國內(nèi)生態(tài)浮床原位修復(fù)復(fù)合強化技術(shù)研究進展

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:摘 要：生態(tài)浮床作為一項重要的水體修復(fù)技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用。然而受到生態(tài)浮床本身構(gòu)造的限制，浮床植物及根系微生物對水體的凈化能力有限，為提高生態(tài)浮床的應(yīng)用效果，國內(nèi)很多學(xué)者對生態(tài)浮床進行了復(fù)合及強化改良研究。該研究對現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的生態(tài)浮床復(fù)合及強化措施進行總結(jié)與比較，并對目前生態(tài)浮床改良技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向進行闡述，以期為生態(tài)浮床技術(shù)研究及應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床；復(fù)合；強化；應(yīng)用

生態(tài)浮床技術(shù)是自20世紀80年代發(fā)展起來的一項重要的水環(huán)境修復(fù)技術(shù)，在富營養(yǎng)化水體治理中具有獨特的優(yōu)勢。它通過植物生長過程中從水體中吸收氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的特性除去水體中的氮、磷；通過發(fā)達的根系及根系部位附著的微生物，發(fā)揮對懸浮顆粒、有機及無機污染物的吸附、降解作用；還可以通過根系泌氧功能改善水體的氧環(huán)境。與其它濕地修復(fù)系統(tǒng)相比，生態(tài)浮床修復(fù)技術(shù)具有原位修復(fù)、不占用額外土地、可移動、無動力、使用壽命長等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)廢水、生活污水、城市雨水、養(yǎng)殖廢水處理等方面［１］。

然而受到生態(tài)浮床本身的限制，處于浮床表層的浮床植物對于深層水體的凈化能力有限；受到植物根系數(shù)量、根系表面積的限制，植物根系吸收同化及根系表面微生物降解的污染物十分有限，這在一定程度上限制了生態(tài)浮床技術(shù)的應(yīng)用及推廣。為此國內(nèi)很多學(xué)者在提高生態(tài)浮床的應(yīng)用效果方面做了很多研究［２－５］，該研究主要從生態(tài)浮床的復(fù)合及強化２個方面對目前國內(nèi)生態(tài)浮床改良研究做分析總結(jié)，以期為國內(nèi)生態(tài)浮床的復(fù)合強化技術(shù)及應(yīng)用提供參考依據(jù)。

１ 國內(nèi)生態(tài)浮床強化技術(shù)

強化主要是指通過一些改進措施，在不改變生態(tài)浮床構(gòu)造的基礎(chǔ)上提高生態(tài)浮床的應(yīng)用效果，目前主要有下面幾種措施：改進構(gòu)造材料、改進構(gòu)造方式、植物優(yōu)化篩選和植物刈割強化。

１．１ 改進構(gòu)造材料

典型的浮床由浮床框體、浮床床體、浮床基質(zhì)、浮床植物４個部分構(gòu)成。其中浮床載體、浮床基質(zhì)均可以進行材料改進，進而提高生態(tài)浮床的 實用效果。 浮床載體（框體、床體）使用比較多的有 ＰＶＣ 管、木材、竹子、泡沫、廢舊輪胎等，也有專業(yè)化公司生產(chǎn)的中空型塑料浮床種植盤。目前國內(nèi)很多的應(yīng)用型生態(tài)浮床相關(guān)研究均是基于ＰＶＣ 管［６－１０］、竹子［１１］，也有很多機理性研究與是基于塑料泡沫［１２－１４］。 在浮床載體新材料方面，很多研究基于無機載體材料研發(fā)具有生物載體和基質(zhì)雙功能的材料，這樣的載體材料本身能夠凈化水體，同時能夠提供較大的表面積。目前研究比較多的輕質(zhì)無機載體材料有陶粒、蛭石、膨脹珍珠巖、多孔陶瓷、浮石、沸石、生物質(zhì)碳等［１５］。無機載體材料在生 態(tài) 浮床應(yīng)用中具有較好的處理效果，然而其密度大， 處理成本高，難以大面積推廣。相比之下，國內(nèi)對 人工合成有機載體的積極性更高一些，因為有機載體密度小，形狀規(guī)則，更容易在生態(tài)浮床中布設(shè)，且相比未添加有機載體的生態(tài)浮床具更好的水體凈化效果。 目前國內(nèi)對浮床基質(zhì)的研究主要集中于沸 石、蛙石、鋼渣、活性炭、石灰石、粉煤灰、礦物材料等，也取得了一定的研究成果［１８－２１］，對生物纖維基質(zhì)也有較多的研究［２２－２５］。生物纖維基質(zhì)與礦 石類基質(zhì)相比能夠補充碳源，增強系統(tǒng)的脫氮效果［２６］，然而生物纖維素基質(zhì)會隨著浮床的運行氣生物 量 逐 漸 減 少，這在一定程度上限制了應(yīng)用推廣。

