生態浮島技術的研究現狀及展望

劉晶晶，彭娟瑩，吳 奇

（1.長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙410004；2.中南大學化工學院，湖南 長沙410083）

1 生態浮島的結構、特點及原理

1.1 生態浮島的結構

生態浮島技術是一類將水生態修復與水環境治理相兼顧的技術，將一些喜水植物種植于載體上（設在受污染的水體水面上），利用植物根部的吸收和吸附作用，達到去除污水中含氮、磷污染物的效果[7]。生態浮島的載體主要包括塑料、泡沫和纖維等。目前生態浮島選用的植物主要有香根草、牛筋草、美人蕉、蘆葦、水芹菜、荷花、多花黑麥草、燈心草、水竹草、空心菜、旱傘草、水龍、香蒲、菖蒲、海芋、鳳眼蓮、茭白等[8]。

生態浮島根據水和植物是否接觸可以分為濕式與干式[9]兩種類型，具體分類見表1。干式浮島由于不與水接觸，凈化功能較差，而無框架濕式浮島的使用壽命較短，因此，有框架濕式浮島是目前生態浮島技術中使用最多的浮島。

1.2 生態浮島的特點

生態浮島主要有以下特點：（1）吸收水中富含氮磷的有機物，降低水中的COD（化學需氧量）值，有效提高水質質量；（2）植物與水體直接接觸，減少水面光照面積，抑制水中藻類生長，提高對水質的凈化能力；（3）美化水體景觀、凈化周圍空氣、增加城市綠化，為水生動物和鳥類的生息繁衍提供場所。（4）工藝簡單，操作方便，耗費少，經濟效益高。

表1 浮島的種類

1.3 生態浮島的工作原理

生態浮島主要是通過植物的根系來達到凈化水體的效果，浮島植物的根系一方面可以吸收和吸附水中的含氮、磷物質[10-11]；另一方面根系可以分泌大量的酶來促進水中有機物的分解[11]；再者，根系與微生物可形成相互協同效應，共同降解水中的營養鹽類[11]。

除了根系的作用外，浮島植物在水面要占據一定的面積，從而可以減弱藻類的光合作用，某些浮島植物還具有克制藻類生長的作用[12-13]，從而延緩水質的惡化。

2 生態浮島技術的研究現狀

生態浮島技術是運用無土栽培技術結合現代農藝及生物工程技術綜合集成的水面無土種植植物技術。從20世紀80年代末以來，國內外學者關于生態浮島技術做了大量研究并取得了一些成果。

2.1 國外研究現狀

第一個生態浮島始建于1979年德國，主要用于水處理[14]。此后，日本及西方歐美國家利用植物生態浮島技術在改善水質方面取得了很好的效果。

美國中佛羅里達大學的Ni-Bin Chang[15]等認為，當生態浮島系統種植燈芯草和梭魚草的覆蓋率為10%時，其對水質的凈化能力最好，氮磷的去除率分別為30%和60%；美國弗吉尼亞理工學院與州立大學的Chih-Yu Wang[16]等利用梭魚草和水蔥作為浮島水生種植發現梭魚草和水蔥對氮磷的去除率分別為49.1%、68.6%和49.8%、67.5%；意大利的G.De Stefani[17]等用香根草、寬葉香蒲、黑三棱以及聚風鈴草作為浮島水生種植植物，結果發現香根草的去污效果最好，它對氮磷的去除率分別為29%和65%；美國的Ryan J.Winston[18]等選擇達勒姆城鎮中某公路旁和某博物館旁的兩個池塘進行生態浮島凈化污水能力研究，選用莎草、燈芯草、石菖蒲、梭魚草等植物作為浮島種植植物，結果發現覆蓋率為18%的生態浮島比覆蓋率為9%的生態浮島對污水凈化能力要強，兩個浮島對氮磷的去除率分別為88%、88%和48%、39%；新加坡的Lloyd H.C.Chua[19]等在新加坡克蘭芝水庫種植香根草、蒲草和毛蓼生態浮島，實驗結果發現香根草、蒲草和毛蓼對氮的去除率為40.8%、67.5%、78.0%，去除效果為1.62、1.74、2.82g/(m2·d)，對磷的去除率為19.1%、39.2%、46.0%，去除效果為0.16、1.57、0.4g/(m2·d)。

