人工生态浮床技术在水环境修复中的应用进展

黄文丹

(福建省环境科学研究院，福建省环境工程重点实验室，福州　350013)

· 综述 ·

人工生态浮床技术在水环境修复中的应用进展

黄文丹

(福建省环境科学研究院，福建省环境工程重点实验室，福州350013)

随着工农业的发展，人类对水环境的破坏日益严重，河湖的水质恶化成为当今人类所面临的重大环境问题之一，人工生态浮床作为一项新型的水质净化技术得到广泛的应用。该技术不但有净化水体的功能，还具有一定的观赏价值和经济价值，受到广泛的青睐，应用前景广阔。将人工生态浮床的研究进行综述，并对人工生态浮床技术今后的发展进行了展望。

人工生态浮床；水质改善；研究进展；展望

1　引　言

水环境和人类的生产生活息息相关，随着工农业的发展，人类对水环境的破坏日益严重，河湖的水质恶化成为当今人类所面临的重大环境问题之一，如何改善河湖的水质已成为摆在人类面前的头等大事。人类尝试用各种方法来改善河湖的水质，1988年Hoeger首次提出将生态浮床作为一项水体生态修复技术，并阐述其在德国湖泊中的应用情况，国外逐步开始将人工生态浮床应用到地表水体的污染治理和生态修复中来，到目前为止，人工生态浮床已成为世界范围内重要的水质修复技术之一[1～4]。近年来我国的人工生态浮床技术正处于快速发展时期，目前已成功将人工生态浮床技术应用在湖泊、河流、河口等水域的水质治理和生态修复中[5～10]。

人工生态浮床又称人工浮床、人工浮岛、生物浮床、生态浮床等，是以高分子材料为载体和基质，采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植技术，不仅能达到净化水质的效果，同时又能营造出优美的水上景观[11]。人工生态浮床主要通过以下几个途径对水体净化[12～14]：(1)植物在生长过程中吸收水体中的溶解性氮、磷等营养物质，到收获季节时通过收割达到去除氮磷的作用；(2)发达的植物根系在水体中形成浓密的网状结构能吸附水中悬浮颗粒物，而悬浮颗粒物本身又能吸附其他污染物，提高对污染物的降解能力, 通过悬浮颗粒物的沉降将污染物移出水体；(3)在植物根区硝化菌和反硝化菌等微生物大量繁殖形成生物膜，从而提高对污染物的降解能力；(4)植物可通过根系向水体中释放大量氧气，提高水体溶解氧含量、促进污染物的快速净化；(5)人工生态浮床本身能够有效遮蔽阳光，进而影响水体中的浮游藻类的光合作用，加之接触沉淀作用，使得浮游藻类沉淀，水体透明度提高；(6)许多浮床植物如凤眼莲、狐尾藻、金鱼藻、芦苇、旱伞草等都能够分泌克制藻类生长的化学物质，从而抑制水体中浮游藻类的生长繁殖。

2　人工生态浮床技术的研究

人工生态浮床类型多种多样，根据浮床的结构可将其分为有框型和无框型两种，无框型人工生态浮床虽然更加贴近自然而且景观上更好看，但有框型人工生态浮床在抗冲击和使用寿命等方面优于无框型，故在实际应用中有框型人工浮床占70%。有框型人工生态浮床主要由框体、载体、基质和植物等组成，对于这些组成部分的探索是人工生态浮床技术研究热点。

2.1人工生态浮床框体和载体研究

人工生态浮床的框体起到固定浮床和增加浮床的稳定性的作用，因而作为框体材料需要坚固、稳定、能抗风浪，目前人工生态浮床的框体多采用高分子材料PVC管、不锈钢管、木材、毛竹等材料来制作。不锈钢管或镀锌管等材料虽然硬度高、抗冲击能力强、持久耐用，但由于这些材料的比重大，必须布设浮筒用以增加浮力，而且其价格较贵，故采用的不多；木头、毛竹等材料虽然更加贴近自然、价格也不贵，但若将其常年浸没在水中，容易腐烂，故使用的也相对较少；PVC管因具备比重轻、抗冲击力较强、持久耐用、价格低等优点，得到广泛的应用[15]。

