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摘 要：以生化棉为植物定植基质构建一种新型的浮床，研究比较其对灯芯草生长特性的影响及对水中氨氮、总磷的去除效果。结果表明：新型浮床能显著（P<0.05）增加灯芯草的分蘖数及重量，对水体中氨氮（NH3-N）、总磷（TP）的去除效果也显著（P<0.05）强于普通浮床。
关键词：浮床；灯芯草；生长特性；脱氮除磷
中图分类号 S688.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）14-0077-03
Abstract： In order to improve purification efficiency of the floating-bed，a new type floating-bed was designed and applied. Difference in growth of Juncus effusus，ammonia（NH3-N），total phosphorus（TP）in eutrophic water were compared. The experimental results showed that：number and weight of tillers of Juncus effuses cultivated on the new type floating-bed were significantly greater than the traditional floating-bed（P<0.05）.The ammonia（NH3-N）and total phosphorus（TP） uptake ability of the new type floating-bed were significantly greater than the traditional floating-bed （P<0.05）.
Key words： Floating-bed；Juncus effusus；Growth characteristics；Nitrogen and phosphorus removal
随着我国工农业迅速发展以及城镇化进程产生的城区人口激增，对水资源的消耗与污染比以住更加的严重，而污染治理设施的建造与管理相对滞后，致使我国大部分江河湖泊呈现富营养化趋势，特别是靠近城区环境的水体污染更为严重。据报导，我国85%湖泊出现不同程度的富營养化，因此水污染治理技术在国内得到很多的关注和研究。浮床去污技术作为一种具有原位修复、成本低廉及增加景观功能的水体净化技术，近年受到我国科研人员的重视，也取得很多的成就，但其去污效果易受季节和浮床植物量的限制，去污效果相对较低，因此，如何提高浮床的去污效果是近来研究的重点。以往对提高浮床去污效果的研究主要包括外在提高和内在提高2种方式：外在提高方式主要有细菌固定化技术[1]和增加溶解氧[2]，内在提高方式主要有筛选优势植物[3]和提高浮床构造[4-6]。从以住报道的提高浮床构造研究中，在根系下部增加弹性材料的浮床能较强的提高水体的净化效果，但结构较为复杂，植物的固定效果较差。针对以上存在的问题，本研究进行了新型浮床的设计建造，并栽植本地常见的灯芯草（Juncus effusus）进行研究，对比分析其在2种浮床上的生长特性及对水体中氨氮、总磷去除能力等方面的差异，以期为浮床技术的研究运用提供一些参考。
1 材料与方法
1.1 新型生态浮岛的设计建造 新型浮床的物理结构主要由浮力结构层和多孔弹性材料层（定植植物及附着微生物）2部分组成。浮力结构层以空心塑料、PVC管材或其它经济耐用且不易对水体造成污染的浮力材料组成，多孔弹性材料层由弹性好、孔隙度合适且没异味的生化棉组成；该浮床系统已申请且授权实用新型专利，专利号：ZL 2016 2 0899817.1；新型浮床的主体构造如图1所示。
