提高生态浮岛对受污染水体净化效率的研究进展

刘 伟，臧吴琪，周驰誉，周晓林，邵 莉，杨林军,*

(1.江苏省水利科教中心，江苏南京 210096；2.东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京 210096)

各行业污水直排现象仍然存在，造成水体中氮、磷、无机盐[1]等污染物含量超标，加重水体毒理性[2]，严重影响水生态系统。人为污染无疑进一步减少了可用淡水资源，造成水质型缺水[3]。因此，地表水治理刻不容缓，而利用生态治理技术处理受污水体是现研究热点。

生态治理技术总体上分为迁地治理与原位治理法[1]。生态浮岛是原位治理法的一种，也是传统人工湿地的变体，称为生态浮床或人工浮岛[4]。19世纪70年代末，德国最早开发生态浮岛[5]，20世纪80年代后，发达国家开始利用植物浮床技术进行河湖水质处理[6-7]，生态浮岛对非点源营养物的去除效果要明显优于固定的人工湿地。相较于迁地治理法，生态浮岛具备不额外占用土地、管理方便、投资小、景观性强[1]等优点。然而，传统生态浮岛对外界条件敏感、实际工程设计缺乏定量依据，故虽然生态浮岛广泛应用于地表水处理，但未能充分发挥其净化能力。基于此，本文主要内容包括：(1)介绍生态浮岛基本结构；(2)讨论生态浮岛与多种技术联合强化净水效果措施；(3)讨论生态浮岛组成、结构及布置的优化研究；(4)分析理论研究与实际应用间差异。旨在通过分析前人研究，为生态浮岛未来研究方向提供思路、为工程实践的优化及管理提供参考。

1 生态浮岛基本组成

不同于传统人工湿地，生态浮岛的植物种植于浮在水面的床体上(图1)。床体、植物、基质是生态浮岛的基础组成部分[1]，床体的材料选择及结构设计、植物与基质的种类选取对生态浮岛处理效果有很大的影响。不同组成的生态浮岛净化效果如表1所示。

图1 生态浮岛示意图Fig.1 Schematic Diagram of EFI

表1 生态浮岛的组成及净化效果Tab.1 Composition and Purification Efficiency of EFI

1.1 床体

床体是生态浮岛的主要结构，为植物提供栽植和生长空间[16]。从床体结构设计划分，主要分为干式和湿式生态浮岛,干式生态浮岛植物根系与水不直接接触，植物吸收作用受限[17]；湿式生态浮岛的应用较为广泛。从床体的功能及长期运行效果考虑，应注重材料的稳定性、环保性、多孔透气性、浮力效果和疏水性等[18]。目前常用的床体材料有聚苯乙烯、PVC、PP等人工材料，以及椰子纤维、毛竹等天然材料[19-20]。

1.2 植物

植物在生态浮岛净化水体过程中起到重要的作用[1]。随着根系愈加旺盛，根部在水下形成茂密的根系网络，通过根系拦截、吸收、转化等作用去除污染物[5]。植物茎叶经过光合作用，通过通气组织向根系传递氧气，在根部周围形成“有氧-缺氧-厌氧”模式[18]，为各种好氧、厌氧微生物提供生长繁殖条件。

目前已有大量关于生态浮岛植物筛选的研究，植物类型涉及农作物、蔬菜、景观植物等[21]。一般植物生长趋势越好、存活率越高，对水体中污染物的吸收效果越好。Keizer等[22]研究显示试验期间狭叶香蒲(Typhaangustifolia)生物量增速不如黄菖蒲，而黄菖蒲对TN、TP的吸附量也远高于狭叶香蒲。这也表明了植物生物量与其吸收污染物能力正相关。从增加系统净化能力、景观性、季节性角度考虑，很多学者研究异类植物组合处理效果[2]。但不可忽视植物之间的化感作用[5]，仅增加植物多样性在净化效果上有一定限制性。

1.3 基质

基于基质本身的性质，可通过离子交换、吸附或共沉淀[5]等作用去除水体中的污染物。而且，添加基质能够提高植物的抗伏倒性，也能为微生物提供附着点[12]。Wang等[12]在生态浮岛中加入沸石和海绵铁后植物伏倒率降低；氮、磷、浑浊度和叶绿素a的去除效率显著增加。可能是因为沸石、海绵铁中含有Ca、K、Fe等微量元素，一方面可与磷共沉淀，另一方面微量元素也利于植物生长。而两者大的比表面积既利于吸附污染物又可附着微生物。

