人工浮島技術(shù)在水體修復(fù)中的應(yīng)用

肖安明，劉 盛，劉奕明，王潤一，卞梓名，陳戰(zhàn)利,*

(1.南昌大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，江西南昌 330031；2.南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院，江西南昌 330031)

人工浮島技術(shù)是指應(yīng)用無土栽培技術(shù)，人工將水生植物或陸生植物栽植到漂浮于水面的浮島上，通過根系吸收等作用達到水質(zhì)凈化的目的[1]，其關(guān)鍵點主要包括浮島植物遴選、浮島載體材料選擇、浮島植物處置等。在過去40多年的時間，我國經(jīng)濟高速增長的同時，水環(huán)境污染的問題也越來越嚴重。人工浮島技術(shù)以成本低、原位修復(fù)、處理效率較高、相對被動、不需要額外占用土地、環(huán)境友好等優(yōu)勢得到了人們的重點關(guān)注[2-4]。如Wang等[5]綜述了人工浮島的各組成參數(shù)及去除污染物的能力，孫真等[3]重點關(guān)注了人工浮島微生物類群與工程成本，Colares等[6]則側(cè)重于闡述影響處理效率的因素。而關(guān)于連接方式、現(xiàn)場試驗等方面的研究較少，故本文對該方面進行補充，并對其發(fā)展歷史、組成結(jié)構(gòu)、凈水原理機制等方面進行完善，以期為人工浮島發(fā)展提供借鑒。

1 發(fā)展歷史

浮島利用歷史悠久，但早期多用于農(nóng)業(yè)種植，比如緬甸和墨西哥農(nóng)民利用浮島種植黃瓜、玉米等作物[7-8]。之后隨著水環(huán)境問題浮現(xiàn)，人們逐漸意識到人工浮島的水質(zhì)修復(fù)效果。到1979年，德國正式地建立了第一個人工浮島系統(tǒng)用來修復(fù)富營養(yǎng)化湖泊。1993年，日本在Kasumigaura湖中建立由不銹鋼制成框架的人工浮島，并在1995年第六屆國際湖泊會議中進行了介紹，此后人工浮島技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注[9]。在其他發(fā)達國家如美國、意大利、澳大利亞等，人工浮島也被廣泛地用于河流、漁業(yè)廢水、工業(yè)廢水等水體凈化[6,10]。我國自1978年實行改革開放以來，經(jīng)濟快速增長，對水的需求量不斷上升，但水處理基礎(chǔ)設(shè)施陳舊，治理效果不佳。據(jù)1980年的統(tǒng)計，90%以上廢水未經(jīng)任何處理直接排入水域，全國地表水水質(zhì)評價表明，超過92 100 km的河長中符合飲用水標準的僅占1/3左右，約有6%的河水中有毒物質(zhì)含量超過排放標準或有機污染達到黑臭的嚴重程度[11]。同時，在20世紀70年代，嚴重的世界能源危機迫使人們要求水處理技術(shù)具有節(jié)省能源、資源和投資的特點。在這個背景下，我國于20世紀80年代開始對人工浮島進行研究[12]。之后在Yang等[13]、劉淑媛等[14]一大批環(huán)境工作者的努力之下，人工浮島在我國的研究和應(yīng)用也取得了很大的突破。1998年起，江蘇無錫的五里湖應(yīng)用人工浮島治理其富營養(yǎng)化問題，發(fā)現(xiàn)人工浮島對于氮、磷有極好的去除效果[15]；1999年浙江杭州的南應(yīng)加河經(jīng)過5個月左右治理后，異臭味得到有效控制[15]；2002年—2003年北京地區(qū)的什剎海進行浮島應(yīng)用人工浮島示范，發(fā)現(xiàn)水體變得清澈透明，且適宜北京水系環(huán)境生長的4種主要植物依次是旱傘草、高稈美人蕉、矮稈美人蕉和紫葉美人蕉[16]。除了在我國東南和北部地區(qū)外，趙祥華等[17]分析在云南高原湖泊中應(yīng)用人工浮島的情況，發(fā)現(xiàn)其去除CODMn有著明顯的效果。

2 組成結(jié)構(gòu)

人工浮島主要由漂浮于水面的浮島載體以及生長在浮島載體上的浮島植物構(gòu)成(圖1)，浮島植物的根系直接與水接觸。Yao等[24]采用生命周期評價法和綜合水質(zhì)指數(shù)對人工浮床的潛在環(huán)境不利影響進行研究，表明原材料獲取與構(gòu)建過程占比最大，因此，研究人工浮島組成結(jié)構(gòu)有著重要的意義。

