水體生態(tài)浮島修復技術研究進展

王玨 李玲宇 劉金濤 楊學福 黃毅 張治宏 趙平歌

摘要 人類的過度開發(fā)利用破壞了自然生態(tài)平衡，社會生產力快速發(fā)展與水環(huán)境有限承載力出現沖突，導致水體污染問題愈加突出。世界各國政府積極推行一系列水生態(tài)修復措施來解決水生態(tài)環(huán)境問題。原位生態(tài)修復技術因具有無須轉移水體、運行維護成本低、能提高水體自凈能力、不易造成二次污染等優(yōu)點而成為當前的研究熱點。生態(tài)浮島修復技術是原位水生態(tài)修復技術的一種，主要通過植物根系及其周圍所聚集的微生物來吸收和轉化水體中過剩的氮、磷等營養(yǎng)成分及污染物。在綜述了水生態(tài)浮島修復技術的研究現狀的基礎上，著重介紹了其分類構成、植物選用、功能強化及對未來的發(fā)展前景等，以期為水體生態(tài)浮島修復技術的發(fā)展、完善與創(chuàng)新提供參考。

關鍵詞 生態(tài)浮島;水體修復;植物修復

中圖分類號 X 52? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）20-0010-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress of Water Ecological Floating Island Restoration Technology

WANG Jue1， ?LI Ling-yu ?LIU Jin-tao2 et al （1.China Communications Third Highway Engineering Bureau Co.，Ltd.，Beijing?? 100304;2. School of Architectural Engineering， Xian Technological University，Xian，Shaanxi 710032）

Abstract The over exploitation and utilization of human beings destroy the natural ecological balance， and the rapid development of social productivity conflicts with the limited carrying capacity of water environment， which leads to the increasingly prominent problem of water pollution. Governments of all countries actively implement a series of water ecological restoration measures to solve water ecological environment problems. In-situ ecological restoration technology has become a research hotspot because it has the advantages of no need to transfer water， low operation and maintenance cost， improving the self purification capacity of water， and not easy to cause secondary pollution. Ecological floating island restoration technology is a kind of in-situ water ecological restoration technology， which mainly absorbs and transforms the excess nitrogen， phosphorus and other nutrients and pollutants in water through plant roots and the microorganisms gathered around them.

Key words Ecological floating island;Water restoration;Phytoremediation

基金項目 國家重點研發(fā)計劃（2019yfc0409205）。

作者簡介 王玨（1978—），男，山西武鄉(xiāng)人，教授級高級工程師，博士，從事路橋工程、工程材料和水環(huán)境修復技術研究。*通信作者，劉金濤，副教授，碩士，碩士研究生導師，從事水市政工程研究;楊學福，講師，博士，從事水源水質污染與風險研究。

收稿日期 2021-01-22

在工業(yè)新型化、城鎮(zhèn)一體化和農業(yè)現代化的快速發(fā)展中，由于對污水排放的控制沒有跟上步伐，導致大量氮、磷等營養(yǎng)物質和其他類污染物以各種方式流入地表水體中，我國河湖水體出現了不同程度的污染。2015年4月國務院印發(fā)了《水污染防治行動計劃》，提出到2030年，力爭全國水環(huán)境質量總體改善，水生態(tài)系統(tǒng)功能初步恢復的目標?！?019年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》顯示，全國地表水1 931個水質監(jiān)測斷面中，Ⅳ類及以上斷面仍高達25.1%。水環(huán)境質量差和水生態(tài)受損重等問題嚴重影響和損害了群眾健康，不利于經濟社會持續(xù)發(fā)展。

目前，水生態(tài)治理技術可分為物理技術、化學技術和生物修復技術三大類。其中，物理方面的治理措施有截污、清淤疏浚、引水沖污、充氧曝氣等，該類方法短期見效快，但存在工程量大、處理費用高、破壞河湖生態(tài)環(huán)境或存在治標不治本等問題?；瘜W方面的治理措施有化學除藻、化學固定等，通過添加化學藥劑來氧化或沉淀水體污染物，盡管方法簡單、見效快，但也存在投加的化學藥劑易造成二次污染的潛在威脅。而生物-生態(tài)修復技術是利用植物和微生物等來對水體中的污染物質進行治理，進而增強修復水體的自凈能力，是當前水生態(tài)修復技術領域的研究熱點。生物-生態(tài)修復技術主要有生態(tài)浮島、人工濕地、生物操縱和微生物修復等[1-2]，具有成本低、運行維護簡單、能夠恢復生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點。

