基于文献分析的生态浮床系统水体修复研究进展

基于文献分析的生态浮床系统水体修复研究进展

张澳1,2

（1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；2.重庆交通大学环境水利工程重庆市工程实验室，重庆 400074）

摘要：人口规模不断增长刺激城市化等人为活动的快速发展导致了大量污染物排入水体，从而致使水体质量日益下降。生态浮床系统作为一项绿色且可持续的新型生态修复技术，因其具有处理效果好、成本效益高、操维方便等优点广受研究和应用。然而，时至今日该技术仍缺乏相关领域的研究数据整合，如系统对新兴污染物的处理效果等。本文通过综述近几年国内外相关文献，阐述了生态浮床系统的主要组成部分及其在水体修复中的重要作用，并讨论了系统作为水体新兴污染物的潜在替代修复工具。以期为相关研究者提供一定的理论依据，并对发展未来研究方向提出个人见解。

关键词：生态浮床系统；水体修复；新兴污染物

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

生态浮床系统作为人工湿地的变体，是一种介于传统人工湿地和处理塘之间的创新型水体修复技术[1]，于20世纪80年代首次在德国报告使用。该技术通过各种物理、化学、生物途径去除水体中存在的污染物，且因其具有处理效果好、无需占用额外土地、可移动、低能耗、结构简单、操作方便、运行维护成本低等优点已被国内外学者大量研究并广泛投入实地应用。然而，迄今为止对生态浮床系统性能的测试研究，目标污染物大多以常规污染物如氮、磷、有机物、悬浮固体和重金属为主，对如药物、农药、个人护理产品等非常规新兴污染物的研究报道甚少。

本文通过回顾近几年国内外的相关文献进行分析，目的为：1）阐述生态浮床系统的主要组成部分以及各部分在水体修复过程中发挥的重要作用；2）讨论生态浮床系统作为去除水体中新兴污染物的潜在替代工具。这些结论可为研究人员提供一定的理论指导，并对改善系统运行效能以及发展未来潜在的研究方向具有重要意义。

1生态浮床系统主要组成部分及其在水体修复中的作用

生态浮床系统的主要组成部分包括浮床床体、植物和微生物。植物固定在浮床床体上，根茎以上的部分保持在水面以上，根系向水面以下生长并悬挂在水体中而不是嵌入底层沉积物，微生物在植物根系表面或其他固液接触面附着生长并形成生物膜。生态浮床系统各组成部分及其在水体修复中的重要作用如图1所示，以下将对这些信息进行详细说明。

1.1 浮床床体

1.1.1 浮力载体

浮力载体在生态浮床系统中主要用作植物固定的平台并提供系统所需浮力，使整个系统能够适应因风暴降雨事件带来的不利影响，如水位的变动可能导致植物淹没在水中腐烂死亡从而影响整个系统的正常运行[2]。在浮力载体的选择方面应满足易获得、成本低廉、结构简单、稳定性高、疏水性好、无二次污染、易生物膜富集等条件[3]。常用的浮力载体由竹子、木材、泡沫、不锈钢管、PVC管、PP管、PE管、聚苯乙烯、乙烯醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、发泡胶板等材料制成[4]，其形式通常为框架结构、浮筏结构或打孔板材结构等。

1.1.2 生长基质

传统生长基质的主要作用为固定植物和提供额外的生物膜附着表面积，但随着不同材料的应用，生长基质的功能更加多样化，如吸附水中污染物和为系统提供外源碳等。选型应着重考虑成本低、易获得、吸水性强、不易消耗、易生物膜富集等特点。常用的生长基质有泥炭、沸石、石灰石、石英砂、塑料制品、堆肥、海泡石、蛭石、工业炉渣、粉煤灰、陶粒、轮胎碎屑、饱和粘土和天然纤维素等，研究中常以不同比例的基质混合使用以达到更好的促进系统性能的效果[5, 6]。汪银梅等[7]指出使用纤维素基质的生态浮床系统脱氮除磷效果、植物生长情况较陶粒基质更好。这是因为纤维素基质囊括了上述的四种功能，但在实际应用中，随着时间的推移可能会出现生物量减少、释碳不稳定，腐烂产生二次污染等影响系统运行的问题，因此纤维素基质如农作物秸秆、竹丝、稻草等推荐使用，但建议与其他不易消耗的材料混合使用。当以植物固定为主要目的时也可以无基质的形式实现，如铁丝、弹性绳索、弹性圆环等来替代生长基质。

图1生态浮床系统各组成部分及其作用示意

Fig.1Illustration of the components of the ecological floating bed system and their functions

