生态浮床原位修复富营养水体研究进展

税永红

(成都纺织高等专科学校，成都 611731)

1 前 言

水是生命之源，是重要的景观元素，水资源可持续利用一直是国际社会关注的焦点。水资源来源于水生生态系统，这一系统将人类社会与自然紧密地联系在一起。中国河流湖泊众多，超过1平方公里的湖泊就有2 759个，总面积达到91 019km2[1]。随着经济的快速发展和城市化进程的加快，特别是20世纪90年代之后，污水排放呈指数增长，导致水体富营养化不断加重，部分流域断面、湖泊及城市景观水体发展到重度富养化水平[2]，截止2016年，我国地表水1 940个国控断面，劣V类166个，占比达到8.6%，112个重要湖库，劣V类9个，占比8.0%[3]。水体受污染不仅直接导致水质恶化，还会对地表水环境、土壤、地下水、近海海域、甚至大气等相关生态环境带来不利的影响，并且会影响饮水安全和农产品安全，最终威胁人类健康，导致社会福利的损失。如何改善水体水质，修复受损水生态环境，提升水资源可持续发展与利用，国内外众多研究者从评价与预测、修复技术方法、水资源管理等不同侧面，展开了水环境污染控制与治理相关理论及方法的研究，取得了众多研究成果[4～9]。本文在比较分析了目前国内外常用原位治理技术基础之上，对生态浮床分类、发展历程及净化机理剖析了生态浮床在受损水环境生态修复中的应用，展望了未来发展方向。

2 原位修复治理技术

对受损水体的修复在空间位置上可以分为原位(In Situ)修复和异位(Ex Situ)修复。原位生态修复技术旨在遵循自然规律，强化水体本身的自净能力，恢复水体中生态系统的平衡，具有运行维护成本低的优点，是当前富营养水体治理技术研发的热点和重点。

原位修复技术在我国最早提出是在医学界，环境领域应用最早报道是在1998年土壤修复[10]，因传统异位修复成本高、破坏生态环境等不足，原位修复得到了广泛应用，之后原位修复外延不断拓展，在地下水、地表水及景观水体[11～13]修复中逐渐被应用。原位修复技术主要分为原位生态修复技术、原位生物修复技术、原位固定化学修复技术等[9～11]。目前国内工程应用较广泛的原位治理技术主要有生态水草及生物填料、生态净化、水面推流、曝气增氧、石墨烯光催化等技术。表1对比分析了这几种技术的优劣及适用范围。

表1 常用原位修复技术比较Tab.1 Comparison of common in-situ restoration techniques

从对比分析可看出，生态净化技术通过生态系统的恢复与系统构建，能持续去除水体污染物，改善生态环境和景观，对受损水体水质的长效保持起到重要的保障作用。其中，人工浮床技术具有不另占土地、可移动运行、无动力、少维护、使用寿命长、投入与运行成本低、不形成二次污染、与景观结合能创造人与水融合的优美环境、提升水资源利用价值等特点而广泛应用。

3 浮床分类及发展

3.1 生态浮床发展历程

生态浮床，又称生态浮岛、人工浮岛、植物浮床等，属原位生态修复技术范畴，是模拟天然浮岛将水生植物或培育后的陆生植物引入水体种植演变而来的。王氏《农书》、陈旉《农书》均有记载，我国古代就有“葑田”或“架田”，即“以木缚架为曲，田系浮水面，以葑泥附木架上”，在水面种稻种蔬菜，并且早在周代文献就有提及，汉、晋陆续有记载，到唐、宋记述就更多，还曾有“盗田”的讼案发生[14]。我国古代这类农作物的种植方式可以认为是现代生态浮床的鼻祖。

