CN114262061A - 一种用于地表污染水体生物治理的生态浮床组合 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，它包括：植物和基质；所述的植物为水菖蒲、水稻、美人蕉、鸢尾、水葱、水芹菜中至少一种；所述的基质为陶粒、生物炭和/或砾石；一种地表污染水体生物治理方法，本发明优点在于：1）陶粒和生物炭对浮床水体中污染物有一定的吸附能力，也在为植物根系提供良好的附着点的同时为微生物提供了良好的生长环境，提升了水质净化效果；2）采用陶粒对植物进行固定，降低了对美人蕉、鸢尾等易倒伏植物的维护管理难度3）生态浮床对中高浓度水体中污染物的降解更好，较高浓度污染物水体中有足够植物生长的营养元素，在促进植物生长的同时，加强了对污染物的去除效果，具有经济效益和社会效益；4）植物混种的净化效果高于单独种植的净化效果，且植物混种更适应水位变化差异较大的水体。

Description

一种用于地表污染水体生物治理的生态浮床组合

技术领域

本发明属于水体生物治理技术领域，具体涉及一种用于地表污染水体生物治理的生态浮床组合。

背景技术

城市化的快速发展加剧了江河、湖泊、水库等水体的污染。地表水体的污染不仅加速水环境的恶化，同时严重影响饮水安全。近些年来，人类的活动导致河流、湖泊和公园地表水体有机污染严重，出现富营养化等问题。城市河道是城市生态系统及流域水系的重要组成部分，具有行洪排涝、供水输水、交通运输、休闲娱乐、污染净化、生物多样性保护、改善小气候等多种功能，因此，水污染治理成为当前亟待解决的环境问题。随着我国社会经济的发展，人民的生活水平的不断提高，对生活品质要求也越来越高。生态文明建设和节能环保理念的不断加强，进一步提高人们对污染的治理的重视，其中水体的污染是重中之重，关于生物治理技术应用于水环境治理的研究也逐渐增多。

中国对水生植物去除生活污水氮磷的研究是在近十几年内激增的，从上世纪80年代到本世纪初，全国的环境状况良好，此项研究并未引起重视。但进入2006年之后，发文量开始以线性上升的趋势增加，之后一直维持在发文量为20篇左右的较高水平。通过趋势线可以发现中国对该项研究越来越重视，同时也表明了随着经济的发展，中国的城市生活污水氮磷污染、富营养化状况也日趋严重。

我国的许多城市河道、湖泊80%已受污染或严重被污染,由此每年损失约377亿元。河流污染以生活污水为主，主要是有机污染，尤其是COD和氨氮污染最为严重，河道脏、乱、臭、黑、塞现象普遍存在。

城市河道常用的修复方法包括物理、化学和生物三种方法。相对于物理和化学修复技术，生物修复技术的投资和维护成本较低，且更为安全，不易造成二次污染，应用前景更为广泛。

水生植物是天然水生态系统的关键组分，在整个水体净化过程中发挥的作用无可替代，其中生长速度快、生物量基数大的水生植物具有明显的优势，可以满足处理大量污水的需求，目前，国内外对于采用水生植物去除城市生活污水氮磷的技术已经开展了许多研究，建立了较为完善的体系。在文献计量分析阶段，输入检索词后选择将论文的时间范围限定在数据库收录的所有年份。之后选择时间倒序，可以筛选到国内外研究论文的最早发表年代。国外早在20世纪50年代起，就开始研究采用芦苇去除水体中的污染物，我国大约于20世纪70年代起开始研究采用水生植物净化污水的方法，最早是1975年谢志平在建筑技术通讯期刊上发表的《用湖生芦苇进一步净化污水》，可以看出来，这一段时间仍处于初期探索阶段，整体发文量较少。直到进入21世纪以来，国内外的水环境问题逐渐凸显，由此开启了真正的研究热潮。

19 世纪 70 年代末，德国最早开发生态浮床，20 世纪 80 年代末以来，很多发达国家相继采用了植物浮床技术治对河道和湖泊进行水质处理，实践证明，人工的生态浮床能较好的改善水质状况。在 20 世纪 90 年代中期生态浮床因为良好的应用和研究效果，受到了日本大部分学者和工程技术人员的认可并得到了广泛推广。G. Ansola 等在西班牙西北部简要比较了香蒲、黄菖蒲、扁藻和芦苇 4 种水生植物对不同污水中污染物的去除效率，结果表明香蒲对有机物和总氮的去除负荷优势明显，而黄菖蒲对总磷的去除效果良好。在我国，90 年代在佛山市的汾江河中，李威等运用浮床技术对比有无浮床对水质的净化效果差异，结果表明设置浮床水域的各项水质指标整体低于未设置浮床水域，水体质量得到明显改善。郑杨忠等构建生态浮床研研究其对三峡库区香溪河的支流高岚河库湾水质和浮游藻类的影响，研究结果显示，浮床区对水体的净化效果较好，浮游藻类的生物量也显著降低。在自然开放水域下，王志超等利用生态浮床技术在南海湖湿地保护区研究净化效果，结果表明针对南海湖富营养化水体的修复，混合浮床可作为较为有效的浮床形式推广使用。

