生態(tài)浮床原位修復(fù)富營養(yǎng)水體研究進(jìn)展

稅永紅

(成都紡織高等專科學(xué)校，成都 611731)

1 前 言

水是生命之源，是重要的景觀元素，水資源可持續(xù)利用一直是國際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。水資源來源于水生生態(tài)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)將人類社會(huì)與自然緊密地聯(lián)系在一起。中國河流湖泊眾多，超過1平方公里的湖泊就有2 759個(gè)，總面積達(dá)到91 019km2[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，特別是20世紀(jì)90年代之后，污水排放呈指數(shù)增長，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化不斷加重，部分流域斷面、湖泊及城市景觀水體發(fā)展到重度富養(yǎng)化水平[2]，截止2016年，我國地表水1 940個(gè)國控?cái)嗝?，劣V類166個(gè)，占比達(dá)到8.6%，112個(gè)重要湖庫，劣V類9個(gè)，占比8.0%[3]。水體受污染不僅直接導(dǎo)致水質(zhì)惡化，還會(huì)對(duì)地表水環(huán)境、土壤、地下水、近海海域、甚至大氣等相關(guān)生態(tài)環(huán)境帶來不利的影響，并且會(huì)影響飲水安全和農(nóng)產(chǎn)品安全，最終威脅人類健康，導(dǎo)致社會(huì)福利的損失。如何改善水體水質(zhì)，修復(fù)受損水生態(tài)環(huán)境，提升水資源可持續(xù)發(fā)展與利用，國內(nèi)外眾多研究者從評(píng)價(jià)與預(yù)測、修復(fù)技術(shù)方法、水資源管理等不同側(cè)面，展開了水環(huán)境污染控制與治理相關(guān)理論及方法的研究，取得了眾多研究成果[4～9]。本文在比較分析了目前國內(nèi)外常用原位治理技術(shù)基礎(chǔ)之上，對(duì)生態(tài)浮床分類、發(fā)展歷程及凈化機(jī)理剖析了生態(tài)浮床在受損水環(huán)境生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用，展望了未來發(fā)展方向。

2 原位修復(fù)治理技術(shù)

對(duì)受損水體的修復(fù)在空間位置上可以分為原位(In Situ)修復(fù)和異位(Ex Situ)修復(fù)。原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)旨在遵循自然規(guī)律，強(qiáng)化水體本身的自凈能力，恢復(fù)水體中生態(tài)系統(tǒng)的平衡，具有運(yùn)行維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前富營養(yǎng)水體治理技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

原位修復(fù)技術(shù)在我國最早提出是在醫(yī)學(xué)界，環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用最早報(bào)道是在1998年土壤修復(fù)[10]，因傳統(tǒng)異位修復(fù)成本高、破壞生態(tài)環(huán)境等不足，原位修復(fù)得到了廣泛應(yīng)用，之后原位修復(fù)外延不斷拓展，在地下水、地表水及景觀水體[11～13]修復(fù)中逐漸被應(yīng)用。原位修復(fù)技術(shù)主要分為原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)、原位生物修復(fù)技術(shù)、原位固定化學(xué)修復(fù)技術(shù)等[9～11]。目前國內(nèi)工程應(yīng)用較廣泛的原位治理技術(shù)主要有生態(tài)水草及生物填料、生態(tài)凈化、水面推流、曝氣增氧、石墨烯光催化等技術(shù)。表1對(duì)比分析了這幾種技術(shù)的優(yōu)劣及適用范圍。

表1 常用原位修復(fù)技術(shù)比較Tab.1 Comparison of common in-situ restoration techniques

從對(duì)比分析可看出，生態(tài)凈化技術(shù)通過生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與系統(tǒng)構(gòu)建，能持續(xù)去除水體污染物，改善生態(tài)環(huán)境和景觀，對(duì)受損水體水質(zhì)的長效保持起到重要的保障作用。其中，人工浮床技術(shù)具有不另占土地、可移動(dòng)運(yùn)行、無動(dòng)力、少維護(hù)、使用壽命長、投入與運(yùn)行成本低、不形成二次污染、與景觀結(jié)合能創(chuàng)造人與水融合的優(yōu)美環(huán)境、提升水資源利用價(jià)值等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。