2.2 國內研究現狀

我國早期的生態浮島技術始于20世紀80年代。到目前為止，生態浮島技術在國內也得到了廣泛發展。

羅固源[20]等采用氯化鈉為示蹤劑，以輕型泡沫浮板為植物載體，研究美人蕉和菖蒲生態浮島的去除效果，發現這兩種生態浮島對水池中磷、氮和有機物的平均去除率分別為28.7%、29.5%和27.9%、31.8%，其平均去除負荷分別為1.141、0.684 g/（m2·d）和1.244、0.689/（m2·d），凈化效果良好；吳建強[21]等認為再力花和美人蕉對氮、磷的吸收能力最強，分別達到了608.2、41.29g/m2和457.11、54.82g/m2；高陽俊[22]等人選取美人蕉、黃菖蒲、再力花、水芹、千屈菜、水蔥和聚草這些水生植物來做淀山湖千墩浦河口生態浮島研究，分別研究這些植物對氮、磷和有機物的去除情況。結果發現這些植物對磷、氮和有機物的去除率為18.8%、23.2%、25.3%，去除負荷分別為0.90、14.9、58.3g/(m2·d)；王金麗[23]等人用慈姑、千屈菜、旱傘草、鳶尾和美人蕉5種植物作為實驗材料來研究生態浮島對富營養化水的凈化效果。結果發現這些植物對磷、氮的去除率為86.9%、83.5%，具有很好的凈化效果；張華[24]發現當鳳眼蓮和矮科美人蕉種植數量比約為8∶1，生態浮島對磷、氮的去除率分別能達到55.0%～64.4%和48.1%～52.1%。

3 生態浮島技術存在的不足

生態浮島技術為河道與湖泊景觀設計提供了新途徑，為城市河道增添新風景，進一步促進城市生態系統更加完善和多樣化。但目前生態浮島技術仍處于發展階段，在技術上還存在一些不足。

（1）生態浮島技術的可靠性還不是很高，大量的實驗數據都是基于實驗室生態浮床模型、特定的水質及溫度條件下得出的，結果差異較大，研究成果尚不能實現大面積投產。張雁秋等人[25]利用塑料浮床（浮床1）、稻草浮床（浮床2）與植物浮床（浮床3）三種不同的浮床模型來研究美人蕉和菖蒲生態浮島，結果發現同種植物不同的浮床模型得出的實驗結果差異較大，美人蕉和菖蒲的三種浮床模型對氮的去除率為浮床2>浮床1>浮床3，對COD值的降低效果為浮床3>浮床2>浮床1。羅固源等[26]研究溫度對美人蕉生態浮島凈化水質效果的影響，發現同樣的生態浮島在溫度為25℃時對氮磷的去除率分別為38.7%、38.6%，29℃時的去除率分別為44.1%、43.6%，表明同種生態浮島在不同的氣溫條件下得出的凈化效果不同。

（2）目前用于生態浮島技術的浮島材料及浮島植物種類繁多，但多數浮島材料的抗風浪性及耐腐蝕性并不理想。唐林森等[27]認為目前生態浮島常用的浮島材料如泡沫、塑料等浮材的抗風浪能力比較差。鄭潔敏等人[28]研究了39種生態浮島植物，發現最常用的美人蕉和千屈菜等植物的耐腐蝕性差，長期淹沒在水中地下莖會出現腐爛，第二年植物停止生長。

（3）目前常用的生態浮島植物受季節的影響較大，導致該技術不能實現連續凈化污水。黃央央等人[29]研究了菖蒲生態浮島，發現冬季菖蒲會死亡，根莖會腐爛；張曉紅等人[30]利用再力花、美人蕉、香蒲等植物來做生態浮島，發現在春夏秋三個季節時系統對水質具有良好的凈化效果，但在冬季水中的氮、磷及COD含量基本不變，表明這些植物已停止了生長；

（4）目前由于生態浮島技術還不成熟，生態浮島技術還只停留在處理水質富營養化問題上，對于浮島植物的合理化應用及生態浮島的后期維護還缺少相應的技術，浮島植物沒有得到有效利用[14，31]。2008年在上海白蓮涇河道構建的生態浮島[29]由于沒有對浮島進行后期維護及浮島植物沒有及時處理，造成植物死亡腐爛，沒有得到很好的經濟效果。

4 展望

生態浮島技術作為一種新興的水處理技術，雖然還存在著不少的缺點，但相比于傳統的水處理方法，生態浮島技術具有前所未有的優勢，并且隨著技術的不斷完善，這些現存的缺點將會慢慢得到改善，生態浮島技術在今后的水處理中將會得到更廣闊的應用。今后的研究可以從以下幾個方面來開展：

（1）尋找耐寒及耐旱性都比較強、生命力強的水生植物做生態浮島植物；

（2）建立完整可行性高的生態浮島配套技術，研究出適應性廣泛的生態浮島模型，對浮島載體的制作工藝及生態浮島植物的選擇形成相應的技術標準；

（3）形成一條生態浮島產業鏈，在治理水質富營養化問題的同時能達到很好的經濟效益。

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