水体生态浮岛修复技术研究进展

王珏 李玲宇 刘金涛 杨学福 黄毅 张治宏 赵平歌

摘要 人类的过度开发利用破坏了自然生态平衡，社会生产力快速发展与水环境有限承载力出现冲突，导致水体污染问题愈加突出。世界各国政府积极推行一系列水生态修复措施来解决水生态环境问题。原位生态修复技术因具有无须转移水体、运行维护成本低、能提高水体自净能力、不易造成二次污染等优点而成为当前的研究热点。生态浮岛修复技术是原位水生态修复技术的一种，主要通过植物根系及其周围所聚集的微生物来吸收和转化水体中过剩的氮、磷等营养成分及污染物。在综述了水生态浮岛修复技术的研究现状的基础上，着重介绍了其分类构成、植物选用、功能强化及对未来的发展前景等，以期为水体生态浮岛修复技术的发展、完善与创新提供参考。

关键词 生态浮岛;水体修复;植物修复

中图分类号 X 52  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）20-0010-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.003

开放科学（资源服务）标识码（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 国家重点研发计划（2019yfc0409205）。

作者简介 王珏（1978—），男，山西武乡人，教授级高级工程师，博士，从事路桥工程、工程材料和水环境修复技术研究。*通信作者，刘金涛，副教授，硕士，硕士研究生导师，从事水市政工程研究;杨学福，讲师，博士，从事水源水质污染与风险研究。

收稿日期 2021-01-22

在工业新型化、城镇一体化和农业现代化的快速发展中，由于对污水排放的控制没有跟上步伐，导致大量氮、磷等营养物质和其他类污染物以各种方式流入地表水体中，我国河湖水体出现了不同程度的污染。2015年4月国务院印发了《水污染防治行动计划》，提出到2030年，力争全国水环境质量总体改善，水生态系统功能初步恢复的目标。《2019年中国生态环境状况公报》显示，全国地表水1 931个水质监测断面中，Ⅳ类及以上断面仍高达25.1%。水环境质量差和水生态受损重等问题严重影响和损害了群众健康，不利于经济社会持续发展。

目前，水生态治理技术可分为物理技术、化学技术和生物修复技术三大类。其中，物理方面的治理措施有截污、清淤疏浚、引水冲污、充氧曝气等，该类方法短期见效快，但存在工程量大、处理费用高、破坏河湖生态环境或存在治标不治本等问题。化学方面的治理措施有化学除藻、化学固定等，通过添加化学药剂来氧化或沉淀水体污染物，尽管方法简单、见效快，但也存在投加的化学药剂易造成二次污染的潜在威胁。而生物-生态修复技术是利用植物和微生物等来对水体中的污染物质进行治理，进而增强修复水体的自净能力，是当前水生态修复技术领域的研究热点。生物-生态修复技术主要有生态浮岛、人工湿地、生物操纵和微生物修复等[1-2]，具有成本低、运行维护简单、能够恢复生态系统的优点。

生态浮岛，亦称为生物浮岛、人工浮岛和生态浮床，它通过载体和固定装置将水生植物和培育后的湿生、陆生植物在水面上固定，利用其植物根系与根系周围所聚集的微生物对水中过剩的营养物质及污染物的吸收来净化水体。其水面上的部分可作为野生鸟类的栖息地，水面下的部分可为鱼类提供不受打扰的生活环境，兼具增加景观美化，提高物种多样性和促进生态系统恢复等功能[3]。生物浮岛的研究始于美国，生态学家Gurney为给加拿大雁增加栖息地，研究并发表了加拿大雁的水上漂浮式人工巢论文。随后国内外学者对生态浮岛进行了有益的探索研究，在河湖治理、黑臭水体、污水厂尾水、养殖水体等方面得到较为广泛的研究和应用[4-5]。

1 生态浮岛的分类、构成及机理

1.1 生态浮岛的分类

生态浮岛技术发展至今，研究人员从结构、净化机理等深入研究并不断强化性能，其种类颇多。总体上，从浮岛的植物是否与水直接接触可分为干式生态浮岛和湿式生态浮岛两种。其中，干式生态浮岛多是作大型景观及生物栖息地之用;湿式生态浮岛则主要用来净化水质，兼具美化景观的功效，应用比较广泛。从生态浮岛的结构和发展分类，可分为传统式生态浮岛和强化型生态浮岛等。强化型生态浮岛是在传统式生态浮岛的基础上通过增加填料、贝类生物、充氧曝气装置等来增强其水质净化效果，亦有组合式生态浮岛和立体式生态浮岛之称。