圖1 人工浮島示意圖

2.1 浮島植物

浮島植物不但可以通過根、莖、葉直接吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)，并且其根部可以附著有降解作用的微生物，對浮島運行有很大影響。很多學(xué)者對于浮島植物的選擇提出了自己的看法，研究者[25]提出浮島植物選擇標準為：(1)本地和非入侵物種；(2)多年生植物；(3)陸生植物種類；(4)濕地植物或能在水培環(huán)境中茁壯成長的植物；(5)具有通氣組織的植物。Colares等[6]認為植物的選擇應(yīng)該考量水體污染情況、根系的生長情況、適應(yīng)性和當?shù)貧夂驐l件。此外Wang等[5]認為浮島植物還應(yīng)美化環(huán)境，為水生動物和鳥類提供棲息地。這是因為人工浮島存在著一定的空間層次結(jié)構(gòu)，一般挺水、沼生及陸生植物的莖、葉挺出水面，有著較多的水面植物組織，利于鳥類棲息，其根、莖則位于水面下；漂浮/浮葉植物及沉水植物則絕大部分植物體位于水面或水面以下，利于水生動物棲息。

表1總結(jié)了人工浮島選用植物主要種類。目前，浮島植物主要選用的是水生植物，其中美人蕉、香蒲、燈心草等挺水植物由于其景觀性好和處理效果較好等優(yōu)點在世界各國人工浮島中得到了廣泛的應(yīng)用。不同浮島植物處理不同污染水體時體現(xiàn)出不同的適應(yīng)性。楊皓然[26]采用生活污水培育了30種常見的挺水植物、浮葉/漂浮植物和沉水植物，發(fā)現(xiàn)挺水植物的蘆葦、香蒲、美人蕉，以及沉水植物的伊樂藻和浮葉植物中的睡蓮生長良好，具有較強的耐污能力。余婷[27]配制了低(Cd：0.1 mg/L，Cr、Pb、Ni、Zn：1.0 mg/L)、中(Cd：1.0 mg/L，Cr、Pb、Ni、Zn：5.0 mg/L)、高(Cd：5.0 mg/L，Cr、Pb、Ni、Zn：10.0 mg/L)質(zhì)量濃度重金屬溶液,并用其培育了6種水生植物(金魚藻、狐尾藻、美人蕉、黃菖蒲、水芙蓉、鳳尾蓮)及它們每3個的組合，發(fā)現(xiàn)不同濃度組生物量的平均增長率為低濃度(24%)>中濃度(19%)>高濃度(18%)，表明它們均可以適應(yīng)污水環(huán)境，且抑制作用隨著重金屬濃度的增加而增強。Tara等[28]研究發(fā)現(xiàn)紡織廢水對于蘆葦?shù)纳L有著顯著的抑制作用。在選擇浮島植物時要注意脅迫點濃度，當污染水體濃度超過脅迫點濃度時，可能會引起浮島植物停止生長甚至腐敗，造成水體二次污染?，F(xiàn)應(yīng)用的浮島植物大部分在春季到秋季生長旺盛，而到了低溫氣候則出現(xiàn)停止生長或腐敗現(xiàn)象，例如美人蕉、香蒲、金魚藻、黑藻[29]。目前也發(fā)現(xiàn)了一批值得工程借鑒的抗寒水生植物如鳶尾、黃菖蒲、梭魚草、伊樂藻[30-31]，對于陸生植物研究目前鮮有文獻報道。Dushenkov等[32]用水培法培養(yǎng)芥菜處理含重金屬溶液，發(fā)現(xiàn)其可吸收超過根部干重10%的重金屬，此外，試驗也證明陸生植物有較好的水體修復(fù)能力[33-34]。這是因為陸生植物相比于水生植物有著更多的生物質(zhì)、更快的生長速度、更發(fā)達的根系[25]，且其根系有著更多的須根[32]，即有更大的比表面積。未來應(yīng)該進一步研究陸生植物在人工浮島上的應(yīng)用。

