提高生態浮島對受污染水體凈化效率的研究進展

劉 偉，臧吳琪，周馳譽，周曉林，邵 莉，楊林軍,*

(1.江蘇省水利科教中心，江蘇南京 210096；2.東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇南京 210096)

各行業污水直排現象仍然存在，造成水體中氮、磷、無機鹽[1]等污染物含量超標，加重水體毒理性[2]，嚴重影響水生態系統。人為污染無疑進一步減少了可用淡水資源，造成水質型缺水[3]。因此，地表水治理刻不容緩，而利用生態治理技術處理受污水體是現研究熱點。

生態治理技術總體上分為遷地治理與原位治理法[1]。生態浮島是原位治理法的一種，也是傳統人工濕地的變體，稱為生態浮床或人工浮島[4]。19世紀70年代末，德國最早開發生態浮島[5]，20世紀80年代后，發達國家開始利用植物浮床技術進行河湖水質處理[6-7]，生態浮島對非點源營養物的去除效果要明顯優于固定的人工濕地。相較于遷地治理法，生態浮島具備不額外占用土地、管理方便、投資小、景觀性強[1]等優點。然而，傳統生態浮島對外界條件敏感、實際工程設計缺乏定量依據，故雖然生態浮島廣泛應用于地表水處理，但未能充分發揮其凈化能力。基于此，本文主要內容包括：(1)介紹生態浮島基本結構；(2)討論生態浮島與多種技術聯合強化凈水效果措施；(3)討論生態浮島組成、結構及布置的優化研究；(4)分析理論研究與實際應用間差異。旨在通過分析前人研究，為生態浮島未來研究方向提供思路、為工程實踐的優化及管理提供參考。

1 生態浮島基本組成

不同于傳統人工濕地，生態浮島的植物種植于浮在水面的床體上(圖1)。床體、植物、基質是生態浮島的基礎組成部分[1]，床體的材料選擇及結構設計、植物與基質的種類選取對生態浮島處理效果有很大的影響。不同組成的生態浮島凈化效果如表1所示。

圖1 生態浮島示意圖Fig.1 Schematic Diagram of EFI

表1 生態浮島的組成及凈化效果Tab.1 Composition and Purification Efficiency of EFI

1.1 床體

床體是生態浮島的主要結構，為植物提供栽植和生長空間[16]。從床體結構設計劃分，主要分為干式和濕式生態浮島,干式生態浮島植物根系與水不直接接觸，植物吸收作用受限[17]；濕式生態浮島的應用較為廣泛。從床體的功能及長期運行效果考慮，應注重材料的穩定性、環保性、多孔透氣性、浮力效果和疏水性等[18]。目前常用的床體材料有聚苯乙烯、PVC、PP等人工材料，以及椰子纖維、毛竹等天然材料[19-20]。

1.2 植物

植物在生態浮島凈化水體過程中起到重要的作用[1]。隨著根系愈加旺盛，根部在水下形成茂密的根系網絡，通過根系攔截、吸收、轉化等作用去除污染物[5]。植物莖葉經過光合作用，通過通氣組織向根系傳遞氧氣，在根部周圍形成“有氧-缺氧-厭氧”模式[18]，為各種好氧、厭氧微生物提供生長繁殖條件。

目前已有大量關于生態浮島植物篩選的研究，植物類型涉及農作物、蔬菜、景觀植物等[21]。一般植物生長趨勢越好、存活率越高，對水體中污染物的吸收效果越好。Keizer等[22]研究顯示試驗期間狹葉香蒲(Typhaangustifolia)生物量增速不如黃菖蒲，而黃菖蒲對TN、TP的吸附量也遠高于狹葉香蒲。這也表明了植物生物量與其吸收污染物能力正相關。從增加系統凈化能力、景觀性、季節性角度考慮，很多學者研究異類植物組合處理效果[2]。但不可忽視植物之間的化感作用[5]，僅增加植物多樣性在凈化效果上有一定限制性。

1.3 基質

基于基質本身的性質，可通過離子交換、吸附或共沉淀[5]等作用去除水體中的污染物。而且，添加基質能夠提高植物的抗伏倒性，也能為微生物提供附著點[12]。Wang等[12]在生態浮島中加入沸石和海綿鐵后植物伏倒率降低；氮、磷、渾濁度和葉綠素a的去除效率顯著增加。可能是因為沸石、海綿鐵中含有Ca、K、Fe等微量元素，一方面可與磷共沉淀，另一方面微量元素也利于植物生長。而兩者大的比表面積既利于吸附污染物又可附著微生物。