3 浮床分類及發(fā)展

3.1 生態(tài)浮床發(fā)展歷程

生態(tài)浮床，又稱生態(tài)浮島、人工浮島、植物浮床等，屬原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)范疇，是模擬天然浮島將水生植物或培育后的陸生植物引入水體種植演變而來的。王氏《農(nóng)書》、陳旉《農(nóng)書》均有記載，我國古代就有“葑田”或“架田”，即“以木縛架為曲，田系浮水面，以葑泥附木架上”，在水面種稻種蔬菜，并且早在周代文獻(xiàn)就有提及，漢、晉陸續(xù)有記載，到唐、宋記述就更多，還曾有“盜田”的訟案發(fā)生[14]。我國古代這類農(nóng)作物的種植方式可以認(rèn)為是現(xiàn)代生態(tài)浮床的鼻祖。

隨著恢復(fù)生態(tài)學(xué)及相關(guān)理論的發(fā)展，生態(tài)浮床概念被學(xué)術(shù)界提出可追塑到1938年，Seifert提出了“近自然河溪治理”概念[15]，認(rèn)為河溪工程在完成傳統(tǒng)河流整治的基礎(chǔ)上應(yīng)達(dá)到接近自然、經(jīng)濟(jì)并保持景觀美的一種狀態(tài)；在此基礎(chǔ)上，1988年Hoeger首次提出將生態(tài)浮床作為一項(xiàng)水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)，并闡述其在德國湖泊中的應(yīng)用情況[16]，在德國BESTMAN公司生產(chǎn)制作了人工浮島之后，20世紀(jì)70年代末，浮床作為魚類產(chǎn)卵床在日本琵琶湖開始應(yīng)用[17]；20世紀(jì)80年代末，才作為水質(zhì)凈化技術(shù)，在日本、歐美等發(fā)達(dá)國家大量應(yīng)用[18]。1998年，徐冠仁院士利用浮體在水面種植水稻成功[19]，同時(shí)被應(yīng)用于富營養(yǎng)水體氮、磷營養(yǎng)鹽的凈化之中[20]，標(biāo)志著生態(tài)浮床在我國富營養(yǎng)水體修復(fù)應(yīng)用的開始。從浮床CNKI文獻(xiàn)年度變化可看出，2009年相關(guān)研究迅速增長，之后的幾年時(shí)間里，持續(xù)成為了環(huán)境領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。隨著2015年4月2日國務(wù)院《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(水十條)的正式發(fā)布，對(duì)生態(tài)浮床的研究與應(yīng)用進(jìn)入高潮，功能強(qiáng)化型生態(tài)浮床、保溫生態(tài)浮床、立體組合生態(tài)浮床、抗風(fēng)浪生態(tài)浮床、篩網(wǎng)式生態(tài)浮床、纖維填料浮床、彈性立體填料浮床、微生物燃料電池型立體組合生態(tài)浮等新型組合式生態(tài)浮床相繼被開發(fā)，不僅應(yīng)用于富營養(yǎng)水體水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)，還進(jìn)一步擴(kuò)大到了城市黑臭水體、農(nóng)家樂污水生態(tài)處理[21-22]及難度處理的電鍍廢水重金屬的凈化之中[23]，同時(shí)還在凈化水體的過程中產(chǎn)生更高的附加值。

3.2 浮床分類

傳統(tǒng)浮床由浮床框體、浮床浮體、浮床基質(zhì)和浮床植物四部分組成。在植物種植上，根據(jù)植物與水是否接觸，分為干式浮床和濕式浮床；在構(gòu)造上，根據(jù)浮體有無框架，分框式和無框式浮床；根據(jù)浮床作用和功能，又分為水質(zhì)凈化型、消浪型和提供棲息地型三類。浮床在富營養(yǎng)水體中應(yīng)用，主要目的是凈化水質(zhì)，同時(shí)營造景觀。表2列出了富營養(yǎng)水體修復(fù)常用的三大類浮床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