2.2 浮島載體

Shahid等[44]認為浮島載體應(yīng)重點考察其耐用性、功能性、重量、錨固性、環(huán)境敏感性、靈活性和成本。此外,Seo等[45]認為浮島材料應(yīng)該具備疏水性，因為疏水材料可快速黏附微生物，而解吸幾乎可忽略。目前浮島載體按其來源可分為天然材料和人工材料(表2),人工材料又可分為人工有機材料和人工無機材料。天然材料因其耐久性差、易腐爛的缺點，只適用于面積較小、且方便維護人員時常檢修的水域。人工材料從其性能上看則適用的范圍更加廣闊，如大江大河、規(guī)模較大的湖泊等。在實際中，人工有機材料憑借制作簡便及低成本等優(yōu)勢在商業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，但該類材料存在著廢棄后的“白色污染”問題。目前，主要通過加強人工回收或?qū)で罂山到獠牧线M行替代來解決此類問題，此外，塑料在自然環(huán)境下會因老化、磨損等釋放微塑料[46]，造成微塑料污染，而使用塑料的人工浮島也可能存在該問題。Ziajahromi等[47]對用聚對苯二甲酸乙二醇酯制成的人工浮島進行監(jiān)測，并未發(fā)現(xiàn)其自身釋放微塑料，但該試驗僅運行了兩年多，需要進一步對長期運行的人工浮島進行監(jiān)測，以確定塑料類浮島載體是否向環(huán)境釋放微塑料。人工無機材料相較于人工有機材料在實際應(yīng)用中并不常見，但其在環(huán)境友好和使用廢棄方面更具有優(yōu)勢。如果可以簡化其制作工藝和降低成本[8]，在未來可能是最佳的人工浮島載體材料。

表2 人工浮島載體主要種類

此外，光催化技術(shù)可以在光照條件下高效地將污染物降解成CO2和其他無機物，可以有效克服當前人工浮島技術(shù)面對重污染處理效果不佳的缺點。將光催化材料作為載體材料的人工浮島對光照充足的地區(qū)處理重有機污染污水(如印染廢水、含苯工業(yè)廢水等)有較大的潛力。目前尚未見將光催化材料引入到人工浮島，需要進一步試驗研究。

2.3 浮島連接方式

目前，浮島的常用連接方式有兩種，一種是螺栓式，主要依靠人工浮島邊緣所預(yù)留的孔洞，再通過螺栓或螺釘相連。由于浮島之間依靠點連接，對連接處的應(yīng)力要求相對較高，但操作較為簡便，適用于大塊浮島拼接，目前應(yīng)用較廣泛。另一種是榫卯式，榫卯本是中國木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的連接方式，之后也被應(yīng)用到人工浮島的連接，它主要通過在浮島周圍做成凹凸的形式，相互拼接咬合便起到連接的作用。這種結(jié)構(gòu)整體性較好，但不利于大塊浮島拼接應(yīng)用，便于較小塊浮島的拼接，目前常見于泡沫類的人工浮島。

2.4 浮島抗風浪結(jié)構(gòu)

風浪可以直接對浮島結(jié)構(gòu)造成機械損害，同時也可能會使浮島植物因相互摩擦而損傷，這一危害特別在上海等地區(qū)感潮河段中構(gòu)建人工浮島時值得特別考慮。研究人員一方面通過設(shè)計消浪裝置安裝于浮島四周或底部，以此減小風浪對浮島本體的影響。胡優(yōu)華等[54]通過在浮島周圍設(shè)置消浪板[圖2(a)]，可以增加與水面的貼合面積，降低波浪使其直接拍打浮島側(cè)面。魯宏[55]在浮體結(jié)構(gòu)架內(nèi)下部增設(shè)破浪壓水板，可實現(xiàn)消浪、破浪、壓浪，值得浮島構(gòu)造借鑒。另一方面則通過直接改進浮島結(jié)構(gòu)來進行風浪的抵抗。趙志華等[56]將兩部分的浮島載體柔性相連[圖2(b)]，下表面設(shè)置為弧形，且下表面設(shè)置有斷階結(jié)構(gòu)，使得浮島可以根據(jù)水位起伏進行結(jié)構(gòu)變形，適應(yīng)水位波浪的變化。另外，還可以采用消浪竹排形式來增強穩(wěn)定性。

圖2 人工浮島抗風浪結(jié)構(gòu)示例圖

3 修復(fù)水體的原理機制

3.1 水體自凈作用

水體自凈主要包括物理作用(顆粒污染物的沉降、稀釋)、化學(xué)作用(污染物氧化、還原、中和)以及生物作用(浮游植物的吸收、浮游動物和水生動物的捕食)。目前文獻報道水體自凈對于去除水中氮的貢獻率為7.1%～85.4%，對去除磷的貢獻率為5.4%～44.6%[5]。各個文獻報道的數(shù)值相差較大，這是因為水體自凈效果受光照條件、水溫以及污染物的種類和濃度等因素影響很大。

