混合浮动处理湿地：可持续发展的新方法

《Ecological Engineering》：Hybrid floating treatment wetlands: A new approach for sustainable development

　　

- 混合式浮动处理湿地（FTW）增强了污染物去除效果。
- FTW与微生物燃料电池耦合可产生生物电能。
- FTW集成曝气系统可提高水体中的溶解氧浓度。
- 安装于FTW下方的载体可改善大型水生植物根区的生物多样性。

**引言**

浮动处理湿地（FTW）作为一种创新的基于自然的解决方案，因其不占用土地资源、适用于原位处理以及适应水位波动等关键优势，在水质改善领域崭露头角（Vo等，2023）。FTW已被广泛应用于处理各类污染水体，包括城市雨水径流（Sharma等，2021；Wang等，2019）、富营养化湖泊和河流（Rome等，2023）、受污染运河（Vo等，2025）、含油水体（Afzal等，2019）、废水（如家庭、工厂和养殖业废水）（Sharma等，2021；Barco和Borin，2020），以及含有药物和农药等新兴污染物的水体（Vo等，2023；Hwang等，2020）。FTW由支撑大型水生植物生长的浮性框架组成。大型水生植物的根系延伸至水柱中，为生物膜的形成和污染物相互作用提供了广阔的表面积。FTW的污染物处理机制主要依赖于大型水生植物与微生物之间的共生相互作用（见图1）。植物直接吸收并代谢营养物质，将其转化为用于生长过程的生物量。植物根系为附着的微生物提供庇护并促进其发育。水体中的有机物（五日生化需氧量——BOD?、化学需氧量——COD）和营养物质（氮和磷）通过微生物代谢、硝化和反硝化过程被去除。此外，一些重金属（如铁（Fe）、锰（Mn）、铅（Pb）、砷（As）、锌（Zn）、铜（Cu））可被植物和微生物作为微量营养素吸收，用于生物量发育（Shen等，2021；Vo等，2023）。除植物/微生物代谢外，沉降和物理化学吸附/沉淀（特别是磷的处理）等物理过程也有助于FTW的污染物去除（Vo等，2023）。由于生物富集是FTW技术的主要处理途径之一，定期收获生物量对于水体中污染物的永久性去除至关重要（Abi Hanna等，2024；Bista等，2025）。

为展示FTW的有效性，Vo等（2024）在实验室规模的FTW中使用美人蕉（Canna generalis）、芦苇（Phragmites australis）和异型莎草（Cyperus alternifolius Rottb.）去除运河水中的污染物，结果表明约92%的COD和82%的氨氮被去除。Sharma等（2021）也表明，种植凤眼莲（Pistia stratiotes）的FTW表现良好，在污染河水中氨氮处理效率为77-99%，在虾塘废水中氨氮处理效率为96%，在纺织废水中磷去除率为74-93%，重金属（铬（Cr）、铅（Pb）、铁（Fe））去除率为87-99%。

FTW系统是废水处理的经济型解决方案。特别是，Awad等（2025）对面积从55至3926平方米不等的FTW进行了为期20年的运营生命周期成本评估。数据显示，FTW的资本成本为15-2537美元/平方米，运营成本为0.5-181美元/平方米·年，其中雨水处理的总成本通常高于废水处理。用于处理废水的FTW系统，资本成本占总体成本的64%，剩余36%的成本用于FTW的维护。相比之下，用于处理雨水的FTW安装仅占总成本的21%，但维护成本较高，占79%。此成本涵盖制作浮动系统的材料、设备、大型水生植物和介质（占资本成本的70%），以及安装的人工成本（占资本成本的30%）。运营成本涵盖维护、植物生物量收获及末端处置。在废水处理方面，维护和收获的人工成本占主导地位；然而，在雨水处理方面，维护材料成本占主导地位。FTW末端处置成本占总成本的8-12%（Awad等，2025）。FTW资本成本和运营成本的详细信息见图2。在Vo等（2025）的研究中，使用当地材料（如椰子纤维、竹子、聚氯乙烯（PVC）和塑料网）制作的FTW具有较低的资本成本，为60美元/平方米（注：美元——美国货币）。

FTW通过多项研究已被证明是处理污染水体的潜在绿色技术。该方案在环境、社会和经济方面表现出诸多优势。FTW可以改善水和空气环境质量，从而促进人类和生态系统健康（Shen等，2021）。由于FTW是一种基于自然的技术，其资本和维护成本不高。此外，还可以实现资源和能源回收，例如从收获的生物量中生产有价值产品，或通过FTW与微生物燃料电池耦合发电。此外，FTW的显著优势在于其在水文条件变化下具有灵活性且无需占用土地。然而，FTW应用仍面临局限性和挑战，包括锚定不稳定性、维护需求、季节性变化、磷去除有限、潜在营养盐释放以及生态挑战（如入侵物种或毒素积累）（Rome等，2023）。具体而言，在水流湍流强度较高时，营养物质向植物生物量的吸收能力有所提高；然而，当湍流强度过大时，沉积物中的磷可能释放到水中（Qiao等，2022）。此外，当FTW覆盖面积大大扩展时，氧气向水体中的溶解受到限制，同时液体主体温度升高（Gogoi等，2026）。这些因素降低了FTW的污染物去除效率。此外，未能在适宜时期收获的大型水生植物生物量，在进入衰老期时会向水体中释放氮和磷。当大型水生植物进入衰败阶段时，叶片和嫩茎中的营养化合物会转移到下部器官，特别是根和根茎，随后被释放到水体中。而在生长阶段，大型水生植物吸收更多营养物质，因此定期收获植物对于实现FTW的良好性能是必要的（Samal等，2019）。Rome等（2023）的研究表明，FTW的安装改变了原生生态系统结构。对美国巴尔的摩、波士顿和芝加哥5-6年FTW的观察表明，FTW增加了小型淡水鱼和底栖无脊椎动物的数量，并减少了浮游动物的数量。值得注意的是，环带泥鱼——芝加哥的一种受威胁物种——的出现主要报告在FTW所在位置（Rome等，2023）。