表2 浮床分類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)Tab.2 Classification,structure and characteristics of floating bed

從表2可看出，濕式有框式水質(zhì)凈化型浮床是目前應(yīng)用較普遍的類型，在我國，也主要以有框濕式生態(tài)浮床為主。此外，還有一類可對(duì)抗寒冷氣候的沉浮式生態(tài)浮床，主要分為有基質(zhì)、無基質(zhì)和混合型三類[29]。

4 浮床植物篩選

浮床植物是保證修復(fù)效果，營造美好景觀的關(guān)鍵之一。浮床植物應(yīng)選擇去污能力，管理維護(hù)方便，具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物。在我國，資料顯示有240種植物可以用于生態(tài)浮床[30]，從最初的農(nóng)作物水稻(OryzasativaL.)，到具有發(fā)達(dá)的根系、較強(qiáng)的抗污能和較高的干生物累積量的水生植物蘆葦 (Phragmitescommunis) 、旱傘草(PhyllostachysheterocladaOliver.)、牧草黑麥草 (LoliummultiflorumLam.)， 發(fā)展到景觀花卉植物，如菖蒲 (AcoruscalamusL.)、鳶尾 (IristectorumMaxim.)、美人蕉 (Cannaglauca)、再力花(ThaliadealbataFraser)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)、澤瀉 (Alismaplantago-aquaticaLinn.)等。同時(shí)，為了提升浮床植物的經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)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.)以及具有藥用價(jià)值的植物酸模(RumexacetosaL.)、沿階草(OphiopogonbodinieriLevl.)、麥冬(Ophiopogonjaponicus(Linn.f.)Ker-Gawl.)、燈心草(Juncuseffusus)也被作為浮床植物用于浮床凈化研究之中[31]。

從實(shí)際工程應(yīng)用來看，還應(yīng)根據(jù)植物生長習(xí)性針對(duì)不同區(qū)域、不同氣候特點(diǎn)選擇配置。我國華東、華南及西南地區(qū)相對(duì)濕暖，浮床植物選擇范圍大，鳶尾、美人蕉、再力花和千屈菜等常見植物在富營養(yǎng)化治理生態(tài)浮床工程中常被應(yīng)用[32]；對(duì)于東南沿海，因風(fēng)浪、水深等特殊氣候和水文特質(zhì),浮床植物高度不宜過高,應(yīng)具備較強(qiáng)抗風(fēng)浪能力，較常選用美人蕉、再力花、黃菖蒲等[33]；冬季由于氣溫低，大多數(shù)植物枯萎，浮床植物則應(yīng)組合配置冬季能夠生長的植物，如西伯利亞鳶尾、酸模、水芹[34]；對(duì)于寒冷地區(qū)，則應(yīng)根據(jù)沉浮式浮床類別選擇蓬萍草、浮萍、睡蓮，或菰+水生美人蕉、蘆葦+千屈菜+野慈姑、獲+鳳眼蓮、荷花+香蒲+萍蓬草等植物組合[29]；水質(zhì)波動(dòng)大且黑臭的水體，可選用耐寒耐熱植物千屈菜和喜濕喜半陰植物綠蘿配置[35]。

圖1 組合生態(tài)浮床工作機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic mechanism of combined ecological floating bed

5 生態(tài)浮床機(jī)理及應(yīng)用

5.1 工作機(jī)理

生態(tài)浮床對(duì)富營養(yǎng)水體的修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程。組合生態(tài)浮床因其在傳統(tǒng)浮床基礎(chǔ)上，通過組合生物膜填料、投放水生生物等措施，盡可能將微食物鏈延長，以提升微環(huán)境生物多樣性，以實(shí)現(xiàn)提升、恢復(fù)受損水體自我修復(fù)能力，使污染物的去除由植物為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹参?、填料、微生物共同作用，其的工作機(jī)理更復(fù)雜，其理論依據(jù)不僅包括根區(qū)理論、生物強(qiáng)化理論、食物鏈等原理，還包括4M(高等植物Macrophyte、宏觀仿生學(xué)Macro-bioimitation、微生物Microorganism及管理Management)為核心的方法技術(shù)[36]。圖1是一種組合生態(tài)浮床工作機(jī)理示意圖。

