亲水平台型组合生态浮床技术：长三角乡村生态保育与修复设计

生态浮床是根据自然生态规律，结合现代农艺及环境治理措施，利用植物、微生物在污染水体中吸收、吸附和降解水中污染物的技术，具有投资少、运行性能稳定、节约能源、维护简单方便等优点。目前国内外对生态浮床作为生态强化技术改善水质的研究较多，也取得了很好的效果，但多数生态浮床对于浮床的结构、如何更好更充分地接触污染水体方面、如何提高对于氮磷等污染的去除率方面的研究还不够。因而，针对长三角水系丰富，水质恶化的现状，我们吸取现有生态浮床的优点，设计了一种具有生物多样性的生态浮床工艺，通过浮床的立体分区构造设计，在浮床中建立以水生植物、水生动物及微生物为主的食物链，发挥生态净化功能，同时利用人工介质富集微生物，多方位地净化水体，有利于难降解性污染物的去除及富营养化的改善，保证水质改善效果。这种浮床符合乡村特色的亲水平台型组合生态浮床技术，不仅经济实惠、可操作性强，而且可实现水体的原位修复、美化水域，是组成长三角乡村水环境生态修复的关键技术之一。

1.浮床设计

新型组合生态浮岛分Ⅰ、Ⅱ两层：Ⅰ层为水生植物层，由多个333 mm×333 mm正方体浮岛拼接板组成，水生植物例如水芹、空心菜等种植在拼接板的篮筐内（直径60 mm的圆形篮筐）。Ⅱ层为深度处理层，该层分为A、B、C处理区，A处理区为废弃软壳，由含钙量较高的牡蛎壳放置于网笼内，再用悬挂介质悬挂在浮岛底部拼接板组成；B处理区为水生动物网笼，养殖田螺、河蚬等水生动物，该水生动物也将放置在网笼内，悬挂在浮岛底部拼接板上；C处理区为人工纤维填料，利用一些人工纤维填料富集微生物，悬挂在浮岛底部拼接板上，用于水质净化。

整个浮岛联用水生植物、水生动物、废弃软壳，发挥它们在净水方面的组合效果：浮岛I层种植水生植物吸收水中氮磷等营养元素，利用植物根系过滤去除颗粒性污染物和藻类；浮岛II层养殖田螺等水生动物，通过动物内部消化作用将难降解性污染物分解或者转化。悬挂含钙量高的废弃软壳，一方面通过吸附的作用去除磷，另一方面也能附着一些微生物，为水质的净化提供作用。悬挂人工纤维填料，富集土著微生物，利用微生物的分解作用去除水中污染物。1 m2新型组合生态浮岛示意图如图3.78所示，实际搭建浮岛面积根据实地需要选取。

图3.78　净水组合生态浮床示意图

2.实验装置

根据上述设计，在实验室中，搭建了新型生态浮床与普通浮床，开展了新型浮床与普通浮床的处理效果对比实验。新型浮床选取8个小正方形单元，搭建水生植物区（种植空心菜）、水生动物区（悬挂田螺网笼）、人工介质区（悬挂人工介质）。普通浮床只选取8个小正方形单元，仅搭建水生植物区，种植空心菜。

实验浮床水箱体积为1.3 m×0.7 m×1 m，实验进水桶体积为500 L。实验中，在进水桶中配制原水，然后利用泵抽吸进入浮床水箱。水箱中水流方式为水箱一侧底部进水，从水箱的另一侧上部出水，出水方式也是通过泵吸作用，将水流入排水沟渠中，以达到水体可以与浮床得到充分接触的目的。实验运行装置示意图如图3.79所示，实验实际运行图如图3.80所示。

图3.79　浮床实验运行装置示意图

图3.80　实验实际运行图

（a）新型浮床 （b）普通浮床

3.运行条件

实验用水采用人工配水，其水质指标范围大约为：COD为40～60 mg/L、NH3-N为5～9 mg/L、TN为7～13 mg/L，TP为0.8～1.2 mg/L，配比参考方案如表3.26所示。实验采用连续进水方式，保持水力停留时间为4 d，水力负荷1.74 m3/（m2·d）。

