包浚欽，周 緣，楊孔清，鄧振貴，白少元

（1.桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院，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重點實驗室科教結合科技創(chuàng)新基地，廣西 桂林541004）

水體富營養(yǎng)化是全球性水環(huán)境問題。 基于原位修復的理念，生態(tài)浮床技術在湖泊、河流等水體的結構上得到了廣泛應用，從而降低了水中氮、磷、COD的含量。 其凈化過程包括植物、微生物、水生動物的綜合功能，對水質改善有一定作用。

在應用過程中，生態(tài)浮床凈化效率較低、結構易損壞的問題也逐漸暴露出來。 如何基于結構單位的作用對浮床進行優(yōu)化設計， 并將其與其他污水凈化技術相結合，是提升生態(tài)浮床效能的必要途徑。鑒于此，本文通過分析生態(tài)浮床結構及其凈化機制，綜述了目前我國浮床構建的主要類型及其應用情況，同時對其結構優(yōu)化趨勢進行了展望。

1 生態(tài)浮床與進化機理

1.1 浮床結構單元

浮床的主體結構組成部分主要包括浮床框體、浮床床體、浮床基質、浮床植物。

（1）浮床框體。浮床的框體是生態(tài)浮床的外圍封閉結構，它決定了浮床整體的結構。浮床本身要求質輕耐用，抗風浪強大，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、原材料來源廣泛、性能穩(wěn)定等，可采用聚苯乙烯泡沫板。

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

（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高，抗倒伏，易于存活，同時具有美化環(huán)境、經(jīng)濟效益等要求。 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，過濾水中懸浮物，形成富氧環(huán)境；同時，利用植物根系來吸收水中的氮磷營養(yǎng)鹽和有機污染，將其轉變?yōu)橹参锷L需要的營養(yǎng)成分， 并降低污染物的含量。此外，植物還可通過爭奪藻類的光照來抑制它們的生長。

1.2.2 微生物作用

在不同氧含量的根際區(qū)域和基質中， 不同的微生物大量生長繁殖，降解水中的氮磷、有機污染物等各類污染物， 并利用對有機污染物的礦化作用提供植物生長所需的無機養(yǎng)料。

2 生態(tài)浮床優(yōu)化設計

2.1 水生動物浮床

水生動物浮床， 指利用籠養(yǎng)濾食性水生動物貝類消化作用，降解水中有機污染物，并通過濾食作用減少污染物的含量。其中采用了“加環(huán)”的原理，通過人為調節(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，又能避免貝類過度積累的雙層漁網(wǎng)結構，在籠網(wǎng)中加入水生動物， 其呼吸作用消耗的溶解氧及產出的排泄物提高了微生物反硝化所需的碳源含量，促進反硝化菌生長，從而加強反硝化作用，使得TN進一步削減。

該設計結合了“加環(huán)”［3］的原理，在生態(tài)浮床基礎上插入水動物層，結合人工介質形成了組合生態(tài)浮床。 整個浮床優(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物攝食功能，使各種技術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， 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?shù)臏囟认逻M入沸石中。

（1）對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，為再力花生長提供足夠的營養(yǎng)，促進再力花生長和產生大量氧氣， 同時也為好氧微生物的繁殖和生長提供了較好的環(huán)境。

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

此外，還有一項最新研究結果發(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組合作為基質， 與美人蕉、 狐尾藻的基質結合，也能具有很好的水體凈化作用。

2.3 強化生態(tài)浮床

強化生態(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。

在強化生態(tài)浮床的各樣點水下， 分別取纖維填料樣對生物膜進行研究。 可揮發(fā)的生物膜可以作為反映生物模量的一個指標。當生物膜達到動態(tài)平衡，浮床系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，有機質和營養(yǎng)元素降解最好，達到理想效果。

另外，生物膜的厚度也是一個特殊的生物膜參數(shù)。 強化生態(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，吸附無機粒子的含量最大， 而表層水中含有高量溶解氧，促進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］。