常用基質有沸石、蛭石、陶粒、稻草及人工改性材料等。基質的選擇需考慮其物理(比表面積、孔隙率、保水率)和化學(pH、肥力、降解性)性質[5]。如稻草中富含纖維素和木質素，具有較高生物親和力、低毒理性、較大比表面積。在以稻草為基質的生態浮島系統中硝化細菌、反硝化細菌數量明顯增多；細菌也將稻草分解為供微生物生長消耗的可溶性物質。故TN、硝態氮的去除效率分別提高了40%、60%左右[8]。基質的種類研究眾多，但多數吸附試驗所設初始濃度比較高，與實際應用水質存在差異，且對基質吸附飽和、污染物解析情況的研究不夠充分。

2 強化生態浮島凈化效果措施

2.1 生態-物理法強化

人工曝氣旨在提高水體溶解氧含量和氧化還原電位，為好氧反應過程提供充分條件。張玲玲等[23]對不同曝氣增氧條件下填料生態浮島對養殖水體的凈化效果進行研究，發現與不曝氣相比，不同增氧條件下出水中TN、TP、COD濃度均有所減少。目前鼓風、機械曝氣實際使用較多但效果一般；微孔、微納米曝氣具備氣泡體積小、對水體擾動小等優點[24]，但設施結構復雜不易推廣。濕地聯合電解技術組成的電解強化濕地系統也可以顯著提高氮、磷的去除效果，陳慧萍等[25]構建的電解人工濕地系統實現了在低碳氮比(C/N)水體中高效去除氮、磷，通過高通量測序技術發現在電解條件下反硝化菌得到富集，故而脫氮效果顯著。閆誠等[26]為提高生態浮床的凈化效果，將曝氣、電解與浮床結合構建了曝氣-電解生態浮島系統。試驗發現電解可以提高系統反硝化細菌的數量、增強磷元素的絮凝沉淀作用，而曝氣又可以減弱電解對植物理化性質的影響，進一步提高生態浮島的凈化能力。

定量確定曝氣量與電解強度是研究重點。水體溶解氧含量低不利于植物和好氧細菌的生長，但溶解氧濃度過高使得硝化反應強烈，氨氮含量大減、硝酸鹽氮累積，影響了植物正常生長，也會影響磷的吸收去除。另一方面，雖然可根據污染物耗氧量計算出所需曝氣量，但曝氣機產生的氣量并不能完全溶于水中，對實際氣水比的確定有一定難度。

2.2 生態-化學法強化

植物特性是決定植物的吸收作用強弱的因素之一，有研究者通過離子注入技術來改良植物。注入N+離子束的空心菜(Ipomoeaaquatica)無論是在高氮還是低氮的人工配水中，其生長速率遠遠高于普通空心菜，對氨氮、硝酸鹽氮的去除效率也大大提升，達到80%以上，并在后續實際水體應用中空心菜生態浮島對氮、磷的去除率也維持在51%～68%、54%～71%[27-28]。而對于改良后作物的經濟效益問題還需做進一步研究。

有機碳含量低，則供異養微生物、植物生長繁殖的有機物少。自然河道水、污水處理廠尾水等水體均存在C/N較低情況，人工添加碳源成為提高系統C/N的一種方式。段婧婧等[29]對生態浮島處理生活污水的研究表明，C/N由4提升至6時植物生態浮島對TN、TP的去除效率分別增加10%、60%左右，植物吸收作用占比也大大增加。利用固態碳源作為緩釋碳源，是目前碳源研究應用的重點。在高效固態緩釋碳源的研究中，以人工材料(聚己內酯、聚乙烯醇、海藻酸鈉)為載體及骨架、以天然材料(果殼、玉米芯)為碳源制成的緩釋碳源，具備良好的釋碳能力及穩定性等優勢。于魯冀等[30]以聚乙烯醇-海藻酸鈉為骨架、玉米芯為碳源，制備了緩釋碳源(PVA-SA-Y)，與純人工合成材料制成的碳源相比，該碳源的緩釋能力最好，在短時間內對硝酸鹽氮的去除率就達到100%，對TN去除效率提升20%以上。高通量測序結果顯示，試驗后的PVA-SA-Y上硝化細菌和反硝化細菌生長量也有所增加，這與Xiong等[31]的研究結果相似。

