生态浮床技术及其对地表水体的原位修复综述

包浚钦，周 缘，杨孔清，邓振贵，白少元

（1.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林541004；2.广西恒晟水环境治理有限公司，广西 桂林541004；3.广西环境污染控制理论与技术重点实验室科教结合科技创新基地，广西 桂林541004）

水体富营养化是全球性水环境问题。 基于原位修复的理念，生态浮床技术在湖泊、河流等水体的结构上得到了广泛应用，从而降低了水中氮、磷、COD的含量。 其净化过程包括植物、微生物、水生动物的综合功能，对水质改善有一定作用。

在应用过程中，生态浮床净化效率较低、结构易损坏的问题也逐渐暴露出来。 如何基于结构单位的作用对浮床进行优化设计， 并将其与其他污水净化技术相结合，是提升生态浮床效能的必要途径。鉴于此，本文通过分析生态浮床结构及其净化机制，综述了目前我国浮床构建的主要类型及其应用情况，同时对其结构优化趋势进行了展望。

1 生态浮床与进化机理

1.1 浮床结构单元

浮床的主体结构组成部分主要包括浮床框体、浮床床体、浮床基质、浮床植物。

（1）浮床框体。浮床的框体是生态浮床的外围封闭结构，它决定了浮床整体的结构。浮床本身要求质轻耐用，抗风浪强大，目前框体材料多采用成型环保PE材料。也有用方正木板或塑料板，同时也可用PVC胶和接头连接而成的固定式浮床框架。

（2）浮床床体。 浮床床体作为植物的载体，提供浮床所需的浮力。 床体材料要求浮力大、轻便、原材料来源广泛、性能稳定等，可采用聚苯乙烯泡沫板。

（3）浮床基质。浮床基质的功能主要是固定栽培的植物并为微生物提供附着载体。 基质材料一般有可重复利用、弹性好、比表面积大等要求。 目前椰子纤维、海绵应用较多。 也可使用土壤，但由于土壤使浮床重量增加并加重了水质恶化，目前应用较少。

（4）浮床植物。浮床植物是浮床净化功能主体的重要组成。 浮床植物植株不宜过高，抗倒伏，易于存活，同时具有美化环境、经济效益等要求。 目前广泛使用的有凤眼莲、香蒲、石菖蒲、狐尾藻等。

1.2 生态浮床净化机理

1.2.1 植物作用

生态浮床利用大量植物根系在水中形成纵横交织网络，过滤水中悬浮物，形成富氧环境；同时，利用植物根系来吸收水中的氮磷营养盐和有机污染，将其转变为植物生长需要的营养成分， 并降低污染物的含量。此外，植物还可通过争夺藻类的光照来抑制它们的生长。

1.2.2 微生物作用

在不同氧含量的根际区域和基质中， 不同的微生物大量生长繁殖，降解水中的氮磷、有机污染物等各类污染物， 并利用对有机污染物的矿化作用提供植物生长所需的无机养料。

2 生态浮床优化设计

2.1 水生动物浮床

水生动物浮床， 指利用笼养滤食性水生动物贝类消化作用，降解水中有机污染物，并通过滤食作用减少污染物的含量。其中采用了“加环”的原理，通过人为调节食物链，选择生物大、净化污染量较高的人造生物种群，以取代自然生物的种群。

浮床中笼网是一种既能保证所需的贝类生物量，又能避免贝类过度积累的双层渔网结构，在笼网中加入水生动物， 其呼吸作用消耗的溶解氧及产出的排泄物提高了微生物反硝化所需的碳源含量，促进反硝化菌生长，从而加强反硝化作用，使得TN进一步削减。

该设计结合了“加环”［3］的原理，在生态浮床基础上插入水动物层，结合人工介质形成了组合生态浮床。 整个浮床优化综合了植物根系的吸收、吸附、富集功能、 微生物降解功能和水生动物摄食功能，使各种技术净化功能得到充分发挥，综合治理污染水体。

