生態(tài)浮床技術(shù)及其對(duì)地表水體的原位修復(fù)綜述

包浚欽，周 緣，楊孔清，鄧振貴，白少元

（1.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林541004；2.廣西恒晟水環(huán)境治理有限公司，廣西 桂林541004；3.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地，廣西 桂林541004）

水體富營(yíng)養(yǎng)化是全球性水環(huán)境問(wèn)題。 基于原位修復(fù)的理念，生態(tài)浮床技術(shù)在湖泊、河流等水體的結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用，從而降低了水中氮、磷、COD的含量。 其凈化過(guò)程包括植物、微生物、水生動(dòng)物的綜合功能，對(duì)水質(zhì)改善有一定作用。

在應(yīng)用過(guò)程中，生態(tài)浮床凈化效率較低、結(jié)構(gòu)易損壞的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。 如何基于結(jié)構(gòu)單位的作用對(duì)浮床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 并將其與其他污水凈化技術(shù)相結(jié)合，是提升生態(tài)浮床效能的必要途徑。鑒于此，本文通過(guò)分析生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)及其凈化機(jī)制，綜述了目前我國(guó)浮床構(gòu)建的主要類型及其應(yīng)用情況，同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 生態(tài)浮床與進(jìn)化機(jī)理

1.1 浮床結(jié)構(gòu)單元

浮床的主體結(jié)構(gòu)組成部分主要包括浮床框體、浮床床體、浮床基質(zhì)、浮床植物。

（1）浮床框體。浮床的框體是生態(tài)浮床的外圍封閉結(jié)構(gòu)，它決定了浮床整體的結(jié)構(gòu)。浮床本身要求質(zhì)輕耐用，抗風(fēng)浪強(qiáng)大，目前框體材料多采用成型環(huán)保PE材料。也有用方正木板或塑料板，同時(shí)也可用PVC膠和接頭連接而成的固定式浮床框架。

（2）浮床床體。 浮床床體作為植物的載體，提供浮床所需的浮力。 床體材料要求浮力大、輕便、原材料來(lái)源廣泛、性能穩(wěn)定等，可采用聚苯乙烯泡沫板。

（3）浮床基質(zhì)。浮床基質(zhì)的功能主要是固定栽培的植物并為微生物提供附著載體。 基質(zhì)材料一般有可重復(fù)利用、彈性好、比表面積大等要求。 目前椰子纖維、海綿應(yīng)用較多。 也可使用土壤，但由于土壤使浮床重量增加并加重了水質(zhì)惡化，目前應(yīng)用較少。

（4）浮床植物。浮床植物是浮床凈化功能主體的重要組成。 浮床植物植株不宜過(guò)高，抗倒伏，易于存活，同時(shí)具有美化環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益等要求。 目前廣泛使用的有鳳眼蓮、香蒲、石菖蒲、狐尾藻等。

1.2 生態(tài)浮床凈化機(jī)理

1.2.1 植物作用

生態(tài)浮床利用大量植物根系在水中形成縱橫交織網(wǎng)絡(luò)，過(guò)濾水中懸浮物，形成富氧環(huán)境；同時(shí)，利用植物根系來(lái)吸收水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)污染，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锷L(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)成分， 并降低污染物的含量。此外，植物還可通過(guò)爭(zhēng)奪藻類的光照來(lái)抑制它們的生長(zhǎng)。

1.2.2 微生物作用

在不同氧含量的根際區(qū)域和基質(zhì)中， 不同的微生物大量生長(zhǎng)繁殖，降解水中的氮磷、有機(jī)污染物等各類污染物， 并利用對(duì)有機(jī)污染物的礦化作用提供植物生長(zhǎng)所需的無(wú)機(jī)養(yǎng)料。

2 生態(tài)浮床優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 水生動(dòng)物浮床

水生動(dòng)物浮床， 指利用籠養(yǎng)濾食性水生動(dòng)物貝類消化作用，降解水中有機(jī)污染物，并通過(guò)濾食作用減少污染物的含量。其中采用了“加環(huán)”的原理，通過(guò)人為調(diào)節(jié)食物鏈，選擇生物大、凈化污染量較高的人造生物種群，以取代自然生物的種群。