1.2 植物

植物是生态浮床系统功能的发起者。应用于生态浮床的植物类型分为挺水植物、漂浮植物和沉水植物。其物理、化学、生物作用是系统性能发挥的关键，尤其是水下根系。植物根系直接吸收水中溶解性营养盐、小分子有机物和重金属，对污染物去除做出贡献的同时满足自身生长所需。根系形成的根系网络充当物理过滤器吸附截留水中的颗粒污染物如颗粒态营养盐、有机物、悬浮固体和重金属随后沉降到底泥中[8]，而根系减少湍流使根系与底泥之间的自由水层不仅有助于上述过程的发生，还有助于防止底泥中沉降的沉积物再悬浮[9]，此外其上巨大的表面积可为微生物提供栖息地，进而形成生物膜。植物水上组织通过光合作用和气体交换获得氧气，再由其自身通气组织传输到根部扩散至根系周围，使根系周围形成好氧-厌氧-缺氧微区，进而促进各种需氧状态下的微生物活动，同时可防止水体因缺氧造成的水生动物大量死亡或水体黑臭现象

[10]。植物根系还可释放根系分泌物影响根际的物理、化学、生物特性，如为微生物活动提供营养，调节微生物群落的丰富度和多样性，通过改变PH、配位交换和还原作用等提高养分的生物可利用性，促进形成金属硫化物和作为额外有机质推动重金属的吸附沉降以及对藻类的化感作用抑制藻类生长等[11]，而植物对藻类的抑制除根系分泌物的化感作用外，还通过与藻类竞争营养物质和阳光来达到抑制的目的[12]。水上植物组织行使的如储存根系吸收的污染物、通过植物挥发移除部分污染物、改善景观作用和为野生动物提供栖息地等作用都是浮床系统功能的重要体现。

1.3 微生物

微生物是水体生态系统生物地球化学循环和能量流动的关键组成部分，其对氮磷营养盐和有机物的同化转化及酶促降解、重金属及悬浮固体的生物吸附及生物积累、一些溶藻细菌如假单胞菌属和芽孢杆菌属对藻类的降解可能是微生物的主要净水机制[13]。水体中各种微生物如细菌、真菌、原生动物、后生动物和藻类经细胞外聚合物的作用在植物根表和一些固-液界面形成粘稠状的生物膜[14]。生物膜可捕获截留颗粒态污染物，由内向外形成厌氧-好氧微层以支持不同需氧条件下的微生物活动，但根系生物膜不应过厚，过厚的生物膜可能会阻止植物吸收养分而影响正常的生长发育[15]。

根际微生物对植物的健康生长非常重要，主要体现在微生物可通过分解有毒污染物使其转化为毒性较低的形式、减少膜脂过氧化及有效抑制诱导氧化应激的相关功能基因表达以改善植物高负荷下的抗胁迫能力[16]。此外，还可通过将复杂大分子营养物质转化为简单小分子形式供植物吸收、产生植物激素如吲哚-3-乙酸（IAA）、1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）-脱氨酶以及铁载体的产生等过程促进植物生长[17]。

研究表明，微生物群落的活性、多样性和丰度以及相关功能基因的丰度和完全表达程度直接影响浮床系统性能，为此实施一定的强化措施有助于系统发挥更优异的性能[18]。而植物遴选、添加额外电子供体以及置入生物膜载体等可控制上述微生物群落特征，因此应在此基础上进一步研究，以得出最适合的植物物种、电子供体和生物膜载体类型，这对生态浮床系统的改良研究具有重要意义。

2生态浮床系统作为新兴污染物（CEC）的替代修复工具

人口规模不断增长刺激了日常生活用品需求日益增加以及医疗、农业、工业体系的不断发展，这导致了如药品、抗生素、个人护理产品、农药、工业化学品、增塑剂和阻燃剂等化学物质的大量消耗，一般称这些化学物质为新兴污染物（CEC）。常规工业或城市废水处理工艺处理效率的不理想以及降雨径流的直接冲刷造成很容易在环境水体中检测到这些CEC[19]。据报道，一旦进入食物链，这些CEC即使在较低浓度下也可能产生极大的生理毒性，如药物苯海拉明会对水生生物（鱼类等）产生急性或慢性毒性[20]；工业化学品全氟烷基物质可能导致多种类型的肿瘤、低出生体重以及新生儿死亡等[21]。