2.2 沸石浮床

一些研究将沸石替换为传统基质， 并将再力花选为浮床植物。 这种浮床是将再力花固定在空心的塑料浮体上， 然后将由尼龙线制成的网袋挂在浮体下部，以放置沸石。 可根据深度调整水兜的位置，使沸石能够更好地与沸石接触。在深水中，花根可在适当的温度下进入沸石中。

（1）对COD、TN的去除。一方面，沸石中较大的孔隙有利于根系微生物在再力花中生长和繁殖， 微生物的数量增加使得生物膜厚度提高；另一方面，沸石的吸附力更强，为再力花生长提供足够的营养，促进再力花生长和产生大量氧气， 同时也为好氧微生物的繁殖和生长提供了较好的环境。

研究得出再力花与沸石的组合基质净化效果大于单一系统，且沸石可以促进再力花生长，为微生物的生长繁殖提供良好场所。

此外，还有一项最新研究结果发现，选择600 ℃下的改性牡蛎壳、 蛭石和改性木粉石等生物活性炭的基质组合作为基质， 与美人蕉、 狐尾藻的基质结合，也能具有很好的水体净化作用。

2.3 强化生态浮床

强化生态浮床包括浮床床体、 水生植物和纤维填料。该浮床设置一定数量的塑料浮盘，浮盘下垂直悬浮纤维填料，再使用支撑物将其连接。

在强化生态浮床的各样点水下， 分别取纤维填料样对生物膜进行研究。 可挥发的生物膜可以作为反映生物模量的一个指标。当生物膜达到动态平衡，浮床系统稳定运行时，有机质和营养元素降解最好，达到理想效果。

另外，生物膜的厚度也是一个特殊的生物膜参数。 强化生态浮床工作完毕后，生物膜的厚度由表层向下依次减小。 浅层水面生物膜的厚度最大，吸附无机粒子的含量最大， 而表层水中含有高量溶解氧，促进了生物膜积累和微生物的发育；水面下方较深处，纤维填料的生物膜厚度均匀，出水污染量有效减少［5］。

因此在实际应用中，合理控制生物膜厚度、发挥生物膜最大活性将有效提高处理污染水体的效率。

2.4 微曝气生态浮床优化处理机制

微曝气生态浮床在床体下方增设曝气装置进行曝气，将植物浮床技术与接触氧化相结合，这些优化设计不但提高了水体中的DO含量，还提高了净化效率。良好的好氧环境有利于浮床植物的生长，还能够提高微生物的活性使其快速形成生物膜。 另外也能有效促进沉积物对水体中磷的吸收， 并将磷固定在沉积物中。

根据不同的环境条件， 可对系统的结构方式自由变换组合，浮床整体为组合的漂浮载体单元，下端悬挂可随水流自由摆动的立体弹性填料使浮床整体上下起伏。

微曝气生态浮床的稳定运行， 使TN、TP、COD等污染物的去除效率明显得到提高， 可在河道水体净化工程中推广应用。

3 实际工程案例

3.1 多元功能组合系统净化富营养化水体的示范工程

3.1.1 项目概况

龙泓涧位于中国杭州西湖的西南部， 以山地补水、雨水、山体地表径流等灌溉西湖水源为主，污染源主要成分是日常生活中的污水、 有机化学污染物和地表的山体径流。

项目实施前， 龙泓涧流域进水口COD含量约55mg/L，TN含量约5mg/L，TP含量约0.03mg/L，-N含量约0.4mg/L，-N含量约4mg/L。

3.1.2 设计单元

该工程的设计单元包括多级生态廊道、 局部净化场、生态浮床。

主要在龙泓涧主流建设生态浮床， 将生态浮床分成三层，每一层都用不同的材料介质，以降低水体氮磷的含量。下层悬挂立体弹性填料，利于微生物的附着，导致底泥含量和氮含量的增加，从而强化底泥中对氮的沉积；中层浮床的载体由陶粒制成，为微生物提供了快速生长的空间， 增强了反硝化作用和脱氮效果；上层采用土壤人工铺设，种植适宜的各种水生植物，可快速截留并有效吸附水中氮、磷等，也可通过吸收植物内的吸收成分同化水中的氮、 磷等多种营养成分。