１．２ 改進構(gòu)造方式

一般常用的措施就是在傳統(tǒng)浮床系統(tǒng)上直接添加水生動物區(qū)組成構(gòu)造上的立體生態(tài)浮床；也 可以通過在水里放養(yǎng)特定水生動物形成功能上的立體生態(tài)浮床。 在添加水生動物區(qū)方面，國內(nèi)比較常見的做法是在生態(tài)浮床上直接添加水生貝類層。李先寧等［２７］通過添加河蜆構(gòu)建了一種由 水 生 植 物空心菜、水生動物河蜆（Ｃｏｒｂｉｃｕｌａｆｌｕｍｉｎｅａ）及微生物組成的 ３ 層組合型立體浮床生態(tài)系統(tǒng)；王國芳等［２８］通過添加三角帆蚌構(gòu)建了空心菜、濾食性貝類三角帆蚌和微生物強化人工介質(zhì)構(gòu)成的組合型立體生態(tài)浮床，發(fā)現(xiàn)水生動物單元對葉綠素的去除貢獻率達到７９．７％，三角帆蚌的濾食及排氨作用促進了顆粒有機物的可溶化和無機化。金秋等［２９］研究了添加濾食性水生動物貝類層空心菜生態(tài)浮床系統(tǒng)，研究生態(tài)浮床各級生物配置對源水中污染物的去除效果，生態(tài)浮床各級配置對ＴＰ的去除作用排序為人工介質(zhì)＞水生植物＞水生動物。 在添加功能層方面常見的做法是添加魚類， 使生態(tài)浮床與魚類形成功能上的互補強化。王俊臣等［３０］利用黃花鳶尾生態(tài)浮床和鰱鳙構(gòu)成功能上的立體生態(tài)浮床，對池塘養(yǎng)殖污染水體凈化效果進行研究，發(fā)現(xiàn)鰱鳙攝食浮游生物等天然餌料，氮磷去除能力。朱術(shù)超等［３１］構(gòu)建了包含香根草、 黃菖蒲、西芹組合的７種生態(tài)浮床，并進行組合斑馬魚研究，發(fā)現(xiàn)添加斑馬魚的黃菖蒲復(fù)合浮床系統(tǒng)能更有效地抑制水體中ＣＯＤ 增長，而投放斑馬魚的香根草復(fù)合浮床系統(tǒng)能更有效地去除水體中氮磷營養(yǎng)鹽，表明一定條件下植物－動物復(fù)合浮 床系統(tǒng)比單一的植物浮床能更好的改善水體環(huán)境。 總體來說，在生態(tài)浮床立體化構(gòu)造改良方面， 國內(nèi)的研究相對較少，而且以物理構(gòu)造的立體化改進為主，在功能層搭配方面研究相對缺乏。