人工生态浮床的载体是植物生长的支撑物，是整个浮床浮力的主要提供者，井艳文等[6]认为作为人工生态浮床的载体需要具备以下4个条件：(1)材质比重小，绿色环保，防腐蚀， 耐老化，可反复使用；(2)抗风浪冲击能力强；(3)具备柔性连接，整体能随水体上下浮动；(4)植物栽种孔穴能够满足植物生长期种植密度要求。此外，代培等[16]认为作为人工生态浮床的载体，还应具有无维护、材料价格低廉、来源广泛以及有利于微生物附着生长挂膜等特点。聚苯乙烯泡沫板由于具有浮力大、性能稳定、价格低廉等优点，故其作为人工生态浮床的载体备受人们的青睐，得到非常广泛的应用，但其也存在一定的缺点，当浮床废弃后聚苯乙烯泡沫板将形成白色污染[17,18]。目前还有将蛭石、陶瓷、珍珠岩等作为人工生态浮床的载体，这些材料具有微孔结构，可繁殖大量微生物形成生物膜，有利于污染物降解，但由于其费用较高，使用的相对较少[10,19～21]。

2.2人工生态浮床基质和植物

人工生态浮床的基质是用于固定植物，应具备弹性好，固定强、易吸水、储肥强、不腐烂等特点来保证植物的直立和正常生长。目前多使用海绵、椰子纤维、陶粒等材料；也有使用土壤作为浮床基质，但由于土壤重量大，又易于造成水体污染，故应用的较少[15,22,23]。

植物是人工生态浮床净化水体的主体，需要具备以下条件：适应当地气候和水质条件、净化能力好、抗逆性强、易于管理、具有一定的观赏性和经济价值等。到目前为止用于大型水库、湖泊和河流等水体净化的植物有46科100多种，已经运用于人工生态浮床来净化水体的植物主要有美人蕉、石菖蒲、菖蒲、香蒲、芦苇、荻、多花黑麦草、水稻、牛筋草、香根草、旱伞草、凤眼莲、海芋、水浮莲、菱、水芹菜、空心菜、狐尾藻、金鱼藻等[18,19,24～29]。这些植物均具有生长快、分株多、根系发达、根茎繁殖能力强、生物量大等特点，此外还具有一定的观赏价值和经济价值。如美人蕉的发达根系能吸收水体中的氮磷等营养物质，其花色艳丽具有较高的观赏价值，此外根茎和花能入药具备一定经济价值；芦苇具有发达的匍匐状根茎，苇秆能造纸和人造丝等，根茎能入药；香根草生物量大适应性强，吸收氮磷能力强，其茎秆也能入药。

由于植物是人工生态浮床净化主体，近几年对于植物的净化能力研究较多。例如，对比不同植物对磷的去除能力差异，卢进登等利用人工生态浮床在富营养化的水体中栽培了7种植物，发现对于总磷净化效果芦苇最好，其次为荻、水稻、蕹菜、牛筋草、香蒲和美人蕉[30,31]，然而江浩等[32]研究发现美人蕉和香蒲对磷的去除效率高于芦苇。考虑不同的水温中植物对氮磷的去除效率不同，胡绵好等[33]在人工生态浮床上种植水芹和水田芥通过调节温度(35℃为高温、22℃为中温、10℃为低温)来研究不同温度下两种植物对去除氮磷能力的差异，结果表明水田芥在低温条件下除氮能力最强，水芹在高温条件下除氮能力最强；对于去除磷的能力上在低温和中等温度条件下两种植物去除能力差不多，而在高温条件下水芹强于水田芥。考虑到生物量有限，光靠植物本身来净化水体效果受到限制，李先宁等[34,35]开发了一种由水生植物、水生动物和微生物膜构建的组合型新生态浮床技术，分为上、中、下3层结构：上层为水生植物区，种植水生经济植物，中层为水生动物区，笼养滤食性水生动物贝类，下层为人工介质区，悬挂兼具软性及半软性人工填料，试验结果发现组合型人工生态浮床不仅具有良好的去氮磷效果，还提高了水体的透明度。