1.2 生态浮岛的构成 传统的生态浮岛由载体、植物和固定装置组成。

（1）生态浮岛载体主要作用是为植物和基质等提供浮力，其材料和制作直接影响浮岛的使用寿命和应用范围。根据生态浮岛载体的不同，干式生态浮岛可分为一体式和分体式两种，湿式生态浮岛也可分为有框式、无框式和成套商品式[6] ，如图1所示。其中，有框式和成套商品式湿式生态浮岛较为常用，具有抗风浪能力强，结构简单，使用时间长的优点，但是人工气息比较重;无框式浮岛与自然相融性高，相对景观效果更好，缺点是抗风浪能力弱，使用时间相对较短。

（2）生态浮岛的基质不仅有固定植物和微生物附着挂膜的作用，也有吸收、吸附营养盐辅助植物更好生长的作用。目前，已研究和应用的基质主要有陶粒、火山岩、轮胎颗粒、沸石、膨胀蛭石、活性炭、海绵、碳素纤维球、牡蛎壳、缓释碳源净水基质、水化碳酸钙、阿科蔓生态基、砾石。试验发现，沸石对总氮（TN）的去除存在明显优势，牡蛎壳、水化碳酸钙和轮胎颗粒对总磷（TP）的去除效果更好。相对单纯空心菜浮岛的平均增长倍数2.0而言，如以水化硅酸钙为基质时，在投加量800 mg/L、粒径6目及空心菜数量为2.5株/L时，水化硅酸钙强化空心菜浮岛的植株质量平均增长倍数为2.9[7]。在以空心菜为种植植物，页岩陶粒、活性炭、膨胀蛭石为基质时，页岩陶粒截污能力较好，性价比最高，空心菜的生长情况最好，其空心菜株高增长量是膨胀蛭石的1.003 6倍，是活性炭的1.114 5倍[8-9]。

（3）生态浮岛的固定方式主要有锚固型、重物型和桩基型3种类型。锚固型是通过锚钩和绳索来固定浮岛的位置，优点是易移动，其稳定性较好。重物型是用绳索将生态浮岛与水底的重物相连使其稳定。优点是简单易操作，且可适应水位变化，缺点是生态浮岛会产生小幅度移动。桩基型则是将木桩在浮岛中间插到水体底泥中来稳定生态浮岛，其缺点是不美观。在水位变化较大、波动性强的水体适用锚固型固定方式，其他较为稳定的景观类水体和封闭性水体适用重物型和桩基型固定方式。

1.3 生态浮岛的机理及作用

生态浮岛的水质净化机理主要有以下几方面：①植物的吸收、吸附作用。通过植物的根茎吸收或吸附水中的氮、磷等营养物质，同化为己用，来降低水中的污染物质的含量。②植物与微生物的协同作用。具有巨大表面积的植物根茎是微生物的良好附着地，在其上形成生物掛膜，且植物根部会释放出氧气和有机物，植物的根茎周围会形成有氧区域、缺氧区域和无氧区域交叉，适合多种微生物的生存，加速微生物降解有机污染物的速率。微生物降解大分子物质，又进一步促进了植物对污染物质的吸收。③抑制藻类生长作用。生态浮岛上的高等水生植物会释放出抑制藻类增长的化感物质，减少水体中藻类。④基质的吸收和吸附作用。生态浮岛的基质会吸收或吸附一定的污染物质，基质表面也会附着聚集微生物形成生物膜来处理水中污染物。⑤减少藻类光合作用。生态浮岛在水面上的覆盖会使藻类减少一定的光合作用，使藻类的增长速度有一定程度的减慢[10]。

