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近几十年来，水体富营养化是国际上的热点话题和研究热点之一。由于农业面源退水、工业废水、生活污水等排放，使得地表水体中的氮磷营养元素浓度超标，造成了水体富营养化，大面积河流湖泊出现发黑发臭现象，引起了人们的广泛关注。生态浮床技术是一种生态工程技术方法，相对于物理的、化学的和生物的方法而言，具有无占地、效果好、生态效益明显等优点。生态浮床技术的优化、研究和应用较为活跃，是进一步提升生态浮床技术除磷脱氮能力的需要。本研究以生态浮床为研究对象，选取竹丝和人工塑料作为基质，以塑料基质的生态浮床(ecological floating bed with plastics substrates, EFB-PS)为对照组，构建研究了竹丝基质的生态浮床(ecological floating with bamboo substrates, EFB-BS)除磷脱氮的效果与特性。研究了植物长势、氮磷去除效率、基质表面微观结构演变特征、指示性微生物特点、微生物种群结构与多样性变化特征和生化反应动力学等，得出以下结论：
(1)EFB-PS对TN，NH4+-N，COD和TP的平均去除率为58.19%±5.28%，70.50%±2.28%，75.14%±3.20%和70.89%±3.54%。EFB-BS对TN，NH4+-N，COD和TP的平均去除率为64.02%±4.98%，76.10%±3.90%，81.96%±4.07%和75.59%±10.94%。相比于EFB-PS，EFB-BS系统内存在更为显著的NH4+-N和NO3--N同步转化的现象。EFB-BS对TN，NH4+-N，COD和TP的平均去除率比EFB-PS高10.02%，7.94%，9.08%和6.63%。当C/N比由15:1下降到10:1时，EFB-PS对TN，COD和TP的去除率分别下降13.67%，14.50%和59.44%，对NH4+-N的去除效果稳定。而EFB-BS对TN的去除效果稳定，对NH4+-N的去除率提高16.13%，对COD和TP的去除率分别下降12.14%和49.19%。EFB-BS中的水芹植株主茎高度优于EFB-PS，EFB-PS和EFB-BS中的水芹主茎平均增长率分别为29.80%和74.63%。由此可见，竹丝具有较强的耐冲击负荷的能力，EFB-BS对营养盐的去除效果显著。采用以竹丝为基质的生态浮床除磷脱氮能力优于以塑料为基质的生态浮床。
(2)通过高通量测序的表征手段可知，塑料表面的微生物多样性要优于竹丝表面，系统稳定性更强。塑料与竹丝表面微生物既有相似性也存在差异性，其中塑料与竹丝表面微生物种类公共的部分有865种。在属水平上，竹丝表面的优势菌属丰度远超塑料表面，诸如除磷功能菌：Massilia(马赛菌属)(39.93%)，脱氮功能菌：Pseudomonas(假单胞菌属)(12.75%)、Flavobacterium(黄杆菌属)(3.35%)、Janthinobacterium(紫色杆菌属)(3.96%)和Hydrogenophaga(氢噬胞菌属)(2.54%)。
(3)根据微生物镜检结果发现，竹丝表面生物膜内菌胶团结构较大、颜色透明，并在菌胶团内发现了红斑飘体虫、线虫等微型后生动物；肾形虫、钟虫等原生动物，指示性微生物丰富。
(4)通过扫描电镜的表征手段发现，竹丝使用后，表面结构被破坏，有大量大小深浅不一的孔洞，证明竹丝被消耗，释放碳源，这与竹丝作为生态浮床的缓释碳源的理论一致。通过观察基质表面生物膜的情况，发现塑料表面的生物膜薄，竹丝表面生物膜较厚，包裹着竹丝。发现塑料表面具有很多的杆菌，而竹丝表面却没有发现有大量的细菌，仅有大量的胞外物。而在竹丝孔洞内发现大量厌氧菌且丰度存在较大差别，诸如Flavobacterium(黄杆菌属)(3.35%)、Janthinobacterium(紫色杆菌属)(3.96%)和Hydrogenophaga(氢噬胞菌属)(2.54%)等。这些优势功能菌种为生态浮床除磷脱氮发挥着重要作用。
