提高生態(tài)浮島對(duì)受污染水體凈化效率的研究進(jìn)展

劉 偉，臧吳琪，周馳譽(yù)，周曉林，邵 莉，楊林軍,*

(1.江蘇省水利科教中心，江蘇南京 210096；2.東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210096)

各行業(yè)污水直排現(xiàn)象仍然存在，造成水體中氮、磷、無(wú)機(jī)鹽[1]等污染物含量超標(biāo)，加重水體毒理性[2]，嚴(yán)重影響水生態(tài)系統(tǒng)。人為污染無(wú)疑進(jìn)一步減少了可用淡水資源，造成水質(zhì)型缺水[3]。因此，地表水治理刻不容緩，而利用生態(tài)治理技術(shù)處理受污水體是現(xiàn)研究熱點(diǎn)。

生態(tài)治理技術(shù)總體上分為遷地治理與原位治理法[1]。生態(tài)浮島是原位治理法的一種，也是傳統(tǒng)人工濕地的變體，稱(chēng)為生態(tài)浮床或人工浮島[4]。19世紀(jì)70年代末，德國(guó)最早開(kāi)發(fā)生態(tài)浮島[5]，20世紀(jì)80年代后，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始利用植物浮床技術(shù)進(jìn)行河湖水質(zhì)處理[6-7]，生態(tài)浮島對(duì)非點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)物的去除效果要明顯優(yōu)于固定的人工濕地。相較于遷地治理法，生態(tài)浮島具備不額外占用土地、管理方便、投資小、景觀(guān)性強(qiáng)[1]等優(yōu)點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)生態(tài)浮島對(duì)外界條件敏感、實(shí)際工程設(shè)計(jì)缺乏定量依據(jù)，故雖然生態(tài)浮島廣泛應(yīng)用于地表水處理，但未能充分發(fā)揮其凈化能力?；诖?，本文主要內(nèi)容包括：(1)介紹生態(tài)浮島基本結(jié)構(gòu)；(2)討論生態(tài)浮島與多種技術(shù)聯(lián)合強(qiáng)化凈水效果措施；(3)討論生態(tài)浮島組成、結(jié)構(gòu)及布置的優(yōu)化研究；(4)分析理論研究與實(shí)際應(yīng)用間差異。旨在通過(guò)分析前人研究，為生態(tài)浮島未來(lái)研究方向提供思路、為工程實(shí)踐的優(yōu)化及管理提供參考。

1 生態(tài)浮島基本組成

不同于傳統(tǒng)人工濕地，生態(tài)浮島的植物種植于浮在水面的床體上(圖1)。床體、植物、基質(zhì)是生態(tài)浮島的基礎(chǔ)組成部分[1]，床體的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、植物與基質(zhì)的種類(lèi)選取對(duì)生態(tài)浮島處理效果有很大的影響。不同組成的生態(tài)浮島凈化效果如表1所示。

圖1 生態(tài)浮島示意圖Fig.1 Schematic Diagram of EFI

表1 生態(tài)浮島的組成及凈化效果Tab.1 Composition and Purification Efficiency of EFI

1.1 床體

床體是生態(tài)浮島的主要結(jié)構(gòu)，為植物提供栽植和生長(zhǎng)空間[16]。從床體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)劃分，主要分為干式和濕式生態(tài)浮島,干式生態(tài)浮島植物根系與水不直接接觸，植物吸收作用受限[17]；濕式生態(tài)浮島的應(yīng)用較為廣泛。從床體的功能及長(zhǎng)期運(yùn)行效果考慮，應(yīng)注重材料的穩(wěn)定性、環(huán)保性、多孔透氣性、浮力效果和疏水性等[18]。目前常用的床體材料有聚苯乙烯、PVC、PP等人工材料，以及椰子纖維、毛竹等天然材料[19-20]。

1.2 植物

植物在生態(tài)浮島凈化水體過(guò)程中起到重要的作用[1]。隨著根系愈加旺盛，根部在水下形成茂密的根系網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)根系攔截、吸收、轉(zhuǎn)化等作用去除污染物[5]。植物莖葉經(jīng)過(guò)光合作用，通過(guò)通氣組織向根系傳遞氧氣，在根部周?chē)纬伞坝醒?缺氧-厭氧”模式[18]，為各種好氧、厭氧微生物提供生長(zhǎng)繁殖條件。