发明内容

本发明是为解决水体地表水有机污染的问题，而提供一种用于地表污染水体生物治理的生态浮床组合。

一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，它包括：植物和基质；所述的植物为水菖蒲、水稻、美人蕉、鸢尾、水葱、水芹菜中至少一种；所述的基质为陶粒、秸秆生物炭和/或砾石。

所述的基质及比例为陶粒19.6-24.6%、秸秆生物炭0.4-0.6%、砾石75-80%；

所述的植物为水菖蒲、水稻、水芹菜；

所述的水菖蒲：水稻：水芹菜=1:1~2:1~2。

所述的植物为水菖蒲、水稻、美人蕉、鸢尾、水葱和水芹菜；

所述的各植物种植占比：美人蕉20~30%、水葱5~10%、水芹菜5~10%、水稻20~30%、水菖蒲15~20%、鸢尾5~10%。

一种地表污染水体生物治理方法，它包括：

1）选取权利要求1所述的植物，清洗；

2）缓苗，用生活污水驯化；

3）将驯化后的植物用陶粒、生物炭和/或砾石基质固定，种植在地表污染水体中。

本发明提供了一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，它包括：植物和基质；所述的植物为水菖蒲、水稻、美人蕉、鸢尾、水葱、水芹菜中至少一种；所述的基质为陶粒、生物炭和/或砾石；一种地表污染水体生物治理方法，它包括：1）选取所述的植物，清洗；2）缓苗，用生活污水驯化；3）将驯化后的植物用陶粒、秸秆生物炭和/或砾石基质固定，种植在地表污染水体中；

本发明优点在于：1）陶粒和生物炭对浮床水体中污染物有一定的吸附能力，也在为植物根系提供良好的附着点的同时为微生物提供了良好的生长环境，提升了水质净化效果；2）采用陶粒对植物进行固定，降低了对美人蕉、鸢尾等易倒伏植物的维护管理难度3）生态浮床对中高浓度水体中污染物的降解更好，较高浓度污染物水体中有足够植物生长的营养元素，在促进植物生长的同时，加强了对污染物的去除效果，具有经济效益和社会效益；4）植物混种的净化效果高于单独种植的净化效果，且植物混种更适应水位变化差异较大的水体。

附图说明

图1 不同浓度污水中TN的浓度变化；a、b、c、d依次为高、中、低浓度和伊通河水样；

图2 不同浓度污水中氨氮的浓度变化（a、b、c、d依次为高、中、低浓度和伊通河水样）；

图3 不同浓度污水中硝氮的浓度变化（a、b、c、d依次为高、中、低浓度和伊通河水样）；

图4 不同浓度污水中TP的浓度变化（a、b、c、d依次为高、中、低浓度和伊通河水样）；

图5 不同浓度污水中COD的浓度变化（a、b、c、d依次为高、中、低浓度和伊通河水样）；

图6 TN去除率；

图7 氨氮去除率；

图8 硝酸盐氮去除率；

图9 TP去除率；

图10 COD去除率；

图11 生态浮床植物布局；

图12 水温变化；

图13 pH变化（1-7为采样点位）；

图14 DO变化（1-7为采样点位）；

图15 电导率变化（1-7为采样点位）；

图16 各点位指标变化结果（1-7为采样点位）；

图17 各指标去除率

图18 微生物分类组成分析；

图19 微生物Alpha多样性分析；

图20 伊通河水中重金属的季节变化。

具体实施方式

实施例1 一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合

一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，它包括：植物和基质；

所述的植物及其比例为水菖蒲：水稻：水芹菜=1:1.25:1.28；

所述的基质及其比例为陶粒20.89%、秸秆生物炭0.54%、砾石78.57%；

将上述生态浮床组合中所述的植物用基质固定，种植在伊通河水体中用以净化水质，同时增加植物观赏性。

实施例2 一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合

一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，它包括：植物和基质；

所述的植物及其比例为美人蕉25.69%、水葱8.33%、水芹菜8.33%、水稻24.31%、水菖蒲19.44%、鸢尾7.64%；

所述的基质及其比例为陶粒22.5%、秸秆生物炭0.45%、砾石77.05%；

将上述生态浮床组合中所述的植物用基质固定，种植在伊通河水体中，最外围种植美人蕉；该生态浮床组合增加浮床植物的多样性以及生长期的多样性，用以净化水质，同时增加植物观赏性。