3.1.3 净化效果

示范工程主要结合生态浮床、 多层次的生态廊道及生物群落沸石处理技术， 构建了植物与动物群和微生物之间协同作用的生物群落生态结构， 使长江河水得到净化，具有科学指导性。

3.2 菌藻填料生态浮床对河道的治理

3.2.1 菌藻填料生态浮床的构建

菌藻填料生态浮床是在原有生态浮床的基础上，添加固定化菌藻填料，并配备过滤装置、净化装置和增强型吸附装置， 合理开发水下空间以全面净化污水。 过滤装置包括尼龙滤网和偏转器。 从上到下，净化装置是挺水植物层、悬浮填料层、微孔曝气层，沉水植物层及固定化菌藻填料层。固定化菌藻填料层填充有固定化细菌和藻类颗粒。 增强型吸附装置分为砾石层和纳米活性炭层。

以南京外港河某河段作为研究对象， 该生态浮床的参数为：高强度的聚乙烯浮床，植物选用苏丹草和美人蕉，聚丙烯球形悬浮填料直径为80mm，装填密度250个/m3，沉水植物选用狐尾藻和金鱼藻混合种植，曝气管设有5根，间隔10cm。

将该生态浮床安置在外港河500m的河岸边，每套装置长2m、宽1.5m，治理面积为50m2。

3.2.2 浮床的运行过程

污水经过滤装置首先过滤出较大的漂浮物和悬浮粒子。 然后进入净化装置，去除主要的污染物，如有机物质、悬浮固体、氮和磷等。最后，对污水进一步处理，净化后水体由增强式吸附装置流出。

3.2.3 河道治理效果

该装置在运行6d后TN、COD和TP的去除率分别为92.5%［7］、82.4%和94.3%， 溶解氧的含量提高到3mg/L以上，净化水体的水质高于Ⅱ类水质标准。

实验结果分析可知， 固定化菌藻填料提高了该装置脱氮除磷效率； 而且填料中存在的高生物活性的菌种，保证了前期处理污染物有较高的去除效率，还能促进周围填料生物膜的形成和生长。

3.3 曝气-电解生态浮床在河道治理的应用

杭州市西溪河水质改善工程设于西湖片区。 由于多年来西溪河沿线多年持续排放污水， 以及早期建设的截流工程不彻底，导致河水受污染严重。

治理前西溪河水的溶解氧含量4.28mg/L，氨氮含量2.1mg/L，COD 含 量20.45mg/L， TP 含 量0.21mg/L，BOD含量7.42mg/L， 到夏季时水质指标会明显提高。为改善西溪河的水质， 工程采用人工浮岛与潜水射流曝气相结合的方法，在河段两侧设置射流曝气机。工程实施两个月后竣工， 西溪河断面检测的水质溶解氧含量上升到6.9mg/L， 氨氮含量下降到1.5mg/L，COD含量下降到15.5mg/L，TP含量下降到0.18mg/L，而BOD含量下降到5.52mg/L。 总的来说，水中溶解氧的含量有所回升，其余水质指标明显下降；经过治理后河水的水质有明显改善。

4 结语

生态浮床技术是一种净化效果好、治理速度快、施工简单的地表水原位修复技术， 治理水体污染的同时，还美化了河道环境。 该技术经过多年的发展，目前已经较为成熟， 可在原位修复受污染水体的领域合理应用。

（1）新型生态浮床技术通过不同的组合基质搭配优化的生物配置、 微曝气技术及生物技术的结合大大提高了水体污染物的去除效率。 最新研究发现填料中沸石是较好的选择， 浮床净化系统采用微曝气技术可提高水体中的溶解氧含量， 增强了微生物的活性从而在填料上快速形成生物膜， 另外溶解氧含量的提高也能促进浮床植物的良好生长。

（2）生态浮床技术除了能治理污水，美化环境外， 其种植的水生植物收割后还能当作饲料喂养牲畜，所以应注重浮床植物的选择。