從圖可看出，太陽能作為外在驅(qū)動(dòng)力，生態(tài)共生和微循環(huán)是高效利用自然資源和能源的內(nèi)在機(jī)制，通過浮床植物、浮床套、浮床生物膜、浮游生物及微生物協(xié)同物理、生物及物化作用實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化與景觀營造。

5.1.1 截留與植物吸收

浮床植物是浮床系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。生態(tài)浮床植物通常都會(huì)選用生物量大、根系發(fā)達(dá)的植物[37]，發(fā)達(dá)的植物根系與水體接觸面積大，并形成濃密的過濾層，可以截留水體中的膠體及大顆粒污染物質(zhì)，并在期表面進(jìn)行吸附而沉淀。同時(shí)，附著于根系的菌體在內(nèi)源呼吸階段發(fā)生凝集，凝集的菌膠團(tuán)可以將懸浮性的有機(jī)物和新陳代謝產(chǎn)物沉降下來。

由于不同植物對(duì)污染物質(zhì)吸收能力不同，因此，植物的選取與配置對(duì)修復(fù)效果至關(guān)重要。趙鴻哲等對(duì)空心菜、木耳菜、香芹和菠菜、莜麥菜、生菜六種植物富營養(yǎng)化水體凈化試驗(yàn)研究表明，空心菜吸收能力強(qiáng)，凈化效果好，莜麥菜與空心菜相比耐貧瘠，更適于中度富營養(yǎng)化水體的凈化，香芹和菠菜不適于浮床栽培[38]。陳麗麗等采用模擬浮床對(duì)水蓼、水芹菜、空心菜、慈菇、菖蒲和美人蕉6種水生植物研究表明，菖蒲和空心菜在貴州高原地區(qū)有較好的修復(fù)效果[39]；水蕹菜處理效果最好，水芹、豆瓣菜次之，芹菜居中，韭菜最差。叢海兵對(duì)比了黃菖蒲、西伯利亞鳶尾與美人蕉用于城市河道水質(zhì)改善，結(jié)果表明，3 種植物去除氮磷的速率為: 黃菖蒲>美人蕉>西伯利亞鳶尾[40]。張華俊等對(duì)4種常用浮床植物對(duì)黑臭水體凈化能力對(duì)比研究認(rèn)為，4 種挺水植物對(duì)污染物的去除負(fù)荷順序大致為: 再力花>美人蕉>黃菖蒲 >風(fēng)車草。而單位生物量植物對(duì)污染物的去除負(fù)荷順序總體為: 黃菖蒲>風(fēng)車草 >再力花>美人蕉。[41]

除了不同植物對(duì)污染物吸收能力有差異外，植物根、莖、葉不同器官對(duì)營養(yǎng)鹽吸收能力也存在差異。有研究表明，浮床系統(tǒng)中水芹根、莖、葉對(duì)氮、磷的吸收量分別為14.59g/m2、2.107g/m2；15.74g/m2、1.846 g/m2；11.47g/m2、1.47g/m2[42]，對(duì)氮的吸收主要器官是根和莖，對(duì)磷的吸收主要在根。植物對(duì)重金屬的富集主要集中在根莖葉，Pb 、Zn 進(jìn)入香蒲體內(nèi)后,吸收能力大小依次是根>地下莖>葉，并主要積聚在皮層細(xì)胞中的細(xì)胞壁上,只有少量進(jìn)入原生質(zhì)[43]。

因此，在浮床植物配置上應(yīng)根據(jù)修復(fù)水體需要選擇生物量大、凈化效果好的植物，同時(shí)還要考慮年際凈化與景觀視覺效果，美化環(huán)境。

