人工浮床技术治理富营养化水体研究进展

陈佳曦

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

引言

随着社会经济的飞速发展，人类也面对着许多环境污染问题。其中较为被关注的环境现象是水体富营养化。水体富营养化指由于水库、湖泊等水体中的氮、磷等化学物质浓度过多导致的水体环境污染问题。水体中氮、磷等物质的丰富，会引起藻类生物及其他细菌的快速发育增殖，使得水域中溶解氧的数量大幅减少，从而导致水生动植物大量消亡或者灭绝的严重后果，防治方法有物理法、化学法和生物法，其中生物法综合来看对富营养化水体的长期治理最为有效。

人工浮床作为生物法中一种可以有效治理富营养化水体的技术，在过去的40年里被广泛应用，不仅因为人工浮床技术净化治理富营养化水体的效果尤为显著，并且通过在浮床上种植一些水生植物等，间接提高了一定的经济效益和观赏性，且人工浮床适用于大部分水域，应用广、投资小且有较好的市场前景；人工浮床技术还可进一步与其他方法结合进行强化，可更好地针对水体富营养化问题使其得到解决。

1 富营养化水体的防治方法

我国越来越重视水体富营养化这一水体污染现象，无论是其所带来的环境生态破坏，经济效益下降还是景观观赏的影响等问题，都是不容小觑的，其成因错综复杂，不能简单的将其归为生态失衡，严重的富营养化不仅会引起水华现象，产生有毒有害气体和毒素，而且还会引起水中生态动物的死亡和灭绝，也会对人类的供水安全与日常生活造成重大隐患和威胁。在防治方面，虽然“控源截污、生态修复”已形成了水域富营养化治理的主导思想。但对景观水域富营养化的管理中，不但要避免外来性污染重新汇入水域中，也必须防止内源性物质重新污染水体。在水域富营养化的治理中，氮、磷成为最大的重要污染，并成为水域富营养化的主体因子，对水域生态环境安全造成了重大威胁，并引发大量的水体环境事故，极大影响了经济社会的可持续发展水平。氮、磷中的主要污染源非常复杂，不但包含了来自外界污染后流入水域中的氮、磷，也包含了水域的沉积物经自我排放后又重新流入水域的氮、磷。现阶段大多使用3种方法来预防与治理，分别为物理法、化学法和生物法，现有结论表明，这3种方法的防治与应用方面各有侧重。

1.1 物理法

物理法是指通过机械的方式进行人工净化富营养化水域。具体方法有底泥疏通、换水稀释作用、河道内深度曝气、人工方法捞捕、人工造流和引水等。此方法针对受污染水体中的藻类，可进行有效彻底去除，持续效果较久；且人为操作简单方便，对附近环境进行有效保护，防止其再次受到污染。主要应用区域是小范围水体和大规模水体中的部分水体。利用物理方法在除藻工程前期的准备阶段和大面积除藻的准备阶段中作用效果较明显；缺点是此阶段需要耗费巨大的人力、物力与资金，而且无法解决污染根源。对所采用的特定操作技术及装置，必须对其实施定期运作保养。

1.2 化学法

化学法是指通过往受污染水体中投加不同种类的化学药物达到净化水体的目的，主要分为化学除藻和化学固定2种方法。化学除藻是指在被污染水域中投加药物和藻类，与水中污染物质进行化学反应，目前投入使用较多的有二氧化氯、高锰酸钾、硫酸铜等化学试剂，可有效消除水域中的藻类进而净化污染水体。化学固定是指投加化学混凝剂将氮等污染物质固定在水体的底泥上，混凝剂常见的有适用铝、钙、铁，这些混凝剂最大的优点是成本十分低廉，且都可以与污染物质发生化学反应，生成不溶于水的沉淀物质。化学法大多被应用于严重藻华水域，或者被当作紧急措施用在一些特殊区域，但由于化学试剂易残留和稳定，可能会导致积累大量重金属的情况，以及环境的再次污染，难以从根源上解决问题。

