人工浮床技術治理富營養化水體研究進展

陳佳曦

(沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

引言

隨著社會經濟的飛速發展，人類也面對著許多環境污染問題。其中較為被關注的環境現象是水體富營養化。水體富營養化指由于水庫、湖泊等水體中的氮、磷等化學物質濃度過多導致的水體環境污染問題。水體中氮、磷等物質的豐富，會引起藻類生物及其他細菌的快速發育增殖，使得水域中溶解氧的數量大幅減少，從而導致水生動植物大量消亡或者滅絕的嚴重后果，防治方法有物理法、化學法和生物法，其中生物法綜合來看對富營養化水體的長期治理最為有效。

人工浮床作為生物法中一種可以有效治理富營養化水體的技術，在過去的40年里被廣泛應用，不僅因為人工浮床技術凈化治理富營養化水體的效果尤為顯著，并且通過在浮床上種植一些水生植物等，間接提高了一定的經濟效益和觀賞性，且人工浮床適用于大部分水域，應用廣、投資小且有較好的市場前景；人工浮床技術還可進一步與其他方法結合進行強化，可更好地針對水體富營養化問題使其得到解決。

1 富營養化水體的防治方法

我國越來越重視水體富營養化這一水體污染現象，無論是其所帶來的環境生態破壞，經濟效益下降還是景觀觀賞的影響等問題，都是不容小覷的，其成因錯綜復雜，不能簡單的將其歸為生態失衡，嚴重的富營養化不僅會引起水華現象，產生有毒有害氣體和毒素，而且還會引起水中生態動物的死亡和滅絕，也會對人類的供水安全與日常生活造成重大隱患和威脅。在防治方面，雖然“控源截污、生態修復”已形成了水域富營養化治理的主導思想。但對景觀水域富營養化的管理中，不但要避免外來性污染重新匯入水域中，也必須防止內源性物質重新污染水體。在水域富營養化的治理中，氮、磷成為最大的重要污染，并成為水域富營養化的主體因子，對水域生態環境安全造成了重大威脅，并引發大量的水體環境事故，極大影響了經濟社會的可持續發展水平。氮、磷中的主要污染源非常復雜，不但包含了來自外界污染后流入水域中的氮、磷，也包含了水域的沉積物經自我排放后又重新流入水域的氮、磷。現階段大多使用3種方法來預防與治理，分別為物理法、化學法和生物法，現有結論表明，這3種方法的防治與應用方面各有側重。

1.1 物理法

物理法是指通過機械的方式進行人工凈化富營養化水域。具體方法有底泥疏通、換水稀釋作用、河道內深度曝氣、人工方法撈捕、人工造流和引水等。此方法針對受污染水體中的藻類，可進行有效徹底去除，持續效果較久；且人為操作簡單方便，對附近環境進行有效保護，防止其再次受到污染。主要應用區域是小范圍水體和大規模水體中的部分水體。利用物理方法在除藻工程前期的準備階段和大面積除藻的準備階段中作用效果較明顯；缺點是此階段需要耗費巨大的人力、物力與資金，而且無法解決污染根源。對所采用的特定操作技術及裝置，必須對其實施定期運作保養。

1.2 化學法

化學法是指通過往受污染水體中投加不同種類的化學藥物達到凈化水體的目的，主要分為化學除藻和化學固定2種方法。化學除藻是指在被污染水域中投加藥物和藻類，與水中污染物質進行化學反應，目前投入使用較多的有二氧化氯、高錳酸鉀、硫酸銅等化學試劑，可有效消除水域中的藻類進而凈化污染水體。化學固定是指投加化學混凝劑將氮等污染物質固定在水體的底泥上，混凝劑常見的有適用鋁、鈣、鐵，這些混凝劑最大的優點是成本十分低廉，且都可以與污染物質發生化學反應，生成不溶于水的沉淀物質。化學法大多被應用于嚴重藻華水域，或者被當作緊急措施用在一些特殊區域，但由于化學試劑易殘留和穩定，可能會導致積累大量重金屬的情況，以及環境的再次污染，難以從根源上解決問題。