１．３ 植物優(yōu)化篩選

目前國內(nèi)對浮床植物的優(yōu)選主要基于凈化能力、本地物種、低溫條件、根系泌氧能力４個原則。在凈化能力強的植物篩選及本地物種篩選方面，國內(nèi)做了比較多的研究，篩選出來一批具有較強水體凈化能力的浮床植物物種［３１－３４］。然而 在 耐低溫植物篩選及泌氧能力強植物篩選方面，國內(nèi)一直沒有很大的突破，冬春季節(jié)水芹菜仍然是 生態(tài)浮床的首選植物［３５－３８］。國內(nèi)在冬季浮床植物選擇方面，一直采用篩選耐寒植物的方法，而在借助現(xiàn)代基因改良技術(shù)改進植物耐寒性方面的研究相對較少，適當開展生物轉(zhuǎn)基因技術(shù)對濕地植 物的改良研究，使其適應(yīng)低溫生長環(huán)境是一種重要的解決思路。 浮床植物根系部位的泌氧促進了污染物的好氧降解，在浮床水體凈化過程中發(fā)揮了重要作用， 因而篩選根系發(fā)達泌氧能力強的植物也可以增強浮床系統(tǒng)的應(yīng)用效果［３９］。國內(nèi)缺少在根系泌樣能力強的植物篩選方面的研究。

１．４ 植物刈割強化

浮床植物的收割刈割可以作為強化浮床應(yīng)用 效果的常 用 措 施［３８，４０－４５］。一般 認 為，對 植 物 進 行 收割或者刈割能夠顯著促進新芽再生能力，引起 植物的超補償生長，使得植物在生物量分配模式 上發(fā)生改變，進而改善浮床植物系統(tǒng)的水體凈化 能力［４０］，通 過收割或刈割還可以移除部分生物 體，防止植物體腐爛重新進入水體中。

２ 國內(nèi)生態(tài)浮床復(fù)合技術(shù)

生態(tài)浮床的復(fù)合技術(shù)主要是通過復(fù)合外加措施，增加或改善生態(tài)浮床本身的某些功能，目前在生態(tài)浮床復(fù)合技術(shù)方面，主要有以下幾種措施。

２．１ 復(fù)合碳源措施

生態(tài)浮床修復(fù)水體很大一部分依靠水體微生物的硝化作用和反硝化作用，這就需要足夠的氧氣和碳源［４６］，傳統(tǒng)的浮床結(jié)構(gòu)無法為微生物的活 動提供足夠的碳源，在此基礎(chǔ)上國內(nèi)相關(guān)人員開展了很多添加碳源的復(fù)合生態(tài)浮床系統(tǒng)研究［４７－５４］。在碳源添加研究方面，國內(nèi)研 究 比 較 多 的集中于添加玉米稈、稻草、麥秸等生物質(zhì)碳，添加生物質(zhì)碳一方面可以解決微生物碳源問題，又 可以為玉米稈、稻草、麥秸等農(nóng)業(yè)產(chǎn)物提供出路。 王芳等［５２］研究了添加玉米芯、稻草等碳源條件下，組合型生態(tài)浮床系統(tǒng)脫氮效果研究，發(fā)現(xiàn)玉米 芯和稻草表面微生物多樣性豐富程度較高，稻草 和底泥中氨氧化菌的譜帶種類最多，浮床具有較 高脫氮能力。曹 文 平［４８］研 究了稻草秸稈作為生 物反硝化碳源的可行性和效果，發(fā)現(xiàn)稻草作為生 態(tài)浮床基質(zhì)顯示出較為明顯的優(yōu)勢，具備了強化 生物脫氮的潛力，但也發(fā)現(xiàn)稻草基質(zhì)在生態(tài)浮床 系統(tǒng)脫氮效果的穩(wěn)定性和持久性方面有待研究。 近年來，利用一些天然纖維素物質(zhì)作 為 生 物 反硝化的固體供給碳源，利用固體供給碳源既作為碳源，也可以作為生物載體，然而如何將天然纖 維素碳源與生態(tài)浮床有效結(jié)合成了一個難題［４９］。