1.2 供试植物 试验用的灯芯草（Juncus effusus）购自郊区的百花村水生植物园；它是一种多年生水生草本植物，分布广泛，耐寒，对环境要求不严，生长较快，是一种较好的浮床栽植植物。
1.3 试验方法 以塑料箱为容器进行灯芯草静水栽培及水质净化试验，共设3种处理，分别为空白对照（生活污水）、传统浮床（浮床+生活污水）和新型浮床（浮床+生化棉+生活污水）。试验于10月开始，选取植株长势良好、大小和重量相近的灯芯草分别植入新型浮床（植物根系长在生化棉上）和传统浮床（植物根系直接进入水中），每试验设置3组，每组20个分蘖。1个月后测量分析植物增加的分蘖数、重量增加量（不计根的重量，因为根扎在生化棉里测量不方便）及水中氨氮和总磷含量的变化；氨氮测定采用纳氏试剂光度法，总磷的测定采用钼锑抗光度法，用LH-NP2氨氮/磷分析仪进行测定；氨氮、总磷的去除率按下列公式计算：去除率（%）=[（Cs-Ce）/Cs]×100，式中Cs试验开始时水体中的污染物浓度，Ce为试验结束时水体中的污染物浓度。
1.4 数据统计分析 试验结果用SPSS17.0进行分析，不同浮床对灯芯草生长特性的影响采用独立样本T检验（n=3），不同浮床对氨氮、总磷去除的试验结果采用单因素方差分析（n=3，Duncan法），并对方差分析的结果用Excel 2010进行作图表示。
2 结果与讨论
2.1 不同浮床对灯芯草生长特性的影响 试验结果用SPSS 17.0进行独立样本T检验（n=3），新型浮床与传统浮床对灯芯草生长特性的影响如表1所示。
由表1可知，与传统浮床对比，新型浮床对灯芯草的分蘖增加有明显的促进作用（P<0.05），对灯芯草重量的增加也具有明显的促进作用（P<0.05），这表明新型浮床对于灯芯草的生长有较好的促进作用。
2.2 不同处理对氨氮、总磷的去除效果 对新型浮床、传统浮床和空白对照水体中氨氮、总磷进行测量计算，并用SPSS 17.0进行单因素方差分析（n=3，Duncan法），再经Excel 2010进行作图，结果如图2所示。 由图2可知，对于水体中氨氮的去除效果，2种浮床强于空白对照组（P<0.05），新型浮床对水体中氨氮的去除效果（86.1%）最好，并且与传统浮床（67.8%）对比差异显著（P<0.05）；对于水体中总磷的去除效果也以新型浮床（58.8%）为最佳，与传统浮床的去除效果（47.8%）比较差异也显著（P<0.05）。
2.3 讨论 新型浮床表现出对灯芯草的生长有较好的促进作用，产生这个结果的原因主要有：（1）新型浮床由于生化棉增加了微生物的附着面积，促进水体中营养物质的转化分解并被灯芯草能较好的吸收，从而促进灯芯草的生长发育。（2）新型浮床植物的根系长在生化棉上，固定效果较好，根系比较靠近水面，具有较好的透气性，能较好的满足植物根系对氧的需要，促进植物根系的生长发育，也促进根系周围的好氧微生物的繁殖，从而增强对水中的氮、磷转化分解，最终被植物吸收从而促进了植物的生长发育。
新型浮床对水体中氨氮有较强的净化作用；这与马强等[7]进行的研究得出弹性立体材料能增加对水体的净化能力一致，与陈亚男等[8]进行的填料挂膜能较好去除水中氨氮的研究结果相同。据朱静平等[9]的研究表明浮床系统中根系微生物对水质的净化贡献最大，植物次之，沉淀、粘附和吸附作用相对较小。本研究构建的生态浮床系统，其主要特点是以弹性好、孔隙度合适、比表面积大的生化棉做为植物的定植基质及微生物的附着载体，这不仅增加了单位空间的微生物数量及种类，而且由于较靠近水面及植物的泌氧作用，使得其周周围溶解氧较高，氧气的充足有利于硝化细菌的生长和繁殖，从而增加硝化作用，促进硝酸盐的形成并被植物吸收，这促进了植物的生长，从而也提高氨氮的去除效果。本研究的试验结果表明氨氮的去除主要是浮床系统起主要作用，与周晓红等[10]的研究结果略有不同，这是由于水体中氨氮的去除主要有氨挥发、硝化反应和植物的吸收作用，氨挥发与水体中的pH值密切相关；据Koottatep[11]的研究报道，当污水pH<8时，氨的挥发净化基本上可忽略；本试验的水体pH在7.3左右，而周晓红等的研究其pH为8～9.4，所以氨的挥发程度不同。