目前已有大量關(guān)于生態(tài)浮島植物篩選的研究，植物類(lèi)型涉及農(nóng)作物、蔬菜、景觀(guān)植物等[21]。一般植物生長(zhǎng)趨勢(shì)越好、存活率越高，對(duì)水體中污染物的吸收效果越好。Keizer等[22]研究顯示試驗(yàn)期間狹葉香蒲(Typhaangustifolia)生物量增速不如黃菖蒲，而黃菖蒲對(duì)TN、TP的吸附量也遠(yuǎn)高于狹葉香蒲。這也表明了植物生物量與其吸收污染物能力正相關(guān)。從增加系統(tǒng)凈化能力、景觀(guān)性、季節(jié)性角度考慮，很多學(xué)者研究異類(lèi)植物組合處理效果[2]。但不可忽視植物之間的化感作用[5]，僅增加植物多樣性在凈化效果上有一定限制性。

1.3 基質(zhì)

基于基質(zhì)本身的性質(zhì)，可通過(guò)離子交換、吸附或共沉淀[5]等作用去除水體中的污染物。而且，添加基質(zhì)能夠提高植物的抗伏倒性，也能為微生物提供附著點(diǎn)[12]。Wang等[12]在生態(tài)浮島中加入沸石和海綿鐵后植物伏倒率降低；氮、磷、渾濁度和葉綠素a的去除效率顯著增加?？赡苁且?yàn)榉惺⒑＞d鐵中含有Ca、K、Fe等微量元素，一方面可與磷共沉淀，另一方面微量元素也利于植物生長(zhǎng)。而兩者大的比表面積既利于吸附污染物又可附著微生物。

常用基質(zhì)有沸石、蛭石、陶粒、稻草及人工改性材料等?；|(zhì)的選擇需考慮其物理(比表面積、孔隙率、保水率)和化學(xué)(pH、肥力、降解性)性質(zhì)[5]。如稻草中富含纖維素和木質(zhì)素，具有較高生物親和力、低毒理性、較大比表面積。在以稻草為基質(zhì)的生態(tài)浮島系統(tǒng)中硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌數(shù)量明顯增多；細(xì)菌也將稻草分解為供微生物生長(zhǎng)消耗的可溶性物質(zhì)。故TN、硝態(tài)氮的去除效率分別提高了40%、60%左右[8]?；|(zhì)的種類(lèi)研究眾多，但多數(shù)吸附試驗(yàn)所設(shè)初始濃度比較高，與實(shí)際應(yīng)用水質(zhì)存在差異，且對(duì)基質(zhì)吸附飽和、污染物解析情況的研究不夠充分。

2 強(qiáng)化生態(tài)浮島凈化效果措施

2.1 生態(tài)-物理法強(qiáng)化

人工曝氣旨在提高水體溶解氧含量和氧化還原電位，為好氧反應(yīng)過(guò)程提供充分條件。張玲玲等[23]對(duì)不同曝氣增氧條件下填料生態(tài)浮島對(duì)養(yǎng)殖水體的凈化效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與不曝氣相比，不同增氧條件下出水中TN、TP、COD濃度均有所減少。目前鼓風(fēng)、機(jī)械曝氣實(shí)際使用較多但效果一般；微孔、微納米曝氣具備氣泡體積小、對(duì)水體擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)[24]，但設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易推廣。濕地聯(lián)合電解技術(shù)組成的電解強(qiáng)化濕地系統(tǒng)也可以顯著提高氮、磷的去除效果，陳慧萍等[25]構(gòu)建的電解人工濕地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在低碳氮比(C/N)水體中高效去除氮、磷，通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)在電解條件下反硝化菌得到富集，故而脫氮效果顯著。閆誠(chéng)等[26]為提高生態(tài)浮床的凈化效果，將曝氣、電解與浮床結(jié)合構(gòu)建了曝氣-電解生態(tài)浮島系統(tǒng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電解可以提高系統(tǒng)反硝化細(xì)菌的數(shù)量、增強(qiáng)磷元素的絮凝沉淀作用，而曝氣又可以減弱電解對(duì)植物理化性質(zhì)的影響，進(jìn)一步提高生態(tài)浮島的凈化能力。

定量確定曝氣量與電解強(qiáng)度是研究重點(diǎn)。水體溶解氧含量低不利于植物和好氧細(xì)菌的生長(zhǎng)，但溶解氧濃度過(guò)高使得硝化反應(yīng)強(qiáng)烈，氨氮含量大減、硝酸鹽氮累積，影響了植物正常生長(zhǎng)，也會(huì)影響磷的吸收去除。另一方面，雖然可根據(jù)污染物耗氧量計(jì)算出所需曝氣量，但曝氣機(jī)產(chǎn)生的氣量并不能完全溶于水中，對(duì)實(shí)際氣水比的確定有一定難度。