２．２ 復(fù)合自然生物膜措施

在自然水體中，微生物細胞和非生物質(zhì)通過鑲嵌在微生物分泌的有機聚合物基質(zhì)并附著在基 質(zhì)表面形成自然生物膜，為微生物的附著生長和 包裹吸附其它物質(zhì)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)［６］。自然生物 膜通過形成好氧－厭氧區(qū)，通過生物膜中相關(guān)微生 物的硝化作用及反硝化作用去除水中的氮元素， 自然生物膜的氧化還原作用對有機污染物的降解發(fā)揮了重要作用，目前已被廣泛應(yīng)用于污染水體修復(fù)［５５－６１］。 目前對生態(tài)浮床復(fù)合自然生物膜主要是通過 填充不同填料實現(xiàn)。目前國內(nèi)研究比較多的是 ＰＶＣ材料填料如組合填料、性立體填料、球 型 填料等及生物繩等。ＰＶＣ填料具有表面積大、比重小的特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人工濕地及工業(yè)化 的污水處理系統(tǒng)。在生態(tài)浮床系統(tǒng)中，王鄭等［６２］通過添加 球 型 塑 料填料來增加浮床系統(tǒng)的生物膜，發(fā)現(xiàn)植物根系吸收、填料吸附及微生物的協(xié)同作用對污染物的去除效果要優(yōu)于單一系統(tǒng)；陳亞男［６３］研究了考察組合填料、彈性立體填料和竹填料的掛膜特征，發(fā)現(xiàn)在掛膜試驗期間，組合填料和彈性立體填料的污染物去除效果優(yōu)于竹填料彈性，立體填料系統(tǒng)更有利于靜態(tài)掛膜。 目前生態(tài)浮床系統(tǒng)添加生物填料增加生物膜的強化措施研究相對較少，而且在新材料探索方面也缺乏研究。納米顆粒材料相對其它材料具有更高的比表面積，應(yīng)用于生態(tài)浮床填料是一個不錯的選擇。

２．３ 復(fù)合微生物措施

生態(tài)浮床復(fù)合微生物技術(shù)主要是通過添加硝 化細菌、反硝化細菌等功能型微生物來實現(xiàn)。在 天然浮床系統(tǒng)中自然的硝化細菌及反硝化細菌缺 乏，生長緩慢，嚴重制約了生態(tài)浮床系統(tǒng)的凈化能 力，目前國內(nèi)相關(guān)研究多以添加單一或者復(fù)合細 菌來加 強 浮 床 系 統(tǒng) 的 凈 化 能 力［６４－７０］。另外 在 浮 床微生物種類的篩選方面，國內(nèi)研究偏重于培育 通用性微生物菌種，對當?shù)匚⑸锞N的優(yōu)選培 育比較欠缺。趙 婷 婷 等［６４］篩選了一株具有高效 氨化能力的工程菌用于植物浮島人工濕地中進行 強化分解有機氮試驗，發(fā)現(xiàn)加入氨化細菌菌劑后， 植物根系能夠更多的吸收氨氮，為植物根系周圍 的微生物群提供了充足的氧氣進行硝化作用，提 高了植物浮島對氮素的去除效果。

２．４ 復(fù)合曝氣增氧措施

浮床植物根系微生物對水中有機污染物的降解主要依靠氧化作用，因此充足的氧氣是浮床系 統(tǒng)發(fā)揮水體凈化作用的重要條件。作為一種重要的增氧手段，曝氣被廣泛研究并應(yīng)用于生態(tài)浮床系統(tǒng)中［５９，７１－８１］。目前在生態(tài)浮床曝氣研究中多采用鼓風、微曝氣或者微納米曝氣，太陽能曝氣系統(tǒng)的研究相對較少。 聶玉 華［７５］研究了微曝氣強化生態(tài)浮床系統(tǒng)其對污水中氮元素的去除效果，發(fā)現(xiàn)微曝氣強化了生態(tài)浮床對氮元素的去除作用。譚 劍 聰［８２］發(fā) 現(xiàn)微曝氣能顯著提高水中微生物的生物量和生物 活性，強化了浮床系統(tǒng)對水中有機負荷的去除效率和脫氮除磷的效果。齊鈺鵬 等［７７］發(fā)現(xiàn)微納米曝氣與微孔曝氣２種方式下微納米碳纖維浮床更 短的時間內(nèi)完成碳纖維填料的掛膜過程，有更好的強化去除效果。葉春等［７９］探索微納米曝氣技術(shù)對再力花植物浮床脫氮的影響，發(fā)現(xiàn)微納米曝氣形成的富氧環(huán)境不利于硝態(tài)氮的去除，微納米曝氣具有更好的充氧效果，可顯著改變植物根系微環(huán)境，有利于植物根系氨化細菌、硝化細菌的生長。 綜合比較目前生態(tài)浮床常用的曝氣增氧技術(shù)，鼓風曝氣效果一般，能源消耗高；微曝氣手段或者微納米曝氣都具有較好的曝氣效果，然而其曝氣設(shè)施復(fù)雜；太陽能曝氣長期運行成本相對較低，然而前期投入相對較大，難以推廣。一旦太陽能曝氣系統(tǒng)成本降低，結(jié)合太陽能曝氣與微曝氣 及微納米曝氣的曝氣系統(tǒng)會是未來的發(fā)展方向。