随着恢复生态学及相关理论的发展，生态浮床概念被学术界提出可追塑到1938年，Seifert提出了“近自然河溪治理”概念[15]，认为河溪工程在完成传统河流整治的基础上应达到接近自然、经济并保持景观美的一种状态；在此基础上，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[16]，在德国BESTMAN公司生产制作了人工浮岛之后，20世纪70年代末，浮床作为鱼类产卵床在日本琵琶湖开始应用[17]；20世纪80年代末，才作为水质净化技术，在日本、欧美等发达国家大量应用[18]。1998年，徐冠仁院士利用浮体在水面种植水稻成功[19]，同时被应用于富营养水体氮、磷营养盐的净化之中[20]，标志着生态浮床在我国富营养水体修复应用的开始。从浮床CNKI文献年度变化可看出，2009年相关研究迅速增长，之后的几年时间里，持续成为了环境领域研究热点。随着2015年4月2日国务院《水污染防治行动计划》(水十条)的正式发布，对生态浮床的研究与应用进入高潮，功能强化型生态浮床、保温生态浮床、立体组合生态浮床、抗风浪生态浮床、筛网式生态浮床、纤维填料浮床、弹性立体填料浮床、微生物燃料电池型立体组合生态浮等新型组合式生态浮床相继被开发，不仅应用于富营养水体水质净化与生态修复，还进一步扩大到了城市黑臭水体、农家乐污水生态处理[21-22]及难度处理的电镀废水重金属的净化之中[23]，同时还在净化水体的过程中产生更高的附加值。

3.2 浮床分类

传统浮床由浮床框体、浮床浮体、浮床基质和浮床植物四部分组成。在植物种植上，根据植物与水是否接触，分为干式浮床和湿式浮床；在构造上，根据浮体有无框架，分框式和无框式浮床；根据浮床作用和功能，又分为水质净化型、消浪型和提供栖息地型三类。浮床在富营养水体中应用，主要目的是净化水质，同时营造景观。表2列出了富营养水体修复常用的三大类浮床结构特点。

表2 浮床分类、结构及特点Tab.2 Classification,structure and characteristics of floating bed

从表2可看出，湿式有框式水质净化型浮床是目前应用较普遍的类型，在我国，也主要以有框湿式生态浮床为主。此外，还有一类可对抗寒冷气候的沉浮式生态浮床，主要分为有基质、无基质和混合型三类[29]。

4 浮床植物筛选

浮床植物是保证修复效果，营造美好景观的关键之一。浮床植物应选择去污能力，管理维护方便，具有一定经济价值的植物。在我国，资料显示有240种植物可以用于生态浮床[30]，从最初的农作物水稻(OryzasativaL.)，到具有发达的根系、较强的抗污能和较高的干生物累积量的水生植物芦苇 (Phragmitescommunis) 、旱伞草(PhyllostachysheterocladaOliver.)、牧草黑麦草 (LoliummultiflorumLam.)， 发展到景观花卉植物，如菖蒲 (AcoruscalamusL.)、鸢尾 (IristectorumMaxim.)、美人蕉 (Cannaglauca)、再力花(ThaliadealbataFraser)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)、泽泻 (Alismaplantago-aquaticaLinn.)等。同时，为了提升浮床植物的经济作物产出，水雍菜 (IpomoeaaquaticaForsk.) 、水芹 (Oenanthejavanica(Blume)DC)、豆瓣菜(NasturtiumofficinaleR.Br.)、木耳菜(Gynuracusimbua)、菠菜(SpinaciaoleraceaL.)、生菜(var.ramosaHort.)以及具有药用价值的植物酸模(RumexacetosaL.)、沿阶草(OphiopogonbodinieriLevl.)、麦冬(Ophiopogonjaponicus(Linn.f.)Ker-Gawl.)、灯心草(Juncuseffusus)也被作为浮床植物用于浮床净化研究之中[31]。

从实际工程应用来看，还应根据植物生长习性针对不同区域、不同气候特点选择配置。我国华东、华南及西南地区相对湿暖，浮床植物选择范围大，鸢尾、美人蕉、再力花和千屈菜等常见植物在富营养化治理生态浮床工程中常被应用[32]；对于东南沿海，因风浪、水深等特殊气候和水文特质,浮床植物高度不宜过高,应具备较强抗风浪能力，较常选用美人蕉、再力花、黄菖蒲等[33]；冬季由于气温低，大多数植物枯萎，浮床植物则应组合配置冬季能够生长的植物，如西伯利亚鸢尾、酸模、水芹[34]；对于寒冷地区，则应根据沉浮式浮床类别选择蓬萍草、浮萍、睡莲，或菰+水生美人蕉、芦苇+千屈菜+野慈姑、获+凤眼莲、荷花+香蒲+萍蓬草等植物组合[29]；水质波动大且黑臭的水体，可选用耐寒耐热植物千屈菜和喜湿喜半阴植物绿萝配置[35]。