生態(tài)浮島，亦稱為生物浮島、人工浮島和生態(tài)浮床，它通過載體和固定裝置將水生植物和培育后的濕生、陸生植物在水面上固定，利用其植物根系與根系周圍所聚集的微生物對水中過剩的營養(yǎng)物質及污染物的吸收來凈化水體。其水面上的部分可作為野生鳥類的棲息地，水面下的部分可為魚類提供不受打擾的生活環(huán)境，兼具增加景觀美化，提高物種多樣性和促進生態(tài)系統(tǒng)恢復等功能[3]。生物浮島的研究始于美國，生態(tài)學家Gurney為給加拿大雁增加棲息地，研究并發(fā)表了加拿大雁的水上漂浮式人工巢論文。隨后國內外學者對生態(tài)浮島進行了有益的探索研究，在河湖治理、黑臭水體、污水廠尾水、養(yǎng)殖水體等方面得到較為廣泛的研究和應用[4-5]。

1 生態(tài)浮島的分類、構成及機理

1.1 生態(tài)浮島的分類

生態(tài)浮島技術發(fā)展至今，研究人員從結構、凈化機理等深入研究并不斷強化性能，其種類頗多?？傮w上，從浮島的植物是否與水直接接觸可分為干式生態(tài)浮島和濕式生態(tài)浮島兩種。其中，干式生態(tài)浮島多是作大型景觀及生物棲息地之用;濕式生態(tài)浮島則主要用來凈化水質，兼具美化景觀的功效，應用比較廣泛。從生態(tài)浮島的結構和發(fā)展分類，可分為傳統(tǒng)式生態(tài)浮島和強化型生態(tài)浮島等。強化型生態(tài)浮島是在傳統(tǒng)式生態(tài)浮島的基礎上通過增加填料、貝類生物、充氧曝氣裝置等來增強其水質凈化效果，亦有組合式生態(tài)浮島和立體式生態(tài)浮島之稱。

1.2 生態(tài)浮島的構成 傳統(tǒng)的生態(tài)浮島由載體、植物和固定裝置組成。

（1）生態(tài)浮島載體主要作用是為植物和基質等提供浮力，其材料和制作直接影響浮島的使用壽命和應用范圍。根據生態(tài)浮島載體的不同，干式生態(tài)浮島可分為一體式和分體式兩種，濕式生態(tài)浮島也可分為有框式、無框式和成套商品式[6] ，如圖1所示。其中，有框式和成套商品式濕式生態(tài)浮島較為常用，具有抗風浪能力強，結構簡單，使用時間長的優(yōu)點，但是人工氣息比較重;無框式浮島與自然相融性高，相對景觀效果更好，缺點是抗風浪能力弱，使用時間相對較短。

（2）生態(tài)浮島的基質不僅有固定植物和微生物附著掛膜的作用，也有吸收、吸附營養(yǎng)鹽輔助植物更好生長的作用。目前，已研究和應用的基質主要有陶粒、火山巖、輪胎顆粒、沸石、膨脹蛭石、活性炭、海綿、碳素纖維球、牡蠣殼、緩釋碳源凈水基質、水化碳酸鈣、阿科蔓生態(tài)基、礫石。試驗發(fā)現，沸石對總氮（TN）的去除存在明顯優(yōu)勢，牡蠣殼、水化碳酸鈣和輪胎顆粒對總磷（TP）的去除效果更好。相對單純空心菜浮島的平均增長倍數2.0而言，如以水化硅酸鈣為基質時，在投加量800 mg/L、粒徑6目及空心菜數量為2.5株/L時，水化硅酸鈣強化空心菜浮島的植株質量平均增長倍數為2.9[7]。在以空心菜為種植植物，頁巖陶粒、活性炭、膨脹蛭石為基質時，頁巖陶粒截污能力較好，性價比最高，空心菜的生長情況最好，其空心菜株高增長量是膨脹蛭石的1.003 6倍，是活性炭的1.114 5倍[8-9]。