2.3 生態-生物法強化

向生態浮島中添加比表面積大的材料作為微生物載體，有利于微生物的附著繁殖進而在載體表面形成生物膜，達到與生物膜技術復合、增強微生物作用的目的[36]。生物繩、立體彈性填料的比表面積大、舒展性好，既易附著微生物也容易脫膜，可以高效、持續地發揮微生物作用；而一系列礦物類的填料，由于材料結構中含有羥基基團或金屬離子，在可以附著微生物同時更易發生離子交換、沉淀等化學反應[1]。鄒聯沛等[37]構建的生物繩填料-水蔥生態浮島對低污染水體的氮、磷凈化效率提高10%左右。Song等[38]在植物生態浮島中整合了立體彈性填料，系統中共生菌、共生桿菌等利于反硝化過程的細菌數量顯著提升，反硝化速率比陶粒基質中提高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，這與Wu等[39]試驗結論相反。這可能是因為植物和填料種類不同、兩者之間距離遠近等問題，懸掛填料的同時需考慮其對植物生長的影響。

微生物作用是除氮的主要作用，通過反硝化作用最終將氮以氣體形式排出水體。故反硝化菌的存在對生態浮島凈化效果起重要作用。但反硝化細菌在天然水體中的生長繁殖速度較慢，以致前期除氮效果較差[1]。Sun等[40]制備了固定反硝化菌小球并投加于美人蕉生態浮島中，5 d后對TN、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的去除效率分別提高了12.9%、38.3%、28%，提升效果顯著。與細菌固定技術的結合，有望改善污染物去除效果。傳統植物生態浮島對含鹽廢水的處理效果一般，原因在于植物生長受鹽離子抑制，無法有效發揮植物吸收作用[41]。竇文清等[42]構造的叢枝菌根強化生態浮島對無機鹽離子的去除率提高了11.4%～37.1%。主要機理是在生態浮島中形成真菌-植物共生體，提高植物的耐鹽能力以及對鈣、鎂等離子的吸收效率。

2.4 組成及結構優化

除與各種技術聯合，也可通過優化生態浮島組成及結構(優勢水生植物的篩選、床體結構及布置優化)提高凈化效率。植物初步篩選研究主要有實驗室靜態水培方法，一般是將植物植于水培容器中，并置于人工光照培養箱或者溫室中。以定期的水質參數檢測結果為依據，對比得到凈化效果最佳的水生植物。此外還可擬合植物吸收動力學方程[43]比較各植物的最大吸收速率(Imax)與米氏常數(Km)，優選Imax較大、Km較小的植物。Zhang等[44]在人工溫室中進行美人蕉和水蔥的水培凈化試驗比較，動力學參數計算結果表明水蔥對氨氮的吸收效果更好，對磷酸鹽有較好的親和力，美人蕉對硝酸鹽氮的親和力更大。應用冷型水生植物對保證低溫時生態浮島處理能力有積極作用。Tharp等[45]比較了燈芯草、水蔥、苔草(Carexcomosa)和梭魚草(Pontederiacordata)在-12.1～27.2 ℃下的凈水情況，從存活率、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)、香菇草分別對TN、TP的去除效率仍高于63%、59%，遠優于黑藻(Hydrillaverticillata)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)[46]。浮島所用植物的確定應從其可用性、毒理耐受性、生物積累性、入侵機制等多方面考慮。雖然目前對植物的篩選研究眾多，但從以上多方面進行全面且具體研究的較少。此外植物在水面大量覆蓋生長帶來的諸如蚊蟲密集、代謝凋零、有害物質由動物食用綠植進入食物鏈[47]等問題也是需要考慮的。