5.1.2 生化作用

植物雖然在組合生態(tài)浮床系統(tǒng)中起著非常重要的作用，但植物吸收作用并不是污水中氮磷去除的主要機(jī)制,范潔群[44]、李海英[45]、李威[46]等人研究均表明這一觀點(diǎn)。王國芳等認(rèn)為，在組合生態(tài)浮床中，根系、人工介質(zhì)等載體富集的微生物是氮磷等污染物的凈化主體[47]，并在載體表面形成灰褐色生物膜, 為微生物生長營造更有利的生境，微生物的種群、數(shù)量和分解代謝速率提升，促進(jìn)污染物(富集或沉降下來的)被微生物分解利用。同時(shí)，在根系周圍由于植物的運(yùn)輸組織和根系對(duì)氧的傳遞釋放，能形成連續(xù)的好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，相當(dāng)于許多串聯(lián)或并聯(lián)的A2O處理單元，為微生物活動(dòng)創(chuàng)造條件, 進(jìn)而形成“根際區(qū)”，有利于硝化-反硝化細(xì)菌生長。大部分的有機(jī)物質(zhì)在好氧區(qū)被好氧微生物分解成為CO2和水[48]，在有機(jī)物被去除的同時(shí)，廢水中的氮通過硝化、反硝化作用，磷通過微生物的過量積累將其從水中去除[49]。此外，載體及生物膜上的微生物可利用氨單加氧酶( AMO)將氨氮氧化為羥胺，再經(jīng)不含血紅素的羥胺氧化酶( HAO) 作用下轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽或N2O，硝酸鹽在周質(zhì)硝酸鹽還原酶(NAP) 等作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}，最終轉(zhuǎn)化為N2O或N2去除[50]。

5.1.3 協(xié)同作用

植物與微生物的協(xié)同效應(yīng)主要表現(xiàn)在浮床植物通過氣道向植物根區(qū)輸送氧氣和介質(zhì)水力傳輸?shù)木S持。由于水生植物根區(qū)氧氣的輸送，致使植物根區(qū)的氧化還原狀態(tài)發(fā)生變化，微環(huán)境由還原態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)，根區(qū)形成了有氧區(qū)和缺氧區(qū)共同存在的狀態(tài)，為好氧、兼氧和厭氧策生物生長繁殖提供了良好的生活環(huán)境。發(fā)達(dá)的植物根系不僅為微生物的附著、棲生、繁殖提供了場所，還能分泌一些有機(jī)物促進(jìn)微生物的代謝，并在根系表面形成生物膜，附著在根部的微生物可以加速根系周圍有機(jī)物的交替轉(zhuǎn)換或懸浮物的分解礦化，如芽孢桿菌能將有機(jī)磷、不溶解磷降解為無機(jī)、可溶的磷酸鹽，使植物能直接吸收利用。

協(xié)同作用除植物與微生物協(xié)同外，組合生態(tài)浮床填料和載體與微生物也具有協(xié)同作用。組合生態(tài)浮床對(duì)TP去除效率高于傳統(tǒng)浮床的原因，除了基質(zhì)填料、載體的吸附作用外，還與填料和載體與微生物協(xié)同作用密切相關(guān)。王世和等研究表明，經(jīng)填料吸附的吸附態(tài)磷更容易被植物吸收[51]，填料在吸附過程中伴隨解吸過程，吸附和解吸過程中產(chǎn)生的吸附態(tài)磷和可溶性磷可以很快地產(chǎn)生微沉淀態(tài)的Ca2-P，而Ca2-P是最容易被植物吸收的磷酸鹽種類[52]。因此，在組合浮床中，基質(zhì)不僅自身對(duì)磷有吸附作用，而且促進(jìn)了植物對(duì)磷的吸收作用，同時(shí)由于植物根和根系有較強(qiáng)的穿透能力，使得許多微小的氣室或間隙在介質(zhì)中形成，減少了介質(zhì)的封閉性，增強(qiáng)了介質(zhì)的疏松度，加強(qiáng)和維持了介質(zhì)的水力傳輸。