（3）生態(tài)浮島的固定方式主要有錨固型、重物型和樁基型3種類型。錨固型是通過錨鉤和繩索來固定浮島的位置，優(yōu)點是易移動，其穩(wěn)定性較好。重物型是用繩索將生態(tài)浮島與水底的重物相連使其穩(wěn)定。優(yōu)點是簡單易操作，且可適應水位變化，缺點是生態(tài)浮島會產生小幅度移動。樁基型則是將木樁在浮島中間插到水體底泥中來穩(wěn)定生態(tài)浮島，其缺點是不美觀。在水位變化較大、波動性強的水體適用錨固型固定方式，其他較為穩(wěn)定的景觀類水體和封閉性水體適用重物型和樁基型固定方式。

1.3 生態(tài)浮島的機理及作用

生態(tài)浮島的水質凈化機理主要有以下幾方面：①植物的吸收、吸附作用。通過植物的根莖吸收或吸附水中的氮、磷等營養(yǎng)物質，同化為己用，來降低水中的污染物質的含量。②植物與微生物的協(xié)同作用。具有巨大表面積的植物根莖是微生物的良好附著地，在其上形成生物掛膜，且植物根部會釋放出氧氣和有機物，植物的根莖周圍會形成有氧區(qū)域、缺氧區(qū)域和無氧區(qū)域交叉，適合多種微生物的生存，加速微生物降解有機污染物的速率。微生物降解大分子物質，又進一步促進了植物對污染物質的吸收。③抑制藻類生長作用。生態(tài)浮島上的高等水生植物會釋放出抑制藻類增長的化感物質，減少水體中藻類。④基質的吸收和吸附作用。生態(tài)浮島的基質會吸收或吸附一定的污染物質，基質表面也會附著聚集微生物形成生物膜來處理水中污染物。⑤減少藻類光合作用。生態(tài)浮島在水面上的覆蓋會使藻類減少一定的光合作用，使藻類的增長速度有一定程度的減慢[10]。

生態(tài)浮島具有4種基本生態(tài)功能：①生物棲息地功能。浮島可以支持許多植物的生長，大面積的生態(tài)浮島可為魚類、鳥類和兩棲類等野生生物提供棲息地。②恢復生物多樣性功能。較大密度的浮島植物根系可吸收大量的營養(yǎng)物質，同時發(fā)達的根系也為微生物提供氧化態(tài)的微環(huán)境，加速了系統(tǒng)對水質的凈化作用，加速系統(tǒng)恢復生物多樣性。③消減風浪功能。大面積生態(tài)浮島會起到消浪作用，進而形成相對穩(wěn)定的凈水環(huán)境，促使水生動植物更好生長。④美化環(huán)境功能。不同類型植物種植在浮島上能形成美麗的景觀帶，凈化水體的同時也起到美化環(huán)境的作用。

2 生態(tài)浮島植物的選用

植物是生態(tài)浮島的主體，選擇合適的植物是決定生態(tài)浮島水處理應用是否成功的關鍵因素。生態(tài)浮島植物選擇主要有以下原則：①對氮、磷等污染物質凈化能力強;②植物根系發(fā)達，能提供大的表面積來吸附和吸收營養(yǎng)物質，且有利于微生物富集形成生物膜;③盡量搭配美觀，以便能夠達到美化景觀的效果;④根據當地氣候選植物，南方與北方的溫度相差比較大，所選植物也大不相同;⑤抗逆性強，要能夠抗污，抗蟲害;⑥以本土植物優(yōu)先，以免造成外來生物入侵污染。目前經過人們試驗效果較好且廣泛使用的植物如表1所示。