1.3 生物法

生物法是現階段治理水體富營養化的最高效、最安全、最經濟的方法，主要有人工浮床、生物操縱法、人工濕地法、高等水生植物防治法等。生物法中的水生植物在此技術中發揮著重要的功能，不但可以吸附被污染水域中多余的養分，而且還可以明顯減少氮、磷的排放，給微生物的發育繁衍創造了有利的生存條件，生態植物產生化感作用可以抑制藻類的生長，并且不產生二次污染。不足之處為見效較慢，不適用于對突發性水華的治理。在生物法中，應用較為廣泛且有效的是人工生態浮床技術，浮床技術不僅對污染水體的凈化處理效果較為顯著，其凈水效率要比同規模的人工濕地系統高出75%，而且人工浮床可直接利用水體水面面積，管理維護方便，在應用中為當地水域帶來了經濟價值、娛樂價值和風景游覽價值等。

2 人工浮床治理富營養化水體的強化方法

人工浮床是指通過人工的方式以高分子材料或其他輕質建筑材料用作媒介，把水生植物以及經過改良后的陸生植被固定在媒介上，由于水生植物本身的新陳代謝也需要吸收氮、磷等養分，而水中的一些重金屬也可能被一些水生植物特性所吸附起來，通過定期收割生長在浮床上的植物，就可以快速有效去除植物所吸收的污染物，與此同時大量的微生物附著在植物根部，整個生物膜開始逐漸形成，當污染水經過膜表面時，其會對水中的污染物進行吸收降解等作用，一些微生物還能過濾掉難以處理的物質，如重金屬元素等。此外，人工浮床還可以填設種植一些具有美化城市景觀作用的植物。總的來說，人工浮床與其他治理方法相比較，具有工程量較小，維護運行成本低，節約能源等優點，而對浮床處理效果進行強化的方法有很多，如篩選浮床植物、掛設懸浮填料、機械曝氣、利用水生動物和太陽能強化等，目的在于提高對污染物質的去除效果和節約能源降低成本等。

2.1 篩選浮床植物

植物生長在人工浮床中占有著非常關鍵的地位，而氮和磷既是湖泊水域中富養分化的主要因子，也是植被成長所需的必要營養元素，這一步驟既能高效減少地下水體中氮磷的濃度，又可提高溶解性氧的含量水平，進而實現提高水體質量、修復地下水體功能的目的。劉建偉等[1]利用美人蕉、黃菖蒲和水蔥等3種挺水植被，在重度富營養化水域中進行實驗，結果顯示，水中的氮、磷等污染物質濃度大大降低。而幾種植物組合對水體的凈化功效與單種植物不同，李秀芳等[2]篩選出狐尾藻、金魚藻和篦齒眼子菜組合進行6組實驗，結果表明，所有實驗組對去除污染物質均有較好效果，尤其是對氨氮，去除率均高達95%以上。邢春玉等[3]構建出水鱉加金魚藻、水鱉加苦草、苦草加穗狀狐尾藻、荇菜加穗狀狐尾藻4組實驗進行對比，結果對氮去除率最高的為荇菜加穗狀狐尾藻組，對磷去除率最高的為苦草加穗狀狐尾藻組合，根據處理水體的不同污染側重可應用相對的植物搭配，同時在此期間也帶來了一定的景觀效益。

2.2 掛設懸浮填料

為了增強浮床微生物的功能，一些研究者將生物接觸氧化法和浮床技術相結合處理富營養化水體，懸浮填料也能給微生物創造良好的附著繁殖環境，通過其巨大的表面積及附著在上面的微生物對污水進行凈化。虞中杰等[4]分別加掛組合填料，球形填料和空白不加掛填料3種浮床進行對比實驗，分別測出實驗的3個階段污染物的去除情況，結果表明，掛設球形填料的人工浮床對氮、磷的去除效果最好，為63.5%和59.5%。馮世敬[5]對比了天然PVFM、NF-PVFM和NF/FA-PVFM在浮床中處理受污染水體物質的情況，先對天然纖維復合PVFM懸浮填料進行制備，得出結果，NF-PVFM的掛膜速度最快且穩定，流化態良好，且較長時間沒有磨耗與破損，對CODCr的去除率高達94.05%，氮、磷去除率分別為63.30%和70.93%，滿足懸浮填料的技術要求，具有較好的應用前景。目前對懸浮填料的研究不僅要增強填料本身的物理、化學穩定性還有其對浮床中微生物的親和性和親水性能等，還要考慮到填料與浮床結合的處理污水的效率，以及填料在浮床中的可再生性、可再生性、無二次污染和成本造價等問題，選用具有針對性的新型環保材料，才能與人工浮床結合使其治理富營養化水體更加有效，應用也更廣泛。