5.2 生態(tài)浮床應(yīng)用

5.2.1 傳統(tǒng)浮床

傳統(tǒng)浮床結(jié)構(gòu)單一，多采用聚苯乙烯等發(fā)泡板為床體，主要從浮床植物篩選與配置、水溫等方面研究植物在浮床系統(tǒng)凈化中的作用和效果，對(duì)美人蕉、菖蒲、香根草、蘆葦、空心菜、再力花、千屈菜、旱傘草等水生或濕生植物有較多的研究[53]；為擴(kuò)大浮床植物的選擇范圍，水培陸生植物作為浮床床植物也有一定研究。李艷薔等采用耗竭法研究了陸生植物芹菜、茼蒿和大蒜作為浮床植物的可行性及對(duì)氮的凈化效果，結(jié)果表明三種植物浮床系統(tǒng)對(duì)總氮去除率達(dá)到了44.94%～82.84%[54]；羅固源等通過構(gòu)建聚乙烯泡沫板的傳統(tǒng)浮床，研究了溫度對(duì)生態(tài)浮床系統(tǒng)的影響，認(rèn)為浮床的系統(tǒng)最佳運(yùn)行水溫為25℃～29℃[55]；李欲如等人采用傳統(tǒng)聚苯乙烯泡沫塑料浮體，研究了水芹菜、多花黑麥草、大蒜在水溫4℃～10.1℃條件下對(duì)富營養(yǎng)水體的凈化效果，得到這幾種植物在冬季對(duì)總氮、氨氮及總磷去除效率分別為51.3%、41.0%、33.3%、65.2 %、63.8 %、47.7 %、55.6 %、40.4 %、33.9 %的結(jié)果[56]。

5.2.2 組合生態(tài)浮床

隨著研究的不斷深入，研究者意識(shí)到單純依靠植物的吸收、吸附及截留作用凈化水質(zhì)效果有限，采用組合式浮床是提高浮床凈化效果的有效途徑。因此，近十來年，研究者們?cè)趥鹘y(tǒng)有框濕式浮床基礎(chǔ)上，以浮床系統(tǒng)與接觸氧化系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、水生動(dòng)物、微生物、填料、生物凈化槽等一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行組合，充分利用浮床立體空間、延長浮床系統(tǒng)食物鏈以及強(qiáng)化浮床的微生物富集特性，提高凈化效果。2005年李先寧等人采用浮瓶提供浮力，設(shè)計(jì)了由設(shè)有溢流進(jìn)水管和進(jìn)氣孔、跌水帽、進(jìn)水孔的上層水生植物單元、中層水生動(dòng)物單元和下層懸掛在支撐架上的人工介質(zhì)單元組成的立體型生態(tài)浮床[57]，并研究了該組合型生態(tài)浮床的動(dòng)態(tài)水質(zhì)凈化特性[58]及其改善湖泊水源地水質(zhì)的效果[59]，當(dāng)水體交換時(shí)間為7d時(shí)TN、TP、高錳酸鹽指數(shù)的去除率分別為53.8%、86.0%和35.4%。

2008年安樹青等人采用竹排式生態(tài)浮床的制作方法該浮床由竹排式浮床構(gòu)件、水下固定裝置和浮床框內(nèi)基質(zhì)與植物組合構(gòu)成。其中，竹排式浮床構(gòu)件由下至上分為竹排層、透水土工布層、基質(zhì)層、尼龍網(wǎng)片層四層組成[60]。2009年王國祥等人由固定于外框架內(nèi)的內(nèi)外框架構(gòu)成；內(nèi)框架設(shè)有包裹浮床植物生長基質(zhì)的形狀為內(nèi)十字菱形底部支架；在內(nèi)外框李偉等構(gòu)筑了以水生植物、水生動(dòng)物及微生物為主體的組合立體浮床生態(tài)系統(tǒng)，提高了污染物的去除率[61]。架之間增設(shè)植物定植杯[62]；管永祥等人一種組合式水體栽種植物花卉生態(tài)浮床由種植籃，浮床框架及泡沫件，其中種植籃置于浮床框架放置種植籃籃口內(nèi)，泡沫件套合在浮床框架內(nèi)腔內(nèi)，多個(gè)生態(tài)浮床單元連接成大面積水上種植植物花卉園或固定綠色生態(tài)浮島。