新型浮床对水体中总磷也有较强的净化作用。据蒋跃等[12]的研究报道，水中磷的去除主要有2方面：一是以磷酸盐沉降并固结在载体或试验箱壁上；二是植物对可溶性磷的吸收；在植物吸收可溶性磷方面，植物生长的好坏对其吸收能力是一个很重要的因素；据李文芬等[13]的研究报道，浮床植物生长状况越好，其对水体中总磷的去除效果就越好；本试验中，新型浮床系统上的植物生长较好，因此，其对磷的吸收能力也强于其他系统。水体中磷的去除转化，还与解磷菌和聚磷菌的数量及活性密切相关，新型浮床對这类细菌是否有促进作用，由于条件所限，这方面的作用还有待于进一步的探索研究。
3 结论及展望
生态浮床对水体中营养物质的去除，主要有植物（包括浮床植物和水中藻类）吸收、微生物转化及沉淀等作用。其中通过浮床植物的吸收和收割移除浮床植物是去除营养物质的主要因素，而且生长良好的植物可向水中释放氧气，促进相关微生物的生长繁殖，进一步促进水体中营养物质的转化并被植物吸收，反过来促进植物的生长发育。本研究设计的新型生态浮床，以弹性好、孔隙度合适及比表面积大的生化棉做为植物的定植基质及微生物附着的载体，增大微生物的附着面积，增强浮床系统的硝化作用，经过和传统浮床实验对比，对灯芯草的萌蘖和重量增加具有明显的促进作用，对水体中氨氮、总磷的去除明显优于传统浮床，并且构造简单，可较好的应用于城市里公园水体的景观美化及水体净化。
在本试验中还有一些问题尚未研究清楚，如附着的微生物种类、数量及作用还不清楚，有待于深入研究；另外，近年来应用细菌固定化技术在短期内提高浮床细菌数量，增强浮床系统净化水体的能力，对于新型生态浮床如何与该技术结合应用，这也是下一步需要进一步研究的问题。
参考文献
[1]Lianpeng Sun，Yang Liu，Hui Jin.Nitrogen removal from polluted river by enhanced floating bed grown cannas[J].Ecological Engineering，2009，35：135-140.
[2]李海英，杨海华，柯凡，等.微曝气浮床的净化效果与生物膜特性研究[J].中国给水排水，2009，25（7）：35-40.
[3]周真明，叶青，沈春花，等.3种浮床植物系统对富营养化水体净化效果研究[J]. 环境工程学报，2010，44（1）：91-95.
[4]马强，高明瑜，谭伟，等.新型生态浮岛在改善水质中的作用及生物膜载体微生物特征研究[J].环境科学，2011，32（6）：1596-1601.
[5]段金程，张毅敏，高月香，等.复合强化净化浮床对污水中N、P的去除效果[J].生态与农村环境学报，2013，29（4）：422-427.
[6]陈亚男，郭宗楼，郑水生，等.新型立体浮床处理河道微污染源水的挂膜特性[J].环境工程学报，2013，7（2）：477-482.
[7]马强，高明瑜，谭伟，等.新型生态浮岛在改善水质中的作用及生物膜载体微生物特征研究[J].环境科学，2011，32（6）：1596-1601.
[8]陈亚男，郭宗楼，郑水生，等.新型生态浮床处理河道微污染水的挂膜特性[J].环境工程学报，2013，7（2）：477-482.
[9]朱静平，程凯，孙丽.水培植物净化系统不同氮磷去除作用的贡献[J].环境科学与技术，2011，34（5）：175-178.
[10]周晓红，王国祥，冯冰冰，等.3种景观植物对城市河道污染水体的净化效果[J].环境科学研究，2009，22（1）：108-113.
[11]Koottatep T.Role of plant uptake on nitrogen removal in constructed wetlands located in the tropics[J].Water Sci Technol，1997，36（12）：1-8.
[12]蒋跃，童琰，由文辉，等.3种浮床植物生长特性及氮、磷吸收的优化配置研究[J].中国环境科学，2011，31（5）：774-780.