3　人工生态浮床技术在水环境修复中的应用

人工生态浮床的应用可以追溯到我国三国时期(公元3世纪)，当时南方地区利用菰的根系和茎形成的漂浮物进行水上种稻[17]。而人工生态浮床技术在水环境治理方面的应用，则是从1988年Hoeger[1]将人工生态浮床作为一项水体生态修复技术并在应用于德国湖泊水体修复开始。日本1993年在琵琶岛设置绿化浮岛，种植水生植物，不仅改善了湖滨的水质和生态环境，还起到保护湖岸和美化湖滨景观的功效[36]。

在我国，20世纪90年代，璞培民等[5]开始在太湖构建物理-生态工程中应用了人工生态浮床技术，在湖中布设塑料网载体利用浮游植物发达的根系吸附悬浮物质并吸收营养物质取得良好的效果。宋祥甫等[36,37]在富营养化水域表面种植蔬菜、花卉等植物来去除氮磷等营养物质来净化水体，同时达到收获农产品和美化景观的功效，为浮床陆生植物治理富营养化水体提供科学依据。到21世纪初，井艳文等[6,38]采用人工生态浮床技术治理北京市什刹海、永定河等污染水体，发现人工生态浮床技术用于河湖水体的效果良好，试验封闭区水体透明度好于湖区天然水体，总氮和总磷的含量呈逐渐下降的趋势。秦伯强等[7]在太湖梅梁湾建立示范区，提出了消除风浪、除藻和控藻、降低悬浮物浓度，再辅以水生植被(主要是浮叶植物和漂浮植物)恢复、附着生物富集等一系列措施，以达到净化水质之目标，实验结果显示示范区的水质得到了初步的改善，示范区内的悬浮物浓度较示范区外的悬浮物浓度低30%，相当于去除颗粒态氮500t以上、磷10t以上。李英杰等[8]在太湖五里湖西南部一条入湖河流的河口处布设人工生态浮床来净化水体，通过分析浮床建成前后、浮床撤除前后以及浮床边和开阔水道之间水质的差异, 考察了浮床对河口水质的净化效果, 并对净化机理进行了分析，结果表明, 人工生态浮床具有很强的净化能力，经过浮床段后总氮和总磷等浓度均得到明显降低，说明人工生态浮床在去除污染物方面起到重要的作用。

4　展　望

人工生态浮床作为一种新型的污水净化技术，经过多年的实践，已经较为成熟，在国内外河湖水体水质改善和生态修复中得到广泛的应用，在改善水质和美化景观方面发挥了非常好的作用，具有良好的应用前景。但是，人工生态浮床也存在的一些问题，今后人工生态浮床的发展方向除了寻找新型材料外，还应该考虑以下几个方面:(1)考虑到不同水体的污染情况存在差异，以及不同植物对污染物的去除能力也不尽相同，需要针对不同的水体，采用不同植物的组合进行人工生态浮床的构建；(2)不同的季节植物的生长情况不一样，尤其在冬季，许多植物处于休眠状态净化效果减弱，应考虑不同季节的植物组合，提高人工生态浮床在冬季的净化能力；(3)在风浪较大的区域，使用人工生态浮床存在的不稳定性，可考虑采用人工生态浮床和消减风浪设备的水平组合，在风浪较大的地区前缘架设消减风浪的装置，使得人工浮床在较为稳定的水环境下发挥作用，增强其使用寿命和去除效果；(4)在水体较深的情况下，生态浮床植物的根系长度有限，对于深部的水体净化能力较差，可采用人工生态浮床和填料的垂直组合，在生态浮床下方架设人工填料，微生物在填料上形成微生物膜，可明显地提高对污染物的去除效率；(5)应考虑若水体中有毒有害的污染物质含量高，若富集到植物体中，人类加以利用，对人类将产生潜在的威胁，必须进行无毒害处理。

[1]Hoeger S Schwimmkampen. German’s artificial floating island[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1988, 43(4): 304-306.