浮床中籠網(wǎng)是一種既能保證所需的貝類生物量，又能避免貝類過(guò)度積累的雙層漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在籠網(wǎng)中加入水生動(dòng)物， 其呼吸作用消耗的溶解氧及產(chǎn)出的排泄物提高了微生物反硝化所需的碳源含量，促進(jìn)反硝化菌生長(zhǎng)，從而加強(qiáng)反硝化作用，使得TN進(jìn)一步削減。

該設(shè)計(jì)結(jié)合了“加環(huán)”［3］的原理，在生態(tài)浮床基礎(chǔ)上插入水動(dòng)物層，結(jié)合人工介質(zhì)形成了組合生態(tài)浮床。 整個(gè)浮床優(yōu)化綜合了植物根系的吸收、吸附、富集功能、 微生物降解功能和水生動(dòng)物攝食功能，使各種技術(shù)凈化功能得到充分發(fā)揮，綜合治理污染水體。

2.2 沸石浮床

一些研究將沸石替換為傳統(tǒng)基質(zhì)， 并將再力花選為浮床植物。 這種浮床是將再力花固定在空心的塑料浮體上， 然后將由尼龍線制成的網(wǎng)袋掛在浮體下部，以放置沸石。 可根據(jù)深度調(diào)整水兜的位置，使沸石能夠更好地與沸石接觸。在深水中，花根可在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)入沸石中。

（1）對(duì)COD、TN的去除。一方面，沸石中較大的孔隙有利于根系微生物在再力花中生長(zhǎng)和繁殖， 微生物的數(shù)量增加使得生物膜厚度提高；另一方面，沸石的吸附力更強(qiáng)，為再力花生長(zhǎng)提供足夠的營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)再力花生長(zhǎng)和產(chǎn)生大量氧氣， 同時(shí)也為好氧微生物的繁殖和生長(zhǎng)提供了較好的環(huán)境。

研究得出再力花與沸石的組合基質(zhì)凈化效果大于單一系統(tǒng)，且沸石可以促進(jìn)再力花生長(zhǎng)，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供良好場(chǎng)所。

此外，還有一項(xiàng)最新研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選擇600 ℃下的改性牡蠣殼、 蛭石和改性木粉石等生物活性炭的基質(zhì)組合作為基質(zhì)， 與美人蕉、 狐尾藻的基質(zhì)結(jié)合，也能具有很好的水體凈化作用。

2.3 強(qiáng)化生態(tài)浮床

強(qiáng)化生態(tài)浮床包括浮床床體、 水生植物和纖維填料。該浮床設(shè)置一定數(shù)量的塑料浮盤，浮盤下垂直懸浮纖維填料，再使用支撐物將其連接。

在強(qiáng)化生態(tài)浮床的各樣點(diǎn)水下， 分別取纖維填料樣對(duì)生物膜進(jìn)行研究。 可揮發(fā)的生物膜可以作為反映生物模量的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)生物膜達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，浮床系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素降解最好，達(dá)到理想效果。

另外，生物膜的厚度也是一個(gè)特殊的生物膜參數(shù)。 強(qiáng)化生態(tài)浮床工作完畢后，生物膜的厚度由表層向下依次減小。 淺層水面生物膜的厚度最大，吸附無(wú)機(jī)粒子的含量最大， 而表層水中含有高量溶解氧，促進(jìn)了生物膜積累和微生物的發(fā)育；水面下方較深處，纖維填料的生物膜厚度均勻，出水污染量有效減少［5］。