2.1 影響因素

2.1.1 地域的影響。植物生長狀態(tài)與所處地域的環(huán)境、溫度、水體特點息息相關，不同的地域環(huán)境水體適用浮島植物不同。目前效果好且廣泛應用的生態(tài)浮島植物大部分是南方水體所適用的，對于北方寒冷水體適用生態(tài)浮島植物研究相對較少。已有研究[11-13]發(fā)現：千屈草、玉帶草、旱傘草、美人蕉、再力花、菖蒲、水芹、鳳眼蓮、蘆葦、慈姑及風車草是在北方地區(qū)應用較多、效果好的植物。水甜茅在過冬植物遴選試驗中長勢好，表現出較好的耐寒特性，其磷酸鹽磷、氨氮、硝酸鹽氮去除率可分別達89.1%、82.8%和41.2%，也可嘗試在北方水體中種植。

2.1.2 氮磷濃度的影響。水體中的營養(yǎng)物質是植物賴以生存的關鍵，不同植物適應的水體富營養(yǎng)化濃度不同。研究發(fā)現[14-15]：對輕度富營養(yǎng)化水體，適宜的凈水植物有菖蒲、喜旱蓮子草、草木犀、白三葉、澤苔、野芋等;對中度或高度富營養(yǎng)化水體，適宜的凈水植物有空心菜、鳳眼蓮、夏枯草、黃花鳶尾、野薄荷、紅蓮子菜、紫芋、歐洲慈姑、旱傘草等。千屈菜、香蒲等則具有較廣泛氮磷濃度適應性，對各種水體均有較好的凈化功能。

2.1.3 覆蓋率的影響。生態(tài)浮島覆蓋率對于生態(tài)浮島的處理效果影響很大。一般設計生態(tài)浮島時，生態(tài)浮島覆蓋率應在20%～50%。1995年，日本研究者在霞浦湖進行一次隔離水域試驗，結果表明：在生態(tài)浮島占有率只有25%的條件下，削減了94%的植物性浮游生物[16]。用生態(tài)浮島修復太湖五里湖時，發(fā)現當浮島覆蓋率為45%時，修復區(qū)域水體的大部分水體指標都達到Ⅲ類指標，水質改善效果顯著[17]。

2.2 植物配植 合理的混合植物搭配對水體中氮、磷等營養(yǎng)物質和污染物有更全面深度的凈化效果，且會形成美麗的景觀。不同的植物對于營養(yǎng)物質的需求與吸收效果不同，合理搭配會有生態(tài)位互補的效果。此外，植物的根莖長度各不相同，合理選擇與搭配可以使生態(tài)浮島水面下形成分層分布的根系，能從不同深度對水體中的懸浮物以及污染物起到過濾和吸附作用，擴大了生態(tài)浮島凈化范圍。在進行植物選擇搭配時，結合生物的習性和植物群落構建原則，為水生生物的繁衍棲息提供一個相對穩(wěn)定的水生態(tài)環(huán)境，改善水生生物的生存環(huán)境，將生態(tài)效益發(fā)揮到最大[18]。

3 強化型生態(tài)浮島

傳統(tǒng)的生態(tài)浮島主要靠植物的吸附與吸收同化、植物根部微生物吸收分解來去除污染物，植物成長初期吸收快，后期凈化效果并不是特別理想。研究人員主要從基質、填料、生物膜、充氧曝氣以及延長食物鏈等方面開始對傳統(tǒng)生態(tài)浮島進行升級強化，取得了較好的效果，結果如表2所示。

3.1 新型填料 為加強生態(tài)浮島中微生物脫氮除磷和分解污染物的作用，在生態(tài)浮島載體下方添加填料，填料作為微生物棲息的場所，是生物膜附著的載體。目前研究的主要有組合填料、TQ-II型球形填料、磁性納米材料和活性炭、改良型火山石填料、生物彈性立體填料、生物繩、復合碳源填料、絲瓜絡、玉米芯、纖維填料等。其中，復合碳源填料以堿處理玉米芯、零價鐵和活性炭組成，其作為填料能被微生物有效利用并獲得較高的TN去除率[28]。設置絲瓜絡、玉米芯的填料可增大污水的可生化性，強化生態(tài)浮島系統(tǒng)的脫氮除磷效果，也更有利于植物生長，如種植了千屈菜的懸掛玉米芯人工浮島系統(tǒng)植株生長高度為傳統(tǒng)人工浮島系統(tǒng)的2.36倍[29]。