实施例3 一种地表污染水体生物治理方法

一种地表污染水体生物治理方法，它包括：

1）选取水生植物，如水稻、水菖蒲、美人蕉、水葱、水芹菜、鸢尾，清洗；

2）缓苗，用污水驯化；

3）将驯化后的植物用陶粒、秸秆生物炭或砾石等基质固定，种植轻度污染水体中。

将上述水生植物采用基质进行固定，根据净化效果确定种植比例，并根据植物观赏性和生长期的多样性进行规划种植，用以净化水质。

实施例4 室内模拟实验

一、生态浮床材料

室内生态浮床培养用水采用研究区水样，植物可选植物为水芹等可食用植物，或美人蕉，荷花等可观赏植物，生态浮床基质为秸秆生物炭、陶粒和当地沸石。

二、研究区水样测定

室外采集研究区水样（研究区位置位于吉林省长春市伊通河），带回实验室测定水体的pH、总氮、氨氮、总磷、等各项指标。

三、模拟实验筛选植物

室内研究温度控制在15-21 ℃，选用植物生长灯模拟光照，将湿地植物（水芹菜、水菖蒲、水稻）清洗干净放入清水缓苗，缓苗结束后放入含营养液的水中培养，最后放入生活污水中进行驯化，最后放入污水，污水水质如表1所示。驯化结束后，挑选植物进行培养。将植物种植在配置好的污水中（每种浓度污水中植物种植情况为空白、水芹菜、水菖蒲、水稻、水菖蒲：水芹菜=1:1），每种设置3组平行，1组空白:试验周期依据相关文献确定为9周(63天) :试验周期末进行生物量的测定。

四、模拟实验中各个指标的测定

采样区域为系统的进水区、中部和出水区，每个区域随机选3个样方。观察植物的长势，测定其生物量，并从每组平行样中随机选取长势基本致的植物处理和分析，测定干物质、TN、TP、氨氮含量。根据测定的植物生物量湿重和干重以及总氮、总磷含量，分别计算植物水分含量以及总氮、总磷量，计算公式：

式中:C_w—植物水分含量，%;W_d—植物生物量(干重)，g;W_w—植物生物量(湿重)，g;

P_i—单位面积植物体内污染物i累积量，mg/m²;C_i—植物体内污染物i含量(mg/g)。

每周两次采集小培养箱水样进行水质分析，所有水质指标的监测采用国家标准方法。植物样品:采样区域为系统的进水区、中部和出水区，每个区域随机选3个样方。观察植物的长势，测定其生物量，并从每组平行样中随机选取长势基本致的植物处理和分析，测定干物质、TN、TP、氨氮含量。

测定结果：

1、TN的浓度变化

不同植物及其组合对不同浓度污水中的TN的去除如图1所示，经过两个月的实验，各系统的TN都有一定程度的去除。在低浓度污水中，TN浓度的变化趋势波动较大，且水稻和水芹两组的对TN去除高于空白对照组，且最终没有达到对TN的去除效果。中浓度污水，在0-21天中趋势波动较大，21天后一直呈较平缓的下降趋势。高浓度污水中。TN先是急剧下降随后逐渐趋于平缓，且TN的浓度一直在降低。伊通河水体实验组中TN的浓度先经历了较小的涨幅，随后急剧下降，21天以后逐渐区域平缓。总体来看，高中浓度水体TN的去除效率优于低浓度水体，且各水体中水菖蒲实验组对TN的去除效果最好，其中低浓度和伊通河水体中水菖蒲实验组的水质已降至《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准。

2、氨氮的浓度变化

不同植物及其组合对污水中氨氮的去除效果如图2所示，中低浓度的污水的氨氮变化趋势相同，都是经历了一个先升高后下降的过程。高浓度水体中，各实验组一直呈现下降趋势，且在前13天的下降趋势更加剧烈。同TN的浓度变化中的结果相同，低浓度和高浓度水体中水菖蒲实验组对氨氮的去除效果最好，在中浓度水体中，水芹菜的实验组的去除效果最好。伊通河水体中，除了空白实验组，其他四个实验组的氨氮浓度一直呈下降趋势，其中水芹菜和水菖蒲混种的实验组对氨氮的去除效果最好。总体来看，实验结束后，各系统的氨氮均有了明显的去除，且实验结束后各系统的氨氮浓度都在0.5mg/L以下，达到《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准，且除却伊通河水体中水芹菜实验组，其余各组都的氨氮浓度已经达到《地表水环境质量标准》Ⅰ类标准。

3、硝酸盐氮的浓度变化

图3中显示的是个系统中硝酸盐氮浓度的变化，实验前5天，高、中、低浓度水体的硝酸盐氮的含量都呈下降趋势，且高低浓度水体中氨氮的含量都下降至1mg/L以下，其中低浓度水体中的硝酸盐氮浓度已降至0.5mg/L以下。实验开始5天后，中低浓度水体的硝酸盐氮浓度呈上升趋势，并在45天后逐渐趋于平缓。高浓度水体则是在实验开始5天后经历了5天的平缓期再开始升高，也与45天后趋于平缓。伊通河水体中硝酸盐氮的浓度则先升高后下降，也于45天后趋于平缓。这可能与水中氮的转化有关。综合来看，高浓度水体中硝酸盐氮的去除效果最好，且各水体中水菖蒲实验组对硝酸盐氮的去除效果最好。