图1 组合生态浮床工作机理示意图Fig.1 Schematic mechanism of combined ecological floating bed

5 生态浮床机理及应用

5.1 工作机理

生态浮床对富营养水体的修复是一个复杂的物理、化学和生物过程。组合生态浮床因其在传统浮床基础上，通过组合生物膜填料、投放水生生物等措施，尽可能将微食物链延长，以提升微环境生物多样性，以实现提升、恢复受损水体自我修复能力，使污染物的去除由植物为主转变为植物、填料、微生物共同作用，其的工作机理更复杂，其理论依据不仅包括根区理论、生物强化理论、食物链等原理，还包括4M(高等植物Macrophyte、宏观仿生学Macro-bioimitation、微生物Microorganism及管理Management)为核心的方法技术[36]。图1是一种组合生态浮床工作机理示意图。

从图可看出，太阳能作为外在驱动力，生态共生和微循环是高效利用自然资源和能源的内在机制，通过浮床植物、浮床套、浮床生物膜、浮游生物及微生物协同物理、生物及物化作用实现水质净化与景观营造。

5.1.1 截留与植物吸收

浮床植物是浮床系统的关键之一。生态浮床植物通常都会选用生物量大、根系发达的植物[37]，发达的植物根系与水体接触面积大，并形成浓密的过滤层，可以截留水体中的胶体及大颗粒污染物质，并在期表面进行吸附而沉淀。同时，附着于根系的菌体在内源呼吸阶段发生凝集，凝集的菌胶团可以将悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来。

由于不同植物对污染物质吸收能力不同，因此，植物的选取与配置对修复效果至关重要。赵鸿哲等对空心菜、木耳菜、香芹和菠菜、莜麦菜、生菜六种植物富营养化水体净化试验研究表明，空心菜吸收能力强，净化效果好，莜麦菜与空心菜相比耐贫瘠，更适于中度富营养化水体的净化，香芹和菠菜不适于浮床栽培[38]。陈丽丽等采用模拟浮床对水蓼、水芹菜、空心菜、慈菇、菖蒲和美人蕉6种水生植物研究表明，菖蒲和空心菜在贵州高原地区有较好的修复效果[39]；水蕹菜处理效果最好，水芹、豆瓣菜次之，芹菜居中，韭菜最差。丛海兵对比了黄菖蒲、西伯利亚鸢尾与美人蕉用于城市河道水质改善，结果表明，3 种植物去除氮磷的速率为: 黄菖蒲>美人蕉>西伯利亚鸢尾[40]。张华俊等对4种常用浮床植物对黑臭水体净化能力对比研究认为，4 种挺水植物对污染物的去除负荷顺序大致为: 再力花>美人蕉>黄菖蒲 >风车草。而单位生物量植物对污染物的去除负荷顺序总体为: 黄菖蒲>风车草 >再力花>美人蕉。[41]

除了不同植物对污染物吸收能力有差异外，植物根、茎、叶不同器官对营养盐吸收能力也存在差异。有研究表明，浮床系统中水芹根、茎、叶对氮、磷的吸收量分别为14.59g/m2、2.107g/m2；15.74g/m2、1.846 g/m2；11.47g/m2、1.47g/m2[42]，对氮的吸收主要器官是根和茎，对磷的吸收主要在根。植物对重金属的富集主要集中在根茎叶，Pb 、Zn 进入香蒲体内后,吸收能力大小依次是根>地下茎>叶，并主要积聚在皮层细胞中的细胞壁上,只有少量进入原生质[43]。