生态浮岛具有4种基本生态功能：①生物栖息地功能。浮岛可以支持许多植物的生长，大面积的生态浮岛可为鱼类、鸟类和两栖类等野生生物提供栖息地。②恢复生物多样性功能。较大密度的浮岛植物根系可吸收大量的营养物质，同时发达的根系也为微生物提供氧化态的微环境，加速了系统对水质的净化作用，加速系统恢复生物多样性。③消减风浪功能。大面积生态浮岛会起到消浪作用，进而形成相对稳定的净水环境，促使水生动植物更好生长。④美化环境功能。不同类型植物种植在浮岛上能形成美丽的景观带，净化水体的同时也起到美化环境的作用。

2 生态浮岛植物的选用

植物是生态浮岛的主体，选择合适的植物是决定生态浮岛水处理应用是否成功的关键因素。生态浮岛植物选择主要有以下原则：①对氮、磷等污染物质净化能力强;②植物根系发达，能提供大的表面积来吸附和吸收营养物质，且有利于微生物富集形成生物膜;③尽量搭配美观，以便能够达到美化景观的效果;④根据当地气候选植物，南方与北方的温度相差比较大，所选植物也大不相同;⑤抗逆性强，要能够抗污，抗虫害;⑥以本土植物优先，以免造成外来生物入侵污染。目前经过人们试验效果较好且广泛使用的植物如表1所示。

2.1 影响因素

2.1.1 地域的影响。植物生长状态与所处地域的环境、温度、水体特点息息相关，不同的地域环境水体适用浮岛植物不同。目前效果好且广泛应用的生态浮岛植物大部分是南方水体所适用的，对于北方寒冷水体适用生态浮岛植物研究相对较少。已有研究[11-13]发现：千屈草、玉带草、旱伞草、美人蕉、再力花、菖蒲、水芹、凤眼莲、芦苇、慈姑及风车草是在北方地区应用较多、效果好的植物。水甜茅在过冬植物遴选试验中长势好，表现出较好的耐寒特性，其磷酸盐磷、氨氮、硝酸盐氮去除率可分别达89.1%、82.8%和41.2%，也可尝试在北方水体中种植。

2.1.2 氮磷浓度的影响。水体中的营养物质是植物赖以生存的关键，不同植物适应的水体富营养化浓度不同。研究发现[14-15]：对轻度富营养化水体，适宜的净水植物有菖蒲、喜旱莲子草、草木犀、白三叶、泽苔、野芋等;对中度或高度富营养化水体，适宜的净水植物有空心菜、凤眼莲、夏枯草、黄花鸢尾、野薄荷、红莲子菜、紫芋、欧洲慈姑、旱伞草等。千屈菜、香蒲等则具有较广泛氮磷浓度适应性，对各种水体均有较好的净化功能。

2.1.3 覆盖率的影响。生态浮岛覆盖率对于生态浮岛的处理效果影响很大。一般设计生态浮岛时，生态浮岛覆盖率应在20%～50%。1995年，日本研究者在霞浦湖进行一次隔离水域试验，结果表明：在生态浮岛占有率只有25%的条件下，削减了94%的植物性浮游生物[16]。用生态浮岛修复太湖五里湖时，发现当浮岛覆盖率为45%时，修复区域水体的大部分水体指标都达到Ⅲ类指标，水质改善效果显著[17]。

2.2 植物配植 合理的混合植物搭配对水体中氮、磷等营养物质和污染物有更全面深度的净化效果，且会形成美丽的景观。不同的植物对于营养物质的需求与吸收效果不同，合理搭配会有生态位互补的效果。此外，植物的根茎长度各不相同，合理选择与搭配可以使生态浮岛水面下形成分层分布的根系，能从不同深度对水体中的悬浮物以及污染物起到过滤和吸附作用，扩大了生态浮岛净化范围。在进行植物选择搭配时，結合生物的习性和植物群落构建原则，为水生生物的繁衍栖息提供一个相对稳定的水生态环境，改善水生生物的生存环境，将生态效益发挥到最大[18]。

3 强化型生态浮岛

传统的生态浮岛主要靠植物的吸附与吸收同化、植物根部微生物吸收分解来去除污染物，植物成长初期吸收快，后期净化效果并不是特别理想。研究人员主要从基质、填料、生物膜、充氧曝气以及延长食物链等方面开始对传统生态浮岛进行升级强化，取得了较好的效果，结果如表2所示。