4、TP的浓度变化

不同植物及其组合对不同浓度污水中的TP的去除如图4所示，经过两个月的实验，各系统对TP都有一定程度的去除。实验前期，高中浓度水体中TP浓度的下降趋势较为明显，1天后，高浓度水体中TP浓度一直呈下降趋势，在45天以后逐渐趋于平缓，实验结束后水菖蒲实验组的水体达到《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准。中低浓度水体中TP的浓度呈现出先上升后下降的趋势，都在45天后趋于平缓。且低浓度水体在实验结束后，TP浓度全部达到《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准。低浓度水体与高浓度水体相同，都是水菖蒲实验组对TP的去除效果最好，中浓度水体则是水芹菜实验组的去除效果最好。伊通河水体中TP浓度先增加后降低，总体变化趋势较为平缓，其中水菖蒲实验组对TP的去除效果最好。

5、COD的浓度变化

不同植物及其组合对不同浓度污水中的COD的去除如图5所示，高浓度水体在实验开始前5天就已经降至40mg/L以下，达到《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准，中浓度水体中COD的浓度降至20 mg/L以下，达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准。实验开始25天以后，COD的浓度有了缓慢回升的趋势，实验结束时，高中浓度水体中COD的浓度已降至20 mg/L以下。低浓度水体中除空白和水芹菜实验组其余三个实验组在实验开始前5天COD浓度都降至15 mg/L以下，实验中期，水芹菜实验组中COD浓度开始下降，在实验开始25天后，各实验组的浓度趋于平缓，实验结束后，各实验组浓度都降至15 mg/L以下。伊通河水体中COD浓度的初始值较低，所以在实验一开始有一个上升的趋势，实验开始5天后COD浓度下降，但是波动程度较大。总体来看，在实验结束后各水体中COD的浓度都达到了《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，即COD浓度在20 mg/L以下。

6、各污染指标去除率

从图6水菖蒲实验组（75.68%）>水芹菜实验组（68.31）>水芹菜+水菖蒲实验组（65.66%）>水稻实验组（56.50%），次高的是伊通河水样，相较于其他三个系统，低浓度污水的整体TN去除率是最低的，除去水菖蒲实验组和水芹菜与水菖蒲混种实验组，其余两个实验组的去除率为负值。四个系统中各实验组队TN的去除率是相同的，表现为：水菖蒲实验组>水芹菜实验组>水芹菜+水菖蒲实验组>水稻实验组。总体来看，高浓度污水中TN去除率明显优于其他几个实验组，考虑高浓度水体的TN含量为植物生长初期提供足够的氮源，伊通河水样去除率高考虑为其初始浓度较低，比较容易去除。

图7为氨氮的去除率情况，如图所示，不同污染浓度水体中氨氮的去除率差异不大，高中浓度水体的氨氮去除率略高于低浓度水体，高中浓度水体的去除率在98%以上，具有较高的去除效率，虽然低浓度水体的去除率较低，但也在80%以上。各实验组对氨氮去除率的差异在低浓度水体中最为明显，表现为水芹菜实验组（96.00%）=水芹菜+水菖蒲实验组（96.00%）>水菖蒲实验组（80.00%）=水稻实验组（80.00%）。伊通河水体中因为其氨氮初始含量低，所以其去除率情况与低浓度污水大致相同，但其对氨氮去除率最高的实验组实水稻实验组，去除率为92.19%。

图8为硝酸盐氮的去除率情况，其中中低浓度水体中硝酸盐氮的去除率均为负值，高浓度水体中各实验组去除率的表现为：水菖蒲实验组（31.31%）>水芹菜实验组（27.23%）>水稻（17.09%）>水菖蒲+水芹菜混种实验组（15.99%）。伊通河水体中只有水菖蒲实验组的去除率为正值，为15.33%。

图9为各系统对TP的去除率情况，高中浓度水体中TP的去除效果要由于低浓度水体，但是两个系统中去除率最高的实验组不同，高浓度水体中去除率最好的实验组为水菖蒲实验组（81.89%），中浓度水体中水芹菜实验组（81.79%）去除率最高。伊通河水体中TP的去除率为零，考虑为伊通河水体中TP的初始含量过低，不能够达到植物生长的要求。

各系统对COD的去除率情况如图10所示，总体来看，高中低浓度水体对COD均有一定的去除，其中高浓度水体对COD的去除率最高，表现为：水稻试验组（92.19%）>水芹菜+水菖蒲混种实验组（87.50%）>水菖蒲实验组（86.72%）>水芹菜实验组（85.94%）。中浓度水体中水芹菜实验组的去除率最高。伊通河水体中各实验组的去除率为负值，但是其初始浓度值较低，最终在实验结束时去除率为负值，但是其污染水平依旧较低。

根据上述结果，总结如下：

1、各指标浓度变化

1）TN：高中浓度水体TN的去除效率优于低浓度水体，且各水体中水菖蒲实验组对TN的去除效果最好，其中低浓度和伊通河水体中水菖蒲实验组的水质已降至《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准；