常用基质有沸石、蛭石、陶粒、稻草及人工改性材料等。基质的选择需考虑其物理(比表面积、孔隙率、保水率)和化学(pH、肥力、降解性)性质[5]。如稻草中富含纤维素和木质素，具有较高生物亲和力、低毒理性、较大比表面积。在以稻草为基质的生态浮岛系统中硝化细菌、反硝化细菌数量明显增多；细菌也将稻草分解为供微生物生长消耗的可溶性物质。故TN、硝态氮的去除效率分别提高了40%、60%左右[8]。基质的种类研究众多，但多数吸附试验所设初始浓度比较高，与实际应用水质存在差异，且对基质吸附饱和、污染物解析情况的研究不够充分。

2 强化生态浮岛净化效果措施

2.1 生态-物理法强化

人工曝气旨在提高水体溶解氧含量和氧化还原电位，为好氧反应过程提供充分条件。张玲玲等[23]对不同曝气增氧条件下填料生态浮岛对养殖水体的净化效果进行研究，发现与不曝气相比，不同增氧条件下出水中TN、TP、COD浓度均有所减少。目前鼓风、机械曝气实际使用较多但效果一般；微孔、微纳米曝气具备气泡体积小、对水体扰动小等优点[24]，但设施结构复杂不易推广。湿地联合电解技术组成的电解强化湿地系统也可以显著提高氮、磷的去除效果，陈慧萍等[25]构建的电解人工湿地系统实现了在低碳氮比(C/N)水体中高效去除氮、磷，通过高通量测序技术发现在电解条件下反硝化菌得到富集，故而脱氮效果显著。闫诚等[26]为提高生态浮床的净化效果，将曝气、电解与浮床结合构建了曝气-电解生态浮岛系统。试验发现电解可以提高系统反硝化细菌的数量、增强磷元素的絮凝沉淀作用，而曝气又可以减弱电解对植物理化性质的影响，进一步提高生态浮岛的净化能力。

定量确定曝气量与电解强度是研究重点。水体溶解氧含量低不利于植物和好氧细菌的生长，但溶解氧浓度过高使得硝化反应强烈，氨氮含量大减、硝酸盐氮累积，影响了植物正常生长，也会影响磷的吸收去除。另一方面，虽然可根据污染物耗氧量计算出所需曝气量，但曝气机产生的气量并不能完全溶于水中，对实际气水比的确定有一定难度。

2.2 生态-化学法强化

植物特性是决定植物的吸收作用强弱的因素之一，有研究者通过离子注入技术来改良植物。注入N+离子束的空心菜(Ipomoeaaquatica)无论是在高氮还是低氮的人工配水中，其生长速率远远高于普通空心菜，对氨氮、硝酸盐氮的去除效率也大大提升，达到80%以上，并在后续实际水体应用中空心菜生态浮岛对氮、磷的去除率也维持在51%～68%、54%～71%[27-28]。而对于改良后作物的经济效益问题还需做进一步研究。

有机碳含量低，则供异养微生物、植物生长繁殖的有机物少。自然河道水、污水处理厂尾水等水体均存在C/N较低情况，人工添加碳源成为提高系统C/N的一种方式。段婧婧等[29]对生态浮岛处理生活污水的研究表明，C/N由4提升至6时植物生态浮岛对TN、TP的去除效率分别增加10%、60%左右，植物吸收作用占比也大大增加。利用固态碳源作为缓释碳源，是目前碳源研究应用的重点。在高效固态缓释碳源的研究中，以人工材料(聚己内酯、聚乙烯醇、海藻酸钠)为载体及骨架、以天然材料(果壳、玉米芯)为碳源制成的缓释碳源，具备良好的释碳能力及稳定性等优势。于鲁冀等[30]以聚乙烯醇-海藻酸钠为骨架、玉米芯为碳源，制备了缓释碳源(PVA-SA-Y)，与纯人工合成材料制成的碳源相比，该碳源的缓释能力最好，在短时间内对硝酸盐氮的去除率就达到100%，对TN去除效率提升20%以上。高通量测序结果显示，试验后的PVA-SA-Y上硝化细菌和反硝化细菌生长量也有所增加，这与Xiong等[31]的研究结果相似。