2.3 機械曝氣強化浮床

機械曝氣法是利用使氣體與受污染或需要處理的污染物不斷進行接觸從而擴大接觸范圍的方法，使空氣中的氧直接接觸到水體，同時促使被污染的水和在水中的另一種活性污泥的接觸和攪拌，從而增加水體的氧濃度，并促進硝化菌的代謝，從而增加有氮化合物的分解速度。付永勝等、聶玉華、譚劍聰[6-8]自制了由微曝氣系統加人工介質加水生植物組成的微曝氣強化生態浮床，與強化生態浮床和傳統生態浮床進行對比試驗，在相同的實驗條件下微曝氣強化浮床對CODCr、TN、TP的去除效果分別為59.2%、76.8%、76.2%，明顯高于強化生態浮床和傳統生態浮床，而微曝氣強化生態浮床在7.5L·min-1的曝氣量時處理效果最好，過高或過低的曝氣量都不利于污染物的去除。宋孟鑫[9]通過給人工浮床增加接觸曝氣，與不加曝氣的人工浮床進行對比，強化接觸曝氣的人工浮床去除污染物效果十分顯著，經過9d的時間，對TP的去除率為99.45%，氨氮的去除率為98.72%，COD的去除率為89.96%。

2.4 水生動物強化浮床

水生動物也可以和人工浮床組合，一些研究人員加入了魚類、濾食性動物和浮游動物等水生動物，其中，魚類通過以低等浮游動植物為食，抑制藻類的生長，從而提高水體的透明度，而浮游動物和濾食性動物則會吞食水中的浮游植物和過濾懸浮顆粒物，通過過濾、消化和排泄等作用來提高顆粒狀有機物的生物降解性，促進有機氮磷化合物的分解，在整個浮床系統中，豐富了其浮床整體凈化體系，從而增強浮床系統的穩定性，在對富營養化水體進行處理中達到更好的效果。王國芳等[10]對組合型生態浮床中水生植物單元(空心菜)、水生動物單元(濾食性貝類三角帆蚌)、微生物強化單元(人工介質)進行組合，實驗分析每種單元對污染物的去除貢獻率，發現水生動物單元對PN的去除率為30.9%，遠高于其他2個單元，原因是三角帆蚌通過濾食起同化作用去除部分氮，而其濾食及排氨作用為組合型生態浮床中人工介質上生物膜的硝化細菌和反硝化細菌以及植物的吸收提供了基質條件，同時也促進了浮床對TN的去除。

2.5 太陽能強化浮床

太陽能人工浮島主要指使用太陽光供給了浮床控制系統中水面循環流動的能量，一般使用太陽能電池板，是一種環保節能的發電方式，是通過吸收太陽光利用光化學效應或者光電效應，將光能轉化為電能，從而減少了浮床控制系統的能耗。劉宇爽等[11]提出了太陽能微動力生態浮島在富營養化水域整治方面的應用，太陽能浮床可以控制單倍和雙倍的曝氣量，實驗結果表明，太陽能微動力人工浮島系統對污染水域中的COD、總氮和總磷都有較大的凈化效應，其中氮、磷去除率分別為71.4%、82.2%，經計算太陽能的轉換效率及輸出功率較高，節約了大量電力能源。太陽能和人工浮床技術的融合使得整個生產過程中更為節能，同時也使得人工浮床的應用更為豐富化、系統化，對其在今后生態浮床的發展與應用具有一定的推動意義。現存問題是太陽能在人工浮床中應用較少，太陽能板的轉換效率、日常保養和成本造價等問題還需進一步研究解決。

3 總結

隨著我國對環境保護以及富營養化水體治理的重視，越來越多的學者將重心放在人工浮床技術上，用人工浮床技術處理富營養化水體，無論是在技術方面、環保方面、能源方面和經濟效益方面都擁有著良好的表現，綠水青山就是金山銀山，不僅要全力處理已成富營養化的水體，更要從源頭減少污染物的排放，對已修復的水體還要進行更為關鍵的后期監測與維護，防止其再次污染。然而在人工浮床處理富營養化水體的實際應用中，凈化能力還是沒有達到理想狀態的預期效果，強化方法措施也大多處于模擬試驗階段，所以要繼續結合其他更行之有效且環保的方法，將其改進和推廣出去，遵循可持續發展理念，發展是要長久的，不僅是要滿足當代社會的需求，更要考慮到子孫后代的需求。同時繼續完善發展人工浮床技術，才能保證我國在富營養化水體處理方面走在世界前端。