2）氨氮：实验结束后，各系统的氨氮均有了明显的去除，且实验结束后各系统的氨氮浓度都在0.5mg/L以下，达到《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准，且除却伊通河水体中水芹菜实验组，其余各组都的氨氮浓度已经达到《地表水环境质量标准》Ⅰ类标准；

3）硝酸盐氮：高浓度水体中硝酸盐氮的去除效果最好，且各水体中水菖蒲实验组对硝酸盐氮的去除效果最好；

4）TP：低浓度水体与高浓度水体相同，都是水菖蒲实验组对TP的去除效果最好，中浓度水体则是水芹菜实验组的去除效果最好。伊通河水体中TP浓度先增加后降低，总体变化趋势较为平缓，其中水菖蒲实验组对TP的去除效果最好；

5）COD：实验结束后各水体中COD的浓度都达到了《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，即COD浓度在20 mg/L以下；

2、各指标去除负荷：

1）TN：高浓度污水中TN去除负荷明显优于其他几个实验组，考虑高浓度水体的TN含量为植物生长初期提供足够的氮源，伊通河水样去除负荷高考虑为其初始浓度较低，比较容易去除；

2）氨氮：各实验组对氨氮去除负荷的差异在低浓度水体中最为明显，表现为水芹菜实验组（96.00%）=水芹菜+水菖蒲实验组（96.00%）>水菖蒲实验组（80.00%）=水稻实验组（80.00%）。伊通河水体中因为其氨氮初始含量低，所以其去除负荷情况与低浓度污水大致相同，但其对氨氮去除负荷最高的实验组实水稻实验组，去除负荷为92.19%；

3）硝酸盐氮：高浓度水体的去除负荷最好，在各实验组中去除负荷的表现为：水菖蒲实验组（31.31%）>水芹菜实验组（27.23%）>水稻（17.09%）>水菖蒲+水芹菜混种实验组（15.99%）；

4）TP：高中浓度水体中TP的去除效果要由于低浓度水体，但是两个系统中去除负荷最高的实验组不同，高浓度水体中去除负荷最好的实验组为水菖蒲实验组（81.89%），中浓度水体中水芹菜实验组（81.79%）去除负荷最高。伊通河水体中TP的去除负荷为零，考虑为伊通河水体中TP的初始含量过低，不能够达到植物生长的要求；

5）COD：高中低浓度水体对COD均有一定的去除，其中高浓度水体对COD的去除负荷最高，伊通河水体中各实验组的去除负荷为负值，但是其初始浓度值较低，最终在实验结束时去除负荷为负值，但是其污染水平依旧较低。

综上所述，筛选出污水净化效果较好的植物为水芹菜，最佳种植比例为水菖蒲：水稻：水芹菜=1:1:2。

实施例5 实际水体应用实验

一、生态浮床设计

根据模拟实验结果筛选出最佳的种植比例和种植密度，调整并制作生态浮床，具体为：

1）采用陶粒+秸秆生物炭+砾石组合作为生态浮床的基质

通过研究结果可以得出，该基质对水体中的污染物具有一定程度的吸收作用，尤其是对氨氮和COD吸收效果，同时陶粒和生物炭的多孔性质在为植物根系提供了生长附着点的同时又为微生物提供了生长环境，增加了水质的净化效果。浮床进行回收后，陶粒和秸秆生物炭中含有一定量的营养物质，可以用做肥料，在减少水体中污染物浓度的同时还可以进行秸秆的资源化利用。

2）景观植物于可食用植物交叉种植模式

浮床所筛选植物均为北方可生长植物并且具有良好的水质净化效果，可用于湖泊、河流和城市恶臭水体的处理。采用景观植物和可食用植物交叉种植模式，同时具备经济效益和社会效益。采用水稻、水葱等可食用植物可以带来一定的经济效益。景观植物的种植可以在进行净化的同时建设整洁优美的城市环境，具有水文化、水娱乐、水净化三重作用，同时景观植物回收后还可用来制作工艺品，同时具有社会效益和经济效益。

3）生态浮床植物布局

根据本实验研究可得水稻、水菖蒲、美人蕉对水质有净化作用，且水菖蒲的净化作用最好，美人蕉最适应伊通河水位的周期性变化情况。除却实验所用的植物，还可以加入观赏植物鸢尾以及可食用植物水葱、水芹等，增加浮床植物的多样性以及生长期的多样性。具体设置如图11所示，以22 m²浮床为例，各植物种植占比为：美人蕉（25.69%）、水葱（8.33%）、水芹菜（8.33%）、水稻（24.31%）、水菖蒲（19.44%）、鸢尾（7.64%），浮床最外围种植美人蕉可以适应伊通河水位的周期性降低，水稻和水菖蒲的占比都在20%左右，起主要净化作用。

种植植物于应用水体断面附近，每周两次采集进、出水水样进行水质分析，在35，60，80天收割少量植物进行检测，所有水质指标的监测采用国家标准方法。采样区域为系统的进水端、中部和出水端，每个区域随机选3个样方，每个样方的大小为1m×1 m。观察植物的长势，测定其生物量并从每个样方中随机选取长势基本致的植物若干株带回实验室处理和分析，测定干物质、TN、TP、氨氮含量，实验结束后测量水质，回收浮床，定期收割植物。评价水体和植物，并做机理分析。

