我国漂浮湿地研究综述

我国漂浮湿地研究综述

徐佳婷1 ,周丽鹏2,王大伟3,杨松涵1 ,周星月1,徐金涛1,卢嘉鑫1

1 吉林建筑大学 市政与环境工程学院，长春，130118

2 吉林建筑大学 应急科学与工程学院，长春，130118

3 哈尔滨东安汽车动力股份有限公司，哈尔滨，150060

摘要：研究表明，漂浮湿地是一种低成本、低维护费用、基于自然的现代水处理方案，相对于人工湿地修复水体的不可移动和占地较广，漂浮湿地可建在任何现有水体或已建结构中，可广泛应用于江河湖库等自然水体的水质净化。漂浮湿地系统是一个创新领域，已被证明适用于多种水处理，如生活污水处理、景观水与雨水处理、和工业废水处理。它们相对简单的布设、操作和低成本使其成为与处理池和传统湿地结合的有吸引力的替代方案。近年来，随着景观生态学的兴起，漂浮湿地也逐渐成为城市水体修复的手段之一。

关键词：漂浮湿地；去污机理；去污效果；研究

1．漂浮湿地发展历史

自然漂浮湿地的出现可追溯到古代南方农民在水上种植农作物的工具，但作为净水工具仅有近二十年历史，上世纪80年底，国内很多水域污染日益严重，科研部门开始重视水体修复，人工湿地由于能源需求少，效果显著，作为区别于传统污水处理技术的一种生物修复替代方案，在国内开始得到重视，几十年间得到重大发展。在此期间，科研部门也开始着手浮岛技术的研究，并模仿浮田结构，将水生植物种植到人工浮岛起净水作用，期间也取得许多成果。在此基础上国内开始研究类似浮田结构的漂浮湿地系统，现今市面也已出现多种漂浮湿地专利，但基于漂浮湿地的特殊性，需根据不同水体布设，现今出现的处理系统都只适用某一水域。

2．漂浮湿地的组成

2.1．基质填料

   大多数研究都使用生长介质来建立植被，粗泥炭、堆肥、浮石、珍珠岩、土壤、竹炭、椰子纤维、和沙子都已被用作漂浮湿地中植物建立的生长介质，也已经出现了多种区别于天然的复合纤维基质材料被用于构建漂浮湿地系统。但据查阅文献，还没有研究过在基质中添加吸收材料的潜力，探究能否接收从根系转递来的一定污染物。不根植于基质中的植物根系被迫直接从水柱中吸收养分，从而在污水净化方面表现得更好。但也因此，在水以下植物组织养分的收获伴随着植物的损害。但至今，已发表的植物吸收污染物效果的数据都是基于悬挂在浮体框架下的根系，因此，关于整个植物吸收污染物分布模式的研究仍然存在空白。现今的基质填料用途大多用于固定植物和吸收沉降的污染物，没有被赋予更深层的作用。

2.2．植物

种植不同植物的漂浮湿地系统对污染物的去除有很大差异。为了加强漂浮湿地的净化反应，水生植物经常被用作在植物的组织中积累污染物，通常是在根际。为了去除污染物，一些植物会采取额外的物理化学和生物过程，来加强额外的污染物去除。一些水生植物，如水葫芦，以其去除污染水中污染物的能力而闻名。根据前人的研究，在设计人工漂浮湿地植物群落时，应选择区域水生植物种类，使所选择的植物适应气候条件。植物必须直接从水柱中获得能量，因为它们不像潜流湿地那样根植于土壤中，这可能会增加养分和组分的比例吸收到生物质中。并且漂浮湿地中的植物较为稳定，可以适应一定的水深，有潜力通过在流动期间保留更多的水来提高处理效率，从而延长污水在系统中的滞留吸收时间。由于根系携带氧气，这些物种的根系可以在少氧或缺氧的条件下存活。在漂浮湿地中，植物类型的影响取决于几个因素，如植物产量、根系的物理效应、微生物、植物吸收和天气。

2.3．微生物

   广泛根矩阵的建立对系统的性能至关重要，根际效应要求水中的某些微生物受趋化作用的影响附着在根或根茎表面，通过重复增殖过程形成所谓的生物膜。从上层生物量转移到根茎和根表面的氧和分泌物为微生物群定植创造了基质。因此，去除效率在很大程度上取决于悬挂在浮体框架下的根系和附着于根系上的真菌、细菌和有益藻类生物膜的代谢。为了提高养分去除效率，必须建立一个具有促进养分降解的各种细菌菌落的植物联合体。由于植物下方的浮垫为形成相连的生物膜和捕获分散的颗粒提供了一个重要的接触区。所以浮体框架的选择对与微生物的生长也有一定的影响，但现今还未有相关研究。