2.3 生态-生物法强化

向生态浮岛中添加比表面积大的材料作为微生物载体，有利于微生物的附着繁殖进而在载体表面形成生物膜，达到与生物膜技术复合、增强微生物作用的目的[36]。生物绳、立体弹性填料的比表面积大、舒展性好，既易附着微生物也容易脱膜，可以高效、持续地发挥微生物作用；而一系列矿物类的填料，由于材料结构中含有羟基基团或金属离子，在可以附着微生物同时更易发生离子交换、沉淀等化学反应[1]。邹联沛等[37]构建的生物绳填料-水葱生态浮岛对低污染水体的氮、磷净化效率提高10%左右。Song等[38]在植物生态浮岛中整合了立体弹性填料，系统中共生菌、共生杆菌等利于反硝化过程的细菌数量显著提升，反硝化速率比陶粒基质中提高5倍左右，TN的去除效率提高10.9%。但植物吸收作用受到限制，这与Wu等[39]试验结论相反。这可能是因为植物和填料种类不同、两者之间距离远近等问题，悬挂填料的同时需考虑其对植物生长的影响。

微生物作用是除氮的主要作用，通过反硝化作用最终将氮以气体形式排出水体。故反硝化菌的存在对生态浮岛净化效果起重要作用。但反硝化细菌在天然水体中的生长繁殖速度较慢，以致前期除氮效果较差[1]。Sun等[40]制备了固定反硝化菌小球并投加于美人蕉生态浮岛中，5 d后对TN、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的去除效率分别提高了12.9%、38.3%、28%，提升效果显著。与细菌固定技术的结合，有望改善污染物去除效果。传统植物生态浮岛对含盐废水的处理效果一般，原因在于植物生长受盐离子抑制，无法有效发挥植物吸收作用[41]。窦文清等[42]构造的丛枝菌根强化生态浮岛对无机盐离子的去除率提高了11.4%～37.1%。主要机理是在生态浮岛中形成真菌-植物共生体，提高植物的耐盐能力以及对钙、镁等离子的吸收效率。

2.4 组成及结构优化

除与各种技术联合，也可通过优化生态浮岛组成及结构(优势水生植物的筛选、床体结构及布置优化)提高净化效率。植物初步筛选研究主要有实验室静态水培方法，一般是将植物植于水培容器中，并置于人工光照培养箱或者温室中。以定期的水质参数检测结果为依据，对比得到净化效果最佳的水生植物。此外还可拟合植物吸收动力学方程[43]比较各植物的最大吸收速率(Imax)与米氏常数(Km)，优选Imax较大、Km较小的植物。Zhang等[44]在人工温室中进行美人蕉和水葱的水培净化试验比较，动力学参数计算结果表明水葱对氨氮的吸收效果更好，对磷酸盐有较好的亲和力，美人蕉对硝酸盐氮的亲和力更大。应用冷型水生植物对保证低温时生态浮岛处理能力有积极作用。Tharp等[45]比较了灯芯草、水葱、苔草(Carexcomosa)和梭鱼草(Pontederiacordata)在-12.1～27.2 ℃下的净水情况，从存活率、生物量和磷吸收量方面看，苔草的抗寒性最佳。10 ℃下大聚藻(Myriophyllumaquaticum)、香菇草分别对TN、TP的去除效率仍高于63%、59%，远优于黑藻(Hydrillaverticillata)、金鱼藻(Ceratophyllumdemersum)[46]。浮岛所用植物的确定应从其可用性、毒理耐受性、生物积累性、入侵机制等多方面考虑。虽然目前对植物的筛选研究众多，但从以上多方面进行全面且具体研究的较少。此外植物在水面大量覆盖生长带来的诸如蚊虫密集、代谢凋零、有害物质由动物食用绿植进入食物链[47]等问题也是需要考虑的。