二、水体各指标评价结果

1、pH、DO及电导率的变化

从图12可以看出，在整个研究期间，研究区域水环境温度范围为13~26℃，图13为pH的变化情况，由图可以看出，研究区pH均维持在中性范围内，不会对植物生长造成影响。图14和图15分别为DO和电导率的变化情况，DO经历的先降低后升高的过程，这与植物的生长过程相对应，电导率随时间的增加而降低，DO和电导率在11、62、77天有较大程度的波动，这与伊通河水位下降有关，综合来看，pH、DO及电导率三个指标的变化与植物的生长情况相对于且不会影响植物生长。

2、各点位指标变化

图16是研究区各点位指标的变化情况，研究区各点位TN、TP浓度的变化情况相似，经过113天的监测，可以看到TN、TP浓度在0~40天有了一定程度的下降，50天以后TN、TP浓度有较大程度的下降并于80天以后逐渐趋于平缓。实验初期浓度下降程度较小考虑植物刚刚栽种，还未起到太大的效果，此时浓度下降说明基质对TN、TP有一定程度的吸附作用。50天以后，植物生长茂盛，对TN、TP的吸收作用加强。实验初期氨氮和硝酸盐氮的浓度变化趋势相反，当氨氮浓度下降时，硝酸盐氮的浓度上升，反之亦然；实验中期时，两者的变化程度相似；实验末期是氨氮浓度逐渐下降并趋于平缓，硝酸盐氮含量增加。考虑在整个过程中二者存在一定程度的转化，并于植物的生长情况有关。COD的浓度变化波动程度较大，但是实验结束后发现其浓度有一定程度的下降，联系室内实验，考虑是因为研究区COD的含量较低，去除效果不明显，但是整体的污染水平较低，实验结束后，其浓度均低于30mg/L，达到《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准。

3、各指标去除率

各指标的去除率随时间的变化情况如图17所示，实验初期，硝酸盐氮和COD的去除率有很大程度的增加，分别为63.21%、58.82%，其他三个指标的去除率也有一定程度的增加，但是涨幅不大，此时刚刚放入浮床，植物还未开始生长，考虑基质的吸附作用，也反映的基质对COD与硝酸盐氮具有很好的吸收作用。实验中期时，各指标的去除率都有很多程度的增加，其中氨氮的去除率增加到75.64%。整个实验过程中，各指标去除率的变化波动较大，考虑与伊通河水位不断变化导致部分浮床植物（水菖蒲）生长状态在实验中生长状态不好，这也与TP和TN的去除率不高相对应，但是由于浮床采用对植物混种，加上基质的吸附作用，对TP的去除率也达到了50%。

三、植物特性分析

1、植物生理特性变化

实验结束后，各植物的生理特性均发生了一系列的变化，在整个实验期间，由于伊通河水位的变化，浮床靠近岸边的植物有了一定程度的发黄、枯萎的现象，但整体植物生长状态较好。植物的生理变化特性如表2所示，株高变化最大的是水稻，其次是美人蕉，分别为41.5cm、346cm。美人蕉的最大根长是涨幅最大的，为23cm。在实验期间，可以观察到四种植物的新生根数量很多，长得新叶子也很多，尤其是美人蕉的新叶最多。相对增长速率是反应植物生长状况好坏的重要标志，其相对增长率为：美人蕉（0.503g/day）>水稻（0.469 g/day）>鸢尾（0.432 g/day）>水菖蒲（0.353 g/day）。综合来看，所有植物的长势都很好，美人蕉的长势相对于其他三种植物更好。

2、植物体内的氮、磷、氨氮含量

植物通过自身的吸收作用将污水中的氮磷同化为自身的物质以维持植物自身的正常生长，从而使水中的氮磷得以去除，氨氮则是植物吸收用来促进自身生长。实验开始和试验结束后植物体内的氮磷含量如表3所示，美人蕉和鸢尾植物体内三种指标的含量都表现为地下部分大于地上部分，其中美人蕉地下部分比地上部分的TN含量高出9.6983 mg/L。水稻和水稻则是除了TN含量地下部分高，其余两个指标都是地上部分高于地下部分。水菖蒲则是除却氨氮浓度地下部分高，其余两个指标都是地上部分高于地下部分。实验前后植物体内三种指标的浓度都有了大幅度上升，尤其是对于TN和TP的吸收，水菖蒲地上部分的TN含量增加了31.6126 mg/L，TP含量增加了4.5094 mg/L，水稻地下部分TN含量增加了21.7267 mg/L，水菖蒲地下部分的TP含量增加了1.0555 mg/L，这也与5.2指标分析部分TN和TP浓度在水位有变化还可以达到30.77%和50%对应。