[2]Nakamura K and Shimatani Y. Water purification and environmental enhancement by the floating wetland[C]. Korea Proceedings of 6th IAWQ Asia-Pacific Regional Conference in Korea, 1997. 888-895.

[3]Stottmeister U, Bner A Wie, Kuschk P. Effects of plants and microorganisms in constructed wetlands for wastewater treatment[J]. Biotechnology Advances, 2003, 22: 93-117.

[4]Imelda Somodi and Zoltán Botta-Dukát. Determinants of floating island vegetation and succession in a recently flooded shallow lake, Kis-Balaton (Hungary)[J]. Aquatic Botany, 2004, 79(4): 357-366.

[5]璞培民，胡维平，逄勇，等. 净化湖泊饮用水源的物理-生态工程实验研究[J]. 湖泊科学，1997，9(2)：159-167.

[6]井艳文，胡秀琳，许志兰，等. 利用生物浮岛技术进行水体修复研究与示范[J]. 北京水利，2003，(6)：20- 22.

[7]秦伯强，胡维平. 太湖水源地水质净化的生态工程试验研究[J]. 环境科学学报，2007，27(1)：5-12.

[8]李英杰，胡社荣，李俊杰，等. 生态浮床对河口水质的净化效果研究[J]. 中国排水给水，2008，24(11)：60-63

[9]Sun Lian-peng, Liu Yang, Jin Hui. Nitrogen removal from polluted river by enhanced floating bed grown canna[J]. Ecological Engineering, 2009, 35: 135-140.

[10]Hu Guang-Ji, Zhou Min, Hou Hao-Bo, et al. An ecological floating-bed made from dredged lake sludge for purification of eutrophic water[J]. Ecological Engineering, 2010, (36): 1448-1458.

[11]逄勇，朱伟，王华，等. 滨江水体水质改善、生态修复理论及应用[M]. 北京：科学出版社，2008.

[12]李锋民，胡洪营. 芦苇抑藻化感物质的分离及其抑制蛋白核小球藻效果研究[J]. 环境科学，2004，25(5)：89-92.

[13]黄民生.原来如此一赖以生存的环境[M].上海：上海科学技术文献出版杜，2005.

[14]潘晓颖，葛继稳. 生态浮床技术治理污染水体的应用现状及其前景展望[A]. 中国环境科学学会学术年会论文集(第三卷)[C].北京:中国环境出版社，2010：2984-2988.

[15]曹勇，孙从军. 生态浮床的结构设计[J]. 环境科学与技术，2009，32(2)：121-124.

[16]代培，吴小刚，张维昊，等. 人工生物浮岛载体的研究进展[J]. 环境科学与管理，2006，31(6)：13-16.

[17]吴伟明，宋祥甫，邹国燕. 自然水域浮岛无土栽培[J]. 植物杂志，1997，(2)：22- 24.

[18]章飞军，商弘，吴灵，等. 城市景观污染水体人工浮床植物筛选[J]. 浙江海洋学院学报(自然科学版)， 2009，28(4)：436-439.

[19]刘淑媛，任久长，由文辉. 利用人工基质无土栽培经济植物净化富营养化水体的研究[J]. 北京大学学报(自然科学版)，1999，35(4)：518-522.

[20]郑世华，郑仕远，卿立述. 水培陶瓷浮岛的研制及应用探索[J]. 农村经济与科技，1999，10(7): 20-21.

[21]王怡，彭党聪. 珍珠岩生物载体开发研究[J].化工矿物与加工，2005，(12)：7-11.

[22]武琳慈，吴林林，黄民生，等. 人工浮床及其在污染水体治理中应用进展[J]. 净水技术，2006，25(4)：8-9，50.

[23]李华，徐亚同. 生态浮床在治理污染水体中的应用[J]. 上海化工，2009，(34)：4-6.

[24]由文辉, 刘淑媛, 钱晓燕. 水生经济植物净化受污染水体研究[J]. 华东师范大学学报(自然科学版)，2000，(1)：99 -102.

