植物物種的個(gè)體大小呈負(fù)相關(guān)。在不影響植物正常生長(zhǎng)的情況下，應(yīng)盡可能增加植物密度。

4.3 設(shè)計(jì)水深

生態(tài)浮床作為一種浮水處理技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)水深具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。在實(shí)際應(yīng)用中，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)水深對(duì)于保持生態(tài)浮床的良好處理性能至關(guān)重要。水位過高會(huì)導(dǎo)致水分層，限制了生態(tài)浮床的凈化能力，不利于施工和錨固；而過低的水位不利于生態(tài)浮床的穩(wěn)定性和植物生長(zhǎng)。不同植物種的根長(zhǎng)差異較大，莎草科植物通常植株體型高大，其根長(zhǎng)可達(dá)到90cm；而葦狀羊茅一類體型較小的植物根長(zhǎng)只有18cm左右。根系除了對(duì)植株成長(zhǎng)有很大影響外，對(duì)水質(zhì)的凈化也有很大的貢獻(xiàn)，因此，水體的設(shè)計(jì)水深應(yīng)大于生態(tài)浮床所種植植物的最大根長(zhǎng)。因此，在設(shè)計(jì)生態(tài)浮床水深時(shí)應(yīng)考慮場(chǎng)地條件、植物生長(zhǎng)特性和凈化效果等因素。綜合多項(xiàng)類似研究發(fā)現(xiàn)，推薦生態(tài)浮床的設(shè)計(jì)水深為60 ～110 cm[9]。

4.4 水動(dòng)力條件

地表水體的水動(dòng)力條件主要包括水流情況、風(fēng)浪大小等。一般而言，水流過急或風(fēng)浪過大不 僅會(huì)對(duì)床體及植物產(chǎn)生破壞，還會(huì)縮短浮床凈化污 水的水力停留時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致凈化效果的下降。有研究表明，生態(tài)浮床的布局位置也影響其凈化能力，設(shè)置生態(tài)浮床會(huì)降低流速，提高水位，而較低的水流速有利于生態(tài)浮床凈化效率的提高[10]。還有研究表明，流經(jīng)生態(tài)浮床植物根系的水流越大，污染物去除率越高，平行排列的生態(tài)浮床凈化效果優(yōu)于串聯(lián)分布。因此，生態(tài)浮床的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能靠近景觀水體的濱水區(qū)，以減少對(duì)其對(duì)水文特征的影響。

5 結(jié)論與展望

本文基于生態(tài)組成要素和設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)回顧和探討了利用生態(tài)浮床技修復(fù)居住區(qū)景觀水體的可行性。同時(shí)，深入分析了生態(tài)浮床技術(shù)的修復(fù)機(jī)制以及作用方式，為提高污染物去除效率提供了一定的參考。最后，針對(duì)生態(tài)浮床技術(shù)修復(fù)居住區(qū)景觀水體方面的研究和應(yīng)用問題，提出了需要考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)。主要結(jié)論如下：1)浮體框架應(yīng)選擇易于獲取，價(jià)格低，疏水性好，穩(wěn)定性高的材料。植物應(yīng)選擇當(dāng)?shù)乜鼓嫘詮?qiáng)、耐寒性好、根系發(fā)達(dá)、景觀效果高、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的植物品種。床體基質(zhì)應(yīng)選擇彈性好、吸水性強(qiáng)、易固定、不易腐爛的材料；2)生態(tài)浮床的設(shè)計(jì)水深建議為60 ～110cm，植物種植密度與植物大小成反比。浮床覆蓋率應(yīng)與水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度以及水域面積綜合考量，過高或過低均會(huì)降低生態(tài)浮床的處理效率；3)生態(tài)浮床對(duì)居住區(qū)景觀水體水質(zhì)的處理機(jī)制包括水自凈，植物吸收，微生物同化和沉降。其中，微生物轉(zhuǎn)化和沉降對(duì)污染物去除的貢獻(xiàn)最大；4)未來生態(tài)浮床在修復(fù)居住區(qū)景觀水體水質(zhì)的研究應(yīng)側(cè)重于提高其凈化效率和季節(jié)適應(yīng)性，通過研制綠色環(huán)保的載體材料、選育高適應(yīng)性水生植物以及篩選高效的特定微生物提升生態(tài)浮床的技術(shù)性能。

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