[13]李文芬，刘沛芬，颜亨梅，等.5种浮床植物在水环境恢复治理中的净化差异[J].北京师范大学学报（自然科学版），2012，48（2）：173-176. （责编：徐焕斗）
关键词：浮床；灯芯草；生长特性；脱氮除磷
中图分类号 S688.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）14-0077-03
Abstract： In order to improve purification efficiency of the floating-bed，a new type floating-bed was designed and applied. Difference in growth of Juncus effusus，ammonia（NH3-N），total phosphorus（TP）in eutrophic water were compared. The experimental results showed that：number and weight of tillers of Juncus effuses cultivated on the new type floating-bed were significantly greater than the traditional floating-bed（P<0.05）.The ammonia（NH3-N）and total phosphorus（TP） uptake ability of the new type floating-bed were significantly greater than the traditional floating-bed （P<0.05）.
Key words： Floating-bed；Juncus effusus；Growth characteristics；Nitrogen and phosphorus removal
随着我国工农业迅速发展以及城镇化进程产生的城区人口激增，对水资源的消耗与污染比以住更加的严重，而污染治理设施的建造与管理相对滞后，致使我国大部分江河湖泊呈现富营养化趋势，特别是靠近城区环境的水体污染更为严重。据报导，我国85%湖泊出现不同程度的富營养化，因此水污染治理技术在国内得到很多的关注和研究。浮床去污技术作为一种具有原位修复、成本低廉及增加景观功能的水体净化技术，近年受到我国科研人员的重视，也取得很多的成就，但其去污效果易受季节和浮床植物量的限制，去污效果相对较低，因此，如何提高浮床的去污效果是近来研究的重点。以往对提高浮床去污效果的研究主要包括外在提高和内在提高2种方式：外在提高方式主要有细菌固定化技术[1]和增加溶解氧[2]，内在提高方式主要有筛选优势植物[3]和提高浮床构造[4-6]。从以住报道的提高浮床构造研究中，在根系下部增加弹性材料的浮床能较强的提高水体的净化效果，但结构较为复杂，植物的固定效果较差。针对以上存在的问题，本研究进行了新型浮床的设计建造，并栽植本地常见的灯芯草（Juncus effusus）进行研究，对比分析其在2种浮床上的生长特性及对水体中氨氮、总磷去除能力等方面的差异，以期为浮床技术的研究运用提供一些参考。
1 材料与方法
1.1 新型生态浮岛的设计建造 新型浮床的物理结构主要由浮力结构层和多孔弹性材料层（定植植物及附着微生物）2部分组成。浮力结构层以空心塑料、PVC管材或其它经济耐用且不易对水体造成污染的浮力材料组成，多孔弹性材料层由弹性好、孔隙度合适且没异味的生化棉组成；该浮床系统已申请且授权实用新型专利，专利号：ZL 2016 2 0899817.1；新型浮床的主体构造如图1所示。
1.2 供试植物 试验用的灯芯草（Juncus effusus）购自郊区的百花村水生植物园；它是一种多年生水生草本植物，分布广泛，耐寒，对环境要求不严，生长较快，是一种较好的浮床栽植植物。