因此，在浮床植物配置上应根据修复水体需要选择生物量大、净化效果好的植物，同时还要考虑年际净化与景观视觉效果，美化环境。

5.1.2 生化作用

植物虽然在组合生态浮床系统中起着非常重要的作用，但植物吸收作用并不是污水中氮磷去除的主要机制,范洁群[44]、李海英[45]、李威[46]等人研究均表明这一观点。王国芳等认为，在组合生态浮床中，根系、人工介质等载体富集的微生物是氮磷等污染物的净化主体[47]，并在载体表面形成灰褐色生物膜, 为微生物生长营造更有利的生境，微生物的种群、数量和分解代谢速率提升，促进污染物(富集或沉降下来的)被微生物分解利用。同时，在根系周围由于植物的运输组织和根系对氧的传递释放，能形成连续的好氧、缺氧和厌氧状态，相当于许多串联或并联的A2O处理单元，为微生物活动创造条件, 进而形成“根际区”，有利于硝化-反硝化细菌生长。大部分的有机物质在好氧区被好氧微生物分解成为CO2和水[48]，在有机物被去除的同时，废水中的氮通过硝化、反硝化作用，磷通过微生物的过量积累将其从水中去除[49]。此外，载体及生物膜上的微生物可利用氨单加氧酶( AMO)将氨氮氧化为羟胺，再经不含血红素的羟胺氧化酶( HAO) 作用下转化为亚硝酸盐或N2O，硝酸盐在周质硝酸盐还原酶(NAP) 等作用下转变为亚硝酸盐，最终转化为N2O或N2去除[50]。

5.1.3 协同作用

植物与微生物的协同效应主要表现在浮床植物通过气道向植物根区输送氧气和介质水力传输的维持。由于水生植物根区氧气的输送，致使植物根区的氧化还原状态发生变化，微环境由还原态转变为氧化态，根区形成了有氧区和缺氧区共同存在的状态，为好氧、兼氧和厌氧策生物生长繁殖提供了良好的生活环境。发达的植物根系不仅为微生物的附着、栖生、繁殖提供了场所，还能分泌一些有机物促进微生物的代谢，并在根系表面形成生物膜，附着在根部的微生物可以加速根系周围有机物的交替转换或悬浮物的分解矿化，如芽孢杆菌能将有机磷、不溶解磷降解为无机、可溶的磷酸盐，使植物能直接吸收利用。

协同作用除植物与微生物协同外，组合生态浮床填料和载体与微生物也具有协同作用。组合生态浮床对TP去除效率高于传统浮床的原因，除了基质填料、载体的吸附作用外，还与填料和载体与微生物协同作用密切相关。王世和等研究表明，经填料吸附的吸附态磷更容易被植物吸收[51]，填料在吸附过程中伴随解吸过程，吸附和解吸过程中产生的吸附态磷和可溶性磷可以很快地产生微沉淀态的Ca2-P，而Ca2-P是最容易被植物吸收的磷酸盐种类[52]。因此，在组合浮床中，基质不仅自身对磷有吸附作用，而且促进了植物对磷的吸收作用，同时由于植物根和根系有较强的穿透能力，使得许多微小的气室或间隙在介质中形成，减少了介质的封闭性，增强了介质的疏松度，加强和维持了介质的水力传输。

5.2 生态浮床应用

5.2.1 传统浮床

传统浮床结构单一，多采用聚苯乙烯等发泡板为床体，主要从浮床植物筛选与配置、水温等方面研究植物在浮床系统净化中的作用和效果，对美人蕉、菖蒲、香根草、芦苇、空心菜、再力花、千屈菜、旱伞草等水生或湿生植物有较多的研究[53]；为扩大浮床植物的选择范围，水培陆生植物作为浮床床植物也有一定研究。李艳蔷等采用耗竭法研究了陆生植物芹菜、茼蒿和大蒜作为浮床植物的可行性及对氮的净化效果，结果表明三种植物浮床系统对总氮去除率达到了44.94%～82.84%[54]；罗固源等通过构建聚乙烯泡沫板的传统浮床，研究了温度对生态浮床系统的影响，认为浮床的系统最佳运行水温为25℃～29℃[55]；李欲如等人采用传统聚苯乙烯泡沫塑料浮体，研究了水芹菜、多花黑麦草、大蒜在水温4℃～10.1℃条件下对富营养水体的净化效果，得到这几种植物在冬季对总氮、氨氮及总磷去除效率分别为51.3%、41.0%、33.3%、65.2 %、63.8 %、47.7 %、55.6 %、40.4 %、33.9 %的结果[56]。