2010年叢海兵等發(fā)明了由固定于浮板上的上凸浮塊、放于浮板種植籃孔中的種植籃、種植籃中填充填料固定植物和草懸掛在浮板下方的人工水草的淹沒式組合生態(tài)浮床[63]，并構(gòu)建了以泡沫塑料板為浮床載體，在泡沫塑料板上開孔安放填充陶粒的PE種植籃的生態(tài)浮床圍隔凈化系統(tǒng)[40]，并對(duì)淹沒式組合生態(tài)浮床水質(zhì)改善裝置，并對(duì)2種耐寒生態(tài)浮床植物的水質(zhì)改善性能進(jìn)行了研究。張毅敏等人利用竹子制成3層網(wǎng)格狀立體框架，輔以聚乙烯與聚丙烯制成的彈性材料，組建立體組合生態(tài)浮床，去除微污染水體氮磷營養(yǎng)鹽，其中芋頭浮床對(duì)總氮最大去除率夏季高達(dá)71%，蕹菜浮床對(duì)總磷最大去除率秋季達(dá)81%[64]。

范潔群等對(duì)比了傳統(tǒng)聚乙烯泡沫板浮床與塑料鏤空支架為載體的組合式浮床對(duì)富營養(yǎng)水體脫氮及微生物菌群的影響[44]。組合式浮床包括由PVC經(jīng)開模澆鑄制成鏤空框架、植物栽植器、浮體、沸石填料，組成“植物+填料+微生物”組合系統(tǒng)。研究表明，填料系統(tǒng)吸附貢獻(xiàn)率為8%，植物吸收的去氮貢獻(xiàn)為16.5%，微生物系統(tǒng)脫氮達(dá)到75.5%，獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其凈化效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)浮床。王國芳等人在普通水生植物浮床的基礎(chǔ)上引入了水生動(dòng)物，并增設(shè)兼具軟性及半軟性特征的人工介質(zhì)，構(gòu)建組合型生態(tài)浮床，通過分析不同生物單元的污染物去除貢獻(xiàn)率，表明組合型生態(tài)浮床中人工介質(zhì)富集的微生物是氮磷等污染物的凈化主體，對(duì)TN、TP、CODMn去除率分別為48.5%、46.7%、49.9%，而水生動(dòng)物單元通過三角帆蚌的濾食及排氨作用促進(jìn)了顆粒有機(jī)物的可溶化和無機(jī)化，對(duì)Chl-a的去除貢獻(xiàn)率達(dá)到了79.1%，從而促進(jìn)了浮床的污染物凈化效能[65]。

2013年李先寧等人又在組合生態(tài)浮床基礎(chǔ)上，通過上層水生植物單元、中間層水生植物單元以及將上層和中間層固定的下層金屬托盤，金屬托盤通過利用沉積物的厭氧環(huán)境形成厭氧還原反應(yīng)區(qū)從而構(gòu)成微生物燃料電池陽極，電極將導(dǎo)電材料通過連接有外接電路負(fù)載的導(dǎo)線導(dǎo)出該裝置外，構(gòu)成微生物燃料電池空氣陰極電極，在水質(zhì)凈化同時(shí)能量回收[66]。鄭立國采用填充陶粒和蛭石的充氣式浮法種植盤構(gòu)建組合型生態(tài)浮床，對(duì)養(yǎng)豬場糞便沼氣發(fā)酵池后氧化塘富營養(yǎng)水體污染物凈化效果進(jìn)行了研究，將中度富營養(yǎng)水體凈化提升為中營養(yǎng)水體，擴(kuò)大了組合生態(tài)浮床處理水體類型[67]。