表3.26　实验配水浓度

实验运行周期为135 d，常规水质指标监测均依据《水和废水监测分析方法（第四版）》，分析项目包括化学需氧量、氨氮、总氮、总磷。

4.生态浮床对比实验结果分析

1）有机物去除效果分析

图3.81为新型生态浮床和普通浮床对COD的去除率的变化。整个运行期间，新型生态浮床COD的进水浓度在47.11～51.88 mg/L，普通浮床COD的进水浓度在47.61～50.91 mg/L。

图3.81　浮床对COD的去除效果

运行初期，即0—15 d，新型生态浮床和普通浮床对于COD去除效率呈现小波动状态，但去除率稍有增加。新型生态浮床的去除率在19.2%～32.9%之间波动，平均去除率为26.8%；而普通生态浮床的去除率在18.0%～28.2%之间波动，平均去除率为24.8%。此期间，两种生态浮床系统尚未稳定，浮床的空心菜刚开始生长，对COD的去除主要靠水中的微生物作用，因而去除效果一般，且有所波动。

运行时间在16—25 d时，新型生态浮床和普通浮床对于COD去除效率相差不多，去除率随着运行时间不断上升，此期间空心菜生长迅速，吸收分解有机物为生命活动提供能量，因而促进了有机物的去除，同时植物根系富集了微生物，对有机物进行了吸收转化作用。

运行时间从26 d开始，新型生态浮床对于COD的去除效果明显优于普通浮床。该时间段内，人工介质富集的微生物增殖迅速、活性增强，有机物降解能力提高，而且田螺等生物也需要有机物维持生命活动，因而新型浮床对于COD的去除效果提升较快。

运行稳定期自40 d之后，新型生态浮床和普通浮床对于COD去除效率开始趋于稳定状态。40～135 d内，新型生态浮床COD的平均出水浓度维持在13.315 mg/L，平均去除率为73.3%；普通浮床COD的平均出水浓度维持在20.900 mg/L，平均去除率为57.7%，新型生态浮床对于COD的去除率高于普通浮床。分析认为，新型浮床中的田螺等生物逐渐适应环境、人工介质富集微生物、空心菜长势稳定，三者均对COD去除有一定的作用，且共同形成的植物-动物-微生物体系对COD的去除具有强化作用。

2）氨氮去除效果分析

图3.82为新型生态浮床和普通浮床对氨氮的去除效果。整个运行期间，新型生态浮床氨氮的进水浓度在6.74～7.30 mg/L，普通浮床氨氮的进水浓度在6.77～7.21 mg/L。

在0—19 d，新型生态浮床和普通浮床对于氨氮的去除呈明显的上升趋势，两者对氨氮的去除效果差异不大，新型生态浮床对于氨氮的平均去除率为34.0%，普通浮床对于氨氮的平均去除率为28.0%，新型生态浮床对于氨氮的去除效果仅提高了6%。这期间，空心菜对氨氮的吸收、根系对颗粒性污染物的截留以及根系附着微生物的生物降解对氨氮的去除，产生了很大的作用。(www.xing528.com)

运行时间从20 d开始，新型生态浮床和普通浮床对于氨氮的净化作用趋于稳定，且新型生态浮床对于氨氮的净化作用高于普通浮床。20—135 d期间，新型生态浮床氨氮的出水浓度为1.93～2.72 mg/L，对于氨氮的平均去除率为69.7%，普通浮床氨氮的出水浓度为2.91～3.77 mg/L，对氨氮的平均去除率为55.2%，新型生态浮床对氨氮的平均去除率比普通浮床高出14.5%。分析认为，人工介质富集的微生物在其表面形成的生物膜对氨氮进行脱氮作用，植物对氨氮的吸收同化作用，以及植物根系对氨氮污染物截留吸附作用，田螺单元依靠田螺的同化作用，都对氨氮的去除做出了贡献。相关研究结果表明，在生态工程中，与微生物相比植物吸收所产生的净化效果较小，这是人工介质单元和田螺单元净化贡献率大于空心菜单元的根本原因，也是新型生态浮床对于氨氮的去除效果优于普通浮床的主要原因。

3）总氮去除效果分析

由图3.83可见，整个运行期间，新型生态浮床总氮的进水浓度在9.122～10.817 mg/L，普通浮床总氮的进水浓度在9.10～10.98 mg/L。

图3.83　浮床对总氮的去除效果

运行时间在0—10 d期间，新型生态浮床和普通生态浮床对于总氮的平均去除率分别维持在19.7%、17.1%，两种浮床的去除率差异性很小。此间，对总氮净化起作用的主要为微生物和植物根系形成的生物膜对总氮的降解转化，以及空心菜生长对氮的需求。