5.2.2 组合生态浮床

随着研究的不断深入，研究者意识到单纯依靠植物的吸收、吸附及截留作用净化水质效果有限，采用组合式浮床是提高浮床净化效果的有效途径。因此，近十来年，研究者们在传统有框湿式浮床基础上，以浮床系统与接触氧化系统、曝气系统、水生动物、微生物、填料、生物净化槽等一个或多个进行组合，充分利用浮床立体空间、延长浮床系统食物链以及强化浮床的微生物富集特性，提高净化效果。2005年李先宁等人采用浮瓶提供浮力，设计了由设有溢流进水管和进气孔、跌水帽、进水孔的上层水生植物单元、中层水生动物单元和下层悬挂在支撑架上的人工介质单元组成的立体型生态浮床[57]，并研究了该组合型生态浮床的动态水质净化特性[58]及其改善湖泊水源地水质的效果[59]，当水体交换时间为7d时TN、TP、高锰酸盐指数的去除率分别为53.8%、86.0%和35.4%。

2008年安树青等人采用竹排式生态浮床的制作方法该浮床由竹排式浮床构件、水下固定装置和浮床框内基质与植物组合构成。其中，竹排式浮床构件由下至上分为竹排层、透水土工布层、基质层、尼龙网片层四层组成[60]。2009年王国祥等人由固定于外框架内的内外框架构成；内框架设有包裹浮床植物生长基质的形状为内十字菱形底部支架；在内外框李伟等构筑了以水生植物、水生动物及微生物为主体的组合立体浮床生态系统，提高了污染物的去除率[61]。架之间增设植物定植杯[62]；管永祥等人一种组合式水体栽种植物花卉生态浮床由种植篮，浮床框架及泡沫件，其中种植篮置于浮床框架放置种植篮篮口内，泡沫件套合在浮床框架内腔内，多个生态浮床单元连接成大面积水上种植植物花卉园或固定绿色生态浮岛。

2010年丛海兵等发明了由固定于浮板上的上凸浮块、放于浮板种植篮孔中的种植篮、种植篮中填充填料固定植物和草悬挂在浮板下方的人工水草的淹没式组合生态浮床[63]，并构建了以泡沫塑料板为浮床载体，在泡沫塑料板上开孔安放填充陶粒的PE种植篮的生态浮床围隔净化系统[40]，并对淹没式组合生态浮床水质改善装置，并对2种耐寒生态浮床植物的水质改善性能进行了研究。张毅敏等人利用竹子制成3层网格状立体框架，辅以聚乙烯与聚丙烯制成的弹性材料，组建立体组合生态浮床，去除微污染水体氮磷营养盐，其中芋头浮床对总氮最大去除率夏季高达71%，蕹菜浮床对总磷最大去除率秋季达81%[64]。

范洁群等对比了传统聚乙烯泡沫板浮床与塑料镂空支架为载体的组合式浮床对富营养水体脱氮及微生物菌群的影响[44]。组合式浮床包括由PVC经开模浇铸制成镂空框架、植物栽植器、浮体、沸石填料，组成“植物+填料+微生物”组合系统。研究表明，填料系统吸附贡献率为8%，植物吸收的去氮贡献为16.5%，微生物系统脱氮达到75.5%，独特结构使其净化效果明显优于传统浮床。王国芳等人在普通水生植物浮床的基础上引入了水生动物，并增设兼具软性及半软性特征的人工介质，构建组合型生态浮床，通过分析不同生物单元的污染物去除贡献率，表明组合型生态浮床中人工介质富集的微生物是氮磷等污染物的净化主体，对TN、TP、CODMn去除率分别为48.5%、46.7%、49.9%，而水生动物单元通过三角帆蚌的滤食及排氨作用促进了颗粒有机物的可溶化和无机化，对Chl-a的去除贡献率达到了79.1%，从而促进了浮床的污染物净化效能[65]。