FTW应用的一个担忧是微塑料污染，因为大多数浮性框架均由塑料制成。塑料浮动结构经常暴露于紫外（UV）辐射、化学物质、机械力和生物因素中；因此，这些结构会随时间推移向水体中释放微塑料（Zhang等，2021）。Lange等（2024）研究了浮动结构在紫外光（66.4 Wh m?2）照射下35天和70天内的塑料降解情况。结果表明，源自聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的浮动结构，其顶层表面的微塑料生成率为4.6 μg cm?2，而源自高密度聚乙烯（HDPE）的浮动结构则降至1.1 μg cm?2。然而，另一项研究报告称，当PET制成的FTW放置于池塘中1.5年后，在水体和水沉积物中未发现微塑料（Ziajahromi等，2020）。这两项研究观察结果之间的差异可能源于研究条件的不同。Ziajahromi等（2020）在真实池塘中进行调查，因此真实池塘的稀释作用可能影响微塑料含量。迄今为止，涉及FTW的微塑料污染研究有限；因此，尚不能完全评估此类污染。为防止微塑料污染，可采用天然材料（如竹子、五叶白千层）制作浮性框架，而非塑料管道或塑料浮块。

具有上述诸多优势，FTW技术在水和废水处理领域变得越来越普及。此外，FTW通过使用鸢尾（Iris pseudacorus）、美人蕉（Canna generalis）和雨久花（Pontederia cordata）等观赏物种还提升了景观美学（Vásquez等，2022）。因此，大量论文已对该技术进行了概述，以支持研究者更好地理解这一技术。先前的综述论文聚焦于FTW的污染物去除机制（Mao等，2023；Bista等，2025）、FTW系统中使用的水生植物物种（Vásquez等，2022；Vo等，2023）、影响FTW性能的因素（Sharma等，2021），以及FTW在各类废水处理中的应用（Shen等，2021；Mao等，2023）。这些研究也讨论了FTW技术的优势与不足；然而，在改善FTW在自然条件下相对较低的处理能力的方法方面，仍存在全面研究的不足。根附微生物的降解效率在很大程度上尚未被开发。因此，本综述论文旨在：（i）呈现FTW在废水处理中的应用现状及FTW在实际运行中遇到的挑战；（ii）聚焦于提出的一些改善FTW性能的解决方案，如FTW与微生物燃料电池耦合、FTW集成曝气和可再生能源，以及FTW与生物载体结合。

**片段摘要**

**浮性框架材料**

浮力是重要设计参数，有助于植物适应不同的水况，如允许FTW随潮汐变化上下浮动，减少风力和水流侵蚀对大型水生植物生长的影响（Shen等，2021；Rome等，2023）。浮性框架材料会影响系统的维护、植物稳定性和系统寿命。一般而言，框架材料分为两大类，包括……

**浮动处理湿地在水/废水处理中的应用**

FTW技术的污染物处理机制主要依赖于大型水生植物与微生物之间的共生相互作用，FTW已被广泛应用于面源污染处理。由于其灵活的配置，FTW可以以多种尺寸安装，适用于地表水（如池塘、湖泊、运河、河流）、雨水、农业径流、生活污水的处理，以及高污染……的后续处理（二级/三级处理单元）。

**混合式浮动处理湿地**

为提高FTW技术的处理性能，已提出多种解决方案。其中，FTW与微生物燃料电池（MFC）耦合、安装曝气和可再生能源系统以及补充生物载体在混合式FTW系统中较为流行。FTW-MFC及集成曝气的FTW的研究成果汇总于表2。

**结论**

总之，浮动处理湿地是一种环保的、基于自然的解决方案，可在不占用土地的情况下恢复城市和水体及工业水体。然而，要提升其固有的低效率，需要从传统系统转向混合系统。通过各种解决方案的集成，即利用微生物燃料电池（MFC）产生生物电能、通过人工曝气提高溶解氧浓度、以及补充生物载体以促进微生物多样性，成功地……

**作者贡献声明**

Ngoc-Hoa Pham：撰写——初稿、资源、形式分析、数据整理。Thi-Kim-Quyen Vo：撰写——初稿、验证、资源、项目管理、形式分析、数据整理。Pham-Yen-Nhi Tran：撰写——审阅与编辑、验证、资源、数据整理。Lan-Huong Luu：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、形式分析。Ky-Phuong-Ha Huynh：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源、构思。Piet N.L. Lens：

**利益冲突声明**

作者声明，不存在可能影响本文研究工作的已知经济利益冲突或个人关系。

**致谢**

本研究由越南国家科学技术发展基金会（NAFOSTED）资助，资助编号NCUD.02–2024.32。

Ngoc-Hoa Pham | Thi-Kim-Quyen Vo | Pham-Yen-Nhi Tran | Lan-Huong Luu | Ky-Phuong-Ha Huynh | Piet N.L. Lens | Xuan-Thanh Bui