2.4．浮体框架

    有许多商业产品（垫子）可用于实现浮力，如PVC管或天然浮力材料（如竹子）可作为一种可靠且廉价的浮选替代选择，建造漂浮湿地最常见的方法是通过创建一个浮筏或框架作为来支撑植物生长的网状物。在这种系统中，浮力通常是通过使用塑料管或管材(PVC、PE、PP)的密封部分、密封桶或聚苯乙烯泡沫浮筒来实现的。

3．漂浮湿地的去污机理

漂浮湿地由填料基质与浮力基础设施上的浮生植被组成，浮在地表水上。植被的上部主要在水位以上生长和保持，而根系向下延伸，在水位以下形成广泛的根系，植物以水培方式生长，直接从水中吸收养分，生物膜附着在根系上，当物理生化过程发生时，生于水中的根系起着天然过滤器的作用，因而一个广泛而密集的根系与附着其上微生物膜对系统的性能至关重要。

由于漂浮湿地植物的根系伸入水柱，从水中吸收养分和污染物，从而净化水，因此这种水处理过程被也称为植物修复，为溶解污染物提供了极好的处理，漂浮湿地还促进了颗粒沉降，并通过在根基质中沉降或捕获颗粒结合的污染物来实现净水。此外，某些水生植物的根系分泌物，如有机酸，还能促进金属的络合与固定化进而在基质或根系吸收。多方的相互辅助吸收污染物，使得漂浮湿地的净水效果有更深层可挖掘的潜力。

4．漂浮湿地的去污效果  

4.1．漂浮湿地对氮磷的去除效果

    漂浮湿地系统中污染物的去除过程包括：生物合成、沉降和生物膜代谢。根系沉降是磷去除的主要途径。据国外研究统计，漂浮湿地的平均总氮去除率为58%，最低7.8%，最高为98%。在对各种类型人工湿地的比较效率的研究中，报道了自由漂浮水煤浆的平均TN去除效率为54.8%。因此漂浮湿地相比于人工湿地系统，在此方面有很大的研究潜力。

4.2．漂浮湿地对重金属的去除效果

    漂浮湿地还可用于重金属去除。用于金属去除是一个新的研究领域。国内外关于漂浮湿地中金属的植物修复的文献很少。世界上的一些地方，包括新西兰、印度、葡萄牙、法国、泰国、印度尼西亚、尼日利亚和巴基斯坦，研究了漂浮湿地系统中金属的植物修复，利用漂浮湿地去除金属的问题之一是植物组织中需要非常低浓度的金属。因此，植物对氨氮、硝态氮和磷酸盐磷等养分的吸收速度比铜和锌等金属的吸收速度要快。

5．漂浮湿地耦合微纳米技术的研究

    在处理聚集废水时，由于浮垫的保护作用，阻碍了氧气在空气-水界面的扩散，减少了风浪引起的曝气。虽然减少的条件有利于漂浮湿地在水中固定捕获的污染物，但在排放到自然水道之前，通常需要对处理过的水进行某种形式的复氧。再曝气一般通过在漂浮湿地后加入一个敞水池塘段，使用主动曝气器或使用被动梯级出口结构来实现。但总的来说，通过控制漂浮湿地覆盖表面比例，也可以控制水柱中的氧气耗竭水平。但现今我们在寻求一种耦合方法，即在漂浮湿地作用间就加入曝气器，使得两者同时工作，水中充足的氧气也可加强植物根系对污染物的吸收。

6．漂浮湿地的未来展望

漂浮处理湿地是人工湿地系统的一种创新变体，它采用根系生长的植物(类似于人工湿地中在地表和地下流动中使用的植物)作为漂浮在水面上的垫子，而不是扎根在沉积物中。由于这一特点，漂浮湿地在雨水处理中有很大的潜力，因为它们几乎不受水位波动的影响，而水位波动可能会淹没底部根系植物，对其造成不利的压力。但若将漂浮湿地应用在雨水处理也还存在一个难点，即由于根系对金属的需求较少，在金属净化方面现今取得的结果并不明朗，且雨水中的重金属在低浓度存在一定的毒性，也可能威胁漂浮湿地系统中的植物与根系附着的微生物。因此这一方即有很大的前景，但也有一些问题尚待解决。

参考文献

[1]Pavlineri N, Skoulikidis N T, Tsihrintzis V A. Constructed floating wetlands: a review of research, design, operation and management aspects, and data meta-analysis[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 308: 1120-1132.

[2]Shahid M J, Arslan M, Ali S, et al. Floating wetlands: a sustainable tool for wastewater treatment[J]. Clean–Soil, Air, Water, 2018, 46(10): 1800120.

本成果由吉林建筑大学大学生创新创业训练计划项目资助（S202210191069）