1.3 生物法

生物法是现阶段治理水体富营养化的最高效、最安全、最经济的方法，主要有人工浮床、生物操纵法、人工湿地法、高等水生植物防治法等。生物法中的水生植物在此技术中发挥着重要的功能，不但可以吸附被污染水域中多余的养分，而且还可以明显减少氮、磷的排放，给微生物的发育繁衍创造了有利的生存条件，生态植物产生化感作用可以抑制藻类的生长，并且不产生二次污染。不足之处为见效较慢，不适用于对突发性水华的治理。在生物法中，应用较为广泛且有效的是人工生态浮床技术，浮床技术不仅对污染水体的净化处理效果较为显著，其净水效率要比同规模的人工湿地系统高出75%，而且人工浮床可直接利用水体水面面积，管理维护方便，在应用中为当地水域带来了经济价值、娱乐价值和风景游览价值等。

2 人工浮床治理富营养化水体的强化方法

人工浮床是指通过人工的方式以高分子材料或其他轻质建筑材料用作媒介，把水生植物以及经过改良后的陆生植被固定在媒介上，由于水生植物本身的新陈代谢也需要吸收氮、磷等养分，而水中的一些重金属也可能被一些水生植物特性所吸附起来，通过定期收割生长在浮床上的植物，就可以快速有效去除植物所吸收的污染物，与此同时大量的微生物附着在植物根部，整个生物膜开始逐渐形成，当污染水经过膜表面时，其会对水中的污染物进行吸收降解等作用，一些微生物还能过滤掉难以处理的物质，如重金属元素等。此外，人工浮床还可以填设种植一些具有美化城市景观作用的植物。总的来说，人工浮床与其他治理方法相比较，具有工程量较小，维护运行成本低，节约能源等优点，而对浮床处理效果进行强化的方法有很多，如筛选浮床植物、挂设悬浮填料、机械曝气、利用水生动物和太阳能强化等，目的在于提高对污染物质的去除效果和节约能源降低成本等。

2.1 筛选浮床植物

植物生长在人工浮床中占有着非常关键的地位，而氮和磷既是湖泊水域中富养分化的主要因子，也是植被成长所需的必要营养元素，这一步骤既能高效减少地下水体中氮磷的浓度，又可提高溶解性氧的含量水平，进而实现提高水体质量、修复地下水体功能的目的。刘建伟等[1]利用美人蕉、黄菖蒲和水葱等3种挺水植被，在重度富营养化水域中进行实验，结果显示，水中的氮、磷等污染物质浓度大大降低。而几种植物组合对水体的净化功效与单种植物不同，李秀芳等[2]筛选出狐尾藻、金鱼藻和篦齿眼子菜组合进行6组实验，结果表明，所有实验组对去除污染物质均有较好效果，尤其是对氨氮，去除率均高达95%以上。邢春玉等[3]构建出水鳖加金鱼藻、水鳖加苦草、苦草加穗状狐尾藻、荇菜加穗状狐尾藻4组实验进行对比，结果对氮去除率最高的为荇菜加穗状狐尾藻组，对磷去除率最高的为苦草加穗状狐尾藻组合，根据处理水体的不同污染侧重可应用相对的植物搭配，同时在此期间也带来了一定的景观效益。

2.2 挂设悬浮填料

为了增强浮床微生物的功能，一些研究者将生物接触氧化法和浮床技术相结合处理富营养化水体，悬浮填料也能给微生物创造良好的附着繁殖环境，通过其巨大的表面积及附着在上面的微生物对污水进行净化。虞中杰等[4]分别加挂组合填料，球形填料和空白不加挂填料3种浮床进行对比实验，分别测出实验的3个阶段污染物的去除情况，结果表明，挂设球形填料的人工浮床对氮、磷的去除效果最好，为63.5%和59.5%。冯世敬[5]对比了天然PVFM、NF-PVFM和NF/FA-PVFM在浮床中处理受污染水体物质的情况，先对天然纤维复合PVFM悬浮填料进行制备，得出结果，NF-PVFM的挂膜速度最快且稳定，流化态良好，且较长时间没有磨耗与破损，对CODCr的去除率高达94.05%，氮、磷去除率分别为63.30%和70.93%，满足悬浮填料的技术要求，具有较好的应用前景。目前对悬浮填料的研究不仅要增强填料本身的物理、化学稳定性还有其对浮床中微生物的亲和性和亲水性能等，还要考虑到填料与浮床结合的处理污水的效率，以及填料在浮床中的可再生性、可再生性、无二次污染和成本造价等问题，选用具有针对性的新型环保材料，才能与人工浮床结合使其治理富营养化水体更加有效，应用也更广泛。