因此在實(shí)際應(yīng)用中，合理控制生物膜厚度、發(fā)揮生物膜最大活性將有效提高處理污染水體的效率。

2.4 微曝氣生態(tài)浮床優(yōu)化處理機(jī)制

微曝氣生態(tài)浮床在床體下方增設(shè)曝氣裝置進(jìn)行曝氣，將植物浮床技術(shù)與接觸氧化相結(jié)合，這些優(yōu)化設(shè)計(jì)不但提高了水體中的DO含量，還提高了凈化效率。良好的好氧環(huán)境有利于浮床植物的生長(zhǎng)，還能夠提高微生物的活性使其快速形成生物膜。 另外也能有效促進(jìn)沉積物對(duì)水體中磷的吸收， 并將磷固定在沉積物中。

根據(jù)不同的環(huán)境條件， 可對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式自由變換組合，浮床整體為組合的漂浮載體單元，下端懸掛可隨水流自由擺動(dòng)的立體彈性填料使浮床整體上下起伏。

微曝氣生態(tài)浮床的穩(wěn)定運(yùn)行， 使TN、TP、COD等污染物的去除效率明顯得到提高， 可在河道水體凈化工程中推廣應(yīng)用。

3 實(shí)際工程案例

3.1 多元功能組合系統(tǒng)凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體的示范工程

3.1.1 項(xiàng)目概況

龍泓澗位于中國(guó)杭州西湖的西南部， 以山地補(bǔ)水、雨水、山體地表徑流等灌溉西湖水源為主，污染源主要成分是日常生活中的污水、 有機(jī)化學(xué)污染物和地表的山體徑流。

項(xiàng)目實(shí)施前， 龍泓澗流域進(jìn)水口COD含量約55mg/L，TN含量約5mg/L，TP含量約0.03mg/L，-N含量約0.4mg/L，-N含量約4mg/L。

3.1.2 設(shè)計(jì)單元

該工程的設(shè)計(jì)單元包括多級(jí)生態(tài)廊道、 局部?jī)艋瘓?chǎng)、生態(tài)浮床。

主要在龍泓澗主流建設(shè)生態(tài)浮床， 將生態(tài)浮床分成三層，每一層都用不同的材料介質(zhì)，以降低水體氮磷的含量。下層懸掛立體彈性填料，利于微生物的附著，導(dǎo)致底泥含量和氮含量的增加，從而強(qiáng)化底泥中對(duì)氮的沉積；中層浮床的載體由陶粒制成，為微生物提供了快速生長(zhǎng)的空間， 增強(qiáng)了反硝化作用和脫氮效果；上層采用土壤人工鋪設(shè)，種植適宜的各種水生植物，可快速截留并有效吸附水中氮、磷等，也可通過(guò)吸收植物內(nèi)的吸收成分同化水中的氮、 磷等多種營(yíng)養(yǎng)成分。

3.1.3 凈化效果

示范工程主要結(jié)合生態(tài)浮床、 多層次的生態(tài)廊道及生物群落沸石處理技術(shù)， 構(gòu)建了植物與動(dòng)物群和微生物之間協(xié)同作用的生物群落生態(tài)結(jié)構(gòu)， 使長(zhǎng)江河水得到凈化，具有科學(xué)指導(dǎo)性。

3.2 菌藻填料生態(tài)浮床對(duì)河道的治理

3.2.1 菌藻填料生態(tài)浮床的構(gòu)建

菌藻填料生態(tài)浮床是在原有生態(tài)浮床的基礎(chǔ)上，添加固定化菌藻填料，并配備過(guò)濾裝置、凈化裝置和增強(qiáng)型吸附裝置， 合理開(kāi)發(fā)水下空間以全面凈化污水。 過(guò)濾裝置包括尼龍濾網(wǎng)和偏轉(zhuǎn)器。 從上到下，凈化裝置是挺水植物層、懸浮填料層、微孔曝氣層，沉水植物層及固定化菌藻填料層。固定化菌藻填料層填充有固定化細(xì)菌和藻類顆粒。 增強(qiáng)型吸附裝置分為礫石層和納米活性炭層。