3.2 植物作用

浮島植物根據(jù)浮島載體位置一般可分為載體上的莖葉和載體下的根系。浮島植物莖葉部分一般可進行光合作用，為植物體生長提供能源，并且其可作為從根系吸收污染物質(zhì)的儲存場所，進而通過收割來實現(xiàn)污染物質(zhì)的最終去除。浮島植物的根與水直接接觸，水中污染物可作為營養(yǎng)物質(zhì)直接被吸收到植物體內(nèi)，實現(xiàn)從水中分離。植物根系為微生物的附著提供了表面積，同時可以向水體中釋放糖、氨基酸、有機酸等有機物[57]，可為反硝化過程提供電子，還可抑制藻類生長。此外，植物根系分泌的氧氣可以形成許多厭氧-缺氧-好氧的微區(qū)，這也相當于構(gòu)成了許多AAO單元，可以增強微生物的硝化反硝化功能[58]。

3.3 微生物作用

人工浮島去除污染物主要依靠由細菌、真菌以及有益藻類所組成的生物膜進行代謝[59]。其工作過程主要是通過同化和轉(zhuǎn)化消耗水中小分子污染物，同時會分泌酶類加速水中大分子污染物的降解和轉(zhuǎn)化[5]。Zhang等[38]研究表明,污染物去除效果與細菌群落參數(shù)(如TRF數(shù)和多樣性指數(shù)等)之間并沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，而與微生物群落的代謝能力有關(guān)。人工浮島中豐度最高的類群一般包括擬桿菌門、變形菌門、黃桿菌門。人工浮島也廣泛存在其他種類的微生物，不同種類的微生物對于不同污染物有著不同的去除效果。Zhang等[60]將氨化細菌加入到蕙蘭構(gòu)建的人工浮島中，發(fā)現(xiàn)其對有機氮去除率可達到80%以上。Tara等[28]將3種菌種(AcinetobacterjuniistrainNT-15，Rhodococcussp.strainNT-39，PseudomonasindoloxydansstrainNT-38)接種到人工浮島上，發(fā)現(xiàn)可以有效處理紡織廢水。Rehman等[61]將烴類降解細菌的聯(lián)合體(BacillussubtilisstrainLORI66，Klebsiellasp.strain LCRI87，AcinetobacterJuniistrainTYRH47,Acinetobactersp.strainLCRH81)接種到蘆葦構(gòu)建的人工浮島上，發(fā)現(xiàn)其去除廢水中原油的效率可達97%。未來新菌種的開發(fā)將會帶動人工浮島的發(fā)展，并且由于微生物作用占比最大，有學(xué)者認為這可能將是未來提高人工浮島處理效率主要的研究方向。

3.4 其他作用

除了上述去除機制外，人工浮島因采取不同的聯(lián)用改進措施有著其他的污染物去除機制。Shen等[62]將鋁基飲用水處理殘留物(DWTR)添加到人工浮島中，結(jié)果表明DWTR吸附是磷的主要去除途徑。Hu等[63]將富鐵基質(zhì)添加到人工浮島中，利用富鐵基質(zhì)中的鐵碳微電解反應(yīng)產(chǎn)生的微弱電流，直接殺傷藻類細胞，同時該反應(yīng)可釋放OH-抑制藻類的生長。Colares等[64]將人工浮島與微生物燃料電池技術(shù)結(jié)合，加快厭氧細菌的代謝速率，從而提高COD去除效果。未來也可以聯(lián)合其他技術(shù)，增強人工浮島凈水能力。

值得注意的是，以上的這幾種作用并不是孤立存在的。在人工浮島處理污水中，存在植物-微生物協(xié)同作用，微生物可以將植物不能直接吸收的有機物降解為可被植物吸收的鹽類物質(zhì)，同時也會產(chǎn)生一些植物激素，提高浮島植物抗病能力，而浮島植物的存在為微生物的富集提供了附著位點以及良好的生存環(huán)境，可以大大增加微生物的數(shù)量。有學(xué)者將香根草幼苗種植在漂浮平臺上進行苯酚降解，發(fā)現(xiàn)根狀菌在香根草幼苗根上的生長繁殖速率為原有的100倍，使苯酚降解率提高了3倍以上[44]。