王文怀等[48]将水绵(Spirogyra)置于浮床的沉水植物区，与菖蒲形成水上-水下处理区。该系统对氮、磷污染物的去除效率均在80%以上，且水绵有力地抑制了有害藻类的生长。Guo等[49]设计的三层式生态浮岛增加了系统的处理净化单元，大大提高了氮、磷去除效率并保证了低污染负荷下的良好净化效果。传统的板式床体透气性一般，易阻碍大气复氧等氧气交换过程。张择瑞等[17]优化的浮床以PVC管为框架、围绕的绳索为主体，得到简化的床体，较以泡沫板为床体的生态浮岛，其对氮、磷去除率及去除速率均明显提升。

考虑到复杂的影响因素，有学者借鉴人工湿地的吸收动力学，建立了生态浮岛的一级动力学拓展式，以期用通用的计算公式揭示污染物去除机制、用定量参数来优化工程设计。Wang等[50]引入生态浮岛表观吸收速率(vf)概念，考虑浮岛覆盖率(Af)、水体积(V)等因素，用水体自身反应速率常数(Kw)和生态浮岛速率常数[vf(Af/V)]表示反应速率常数K，以此建立一级动力学拓展式，可由进出水水质要求来定量生态浮岛的各设计参数。同时生态浮岛的引入也影响水体流场[51]。唐漪[52]利用Visual MODFLOW建立了三层结构的生态浮岛模型并对系统内水流状态进行模拟，结果表明水力负荷分别增大10、48倍时，浮岛规模只需增加4、21倍，这对实际工程浮岛规模的确定具有指导意义。Machado等[53]建立不同布置方式下生态浮岛的数学模型，探究通过根系的流量与净化效果的关系，结果表明根系区域流量的大小与去除率呈正相关、并联排列的浮岛净化效果优于整体和串联布置。

综合来看，生态浮岛功能强化方式主要分为技术联合和结构优化，而多种技术联合净化水体的效果可能会更好。生态浮岛功能强化措施分类及研究方向总结如表2所示。

表2 生态浮岛强化措施研究进展Tab.2 Research Progress of Enhanced Measures for EFI

3 结论与建议

生态浮岛作为一项结构简单、绿色经济的生态治理技术,有着很好的应用前景。作为一项工程应用，实现生态浮岛工程实践效果十分重要。出于其净化能力受限，与曝气电解、添加缓释碳源、细菌固定等技术联合强化的研究具有实际意义。浮岛组成、结构及布置的优化均会影响其净化能力。数学模型的研究可为生态浮岛实际工程中的设计优化和运行管理提供依据。而理论研究与实际应用仍存在如下多方面差异：(1)基质研究过于理论化；(2)出于景观性考虑，实际工程多数种植物混搭，而植物之间化感作用亦不可忽略；(3)生态浮岛放置最佳水深在0.6～1.1 m，而实际水体的水深不易控制；(4)数学模型的建立很好地优化了生态浮岛的布置设计，但实际工程的浮岛搭建更多考虑通航、美观、管理维护难易等因素；(5)投入实际水域使用的生态浮岛多数仍由最基础的成分组成，技术联合手段更多是增加曝气机、效果更好的纳米曝气，但因技术、投资等因素实际工程应用少。其他手段如外加碳源在实际工程中应用也很少。

未来对生态浮岛的研究可以重点考虑以下几个方面。

(1)景观水体表观性的改善仍是难点，应加强对悬浮物、藻类等污染物的处理研究。并且目前对这一方向的已有研究多从水质参数检测、宏观水质评价方向出发，缺乏微观机理的研究。

(2)高效实现实际工程应用是未来生态浮岛研究的重点。目前，有关生态浮岛覆盖率、植被密度等理论设计研究侧重追求理论最佳去除效率，脱离实际的浮岛搭建可能性。建立数学模型有利于解决实际工程问题，对生态浮岛的实际应用意义很大。而目前针对生态浮岛的数学模型研究还不够充分，建立联系实际可为工程设计提供计算指导的数学模型，这是未来的研究重点。

(3)由于生态浮岛自身性质，低温对其处理效果影响显著，未来应着重于生态浮岛在低温下处理效果的稳定及增强研究。

(4)生态浮岛所能发挥的作用不仅是净化水体，未来可加强对生态浮岛功能的发掘和利用，发展环境友好型经济。如可利用其获取太阳能，供电于太阳能设备(太阳能曝气机、太阳能LED灯等)；种植农作物以缓解农业用地紧张问题。