2.2 生態(tài)-化學(xué)法強(qiáng)化

植物特性是決定植物的吸收作用強(qiáng)弱的因素之一，有研究者通過(guò)離子注入技術(shù)來(lái)改良植物。注入N+離子束的空心菜(Ipomoeaaquatica)無(wú)論是在高氮還是低氮的人工配水中，其生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通空心菜，對(duì)氨氮、硝酸鹽氮的去除效率也大大提升，達(dá)到80%以上，并在后續(xù)實(shí)際水體應(yīng)用中空心菜生態(tài)浮島對(duì)氮、磷的去除率也維持在51%～68%、54%～71%[27-28]。而對(duì)于改良后作物的經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題還需做進(jìn)一步研究。

有機(jī)碳含量低，則供異養(yǎng)微生物、植物生長(zhǎng)繁殖的有機(jī)物少。自然河道水、污水處理廠(chǎng)尾水等水體均存在C/N較低情況，人工添加碳源成為提高系統(tǒng)C/N的一種方式。段婧婧等[29]對(duì)生態(tài)浮島處理生活污水的研究表明，C/N由4提升至6時(shí)植物生態(tài)浮島對(duì)TN、TP的去除效率分別增加10%、60%左右，植物吸收作用占比也大大增加。利用固態(tài)碳源作為緩釋碳源，是目前碳源研究應(yīng)用的重點(diǎn)。在高效固態(tài)緩釋碳源的研究中，以人工材料(聚己內(nèi)酯、聚乙烯醇、海藻酸鈉)為載體及骨架、以天然材料(果殼、玉米芯)為碳源制成的緩釋碳源，具備良好的釋碳能力及穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。于魯冀等[30]以聚乙烯醇-海藻酸鈉為骨架、玉米芯為碳源，制備了緩釋碳源(PVA-SA-Y)，與純?nèi)斯ず铣刹牧现瞥傻奶荚聪啾?，該碳源的緩釋能力最好，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)硝酸鹽氮的去除率就達(dá)到100%，對(duì)TN去除效率提升20%以上。高通量測(cè)序結(jié)果顯示，試驗(yàn)后的PVA-SA-Y上硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌生長(zhǎng)量也有所增加，這與Xiong等[31]的研究結(jié)果相似。

2.3 生態(tài)-生物法強(qiáng)化

向生態(tài)浮島中添加比表面積大的材料作為微生物載體，有利于微生物的附著繁殖進(jìn)而在載體表面形成生物膜，達(dá)到與生物膜技術(shù)復(fù)合、增強(qiáng)微生物作用的目的[36]。生物繩、立體彈性填料的比表面積大、舒展性好，既易附著微生物也容易脫膜，可以高效、持續(xù)地發(fā)揮微生物作用；而一系列礦物類(lèi)的填料，由于材料結(jié)構(gòu)中含有羥基基團(tuán)或金屬離子，在可以附著微生物同時(shí)更易發(fā)生離子交換、沉淀等化學(xué)反應(yīng)[1]。鄒聯(lián)沛等[37]構(gòu)建的生物繩填料-水蔥生態(tài)浮島對(duì)低污染水體的氮、磷凈化效率提高10%左右。Song等[38]在植物生態(tài)浮島中整合了立體彈性填料，系統(tǒng)中共生菌、共生桿菌等利于反硝化過(guò)程的細(xì)菌數(shù)量顯著提升，反硝化速率比陶?；|(zhì)中提高5倍左右，TN的去除效率提高10.9%。但植物吸收作用受到限制，這與Wu等[39]試驗(yàn)結(jié)論相反。這可能是因?yàn)橹参锖吞盍戏N類(lèi)不同、兩者之間距離遠(yuǎn)近等問(wèn)題，懸掛填料的同時(shí)需考慮其對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。

微生物作用是除氮的主要作用，通過(guò)反硝化作用最終將氮以氣體形式排出水體。故反硝化菌的存在對(duì)生態(tài)浮島凈化效果起重要作用。但反硝化細(xì)菌在天然水體中的生長(zhǎng)繁殖速度較慢，以致前期除氮效果較差[1]。Sun等[40]制備了固定反硝化菌小球并投加于美人蕉生態(tài)浮島中，5 d后對(duì)TN、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的去除效率分別提高了12.9%、38.3%、28%，提升效果顯著。與細(xì)菌固定技術(shù)的結(jié)合，有望改善污染物去除效果。傳統(tǒng)植物生態(tài)浮島對(duì)含鹽廢水的處理效果一般，原因在于植物生長(zhǎng)受鹽離子抑制，無(wú)法有效發(fā)揮植物吸收作用[41]。竇文清等[42]構(gòu)造的叢枝菌根強(qiáng)化生態(tài)浮島對(duì)無(wú)機(jī)鹽離子的去除率提高了11.4%～37.1%。主要機(jī)理是在生態(tài)浮島中形成真菌-植物共生體，提高植物的耐鹽能力以及對(duì)鈣、鎂等離子的吸收效率。

