生态浮岛技术的研究现状及展望

刘晶晶，彭娟莹，吴 奇

（1.长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙410004；2.中南大学化工学院，湖南 长沙410083）

1 生态浮岛的结构、特点及原理

1.1 生态浮岛的结构

生态浮岛技术是一类将水生态修复与水环境治理相兼顾的技术，将一些喜水植物种植于载体上（设在受污染的水体水面上），利用植物根部的吸收和吸附作用，达到去除污水中含氮、磷污染物的效果[7]。生态浮岛的载体主要包括塑料、泡沫和纤维等。目前生态浮岛选用的植物主要有香根草、牛筋草、美人蕉、芦苇、水芹菜、荷花、多花黑麦草、灯心草、水竹草、空心菜、旱伞草、水龙、香蒲、菖蒲、海芋、凤眼莲、茭白等[8]。

生态浮岛根据水和植物是否接触可以分为湿式与干式[9]两种类型，具体分类见表1。干式浮岛由于不与水接触，净化功能较差，而无框架湿式浮岛的使用寿命较短，因此，有框架湿式浮岛是目前生态浮岛技术中使用最多的浮岛。

1.2 生态浮岛的特点

生态浮岛主要有以下特点：（1）吸收水中富含氮磷的有机物，降低水中的COD（化学需氧量）值，有效提高水质质量；（2）植物与水体直接接触，减少水面光照面积，抑制水中藻类生长，提高对水质的净化能力；（3）美化水体景观、净化周围空气、增加城市绿化，为水生动物和鸟类的生息繁衍提供场所。（4）工艺简单，操作方便，耗费少，经济效益高。

表1 浮岛的种类

1.3 生态浮岛的工作原理

生态浮岛主要是通过植物的根系来达到净化水体的效果，浮岛植物的根系一方面可以吸收和吸附水中的含氮、磷物质[10-11]；另一方面根系可以分泌大量的酶来促进水中有机物的分解[11]；再者，根系与微生物可形成相互协同效应，共同降解水中的营养盐类[11]。

除了根系的作用外，浮岛植物在水面要占据一定的面积，从而可以减弱藻类的光合作用，某些浮岛植物还具有克制藻类生长的作用[12-13]，从而延缓水质的恶化。

2 生态浮岛技术的研究现状

生态浮岛技术是运用无土栽培技术结合现代农艺及生物工程技术综合集成的水面无土种植植物技术。从20世纪80年代末以来，国内外学者关于生态浮岛技术做了大量研究并取得了一些成果。

2.1 国外研究现状

第一个生态浮岛始建于1979年德国，主要用于水处理[14]。此后，日本及西方欧美国家利用植物生态浮岛技术在改善水质方面取得了很好的效果。

美国中佛罗里达大学的Ni-Bin Chang[15]等认为，当生态浮岛系统种植灯芯草和梭鱼草的覆盖率为10%时，其对水质的净化能力最好，氮磷的去除率分别为30%和60%；美国弗吉尼亚理工学院与州立大学的Chih-Yu Wang[16]等利用梭鱼草和水葱作为浮岛水生种植发现梭鱼草和水葱对氮磷的去除率分别为49.1%、68.6%和49.8%、67.5%；意大利的G.De Stefani[17]等用香根草、宽叶香蒲、黑三棱以及聚风铃草作为浮岛水生种植植物，结果发现香根草的去污效果最好，它对氮磷的去除率分别为29%和65%；美国的Ryan J.Winston[18]等选择达勒姆城镇中某公路旁和某博物馆旁的两个池塘进行生态浮岛净化污水能力研究，选用莎草、灯芯草、石菖蒲、梭鱼草等植物作为浮岛种植植物，结果发现覆盖率为18%的生态浮岛比覆盖率为9%的生态浮岛对污水净化能力要强，两个浮岛对氮磷的去除率分别为88%、88%和48%、39%；新加坡的Lloyd H.C.Chua[19]等在新加坡克兰芝水库种植香根草、蒲草和毛蓼生态浮岛，实验结果发现香根草、蒲草和毛蓼对氮的去除率为40.8%、67.5%、78.0%，去除效果为1.62、1.74、2.82g/(m2·d)，对磷的去除率为19.1%、39.2%、46.0%，去除效果为0.16、1.57、0.4g/(m2·d)。