3.1 新型填料 为加强生态浮岛中微生物脱氮除磷和分解污染物的作用，在生态浮岛载体下方添加填料，填料作为微生物栖息的场所，是生物膜附着的载体。目前研究的主要有组合填料、TQ-II型球形填料、磁性纳米材料和活性炭、改良型火山石填料、生物弹性立体填料、生物绳、复合碳源填料、丝瓜络、玉米芯、纤维填料等。其中，复合碳源填料以碱处理玉米芯、零价铁和活性炭组成，其作为填料能被微生物有效利用并获得较高的TN去除率[28]。设置丝瓜络、玉米芯的填料可增大污水的可生化性，强化生态浮岛系统的脱氮除磷效果，也更有利于植物生长，如种植了千屈菜的悬挂玉米芯人工浮岛系统植株生长高度为传统人工浮岛系统的2.36倍[29]。

3.2 曝气增氧 温度、溶解氧是影响微生物和植物生长的因素，在适宜的环境中，微生物和植物的活性更强，对污染物和营养物质的吸收能力更强，对此人们研究出了太阳能生态浮岛、微纳米-曝气生态浮岛等。太阳能生态浮岛除了增设生物填料，还增加太阳能供电设备、曝气机、升温装置等其他附加装置。这些装置除了净化水质的作用外，还可以控制水层分布、不同深度水体的温度和pH，为微生物和植物提供一个相对稳定的环境[28]。新型微纳米曝气-生态浮岛通过微纳米级橡胶曝气管产生微纳米级气泡为水体增氧来提高氮、磷的去除效果，减少气泡对植物根系或填料上所附生物膜的影响。新型浮岛在20 d内曝气组使劣Ⅴ类水经过处理后可达到Ⅲ类排放标准，水体的弱酸性也可改良至中性[26]。

3.3 接种真菌 研究者们对于植物采用驯化、接种真菌等措施来加强植物性能，增加植物对于不同环境和特殊水体的适应性，使其对不同水体、不同环境都适用。为加强植物耐盐和除盐能力，窦文清等[30] 进行了丛枝菌根（AM）强化型生态浮岛试验，对美人蕉接种AM真菌， AM真菌和美人蕉建立了良好的共生关系，21 d内总溶解固体、化学需氧量、TN和TP的去除率分别达到了36.1%、74.4%、57.6%和59.1%，比未接种 AM 真菌的普通生态浮床分别提高了79.2%、36.4%、32.7%和37.6%。

3.4 延长食物链 通过在生态浮岛下方增加填料和水生动物区，来构建人工生物共生系统延长食物链，水生动物如贝类的增加有助于提高生态系统对营养物质和污染物的吸收和分解，并且不会对水质造成影响[31]。综合利用植物对污染物质的吸收吸附、水生动物的摄食和填料挂膜来净化水体，促进生态循环，增加生态系统稳定性，促进生物多样性发展，适用于多种水体[32]。

4 存在的问题与展望

伴随着人们环保意识的提高以及国家对生态建设的重视，修复自然环境、创造美好生存环境是当前及未来的重要课题。水体富营养化关乎水生态系统平衡，治理水体富营养化是目前的研究热点。生态浮岛技术在研究与实际应用中有很多问题需要解决，也还有很多空间尚待探索。

（1）尚需解决北方水体生态浮岛植物的过冬问题。温度会很大程度上影响水生植物和微生物的污染物分解效率，若冬季植物在水体中不处理，很大可能会发生枯萎腐烂，有再度污染水体的风险。目前针对寒冷地区水体的生态浮岛技术研究很少，适用的植物选用和栽植技术也需要去进一步探索和研究。

（2）仍需进一步探索生态浮岛技术的生态效益。生态浮岛除净化水质效果外，还有很多价值待研究与发现，如生态浮岛对水体的遮阴所减少的蒸发量与植物的蒸腾作用所吸收的水量的关系，以确定生态浮岛是否有湖泊水体因大量蒸发而减慢盐碱化速度的价值。

（3）如何建立生态浮岛修复技术体系的问题。生态浮岛长期实际应用的体系还未建立，建成植物群落景观的问题还有很多，浮岛植物、基质和填料的后续利用都有待进一步研究与认识。

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