2.4 組成及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

除與各種技術(shù)聯(lián)合，也可通過(guò)優(yōu)化生態(tài)浮島組成及結(jié)構(gòu)(優(yōu)勢(shì)水生植物的篩選、床體結(jié)構(gòu)及布置優(yōu)化)提高凈化效率。植物初步篩選研究主要有實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)水培方法，一般是將植物植于水培容器中，并置于人工光照培養(yǎng)箱或者溫室中。以定期的水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)比得到凈化效果最佳的水生植物。此外還可擬合植物吸收動(dòng)力學(xué)方程[43]比較各植物的最大吸收速率(Imax)與米氏常數(shù)(Km)，優(yōu)選Imax較大、Km較小的植物。Zhang等[44]在人工溫室中進(jìn)行美人蕉和水蔥的水培凈化試驗(yàn)比較，動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果表明水蔥對(duì)氨氮的吸收效果更好，對(duì)磷酸鹽有較好的親和力，美人蕉對(duì)硝酸鹽氮的親和力更大。應(yīng)用冷型水生植物對(duì)保證低溫時(shí)生態(tài)浮島處理能力有積極作用。Tharp等[45]比較了燈芯草、水蔥、苔草(Carexcomosa)和梭魚(yú)草(Pontederiacordata)在-12.1～27.2 ℃下的凈水情況，從存活率、生物量和磷吸收量方面看，苔草的抗寒性最佳。10 ℃下大聚藻(Myriophyllumaquaticum)、香菇草分別對(duì)TN、TP的去除效率仍高于63%、59%，遠(yuǎn)優(yōu)于黑藻(Hydrillaverticillata)、金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum)[46]。浮島所用植物的確定應(yīng)從其可用性、毒理耐受性、生物積累性、入侵機(jī)制等多方面考慮。雖然目前對(duì)植物的篩選研究眾多，但從以上多方面進(jìn)行全面且具體研究的較少。此外植物在水面大量覆蓋生長(zhǎng)帶來(lái)的諸如蚊蟲(chóng)密集、代謝凋零、有害物質(zhì)由動(dòng)物食用綠植進(jìn)入食物鏈[47]等問(wèn)題也是需要考慮的。

王文懷等[48]將水綿(Spirogyra)置于浮床的沉水植物區(qū)，與菖蒲形成水上-水下處理區(qū)。該系統(tǒng)對(duì)氮、磷污染物的去除效率均在80%以上，且水綿有力地抑制了有害藻類(lèi)的生長(zhǎng)。Guo等[49]設(shè)計(jì)的三層式生態(tài)浮島增加了系統(tǒng)的處理凈化單元，大大提高了氮、磷去除效率并保證了低污染負(fù)荷下的良好凈化效果。傳統(tǒng)的板式床體透氣性一般，易阻礙大氣復(fù)氧等氧氣交換過(guò)程。張擇瑞等[17]優(yōu)化的浮床以PVC管為框架、圍繞的繩索為主體，得到簡(jiǎn)化的床體，較以泡沫板為床體的生態(tài)浮島，其對(duì)氮、磷去除率及去除速率均明顯提升。

考慮到復(fù)雜的影響因素，有學(xué)者借鑒人工濕地的吸收動(dòng)力學(xué)，建立了生態(tài)浮島的一級(jí)動(dòng)力學(xué)拓展式，以期用通用的計(jì)算公式揭示污染物去除機(jī)制、用定量參數(shù)來(lái)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)。Wang等[50]引入生態(tài)浮島表觀(guān)吸收速率(vf)概念，考慮浮島覆蓋率(Af)、水體積(V)等因素，用水體自身反應(yīng)速率常數(shù)(Kw)和生態(tài)浮島速率常數(shù)[vf(Af/V)]表示反應(yīng)速率常數(shù)K，以此建立一級(jí)動(dòng)力學(xué)拓展式，可由進(jìn)出水水質(zhì)要求來(lái)定量生態(tài)浮島的各設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)生態(tài)浮島的引入也影響水體流場(chǎng)[51]。唐漪[52]利用Visual MODFLOW建立了三層結(jié)構(gòu)的生態(tài)浮島模型并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)水流狀態(tài)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明水力負(fù)荷分別增大10、48倍時(shí)，浮島規(guī)模只需增加4、21倍，這對(duì)實(shí)際工程浮島規(guī)模的確定具有指導(dǎo)意義。Machado等[53]建立不同布置方式下生態(tài)浮島的數(shù)學(xué)模型，探究通過(guò)根系的流量與凈化效果的關(guān)系，結(jié)果表明根系區(qū)域流量的大小與去除率呈正相關(guān)、并聯(lián)排列的浮島凈化效果優(yōu)于整體和串聯(lián)布置。