王文懷等[48]將水綿(Spirogyra)置于浮床的沉水植物區，與菖蒲形成水上-水下處理區。該系統對氮、磷污染物的去除效率均在80%以上，且水綿有力地抑制了有害藻類的生長。Guo等[49]設計的三層式生態浮島增加了系統的處理凈化單元，大大提高了氮、磷去除效率并保證了低污染負荷下的良好凈化效果。傳統的板式床體透氣性一般，易阻礙大氣復氧等氧氣交換過程。張擇瑞等[17]優化的浮床以PVC管為框架、圍繞的繩索為主體，得到簡化的床體，較以泡沫板為床體的生態浮島，其對氮、磷去除率及去除速率均明顯提升。

考慮到復雜的影響因素，有學者借鑒人工濕地的吸收動力學，建立了生態浮島的一級動力學拓展式，以期用通用的計算公式揭示污染物去除機制、用定量參數來優化工程設計。Wang等[50]引入生態浮島表觀吸收速率(vf)概念，考慮浮島覆蓋率(Af)、水體積(V)等因素，用水體自身反應速率常數(Kw)和生態浮島速率常數[vf(Af/V)]表示反應速率常數K，以此建立一級動力學拓展式，可由進出水水質要求來定量生態浮島的各設計參數。同時生態浮島的引入也影響水體流場[51]。唐漪[52]利用Visual MODFLOW建立了三層結構的生態浮島模型并對系統內水流狀態進行模擬，結果表明水力負荷分別增大10、48倍時，浮島規模只需增加4、21倍，這對實際工程浮島規模的確定具有指導意義。Machado等[53]建立不同布置方式下生態浮島的數學模型，探究通過根系的流量與凈化效果的關系，結果表明根系區域流量的大小與去除率呈正相關、并聯排列的浮島凈化效果優于整體和串聯布置。

綜合來看，生態浮島功能強化方式主要分為技術聯合和結構優化，而多種技術聯合凈化水體的效果可能會更好。生態浮島功能強化措施分類及研究方向總結如表2所示。

表2 生態浮島強化措施研究進展Tab.2 Research Progress of Enhanced Measures for EFI

3 結論與建議

生態浮島作為一項結構簡單、綠色經濟的生態治理技術,有著很好的應用前景。作為一項工程應用，實現生態浮島工程實踐效果十分重要。出于其凈化能力受限，與曝氣電解、添加緩釋碳源、細菌固定等技術聯合強化的研究具有實際意義。浮島組成、結構及布置的優化均會影響其凈化能力。數學模型的研究可為生態浮島實際工程中的設計優化和運行管理提供依據。而理論研究與實際應用仍存在如下多方面差異：(1)基質研究過于理論化；(2)出于景觀性考慮，實際工程多數種植物混搭，而植物之間化感作用亦不可忽略；(3)生態浮島放置最佳水深在0.6～1.1 m，而實際水體的水深不易控制；(4)數學模型的建立很好地優化了生態浮島的布置設計，但實際工程的浮島搭建更多考慮通航、美觀、管理維護難易等因素；(5)投入實際水域使用的生態浮島多數仍由最基礎的成分組成，技術聯合手段更多是增加曝氣機、效果更好的納米曝氣，但因技術、投資等因素實際工程應用少。其他手段如外加碳源在實際工程中應用也很少。

未來對生態浮島的研究可以重點考慮以下幾個方面。

(1)景觀水體表觀性的改善仍是難點，應加強對懸浮物、藻類等污染物的處理研究。并且目前對這一方向的已有研究多從水質參數檢測、宏觀水質評價方向出發，缺乏微觀機理的研究。

(2)高效實現實際工程應用是未來生態浮島研究的重點。目前，有關生態浮島覆蓋率、植被密度等理論設計研究側重追求理論最佳去除效率，脫離實際的浮島搭建可能性。建立數學模型有利于解決實際工程問題，對生態浮島的實際應用意義很大。而目前針對生態浮島的數學模型研究還不夠充分，建立聯系實際可為工程設計提供計算指導的數學模型，這是未來的研究重點。

(3)由于生態浮島自身性質，低溫對其處理效果影響顯著，未來應著重于生態浮島在低溫下處理效果的穩定及增強研究。

(4)生態浮島所能發揮的作用不僅是凈化水體，未來可加強對生態浮島功能的發掘和利用，發展環境友好型經濟。如可利用其獲取太陽能，供電于太陽能設備(太陽能曝氣機、太陽能LED燈等)；種植農作物以緩解農業用地緊張問題。