1.3 试验方法 以塑料箱为容器进行灯芯草静水栽培及水质净化试验，共设3种处理，分别为空白对照（生活污水）、传统浮床（浮床+生活污水）和新型浮床（浮床+生化棉+生活污水）。试验于10月开始，选取植株长势良好、大小和重量相近的灯芯草分别植入新型浮床（植物根系长在生化棉上）和传统浮床（植物根系直接进入水中），每试验设置3组，每组20个分蘖。1个月后测量分析植物增加的分蘖数、重量增加量（不计根的重量，因为根扎在生化棉里测量不方便）及水中氨氮和总磷含量的变化；氨氮测定采用纳氏试剂光度法，总磷的测定采用钼锑抗光度法，用LH-NP2氨氮/磷分析仪进行测定；氨氮、总磷的去除率按下列公式计算：去除率（%）=[（Cs-Ce）/Cs]×100，式中Cs试验开始时水体中的污染物浓度，Ce为试验结束时水体中的污染物浓度。
1.4 数据统计分析 试验结果用SPSS17.0进行分析，不同浮床对灯芯草生长特性的影响采用独立样本T检验（n=3），不同浮床对氨氮、总磷去除的试验结果采用单因素方差分析（n=3，Duncan法），并对方差分析的结果用Excel 2010进行作图表示。
2 结果与讨论
2.1 不同浮床对灯芯草生长特性的影响 试验结果用SPSS 17.0进行独立样本T检验（n=3），新型浮床与传统浮床对灯芯草生长特性的影响如表1所示。
由表1可知，与传统浮床对比，新型浮床对灯芯草的分蘖增加有明显的促进作用（P<0.05），对灯芯草重量的增加也具有明显的促进作用（P<0.05），这表明新型浮床对于灯芯草的生长有较好的促进作用。
2.2 不同处理对氨氮、总磷的去除效果 对新型浮床、传统浮床和空白对照水体中氨氮、总磷进行测量计算，并用SPSS 17.0进行单因素方差分析（n=3，Duncan法），再经Excel 2010进行作图，结果如图2所示。 由图2可知，对于水体中氨氮的去除效果，2种浮床强于空白对照组（P<0.05），新型浮床对水体中氨氮的去除效果（86.1%）最好，并且与传统浮床（67.8%）对比差异显著（P<0.05）；对于水体中总磷的去除效果也以新型浮床（58.8%）为最佳，与传统浮床的去除效果（47.8%）比较差异也显著（P<0.05）。
2.3 讨论 新型浮床表现出对灯芯草的生长有较好的促进作用，产生这个结果的原因主要有：（1）新型浮床由于生化棉增加了微生物的附着面积，促进水体中营养物质的转化分解并被灯芯草能较好的吸收，从而促进灯芯草的生长发育。（2）新型浮床植物的根系长在生化棉上，固定效果较好，根系比较靠近水面，具有较好的透气性，能较好的满足植物根系对氧的需要，促进植物根系的生长发育，也促进根系周围的好氧微生物的繁殖，从而增强对水中的氮、磷转化分解，最终被植物吸收从而促进了植物的生长发育。
新型浮床对水体中氨氮有较强的净化作用；这与马强等[7]进行的研究得出弹性立体材料能增加对水体的净化能力一致，与陈亚男等[8]进行的填料挂膜能较好去除水中氨氮的研究结果相同。据朱静平等[9]的研究表明浮床系统中根系微生物对水质的净化贡献最大，植物次之，沉淀、粘附和吸附作用相对较小。本研究构建的生态浮床系统，其主要特点是以弹性好、孔隙度合适、比表面积大的生化棉做为植物的定植基质及微生物的附着载体，这不仅增加了单位空间的微生物数量及种类，而且由于较靠近水面及植物的泌氧作用，使得其周周围溶解氧较高，氧气的充足有利于硝化细菌的生长和繁殖，从而增加硝化作用，促进硝酸盐的形成并被植物吸收，这促进了植物的生长，从而也提高氨氮的去除效果。本研究的试验结果表明氨氮的去除主要是浮床系统起主要作用，与周晓红等[10]的研究结果略有不同，这是由于水体中氨氮的去除主要有氨挥发、硝化反应和植物的吸收作用，氨挥发与水体中的pH值密切相关；据Koottatep[11]的研究报道，当污水pH<8时，氨的挥发净化基本上可忽略；本试验的水体pH在7.3左右，而周晓红等的研究其pH为8～9.4，所以氨的挥发程度不同。