綜合來(lái)看，生態(tài)浮島功能強(qiáng)化方式主要分為技術(shù)聯(lián)合和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而多種技術(shù)聯(lián)合凈化水體的效果可能會(huì)更好。生態(tài)浮島功能強(qiáng)化措施分類(lèi)及研究方向總結(jié)如表2所示。

表2 生態(tài)浮島強(qiáng)化措施研究進(jìn)展Tab.2 Research Progress of Enhanced Measures for EFI

3 結(jié)論與建議

生態(tài)浮島作為一項(xiàng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、綠色經(jīng)濟(jì)的生態(tài)治理技術(shù),有著很好的應(yīng)用前景。作為一項(xiàng)工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)浮島工程實(shí)踐效果十分重要。出于其凈化能力受限，與曝氣電解、添加緩釋碳源、細(xì)菌固定等技術(shù)聯(lián)合強(qiáng)化的研究具有實(shí)際意義。浮島組成、結(jié)構(gòu)及布置的優(yōu)化均會(huì)影響其凈化能力。數(shù)學(xué)模型的研究可為生態(tài)浮島實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行管理提供依據(jù)。而理論研究與實(shí)際應(yīng)用仍存在如下多方面差異：(1)基質(zhì)研究過(guò)于理論化；(2)出于景觀(guān)性考慮，實(shí)際工程多數(shù)種植物混搭，而植物之間化感作用亦不可忽略；(3)生態(tài)浮島放置最佳水深在0.6～1.1 m，而實(shí)際水體的水深不易控制；(4)數(shù)學(xué)模型的建立很好地優(yōu)化了生態(tài)浮島的布置設(shè)計(jì)，但實(shí)際工程的浮島搭建更多考慮通航、美觀(guān)、管理維護(hù)難易等因素；(5)投入實(shí)際水域使用的生態(tài)浮島多數(shù)仍由最基礎(chǔ)的成分組成，技術(shù)聯(lián)合手段更多是增加曝氣機(jī)、效果更好的納米曝氣，但因技術(shù)、投資等因素實(shí)際工程應(yīng)用少。其他手段如外加碳源在實(shí)際工程中應(yīng)用也很少。

未來(lái)對(duì)生態(tài)浮島的研究可以重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。

(1)景觀(guān)水體表觀(guān)性的改善仍是難點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)懸浮物、藻類(lèi)等污染物的處理研究。并且目前對(duì)這一方向的已有研究多從水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)、宏觀(guān)水質(zhì)評(píng)價(jià)方向出發(fā)，缺乏微觀(guān)機(jī)理的研究。

(2)高效實(shí)現(xiàn)實(shí)際工程應(yīng)用是未來(lái)生態(tài)浮島研究的重點(diǎn)。目前，有關(guān)生態(tài)浮島覆蓋率、植被密度等理論設(shè)計(jì)研究側(cè)重追求理論最佳去除效率，脫離實(shí)際的浮島搭建可能性。建立數(shù)學(xué)模型有利于解決實(shí)際工程問(wèn)題，對(duì)生態(tài)浮島的實(shí)際應(yīng)用意義很大。而目前針對(duì)生態(tài)浮島的數(shù)學(xué)模型研究還不夠充分，建立聯(lián)系實(shí)際可為工程設(shè)計(jì)提供計(jì)算指導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型，這是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

(3)由于生態(tài)浮島自身性質(zhì)，低溫對(duì)其處理效果影響顯著，未來(lái)應(yīng)著重于生態(tài)浮島在低溫下處理效果的穩(wěn)定及增強(qiáng)研究。

(4)生態(tài)浮島所能發(fā)揮的作用不僅是凈化水體，未來(lái)可加強(qiáng)對(duì)生態(tài)浮島功能的發(fā)掘和利用，發(fā)展環(huán)境友好型經(jīng)濟(jì)。如可利用其獲取太陽(yáng)能，供電于太陽(yáng)能設(shè)備(太陽(yáng)能曝氣機(jī)、太陽(yáng)能LED燈等)；種植農(nóng)作物以緩解農(nóng)業(yè)用地緊張問(wèn)題。