3  國內(nèi)生態(tài)浮床技術(shù)改良研究方向

目前國內(nèi)普遍使用的生態(tài)浮床改良措施主要是復(fù)合措施，主要通過微生物添加、曝氣增氧、生 物膜添加、碳源添加等措施提高生態(tài)浮床的應(yīng)用效果，針對水體微生物的功能進行強化；而在生態(tài)浮床本身的強化方面，如生態(tài)浮床的物理構(gòu)造、提高使用壽命、冬季低溫條件植物篩選改造方面，由 于受到技術(shù)手段的限制，相關(guān)研究相對較少，限制了生態(tài)浮床凈化效果的提高及應(yīng)用范圍。 由于單一的復(fù)合或者強化技術(shù)并不能顯著提供生態(tài)浮床的應(yīng)用效果，因此在實際應(yīng)用中多是 采用多種復(fù)合強化技術(shù)綜合使用的方法提高生態(tài)浮床的應(yīng)用效果。

４ 展望

生態(tài)浮床是一種依靠植物吸收、根系微生物生物化學(xué)反應(yīng)及及植物收割移除的水體凈化技術(shù)，具有運行成本低、處理效果好、原位修復(fù)、改善和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)點，然而也存在修復(fù)見效慢、 時間長、受季節(jié)性影響的缺點。目前，生態(tài)浮床的原位修復(fù)強化技術(shù)研究主要集中在改進構(gòu)造材料、改進浮床構(gòu)造、植物優(yōu)化篩選、植物刈割強化及復(fù)合碳源、生物膜、微生物、曝氣增氧等措施，主 要是通過一些通用型強化措施改善生態(tài)浮床的應(yīng)用效果。 在實際應(yīng)用中，生態(tài)浮床植物及根系部位微生物的組成對水體氮磷元素及有機物的去除有直接影響，特定浮床植物及根系微生物就會形成特 有的水體氮磷及有機物去除特征。在浮床微生物的復(fù)合強化措施中，通過附加不同碳源、不同的增氧曝氣、添加不同生物膜及添加不同比例的硝化、 反硝化等微生物群落可以實現(xiàn)浮床不同功能種類微生物的數(shù)量、活性的調(diào)節(jié)，進而針對不同污染水體開展對氮磷及不同有機物的去除。因此，通過開展 不同浮床植物、不同微生物、微生物添加碳源、增氧曝氣、添加生物膜對污染水體氮、磷、有機物去除比例的研究，就可以形成不同植物、微生物對污染水體的特異性去除特征，通過結(jié)合不同水體的污染特征就可以開展組合定制化的浮床水體凈化研究。組合定制化的生態(tài)浮床，通過針對污染水體的污染特征，有針對性的篩選植物及植物組合，通過培養(yǎng)添加特定的微生物及組合，復(fù)合特異性的碳源、生物膜及曝氣措施，可以顯著提高生態(tài)浮床的應(yīng)用效果，是未來生態(tài)浮床應(yīng)用研究的 一個重要方向。

原標題:國內(nèi)生態(tài)浮床原位修復(fù)復(fù)合強化技術(shù)研究進展