新型浮床对水体中总磷也有较强的净化作用。据蒋跃等[12]的研究报道，水中磷的去除主要有2方面：一是以磷酸盐沉降并固结在载体或试验箱壁上；二是植物对可溶性磷的吸收；在植物吸收可溶性磷方面，植物生长的好坏对其吸收能力是一个很重要的因素；据李文芬等[13]的研究报道，浮床植物生长状况越好，其对水体中总磷的去除效果就越好；本试验中，新型浮床系统上的植物生长较好，因此，其对磷的吸收能力也强于其他系统。水体中磷的去除转化，还与解磷菌和聚磷菌的数量及活性密切相关，新型浮床對这类细菌是否有促进作用，由于条件所限，这方面的作用还有待于进一步的探索研究。
3 结论及展望
生态浮床对水体中营养物质的去除，主要有植物（包括浮床植物和水中藻类）吸收、微生物转化及沉淀等作用。其中通过浮床植物的吸收和收割移除浮床植物是去除营养物质的主要因素，而且生长良好的植物可向水中释放氧气，促进相关微生物的生长繁殖，进一步促进水体中营养物质的转化并被植物吸收，反过来促进植物的生长发育。本研究设计的新型生态浮床，以弹性好、孔隙度合适及比表面积大的生化棉做为植物的定植基质及微生物附着的载体，增大微生物的附着面积，增强浮床系统的硝化作用，经过和传统浮床实验对比，对灯芯草的萌蘖和重量增加具有明显的促进作用，对水体中氨氮、总磷的去除明显优于传统浮床，并且构造简单，可较好的应用于城市里公园水体的景观美化及水体净化。
在本试验中还有一些问题尚未研究清楚，如附着的微生物种类、数量及作用还不清楚，有待于深入研究；另外，近年来应用细菌固定化技术在短期内提高浮床细菌数量，增强浮床系统净化水体的能力，对于新型生态浮床如何与该技术结合应用，这也是下一步需要进一步研究的问题。
参考文献
[1]Lianpeng Sun，Yang Liu，Hui Jin.Nitrogen removal from polluted river by enhanced floating bed grown cannas[J].Ecological Engineering，2009，35：135-140.
[2]李海英，杨海华，柯凡，等.微曝气浮床的净化效果与生物膜特性研究[J].中国给水排水，2009，25（7）：35-40.
[3]周真明，叶青，沈春花，等.3种浮床植物系统对富营养化水体净化效果研究[J]. 环境工程学报，2010，44（1）：91-95.
[4]马强，高明瑜，谭伟，等.新型生态浮岛在改善水质中的作用及生物膜载体微生物特征研究[J].环境科学，2011，32（6）：1596-1601.
[5]段金程，张毅敏，高月香，等.复合强化净化浮床对污水中N、P的去除效果[J].生态与农村环境学报，2013，29（4）：422-427.
[6]陈亚男，郭宗楼，郑水生，等.新型立体浮床处理河道微污染源水的挂膜特性[J].环境工程学报，2013，7（2）：477-482.
[7]马强，高明瑜，谭伟，等.新型生态浮岛在改善水质中的作用及生物膜载体微生物特征研究[J].环境科学，2011，32（6）：1596-1601.
[8]陈亚男，郭宗楼，郑水生，等.新型生态浮床处理河道微污染水的挂膜特性[J].环境工程学报，2013，7（2）：477-482.
[9]朱静平，程凯，孙丽.水培植物净化系统不同氮磷去除作用的贡献[J].环境科学与技术，2011，34（5）：175-178.
[10]周晓红，王国祥，冯冰冰，等.3种景观植物对城市河道污染水体的净化效果[J].环境科学研究，2009，22（1）：108-113.
[11]Koottatep T.Role of plant uptake on nitrogen removal in constructed wetlands located in the tropics[J].Water Sci Technol，1997，36（12）：1-8.
[12]蒋跃，童琰，由文辉，等.3种浮床植物生长特性及氮、磷吸收的优化配置研究[J].中国环境科学，2011，31（5）：774-780.
[13]李文芬，刘沛芬，颜亨梅，等.5种浮床植物在水环境恢复治理中的净化差异[J].北京师范大学学报（自然科学版），2012，48（2）：173-176. （责编：徐焕斗）