2.2 国内研究现状

我国早期的生态浮岛技术始于20世纪80年代。到目前为止，生态浮岛技术在国内也得到了广泛发展。

罗固源[20]等采用氯化钠为示踪剂，以轻型泡沫浮板为植物载体，研究美人蕉和菖蒲生态浮岛的去除效果，发现这两种生态浮岛对水池中磷、氮和有机物的平均去除率分别为28.7%、29.5%和27.9%、31.8%，其平均去除负荷分别为1.141、0.684 g/（m2·d）和1.244、0.689/（m2·d），净化效果良好；吴建强[21]等认为再力花和美人蕉对氮、磷的吸收能力最强，分别达到了608.2、41.29g/m2和457.11、54.82g/m2；高阳俊[22]等人选取美人蕉、黄菖蒲、再力花、水芹、千屈菜、水葱和聚草这些水生植物来做淀山湖千墩浦河口生态浮岛研究，分别研究这些植物对氮、磷和有机物的去除情况。结果发现这些植物对磷、氮和有机物的去除率为18.8%、23.2%、25.3%，去除负荷分别为0.90、14.9、58.3g/(m2·d)；王金丽[23]等人用慈姑、千屈菜、旱伞草、鸢尾和美人蕉5种植物作为实验材料来研究生态浮岛对富营养化水的净化效果。结果发现这些植物对磷、氮的去除率为86.9%、83.5%，具有很好的净化效果；张华[24]发现当凤眼莲和矮科美人蕉种植数量比约为8∶1，生态浮岛对磷、氮的去除率分别能达到55.0%～64.4%和48.1%～52.1%。

3 生态浮岛技术存在的不足

生态浮岛技术为河道与湖泊景观设计提供了新途径，为城市河道增添新风景，进一步促进城市生态系统更加完善和多样化。但目前生态浮岛技术仍处于发展阶段，在技术上还存在一些不足。

（1）生态浮岛技术的可靠性还不是很高，大量的实验数据都是基于实验室生态浮床模型、特定的水质及温度条件下得出的，结果差异较大，研究成果尚不能实现大面积投产。张雁秋等人[25]利用塑料浮床（浮床1）、稻草浮床（浮床2）与植物浮床（浮床3）三种不同的浮床模型来研究美人蕉和菖蒲生态浮岛，结果发现同种植物不同的浮床模型得出的实验结果差异较大，美人蕉和菖蒲的三种浮床模型对氮的去除率为浮床2>浮床1>浮床3，对COD值的降低效果为浮床3>浮床2>浮床1。罗固源等[26]研究温度对美人蕉生态浮岛净化水质效果的影响，发现同样的生态浮岛在温度为25℃时对氮磷的去除率分别为38.7%、38.6%，29℃时的去除率分别为44.1%、43.6%，表明同种生态浮岛在不同的气温条件下得出的净化效果不同。

（2）目前用于生态浮岛技术的浮岛材料及浮岛植物种类繁多，但多数浮岛材料的抗风浪性及耐腐蚀性并不理想。唐林森等[27]认为目前生态浮岛常用的浮岛材料如泡沫、塑料等浮材的抗风浪能力比较差。郑洁敏等人[28]研究了39种生态浮岛植物，发现最常用的美人蕉和千屈菜等植物的耐腐蚀性差，长期淹没在水中地下茎会出现腐烂，第二年植物停止生长。

（3）目前常用的生态浮岛植物受季节的影响较大，导致该技术不能实现连续净化污水。黄央央等人[29]研究了菖蒲生态浮岛，发现冬季菖蒲会死亡，根茎会腐烂；张晓红等人[30]利用再力花、美人蕉、香蒲等植物来做生态浮岛，发现在春夏秋三个季节时系统对水质具有良好的净化效果，但在冬季水中的氮、磷及COD含量基本不变，表明这些植物已停止了生长；

（4）目前由于生态浮岛技术还不成熟，生态浮岛技术还只停留在处理水质富营养化问题上，对于浮岛植物的合理化应用及生态浮岛的后期维护还缺少相应的技术，浮岛植物没有得到有效利用[14，31]。2008年在上海白莲泾河道构建的生态浮岛[29]由于没有对浮岛进行后期维护及浮岛植物没有及时处理，造成植物死亡腐烂，没有得到很好的经济效果。

4 展望

生态浮岛技术作为一种新兴的水处理技术，虽然还存在着不少的缺点，但相比于传统的水处理方法，生态浮岛技术具有前所未有的优势，并且随着技术的不断完善，这些现存的缺点将会慢慢得到改善，生态浮岛技术在今后的水处理中将会得到更广阔的应用。今后的研究可以从以下几个方面来开展：

（1）寻找耐寒及耐旱性都比较强、生命力强的水生植物做生态浮岛植物；

（2）建立完整可行性高的生态浮岛配套技术，研究出适应性广泛的生态浮岛模型，对浮岛载体的制作工艺及生态浮岛植物的选择形成相应的技术标准；

（3）形成一条生态浮岛产业链，在治理水质富营养化问题的同时能达到很好的经济效益。

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