2.3 机械曝气强化浮床

机械曝气法是利用使气体与受污染或需要处理的污染物不断进行接触从而扩大接触范围的方法，使空气中的氧直接接触到水体，同时促使被污染的水和在水中的另一种活性污泥的接触和搅拌，从而增加水体的氧浓度，并促进硝化菌的代谢，从而增加有氮化合物的分解速度。付永胜等、聂玉华、谭剑聪[6-8]自制了由微曝气系统加人工介质加水生植物组成的微曝气强化生态浮床，与强化生态浮床和传统生态浮床进行对比试验，在相同的实验条件下微曝气强化浮床对CODCr、TN、TP的去除效果分别为59.2%、76.8%、76.2%，明显高于强化生态浮床和传统生态浮床，而微曝气强化生态浮床在7.5L·min-1的曝气量时处理效果最好，过高或过低的曝气量都不利于污染物的去除。宋孟鑫[9]通过给人工浮床增加接触曝气，与不加曝气的人工浮床进行对比，强化接触曝气的人工浮床去除污染物效果十分显著，经过9d的时间，对TP的去除率为99.45%，氨氮的去除率为98.72%，COD的去除率为89.96%。

2.4 水生动物强化浮床

水生动物也可以和人工浮床组合，一些研究人员加入了鱼类、滤食性动物和浮游动物等水生动物，其中，鱼类通过以低等浮游动植物为食，抑制藻类的生长，从而提高水体的透明度，而浮游动物和滤食性动物则会吞食水中的浮游植物和过滤悬浮颗粒物，通过过滤、消化和排泄等作用来提高颗粒状有机物的生物降解性，促进有机氮磷化合物的分解，在整个浮床系统中，丰富了其浮床整体净化体系，从而增强浮床系统的稳定性，在对富营养化水体进行处理中达到更好的效果。王国芳等[10]对组合型生态浮床中水生植物单元(空心菜)、水生动物单元(滤食性贝类三角帆蚌)、微生物强化单元(人工介质)进行组合，实验分析每种单元对污染物的去除贡献率，发现水生动物单元对PN的去除率为30.9%，远高于其他2个单元，原因是三角帆蚌通过滤食起同化作用去除部分氮，而其滤食及排氨作用为组合型生态浮床中人工介质上生物膜的硝化细菌和反硝化细菌以及植物的吸收提供了基质条件，同时也促进了浮床对TN的去除。

2.5 太阳能强化浮床

太阳能人工浮岛主要指使用太阳光供给了浮床控制系统中水面循环流动的能量，一般使用太阳能电池板，是一种环保节能的发电方式，是通过吸收太阳光利用光化学效应或者光电效应，将光能转化为电能，从而减少了浮床控制系统的能耗。刘宇爽等[11]提出了太阳能微动力生态浮岛在富营养化水域整治方面的应用，太阳能浮床可以控制单倍和双倍的曝气量，实验结果表明，太阳能微动力人工浮岛系统对污染水域中的COD、总氮和总磷都有较大的净化效应，其中氮、磷去除率分别为71.4%、82.2%，经计算太阳能的转换效率及输出功率较高，节约了大量电力能源。太阳能和人工浮床技术的融合使得整个生产过程中更为节能，同时也使得人工浮床的应用更为丰富化、系统化，对其在今后生态浮床的发展与应用具有一定的推动意义。现存问题是太阳能在人工浮床中应用较少，太阳能板的转换效率、日常保养和成本造价等问题还需进一步研究解决。

3 总结

随着我国对环境保护以及富营养化水体治理的重视，越来越多的学者将重心放在人工浮床技术上，用人工浮床技术处理富营养化水体，无论是在技术方面、环保方面、能源方面和经济效益方面都拥有着良好的表现，绿水青山就是金山银山，不仅要全力处理已成富营养化的水体，更要从源头减少污染物的排放，对已修复的水体还要进行更为关键的后期监测与维护，防止其再次污染。然而在人工浮床处理富营养化水体的实际应用中，净化能力还是没有达到理想状态的预期效果，强化方法措施也大多处于模拟试验阶段，所以要继续结合其他更行之有效且环保的方法，将其改进和推广出去，遵循可持续发展理念，发展是要长久的，不仅是要满足当代社会的需求，更要考虑到子孙后代的需求。同时继续完善发展人工浮床技术，才能保证我国在富营养化水体处理方面走在世界前端。