为最大限度的减少水体中CEC产生的不良影响，亟需探索有效的处理方法。如化学氧化技术和高级氧化工艺、活性炭吸附、膜生物反应器等是全面应用的技术，它们虽可有效的去除水体中存在的CEC，但无不需要高额投资[22]。事实上，一种处理效果好且更具有成本效益的技术是理想的应对措施，而人工湿地可能是符合这些条件的处理技术。现有的研究也支持了这一假设，如Gorito等人[23]和Chow等人[24]的研究表明人工湿地可有效去除水中大部分CEC并将其浓度降低至检测限以下，涉及到的去除途径包括微生物降解、微生物积累、光解、水解、植物吸收、吸附（植物根部、土壤、沉积物）以及挥发，这些亦基本囊括了不同环境条件下各种CEC的去除途径，而不同CEC由于理化性质存在差异，其主要去除途径也略有不同。例如，亲水性CEC如阿替洛尔、甲氧苄啶等表现出较低的吸附亲和性，因此很容易被植物吸收或微生物降解；光敏性CEC如双氯芬酸、十溴二苯醚等，光降解是其主要去除途径；高log kow（>4）的CEC如三氯生、布洛芬等表现出高疏水性和强吸附性，因而很容易被土壤沉积物或植物根部吸附[24, 25]。不同湿地配置如氧化还原条件、光照条件、植物种类、水力停留时间以及土壤沉积物中有机质含量的差异也可能导致不同研究中同一CEC的不同去除效率[23, 26, 27]。

由上所述，人工湿地是一种应对水体CEC污染有效且具有成本效益的处理技术，而生态浮床系统作为该技术的一种变体，相对于人工湿地具有不需占用额外土地、可灵活应对水位变动和操作维护简单等优点，且对如氮磷营养盐、有机物等常规污染物的处理性能同样优异，因此生态浮床系统有望作为一种更具潜力的水体CEC污染治理技术。然而应用生态浮床系统处理水体CEC的文献报道十分有限，据笔者搜集仅有Chen等人[28]、Garcia-Rodríguez等人[29]以及Hwang等人[30]研究了生态浮床系统对寥寥几种药物、抗生素、农药、内分泌干扰物以及工业表面活性剂的去除效果，虽表现出对部分CEC不错的去除效率，但数据仍十分缺乏，且仅研究了植物存在与否、不同植物物种及不同光照条件对CEC去除的影响。要支持生态浮床系统作为处理水体CEC的潜在修复工具，有必要进一步的研究以验证生态浮床对更广泛种类CEC的去除效果以及不同设计条件对CEC去除的影响。

3结论与展望

生态浮床系统作为一种可持续性及成本景观效益高的绿色生态修复技术，自上世纪90年代引入中国已有30余载，期间成功应用于雨水、农业径流、生活污水等受污染水体的修复工程并展现出不俗的效果。植物吸收、微生物同化转化和物理吸附沉降等是生态浮床系统的主要污染物去除途径，而不同的设计、管理、环境条件可能会直接或间接地影响这些过程，从而对系统性能产生影响。因此考虑如植物遴选、置入生物膜载体以及接种专性细菌等强化措施非常有必要。此外，本文虽提出生态浮床系统可能是作为水体CEC污染的潜在替代修复技术，但目前为止相关的研究数据仍十分有限，因此需要进一步的研究以支撑这一观点，这也是未来学者的一个重要研究方向。

参考文献

[1]LIU J, WANG F, LIU W, et al. Nutrient removal by up-scaling a hybrid floating treatment bed (HFTB) using plant and periphyton: From laboratory tank to polluted river [J]. Bioresour Technol, 2016, 207: 142-9.

[2]HARTSHORN N, MARIMON Z, XUAN Z, et al. Complex interactions among nutrients, chlorophyll-a, and microcystins in three stormwater wet detention basins with floating treatment wetlands [J]. Chemosphere, 2016, 144: 408-19.

[3]FANG X, LI Q, YANG T, et al. Preparation and characterization of glass foams for artificial floating island from waste glass and Li2CO3 [J]. Construction and Building Materials, 2017, 134: 358-63.

[4]SHARMA R, VYMAZAL J, MALAVIYA P. Application of floating treatment wetlands for stormwater runoff: A critical review of the recent developments with emphasis on heavy metals and nutrient removal [J]. Sci Total Environ, 2021, 777: 146044.

[5]CHANG N B, ISLAM M K, WANIELISTA M P. Floating wetland mesocosm assessment of nutrient removal to reduce ecotoxicity in stormwater ponds [J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2012, 9(3): 453-62.

[6]常雅军, 姚东瑞, 韩士群, 等. 基于基质吸附法与生物协同作用的强化生态浮床对不同富营养化水体的净化效果 [J]. 江苏农业学报, 2017, 33(02): 346-52.

[7]汪银梅, 殷红桂, 唐子夏, 等. 不同基质的浮床对浮床植物及废水脱氮效果的影响 [J]. 工业安全与环保, 2017, 43(03): 88-91+8.

[8]ABED S N, ALMUKTAR S A, SCHOLZ M. Remediation of synthetic greywater in mesocosm—Scale floating treatment wetlands [J]. Ecological Engineering, 2017, 102: 303-19.

[9]CHEN Z, CUERVO D P, MULLER J A, et al. Hydroponic root mats for wastewater treatment-a review [J]. Environ Sci Pollut Res Int, 2016, 23(16): 15911-28.