3、植物根系微生物分析

在浮床系统中植物可通过根系的吸收作用吸收水中氮、磷等污染物以合成自身有机体，从而达到净化水体的效果，同时，它的生长也会影响到根系微生物的生长情况，在生长期植物的根系代谢活跃，细胞向根外分泌供根系微生物生长代谢的有机物质，根系的泌氧活动也为微生物提供了氧气。植物作为组合型生态浮床系统的重要组成部分，不仅自身具有一定的水体净化功能，植物、微生物及浮床填料之间产生的协同作用还强化了生态浮床的除污能力。通过分析微生物可以得出主要起作用的微生物群体。主要对鸢尾（A）、美人蕉（B）和水稻（C）三种植物根系微生物进行了分析。

所有处理检测到的细菌分属于11个门，在门水平上土壤细菌群落组成如图18所示，3个植物样品细菌菌群在门的层次下，所含物种种类相似。变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chlorofiexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门（Firmicutes）、patescibacteria菌门、蓝藻细菌（Cyanobacteria）、疣微菌门（Gemmatimonadetes）、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)，其中，变形菌门是三种植物根系微生物中的优势菌门，并且水稻根系中的变形菌门的丰富度最高，鸢尾和美人蕉的根系微生物中虽然变形菌门是优势菌种，但是其他的菌种相对于水稻来说丰富度都要高。

根据测序分析结果得到的物种注释信息，应用Alpha多样性分析三种植物根系微生物群落丰富度(Chao指数)和多样性(Shanon指数)。如图19所示，鸢尾根系微生物的Chao、Shannon指数均大于水稻和美人蕉，说明鸢尾根系微生物群落多样性和丰富度最高，美人蕉根系微生物群落多样性和丰富度最低。

四、重金属分析

1、伊通河水中重金属分析

经过水样的化学分析、数据整理和计算可以看出伊通河中重金属的情况。由表4可知，水中重金属含量金属Zn最高，其次为Mn、Cu、As、Mo、Cr、Ni、V、Pb、Se，含量最低的为Cd。每个元素的含量都满足国家三类水标准，同时通过表5食品安全国家标准食品中污染物限量可以看出，元素含量达标，因此可以进行可食用植物的种植

2、水中重金属的主成分分析

伊通河中重金属的含量经过 SPSS 软件进行主成分分析。通过分析可知KMO值小于0.7且Bartlett球形检验结果P值小于0.001，说明变量之间存在相关性，可以进行因子分析。从表6可知，水中的重金属提取出了四个主成分，四个主成分共占总体变量的76.857%。其中，主成分 1 占总体变量的35.521%，重金属 Cr、As和Mo对其具有较大的贡献，且这些重金属含量较低，因此其可能的来源为土壤的输入和矿石的风化作用及采掘活动和化石燃料的燃烧，为自然源和人为源；主成分 2 占总体变量的16.796%，重金属 Mn和Cu对其具有大的贡献，且重金属 Cd 和 Cu 含量更低，因此其可能的来源为土壤的输入和矿石的风化作用，主要为自然源；主成分三占总体变量的12.706%，重金属Pb和Se对其具有大的贡献。主成份四占总体变量的11.834%，重金属Cd具有较大贡献，由此可以得出，伊通河水中的重金属可能具有一定的人为源，而高浓度的 Mn 受人类活动影响的可能性更大。

3、水中重金属相关性分析

重金属的相关性分析能够提供关于污染来源与分布的许多有价值的信息。伊通河的水中重金属的Pearson相关性分析结果见表7。从表可以看出，伊通河水中的重金属间具有正相关和负相关。其中V-Cr、V-Mo、Cr-Zn、Cr-As、Ni-Mo、Zn-As之间呈极显著正相关关系，说明水中的这些重金属可能具有相同的来源。本文的相关性分析为仅依靠 Pearson 相关系数做出的分析，这可能使重金属的来源分析具有较大的不确定性。而相关性分析为来源分析的第一步，需要进行更详细的分析以便识别物质的污染来源。

4、伊通河水体中重金属的季节变化分析

图20表示水库水中重金属的季节变化，由图可知，水库水中重金属在枯水期重金属Mn远远大于丰水期，重金属V和Cr枯水期高于丰水期数值，重金属Cu有明显下降，其余重金属几乎没有变化。

根据本实施例上述实验结果，总结如下：

1）各指标去除负荷

实验初期，硝酸盐氮和COD的去除负荷有很大程度的增加，分别为63.21%、58.82%，其他三个指标的去除负荷也有一定程度的增加，但是涨幅不大，此时刚刚放入浮床，植物还未开始生长，考虑基质的吸附作用，也反映的基质对COD与硝酸盐氮具有很好的吸收作用。实验中期时，各指标的去除负荷都有很多程度的增加，其中氨氮的去除负荷增加到75.64%。整个实验过程中，各指标去除负荷的变化波动较大，考虑与伊通河水位不断变化导致部分浮床植物（水菖蒲）生长状态在实验中生长状态不好，这也与TP和TN的去除负荷不高相对应，但是由于浮床采用对植物混种，加上基质的吸附作用，对TP的去除负荷也达到了50%。