3.2 曝氣增氧 溫度、溶解氧是影響微生物和植物生長的因素，在適宜的環(huán)境中，微生物和植物的活性更強，對污染物和營養(yǎng)物質的吸收能力更強，對此人們研究出了太陽能生態(tài)浮島、微納米-曝氣生態(tài)浮島等。太陽能生態(tài)浮島除了增設生物填料，還增加太陽能供電設備、曝氣機、升溫裝置等其他附加裝置。這些裝置除了凈化水質的作用外，還可以控制水層分布、不同深度水體的溫度和pH，為微生物和植物提供一個相對穩(wěn)定的環(huán)境[28]。新型微納米曝氣-生態(tài)浮島通過微納米級橡膠曝氣管產生微納米級氣泡為水體增氧來提高氮、磷的去除效果，減少氣泡對植物根系或填料上所附生物膜的影響。新型浮島在20 d內曝氣組使劣Ⅴ類水經過處理后可達到Ⅲ類排放標準，水體的弱酸性也可改良至中性[26]。

3.3 接種真菌 研究者們對于植物采用馴化、接種真菌等措施來加強植物性能，增加植物對于不同環(huán)境和特殊水體的適應性，使其對不同水體、不同環(huán)境都適用。為加強植物耐鹽和除鹽能力，竇文清等[30] 進行了叢枝菌根（AM）強化型生態(tài)浮島試驗，對美人蕉接種AM真菌， AM真菌和美人蕉建立了良好的共生關系，21 d內總溶解固體、化學需氧量、TN和TP的去除率分別達到了36.1%、74.4%、57.6%和59.1%，比未接種 AM 真菌的普通生態(tài)浮床分別提高了79.2%、36.4%、32.7%和37.6%。

3.4 延長食物鏈 通過在生態(tài)浮島下方增加填料和水生動物區(qū)，來構建人工生物共生系統(tǒng)延長食物鏈，水生動物如貝類的增加有助于提高生態(tài)系統(tǒng)對營養(yǎng)物質和污染物的吸收和分解，并且不會對水質造成影響[31]。綜合利用植物對污染物質的吸收吸附、水生動物的攝食和填料掛膜來凈化水體，促進生態(tài)循環(huán)，增加生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，促進生物多樣性發(fā)展，適用于多種水體[32]。

4 存在的問題與展望

伴隨著人們環(huán)保意識的提高以及國家對生態(tài)建設的重視，修復自然環(huán)境、創(chuàng)造美好生存環(huán)境是當前及未來的重要課題。水體富營養(yǎng)化關乎水生態(tài)系統(tǒng)平衡，治理水體富營養(yǎng)化是目前的研究熱點。生態(tài)浮島技術在研究與實際應用中有很多問題需要解決，也還有很多空間尚待探索。

（1）尚需解決北方水體生態(tài)浮島植物的過冬問題。溫度會很大程度上影響水生植物和微生物的污染物分解效率，若冬季植物在水體中不處理，很大可能會發(fā)生枯萎腐爛，有再度污染水體的風險。目前針對寒冷地區(qū)水體的生態(tài)浮島技術研究很少，適用的植物選用和栽植技術也需要去進一步探索和研究。

（2）仍需進一步探索生態(tài)浮島技術的生態(tài)效益。生態(tài)浮島除凈化水質效果外，還有很多價值待研究與發(fā)現，如生態(tài)浮島對水體的遮陰所減少的蒸發(fā)量與植物的蒸騰作用所吸收的水量的關系，以確定生態(tài)浮島是否有湖泊水體因大量蒸發(fā)而減慢鹽堿化速度的價值。

（3）如何建立生態(tài)浮島修復技術體系的問題。生態(tài)浮島長期實際應用的體系還未建立，建成植物群落景觀的問題還有很多，浮島植物、基質和填料的后續(xù)利用都有待進一步研究與認識。

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