[10]赵婉婉, 郭丽芸, 吴伟, 等. 水生植物根系生态化学特性及其生态响应研究进展 [J]. 江苏农业科学, 2017, 45(03): 231-6.

[11]敖子强, 张杰, 彭桂群, 等. 生态浮床处理农村生活污水的植物功能及筛选 [J]. 北方园艺, 2017, (11): 195-8.

[12]雷纯义, 朱术超, 关易云, 等. 种植不同植物的生态浮床对浮游藻类的化感作用 [J]. 中山大学学报(自然科学版), 2018, 57(02): 160-6.

[13]SHAHID M J, AL-SURHANEE A A, KOUADRI F, et al. Role of Microorganisms in the Remediation of Wastewater in Floating Treatment Wetlands: A Review [J]. Sustainability, 2020, 12(14).

[14]CAO W, ZHANG Y. Removal of nitrogen (N) from hypereutrophic waters by ecological floating beds (EFBs) with various substrates [J]. Ecological Engineering, 2014, 62: 148-52.

[15]CAO W, WANG Y, SUN L, et al. Removal of nitrogenous compounds from polluted river water by floating constructed wetlands using rice straw and ceramsite as substrates under low temperature conditions [J]. Ecological Engineering, 2016, 88: 77-81.

[16]KHAN A L, NUMAN M, BILAL S, et al. Mangrove's rhizospheric engineering with bacterial inoculation improve degradation of diesel contamination [J]. J Hazard Mater, 2022, 423(Pt A): 127046.

[17]REHMAN K, ARSLAN M, MüLLER J A, et al. Bioaugmentation-Enhanced Remediation of Crude Oil Polluted Water in Pilot-Scale Floating Treatment Wetlands [J]. Water, 2021, 13(20).

[18]WANG P, JEELANI N, ZUO J, et al. Nitrogen removal during the cold season by constructed floating wetlands planted with Oenanthe javanica [J]. Marine and Freshwater Research, 2018, 69(5).

[19]SERVADIO J L, DEERE J R, JANKOWSKI M D, et al. Anthropogenic factors associated with contaminants of emerging concern detected in inland Minnesota lakes (Phase II) [J]. Sci Total Environ, 2021, 772: 146188.

[20]BERNINGER J P, DU B, CONNORS K A, et al. Effects of the antihistamine diphenhydramine on selected aquatic organisms [J]. Environ Toxicol Chem, 2011, 30(9): 2065-72.

[21]STEENLAND K, FLETCHER T, SAVITZ D A. Epidemiologic evidence on the health effects of perfluorooctanoic acid (PFOA) [J]. Environ Health Perspect, 2010, 118(8): 1100-8.

[22]GORITO A M, RIBEIRO A R, ALMEIDA C M R, et al. A review on the application of constructed wetlands for the removal of priority substances and contaminants of emerging concern listed in recently launched EU legislation [J]. Environ Pollut, 2017, 227: 428-43.

[23]GORITO A M, RIBEIRO A R, GOMES C R, et al. Constructed wetland microcosms for the removal of organic micropollutants from freshwater aquaculture effluents [J]. Sci Total Environ, 2018, 644: 1171-80.

[24]CHOW K L, MAN Y B, TAM N F Y, et al. Removal of decabromodiphenyl ether (BDE-209) using a combined system involving TiO2 photocatalysis and wetland plants [J]. J Hazard Mater, 2017, 322(Pt A): 263-9.

[25]ZHOU H, LIU X, CHEN X, et al. Characteristics of removal of waste-water marking pharmaceuticals with typical hydrophytes in the urban rivers [J]. Sci Total Environ, 2018, 636: 1291-302.

[26]AVILA C, GARCIA-GALAN M J, BORREGO C M, et al. New insights on the combined removal of antibiotics and ARGs in urban wastewater through the use of two configurations of vertical subsurface flow constructed wetlands [J]. Sci Total Environ, 2021, 755(Pt 2): 142554.

[27]SHARIF F, WESTERHOFF P, HERCKES P. Impact of hydraulic and carbon loading rates of constructed wetlands on contaminants of emerging concern (CECs) removal [J]. Environ Pollut, 2014, 185: 107-15.

[28]CHEN Z, CHEN Y, VYMAZAL J, et al. Dynamics of chloroacetanilide herbicides in various types of mesocosm wetlands [J]. Sci Total Environ, 2017, 577: 386-94.

[29]GARCIA-RODRíGUEZ A, MATAMOROS V, FONTàS C, et al. The influence of Lemna sp. and Spirogyra sp. on the removal of pharmaceuticals and endocrine disruptors in treated wastewaters [J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2014, 12(7): 2327-38.

[30]HWANG J I, HINZ F O, ALBANO J P, et al. Enhanced dissipation of trace level organic contaminants by floating treatment wetlands established with two macrophyte species: A mesocosm study [J]. Chemosphere, 2021, 267: 129159.