以南京外港河某河段作為研究對(duì)象， 該生態(tài)浮床的參數(shù)為：高強(qiáng)度的聚乙烯浮床，植物選用蘇丹草和美人蕉，聚丙烯球形懸浮填料直徑為80mm，裝填密度250個(gè)/m3，沉水植物選用狐尾藻和金魚藻混合種植，曝氣管設(shè)有5根，間隔10cm。

將該生態(tài)浮床安置在外港河500m的河岸邊，每套裝置長(zhǎng)2m、寬1.5m，治理面積為50m2。

3.2.2 浮床的運(yùn)行過(guò)程

污水經(jīng)過(guò)濾裝置首先過(guò)濾出較大的漂浮物和懸浮粒子。 然后進(jìn)入凈化裝置，去除主要的污染物，如有機(jī)物質(zhì)、懸浮固體、氮和磷等。最后，對(duì)污水進(jìn)一步處理，凈化后水體由增強(qiáng)式吸附裝置流出。

3.2.3 河道治理效果

該裝置在運(yùn)行6d后TN、COD和TP的去除率分別為92.5%［7］、82.4%和94.3%， 溶解氧的含量提高到3mg/L以上，凈化水體的水質(zhì)高于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知， 固定化菌藻填料提高了該裝置脫氮除磷效率； 而且填料中存在的高生物活性的菌種，保證了前期處理污染物有較高的去除效率，還能促進(jìn)周圍填料生物膜的形成和生長(zhǎng)。

3.3 曝氣-電解生態(tài)浮床在河道治理的應(yīng)用

杭州市西溪河水質(zhì)改善工程設(shè)于西湖片區(qū)。 由于多年來(lái)西溪河沿線多年持續(xù)排放污水， 以及早期建設(shè)的截流工程不徹底，導(dǎo)致河水受污染嚴(yán)重。

治理前西溪河水的溶解氧含量4.28mg/L，氨氮含量2.1mg/L，COD 含 量20.45mg/L， TP 含 量0.21mg/L，BOD含量7.42mg/L， 到夏季時(shí)水質(zhì)指標(biāo)會(huì)明顯提高。為改善西溪河的水質(zhì)， 工程采用人工浮島與潛水射流曝氣相結(jié)合的方法，在河段兩側(cè)設(shè)置射流曝氣機(jī)。工程實(shí)施兩個(gè)月后竣工， 西溪河斷面檢測(cè)的水質(zhì)溶解氧含量上升到6.9mg/L， 氨氮含量下降到1.5mg/L，COD含量下降到15.5mg/L，TP含量下降到0.18mg/L，而BOD含量下降到5.52mg/L。 總的來(lái)說(shuō)，水中溶解氧的含量有所回升，其余水質(zhì)指標(biāo)明顯下降；經(jīng)過(guò)治理后河水的水質(zhì)有明顯改善。

4 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)浮床技術(shù)是一種凈化效果好、治理速度快、施工簡(jiǎn)單的地表水原位修復(fù)技術(shù)， 治理水體污染的同時(shí)，還美化了河道環(huán)境。 該技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前已經(jīng)較為成熟， 可在原位修復(fù)受污染水體的領(lǐng)域合理應(yīng)用。

（1）新型生態(tài)浮床技術(shù)通過(guò)不同的組合基質(zhì)搭配優(yōu)化的生物配置、 微曝氣技術(shù)及生物技術(shù)的結(jié)合大大提高了水體污染物的去除效率。 最新研究發(fā)現(xiàn)填料中沸石是較好的選擇， 浮床凈化系統(tǒng)采用微曝氣技術(shù)可提高水體中的溶解氧含量， 增強(qiáng)了微生物的活性從而在填料上快速形成生物膜， 另外溶解氧含量的提高也能促進(jìn)浮床植物的良好生長(zhǎng)。

（2）生態(tài)浮床技術(shù)除了能治理污水，美化環(huán)境外， 其種植的水生植物收割后還能當(dāng)作飼料喂養(yǎng)牲畜，所以應(yīng)注重浮床植物的選擇。