(5)生态浮床对总氮的降解过程描述的Monod动力学方程的相关系数R2均在0.98以上。EFB-PS对总氮的降解动力学方程为v=18.03c/26.67+c，其中k0,v和k分别为18.03和26.67，相关系数R2为0.9895。EFB-BS对总氮的降解动力学方程为v=163.68c/334.96+c，其中k0,v和k分别为163.68和334.96，相关系数R2为0.9835。因此，通过Monod动力学方程对以微生物为主导的生态浮床降解去除污染物的效果进行预测，不断优化管理，优化设计，使得生态浮床的去除效果更加高效。
(1)EFB-PS对TN，NH4+-N，COD和TP的平均去除率为58.19%±5.28%，70.50%±2.28%，75.14%±3.20%和70.89%±3.54%。EFB-BS对TN，NH4+-N，COD和TP的平均去除率为64.02%±4.98%，76.10%±3.90%，81.96%±4.07%和75.59%±10.94%。相比于EFB-PS，EFB-BS系统内存在更为显著的NH4+-N和NO3--N同步转化的现象。EFB-BS对TN，NH4+-N，COD和TP的平均去除率比EFB-PS高10.02%，7.94%，9.08%和6.63%。当C/N比由15:1下降到10:1时，EFB-PS对TN，COD和TP的去除率分别下降13.67%，14.50%和59.44%，对NH4+-N的去除效果稳定。而EFB-BS对TN的去除效果稳定，对NH4+-N的去除率提高16.13%，对COD和TP的去除率分别下降12.14%和49.19%。EFB-BS中的水芹植株主茎高度优于EFB-PS，EFB-PS和EFB-BS中的水芹主茎平均增长率分别为29.80%和74.63%。由此可见，竹丝具有较强的耐冲击负荷的能力，EFB-BS对营养盐的去除效果显著。采用以竹丝为基质的生态浮床除磷脱氮能力优于以塑料为基质的生态浮床。
(2)通过高通量测序的表征手段可知，塑料表面的微生物多样性要优于竹丝表面，系统稳定性更强。塑料与竹丝表面微生物既有相似性也存在差异性，其中塑料与竹丝表面微生物种类公共的部分有865种。在属水平上，竹丝表面的优势菌属丰度远超塑料表面，诸如除磷功能菌：Massilia(马赛菌属)(39.93%)，脱氮功能菌：Pseudomonas(假单胞菌属)(12.75%)、Flavobacterium(黄杆菌属)(3.35%)、Janthinobacterium(紫色杆菌属)(3.96%)和Hydrogenophaga(氢噬胞菌属)(2.54%)。
(3)根据微生物镜检结果发现，竹丝表面生物膜内菌胶团结构较大、颜色透明，并在菌胶团内发现了红斑飘体虫、线虫等微型后生动物；肾形虫、钟虫等原生动物，指示性微生物丰富。
(4)通过扫描电镜的表征手段发现，竹丝使用后，表面结构被破坏，有大量大小深浅不一的孔洞，证明竹丝被消耗，释放碳源，这与竹丝作为生态浮床的缓释碳源的理论一致。通过观察基质表面生物膜的情况，发现塑料表面的生物膜薄，竹丝表面生物膜较厚，包裹着竹丝。发现塑料表面具有很多的杆菌，而竹丝表面却没有发现有大量的细菌，仅有大量的胞外物。而在竹丝孔洞内发现大量厌氧菌且丰度存在较大差别，诸如Flavobacterium(黄杆菌属)(3.35%)、Janthinobacterium(紫色杆菌属)(3.96%)和Hydrogenophaga(氢噬胞菌属)(2.54%)等。这些优势功能菌种为生态浮床除磷脱氮发挥着重要作用。
(5)生态浮床对总氮的降解过程描述的Monod动力学方程的相关系数R2均在0.98以上。EFB-PS对总氮的降解动力学方程为v=18.03c/26.67+c，其中k0,v和k分别为18.03和26.67，相关系数R2为0.9895。EFB-BS对总氮的降解动力学方程为v=163.68c/334.96+c，其中k0,v和k分别为163.68和334.96，相关系数R2为0.9835。因此，通过Monod动力学方程对以微生物为主导的生态浮床降解去除污染物的效果进行预测，不断优化管理，优化设计，使得生态浮床的去除效果更加高效。