2015年，李睿等提出在傳統(tǒng)浮床中引入生物載體，采用具有生物載體和基質(zhì)雙重功能材料構(gòu)建組合生態(tài)浮床的觀點(diǎn)[68]。同年，稅永紅等研發(fā)具有多重功能的生態(tài)浮床，將浮床框架嵌入膜載體，突破了浮床浮體作用單一、浮床植物種植需外加種植籃、有框浮床框架不利于浮床與景觀融合等不足，使有框濕式浮床從感觀上向無框濕式浮床過渡，提高景觀融合度。

2016年聶玉華等通過微曝氣強(qiáng)化生態(tài)浮床，采用“浮床植物(水生植物單元)+填料系統(tǒng)(微生物處理單元)+微孔曝氣系統(tǒng)(曝氣單元)對(duì)污水中氮等污染物去除效果進(jìn)行了研究，微曝氣強(qiáng)化生態(tài)浮床對(duì)污水中TN、NH3-N的凈化效果較傳統(tǒng)生態(tài)浮床,對(duì)TN、NH3-N的去除率分別由55.57%和44.80%提高到69.08%和81.14%[69]。

對(duì)傳統(tǒng)生態(tài)浮床的不斷改進(jìn)，進(jìn)一步為水環(huán)境生態(tài)修復(fù)與治理提供了技術(shù)保障。特別是經(jīng)過生物膜填料、水生動(dòng)物、微曝氣等強(qiáng)化后形成的強(qiáng)化型生態(tài)浮床功，不僅對(duì)富營養(yǎng)水體氮、磷營養(yǎng)鹽有很好的去除效果[70]，對(duì)富營養(yǎng)水體藍(lán)藻所產(chǎn)總毒素及胞外藻毒素也有較好的去除效果[60]，并在黑臭水體[41]、農(nóng)家樂廢水、礦山廢水的修復(fù)治理中得到應(yīng)用，大大拓寬了浮床的應(yīng)用范圍。

6 展 望

生態(tài)浮床是一項(xiàng)適合我國國情,具有良好發(fā)展前景的技術(shù)，經(jīng)過不斷的改進(jìn)與發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于湖泊、水庫、城市河道等富營養(yǎng)水體的治理中，在黑臭水體、農(nóng)家廢水、重金屬污染等水體中也有推廣應(yīng)用。雖然生態(tài)浮床具有投資、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低,污水處理效果好,不另占土地并可改善和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境及營造景觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，但生態(tài)浮床是一種依賴植物生長、根系微生物活性及植物的收割的水體凈化技術(shù)，水體修復(fù)見效慢，時(shí)間長，季節(jié)差異較大。此外，在應(yīng)用過程中，生態(tài)浮床浮體僅起作浮體支撐作用，植物的種植還需外加種植籃等不足，因此，要提升生態(tài)浮床年際凈化效果，減少管理維護(hù)成本，浮床強(qiáng)化技術(shù)的改進(jìn)是今后研究的重點(diǎn)。主要集中在以下三方面：改進(jìn)浮床結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)研發(fā)結(jié)果簡單(如不需外加種植籃)，能為微生物生長提供良好生境自帶生物接觸氧化功能的床體；篩選浮床植物。實(shí)施大規(guī)模生態(tài)浮床工程時(shí),需要引種數(shù)量巨大的植物,必須要考慮植物后期的維護(hù)和管理成本問題，因此，應(yīng)篩選凈化效果好，少收割甚至不收割的植物；多技術(shù)協(xié)同。通過多種凈化技術(shù)組合，提升浮床系統(tǒng)中植物、微生物及水生動(dòng)物的協(xié)同凈化機(jī)制，特別是隨著材料技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微生物膜載體的選擇應(yīng)朝具有固定微生物作用，且能提高微生物縱向均勻分布的結(jié)構(gòu)性中空立體生物膜載體發(fā)展，提高浮床系統(tǒng)微生物量和生態(tài)浮床的輻射“場強(qiáng)”進(jìn)一步提升凈化效果，發(fā)揮其長效水質(zhì)保障機(jī)制，擴(kuò)大生態(tài)浮床在黑臭水體及某些特殊廢水中的應(yīng)用，適應(yīng)并滿足工程應(yīng)用的需要。