运行时间在11—35 d期间，新型生态浮床和普通生态浮床总氮的出水浓度都呈下降趋势，而且在20 d之后，新型生态浮床总氮的出水浓度逐渐低于普通浮床，新型浮床对于TN的平均去除效率比普通浮床要高6%～7%。此时，附着在人工介质及空心菜根系表面的硝化细菌的硝化作用及空心菜的吸收作用都会对总氮的去除产生效果。

运行稳定期在35—135 d期间，新型生态浮床对于总氮的平均去除率为69.1%，普通浮床对于总氮的平均去除率为60.6%；新型生态浮床对于总氮的去除率最高达到71.6%，平均去除效果高于普通浮床8.5%。这段时间内，田螺适应水生环境，生物量的上升，可提高对藻类及其他有机颗粒的滤食和消化，从而促进了颗粒性有机物的氨化作用。在生态浮床中，通过水生动物田螺—藻类等植物—微生物的食物链作用，提高了包括藻类在内的颗粒性有机物的可溶化和无机化（氨化）以及可生化性，同时改善了人工介质生物膜中微生物的基质条件，促进了硝化细菌的生长和活性，提高了对总氮的去除效果。

4）总磷去除效果分析

图3.84　浮床对TP的去除效果

从图3.84可知，新型生态浮床进水TP为0.92～1.21 mg/L，普通浮床进TP为0.94～1.17 mg/L。运行前期0—12 d，新型生态浮床对于TP的去除效果略微高于普通浮床，此间，田螺等生物未完全适应新型生态浮床，人工介质也未完全富集微生物，新型生态浮床与普通浮床相比，对于TP的去除作用不明显。同时在这0—12 d期间，普通浮床对于TP的去除效果呈现波动状态，跟系统刚刚起步未完全稳定有关系。

运行时间18—44 d，新型生态浮床和普通浮床对于磷的去除作用，逐渐出现差别。此间，两种浮床中的空心菜迅速生长，根系茂盛，空心菜根系开始发挥作用，吸收了部分的磷。新型生态浮床田螺等生物构建的生态系统形成，人工介质富集的微生物，都对磷的去除产生了作用。因而两种生态浮床对于磷的去除率都有提高，但是新型浮床对于TP的去除效率远大于普通浮床，该阶段，新型浮床的平均去除率约62.1%，普通浮床的平均去除率约49.0%，新型浮床比普通浮床的平均去除率高出13.1%。

运行时间45—80 d，新型生态浮床和普通浮床对于磷的去除作用维持在一个稳定区间，此间，空心菜生长茂盛，田螺已经适应新型浮床的环境，人工介质富集的微生物数量相对稳定，新型浮床的平均去除率约67.8%，普通浮床的平均去除率约53.6%，新型浮床比普通浮床的平均去除率高出14.2%。

运行时间81—135 d，时间进入秋冬季（9月中下旬—11月中旬），空心菜生长略有颓势，普通浮床对于TP的去除率略微下降，但是新型生态浮床微生物以及田螺等的协同作用对TP去除保持良好的效果。

5.小结

运行期间，从0—135 d，新型生态浮床对COD、TP、TN、NH3-N的平均去除率分别为59.9%、58.6%、54.7%、60.2%，普通浮床对COD、TP、TN、NH3-N的平均去除率分别为48.6%、46.6%、48.0%、47.5%，新型生态浮床对COD、TP、TN、NH3-N的平均去除率比普通浮床高出11.3%、12%、6.7%、12.7%。

运行稳定期间，从40—135 d，新型浮床对于污染物的去除效果明显优于普通浮床。新型浮床对COD、TP、TN、NH3-N的最高去除率达到76.2%、70.9%、71.6%、72.2%，新型生态浮床对COD、TP、TN、NH3-N的平均去除率分别为：73.3%、62.1%、69.1%、69.6%，普通浮床对COD、TP、TN、NH3-N的平均去除率分别为57.7%、48.9%、60.6%、55.2%，新型生态浮床对COD、TP、TN、NH3-N的平均去除率基本比普通浮床约高10%。这个结果对于实际工程有很好的指导作用。