因此在實際應用中，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)化處理機制

微曝氣生態(tài)浮床在床體下方增設曝氣裝置進行曝氣，將植物浮床技術與接觸氧化相結合，這些優(yōu)化設計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，還能夠提高微生物的活性使其快速形成生物膜。 另外也能有效促進沉積物對水體中磷的吸收， 并將磷固定在沉積物中。

根據(jù)不同的環(huán)境條件， 可對系統(tǒng)的結構方式自由變換組合，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用。

3 實際工程案例

3.1 多元功能組合系統(tǒng)凈化富營養(yǎng)化水體的示范工程

3.1.1 項目概況

龍泓澗位于中國杭州西湖的西南部， 以山地補水、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、 有機化學污染物和地表的山體徑流。

項目實施前， 龍泓澗流域進水口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 設計單元

該工程的設計單元包括多級生態(tài)廊道、 局部凈化場、生態(tài)浮床。

主要在龍泓澗主流建設生態(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，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，導致底泥含量和氮含量的增加，從而強化底泥中對氮的沉積；中層浮床的載體由陶粒制成，為微生物提供了快速生長的空間， 增強了反硝化作用和脫氮效果；上層采用土壤人工鋪設，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，也可通過吸收植物內的吸收成分同化水中的氮、 磷等多種營養(yǎng)成分。

3.1.3 凈化效果

示范工程主要結合生態(tài)浮床、 多層次的生態(tài)廊道及生物群落沸石處理技術， 構建了植物與動物群和微生物之間協(xié)同作用的生物群落生態(tài)結構， 使長江河水得到凈化，具有科學指導性。

3.2 菌藻填料生態(tài)浮床對河道的治理

3.2.1 菌藻填料生態(tài)浮床的構建

菌藻填料生態(tài)浮床是在原有生態(tài)浮床的基礎上，添加固定化菌藻填料，并配備過濾裝置、凈化裝置和增強型吸附裝置， 合理開發(fā)水下空間以全面凈化污水。 過濾裝置包括尼龍濾網(wǎng)和偏轉器。 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菌和藻類顆粒。 增強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象， 該生態(tài)浮床的參數(shù)為：高強度的聚乙烯浮床，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/m3，沉水植物選用狐尾藻和金魚藻混合種植，曝氣管設有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2m、寬1.5m，治理面積為50m2。

3.2.2 浮床的運行過程

污水經(jīng)過濾裝置首先過濾出較大的漂浮物和懸浮粒子。 然后進入凈化裝置，去除主要的污染物，如有機物質、懸浮固體、氮和磷等。最后，對污水進一步處理，凈化后水體由增強式吸附裝置流出。

3.2.3 河道治理效果

該裝置在運行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，凈化水體的水質高于Ⅱ類水質標準。

實驗結果分析可知， 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，還能促進周圍填料生物膜的形成和生長。

3.3 曝氣-電解生態(tài)浮床在河道治理的應用

杭州市西溪河水質改善工程設于西湖片區(qū)。 由于多年來西溪河沿線多年持續(xù)排放污水， 以及早期建設的截流工程不徹底，導致河水受污染嚴重。

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， 到夏季時水質指標會明顯提高。為改善西溪河的水質， 工程采用人工浮島與潛水射流曝氣相結合的方法，在河段兩側設置射流曝氣機。工程實施兩個月后竣工， 西溪河斷面檢測的水質溶解氧含量上升到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。 總的來說，水中溶解氧的含量有所回升，其余水質指標明顯下降；經(jīng)過治理后河水的水質有明顯改善。

4 結語

生態(tài)浮床技術是一種凈化效果好、治理速度快、施工簡單的地表水原位修復技術， 治理水體污染的同時，還美化了河道環(huán)境。 該技術經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)較為成熟， 可在原位修復受污染水體的領域合理應用。

（1）新型生態(tài)浮床技術通過不同的組合基質搭配優(yōu)化的生物配置、 微曝氣技術及生物技術的結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)采用微曝氣技術可提高水體中的溶解氧含量， 增強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浮床植物的良好生長。

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