2013年李先宁等人又在组合生态浮床基础上，通过上层水生植物单元、中间层水生植物单元以及将上层和中间层固定的下层金属托盘，金属托盘通过利用沉积物的厌氧环境形成厌氧还原反应区从而构成微生物燃料电池阳极，电极将导电材料通过连接有外接电路负载的导线导出该装置外，构成微生物燃料电池空气阴极电极，在水质净化同时能量回收[66]。郑立国采用填充陶粒和蛭石的充气式浮法种植盘构建组合型生态浮床，对养猪场粪便沼气发酵池后氧化塘富营养水体污染物净化效果进行了研究，将中度富营养水体净化提升为中营养水体，扩大了组合生态浮床处理水体类型[67]。

2015年，李睿等提出在传统浮床中引入生物载体，采用具有生物载体和基质双重功能材料构建组合生态浮床的观点[68]。同年，税永红等研发具有多重功能的生态浮床，将浮床框架嵌入膜载体，突破了浮床浮体作用单一、浮床植物种植需外加种植篮、有框浮床框架不利于浮床与景观融合等不足，使有框湿式浮床从感观上向无框湿式浮床过渡，提高景观融合度。

2016年聂玉华等通过微曝气强化生态浮床，采用“浮床植物(水生植物单元)+填料系统(微生物处理单元)+微孔曝气系统(曝气单元)对污水中氮等污染物去除效果进行了研究，微曝气强化生态浮床对污水中TN、NH3-N的净化效果较传统生态浮床,对TN、NH3-N的去除率分别由55.57%和44.80%提高到69.08%和81.14%[69]。

对传统生态浮床的不断改进，进一步为水环境生态修复与治理提供了技术保障。特别是经过生物膜填料、水生动物、微曝气等强化后形成的强化型生态浮床功，不仅对富营养水体氮、磷营养盐有很好的去除效果[70]，对富营养水体蓝藻所产总毒素及胞外藻毒素也有较好的去除效果[60]，并在黑臭水体[41]、农家乐废水、矿山废水的修复治理中得到应用，大大拓宽了浮床的应用范围。

6 展 望

生态浮床是一项适合我国国情,具有良好发展前景的技术，经过不断的改进与发展，已广泛应用于湖泊、水库、城市河道等富营养水体的治理中，在黑臭水体、农家废水、重金属污染等水体中也有推广应用。虽然生态浮床具有投资、维护和运行费用低,污水处理效果好,不另占土地并可改善和恢复生态环境及营造景观等诸多优点，但生态浮床是一种依赖植物生长、根系微生物活性及植物的收割的水体净化技术，水体修复见效慢，时间长，季节差异较大。此外，在应用过程中，生态浮床浮体仅起作浮体支撑作用，植物的种植还需外加种植篮等不足，因此，要提升生态浮床年际净化效果，减少管理维护成本，浮床强化技术的改进是今后研究的重点。主要集中在以下三方面：改进浮床结构。设计研发结果简单(如不需外加种植篮)，能为微生物生长提供良好生境自带生物接触氧化功能的床体；筛选浮床植物。实施大规模生态浮床工程时,需要引种数量巨大的植物,必须要考虑植物后期的维护和管理成本问题，因此，应筛选净化效果好，少收割甚至不收割的植物；多技术协同。通过多种净化技术组合，提升浮床系统中植物、微生物及水生动物的协同净化机制，特别是随着材料技术的发展，对微生物膜载体的选择应朝具有固定微生物作用，且能提高微生物纵向均匀分布的结构性中空立体生物膜载体发展，提高浮床系统微生物量和生态浮床的辐射“场强”进一步提升净化效果，发挥其长效水质保障机制，扩大生态浮床在黑臭水体及某些特殊废水中的应用，适应并满足工程应用的需要。