[25]黎华寿，聂呈荣，方文杰，等. 浮床栽培植物生长特性的研究[J]. 华南农业大学学报(自然科学版)，2003,24(2)：12- 15.

[26]司友斌，包军杰，曹德菊，等. 香根草对富营养化水体净化效果研究[J]. 应用生态学报，2003，14(2)：277- 279.

[27]Li Miao, Wu Yue-Jin, Yu Zeng-Liang, et al. Nitrogen removal from eutrophic water by floating-bed-grown water spinach (Ipomoea aquatica Forsk.) with ion implantation[J]. Water Research, 2007, 41: 3152-3158.

[28]Zhou Xiao-hong and Wang Guo-xiang. Nutrient concentration variations during Oenanthe javanica growth and decay in the ecological floating bed system[J]. Journal of Environmental Sciences, 2010, 22(11): 1710-1717.

[29]Xian Qi-ming, Hu Li-xia, Chen Han-cheng, et al. Removal of nutrients and veterinary antibiotics from swine wastewa ter by a constructed macrophyte floating bed system[J]. Journal of Environmental Management, 2010, 91: 2657-2661.

[30]卢进登，帅方敏，赵丽娅，等. 人工生物浮床技术治理富营养化水体的植物遴选[J]. 湖北大学学报(自然科学版), 2005，27(4)：402-404.

[31]卢进登，陈红兵，赵丽娅，等. 人工浮床栽培7种植物在富营养化水体中的生长特性研究[J]. 环境污染治理技术与设备，2006，7(7): 58-61.

[32]江浩，吴涛，孙怡超. 人工浮床不同植物对水质净化效果试验研究[J]. 河海水利，2009，(2)：12-13，37.

[33]Hu Mian-Hao, Yuan Ju-Hong, Yang Xiao-E, et al. Effects of temperature on purification of eutrophic water by floating eco-island system[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010, (30): 310-318.

[34]李先宁，宋海亮，朱光灿，等. 组合型浮床生态系统的构建及其改善湖泊水源地水质的效果[J]. 湖泊科学, 2007，19(4)：367-372.

[35]Li Xian-Ning, Song Hai-Liang, Li Wei, et al. An integrated ecological floating-bed employing plant, freshwater clam and biofilm carrier for purification of eutrophic water[J]. Ecological Engineering, 2010, 36(4): 382-390.

[36]宋祥甫，金千瑜，黄一南，等. 水上种植对水质的净化效果试验初报[Z]. 杭州:中国水稻研究所年报, 1993. 48-49.

[37]宋祥甫，邹国燕，吴伟明，等. 浮床水稻对富营养化水体中氮、磷的去除效果及规律研究[J]. 环境科学学报，1998，18(5)：489-494.

[38]屠清瑛，章永泰，杨贤智. 北京什刹海生态修复试验工程[J]. 湖泊科学，2004，16(1)：61-67.

Application Progress of the Artificial Ecological Floating-bed in Aquatic Environment Recovery

HUANG Wen-dan

(FujianProvincialAcademyofEnvironmentalScience,FujianKeyLaboratoryofEnvironmentalEngineering,Fuzhou350013,China)

With the development of industrial and agricultural, the aquatic environment is seriously damaged by human activity, and the deterioration of the water quality of rivers and lakes has been one of the major environmental problems for human beings. The artificial ecological floating-bed has become a popular technology in restoring aquatic environment. It not only has effective purified ability, but also brings a certain ornamental and economic benefits. Currently, the study of the technology focuses on the selection of floating-bed materials, plants selection and combination of artificial ecological floating-bed, and so on. This paper reviewed the artificial ecological floating-bed technology in restoring aquatic environment, and discussed the development of this new technology in the future.

Artificial ecological floating-bed; water quality improvement; research progress; prospect

2014-11-26

黄文丹(1986-)，女，福建福州人， 2010年毕业于华东师范大学第四纪地质专业，博士，主要从事环境科研、规划和管理工作。

X703

A

1001-3644(2015)02-0145-04