4 現(xiàn)場試驗

目前，關(guān)于人工浮島的研究主要集中于實驗室規(guī)模上，雖然這類研究在技術(shù)研究初期階段很有價值，但其結(jié)果往往不能轉(zhuǎn)移到實際現(xiàn)場試驗[65]。因此，人工浮島野外試驗的研究成果具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義，表3[39，50,58，66-70]總結(jié)了近10年的主要現(xiàn)場試驗。

當前人工浮島現(xiàn)場試驗應(yīng)用于水體修復(fù)的種類較多，并且大都取得了較為滿意的污染物去除效果。但是這些試驗主要側(cè)重于對污染物的去除上，而忽視了整體運行過程當中存在的問題。以下是人工浮島現(xiàn)場試驗存在或值得注意的主要問題及見解。

(1)人工浮島受長期溫度變化影響較大

表3 人工浮島現(xiàn)場試驗實例

(2)收割策略

收割是將污染物完全從水中分離出來的最后一步，同時也是防止冬季植物枯死后造成二次污染的措施，對于處理效果具有重要的意義。由于不同植物特性不同，有學(xué)者認為對于植物收割并沒有通用的模式；此外對于同一種植物，它為適應(yīng)外部環(huán)境(如溫度、水中營養(yǎng)物質(zhì)含量)變化可能會將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移部位。但地下組織是主要的營養(yǎng)吸收器官，對浮島植物的整體生長情況影響較大，不利于可持續(xù)運行，且一般被浮島材料所包裹不易收割[77]。建議進一步研究地上組織養(yǎng)分含量變化，以確定其最佳的收割時間，促進其可持續(xù)性。

(3)收割后的處理、含重金屬等污水的浮島植物處置

Li等[78]研究表明,處理煉油廠廢水的人工浮島植物的亞硝酸鹽、鉛、砷等含量低于動物飼料的閾值。此外，Zhao等[79]研究表明浮島植物地上部分與根部有毒元素的含量符合中國飼料衛(wèi)生標準，但它們僅分別持續(xù)了35 d和20 d，且為實驗室規(guī)模。目前尚未有長期的現(xiàn)場試驗對浮島植物體內(nèi)重金屬等對人體有害的物質(zhì)含量進行研究，需要長期的檢測以評估其潛在的風險。

(4)浮島覆蓋率

浮島覆蓋于水面上可以減少陽光照射到水體中，進而減少水中藻類大量繁殖的可能，但這同時減少了氧氣向水中擴散溶解的有效面積，水中光合藻類的減少也降低了水中溶解氧的含量。浮島覆蓋率應(yīng)該要控制在一個合理的范圍。盡管從事浮島商業(yè)開發(fā)的浮島國際公司認為5%～8%的覆蓋率就足以提高水質(zhì)[25]，但對于想要在短期內(nèi)獲得較好效果的情況而言，該覆蓋率可能比較低。一些學(xué)者報道稱超過50%的覆蓋率會降低處理效率，但如果需通過反硝化去除硝酸鹽，則可以考慮100%的覆蓋率[80]。在現(xiàn)實應(yīng)用當中，應(yīng)當從需處理水體污染類型和浮島種類出發(fā)來考慮具體的覆蓋率。

5 結(jié)語

(1)面對日趨嚴重的水污染問題，人工浮島作為一種新興的生態(tài)修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)外得到了較為廣泛的工程應(yīng)用。在如今綠色生態(tài)的背景下，人工浮島更加有著其獨特的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用潛力。

(2)目前浮島植物多選用水生植物，對于不同的污染水體及氣候變化有著一定的適應(yīng)性，在應(yīng)用時應(yīng)注意其脅迫點濃度及抗寒性能。相比之下，陸生植物研究則較少，但陸生植物有著更多的生物質(zhì)以及發(fā)達的根系，值得進一步研究；浮島載體材料大多選用人工有機材料，但可能也存在“白色污染”及自身釋放微塑料等問題，未來應(yīng)注意人工無機材料的開發(fā)及光催化材料的引入。

(3)對于人工浮島的研發(fā)應(yīng)用，應(yīng)提供詳實的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。此外應(yīng)該關(guān)注到人工浮島在寒冷季節(jié)處理效率不高、浮島植物收割策略、收割后的處置和浮島覆蓋率問題。這將極大改進當前運行困境，使其在城市黑臭水體治理、農(nóng)村污水治理等諸多場景中推廣應(yīng)用，以改善水環(huán)境。