2）植物指标变化

植物生理特性变化：四种植物的新生根数量很多，长得新叶子也很多，尤其是美人蕉的新叶最多。相对增长速率是反应植物生长状况好坏的重要标志，其相对增长率为：美人蕉（0.503g/day）>水稻（0.469 g/day）>鸢尾（0.432 g/day）>水菖蒲（0.353 g/day）。综合来看，所有植物的长势都很好，美人蕉的长势相对于其他三种植物更好。

植物体内的氮、磷、氨氮含量：实验开始和实验结束后美人蕉和鸢尾植物体内三种指标的含量都表现为地下部分大于地上部分，其中美人蕉地下部分比地上部分的TN含量高出9.6983 mg/L。水稻和水稻则是除了TN含量地下部分高，其余两个指标都是地上部分高于地下部分。水菖蒲则是除却氨氮浓度地下部分高，其余两个指标都是地上部分高于地下部分。实验前后植物体内三种指标的浓度都有了大幅度上升，尤其是对于TN和TP的吸收，水菖蒲地上部分的TN含量增加了31.6126 mg/L，TP含量增加了4.5094 mg/L，水稻地下部分TN含量增加了21.7267 mg/L，水菖蒲地下部分的TP含量增加了1.0555 mg/L。

3）微生物分析

主要对鸢尾、美人蕉和水稻三种植物根系微生物进行了分析。3个植物样品细菌菌群在门的层次下，所含物种种类相似。变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chlorofiexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门（Firmicutes）、patescibacteria菌门、蓝藻细菌（Cyanobacteria）、疣微菌门（Gemmatimonadetes）、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)，其中，变形菌门是三种植物根系微生物中的优势菌门，并且水稻根系中的变形菌门的丰富度最高，鸢尾和美人蕉的根系微生物中虽然变形菌门是优势菌种，但是其他的菌种相对于水稻来说丰富度都要高。

根据测序分析结果得到的物种注释信息，应用Alpha多样性分析三种植物根系微生物群落丰富度(Chao指数)和多样性(Shanon指数)。鸢尾根系微生物的Chao、Shannon指数均大于水稻和美人蕉，说明鸢尾根系微生物群落多样性和丰富度最高，美人蕉根系微生物群落多样性和丰富度最低。

通过生态浮床室内和室外实验相结合，探究生态浮床对TN、TP、氨氮、硝酸盐氮和COD的去除效果，辅以植物生理指标、微生物的分析，主要得出以下结论：

1）陶粒、生物炭与砾石结合的基质对水体中污染物有一定的吸附能力，其中对于氨氮和COD的吸附能力较强，尤其是在高浓度水体中，对COD的吸附效果尤为明显。同时由于生物炭和陶粒的多孔结构，不仅仅为植物根系提供了良好的附着点，也为微生物提供了良好的生长环境，在促进植物生长的同时也增加了微生物的多样性；

2）采用生态浮床对中高浓度水体中污染物的降解更好，较高浓度污染物水体中有足够植物生长的营养元素，在促进植物生长的同时，加强了对污染物的去除效果；

3）结合水体污染指标净化情况和植物根系微生物分析，植物混种比单独种植净化效果更好。根据室内浮床实验结果得出水菖蒲的净化效果最好，其次是水稻，将两种植物结合并加入美人蕉等观赏植物的组合对水体的净化程度很好，伊通河水体为Ⅳ类水体，通过浮床净化后TP和氨氮浓度可以达到Ⅲ类水体标准；

4）根据植物生理指标特征分析可以发现，鸢尾和美人蕉对水体也具有净化效果，且美人蕉对伊通河水体的适应程度很强，植物生长状态健康，鸢尾的根系微生物多样性也很高。

Claims (7)

1.一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，其特征在于：它包括：植物和基质；所述的植物为水菖蒲、水稻、美人蕉、鸢尾、水葱、水芹菜中至少一种；所述的基质为陶粒、秸秆生物炭和/或砾石。

2.根据权利要求1所述的一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，其特征在于：所述的基质及比例为陶粒19.6-24.6%、秸秆生物炭0.4-0.6%、砾石75-80%。

3.根据权利要求2所述的一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，其特征在于：所述的植物为水菖蒲、水稻、水芹菜。

4.根据权利要求3所述的一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，其特征在于：所述的水菖蒲：水稻：水芹菜=1:1~2:1~2。

5.根据权利要求2所述的一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，其特征在于：所述的植物为水菖蒲、水稻、美人蕉、鸢尾、水葱和水芹菜。

6.根据权利要求5所述的一种用于地表污染水体生物治理生态浮床组合，其特征在于：所述的各植物种植占比：美人蕉20~30%、水葱5~10%、水芹菜5~10%、水稻20~30%、水菖蒲15~20%、鸢尾5~10%。

7.一种地表污染水体生物治理方法，其特征在于：它包括：

1）选取权利要求1所述的植物，清洗；

2）缓苗，用生活污水驯化；

3）将驯化后的植物用陶粒、生物炭和/或砾石基质固定，种植在地表污染水体中。

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