一款治理古城內(nèi)溝河水體富營養(yǎng)化的水植箱系統(tǒng)

黃梓清

1.研究緣起

我家附近有一條內(nèi)溝河，每到夏季，整條河散發(fā)出陣陣惡臭，嚴(yán)重影響人們的生活。夏日里，經(jīng)常看到工作人員用各種方法對這條內(nèi)溝河進(jìn)行整治，但成效都較為短暫。用什么方法能長期有效地治理這個問題，還內(nèi)溝河一道靚麗的風(fēng)景線？

2.成因初探

在老師的指導(dǎo)下，我對泉州市古城內(nèi)溝河水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究，初步探究造成內(nèi)溝河水質(zhì)問題的可能原因。

泉州市地處福建省東南沿海，是一座歷史悠久的城市。泉州市古城的內(nèi)溝河始建于唐代，隨著現(xiàn)代化城市的建設(shè)，一些內(nèi)溝河逐漸被填埋或被改為暗溝，現(xiàn)有內(nèi)溝河26條，總長度約35千米。在實地考察中發(fā)現(xiàn)部分內(nèi)溝河段周邊社區(qū)沒有專用排污管道，居民將生活污水直接排到河中，造成內(nèi)溝河水質(zhì)惡化和河道淤積。

結(jié)合所學(xué)知識，水體富營養(yǎng)化是指在人類活動的影響下，導(dǎo)致水體中氮、磷營養(yǎng)鹽含量過高，引發(fā)藻類及其他浮游生物過度繁殖而產(chǎn)生的一種水質(zhì)污染現(xiàn)象，受污染的水通常呈現(xiàn)出綠色或藍(lán)色。這與古城內(nèi)溝河水的現(xiàn)狀很相似，于是我推測內(nèi)溝河水發(fā)出惡臭可能是由于水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致的。

帶著初步的想法，我采訪了泉州市西北洋滯洪排澇工程管理處的工作人員，他們每年都會用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對內(nèi)溝河的營養(yǎng)狀態(tài)做出評價。管理處提供的數(shù)據(jù)證實了我的初步推測。通過訪談?wù){(diào)查，我明確了要解決古城內(nèi)溝河水質(zhì)惡化的問題，首先要從治理水體富營養(yǎng)化開始。

3.水植箱系統(tǒng)設(shè)計

受到一款應(yīng)用“ATS藻屏”技術(shù)的魚缸啟發(fā)，我設(shè)計了一款基于ATS藻屏技術(shù)治理內(nèi)溝河水體富營養(yǎng)化的水植箱系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個母體和若干個子體構(gòu)成（圖1、圖2）。

母體攜有太陽能電池板、太陽能電池板控制器、蓄電池、單片機、4G模塊、開關(guān)等（圖3）。 ?子體分沉水式和浮水式兩種（圖4），它們都是一個相對密閉的容器，下方有水槽，安裝一個水泵，上方蓋子有許多小孔，蓋子內(nèi)側(cè)安裝LED燈、光傳感器及光度計。其中沉水式子體內(nèi)有多層過濾網(wǎng)，浮水式子體底部有利于固定根系的鏤空的洞板。

4.系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。母體上的太陽能電池板充分吸收陽光，通過太陽能電池板控制器將太陽能轉(zhuǎn)成電能存儲在蓄電池中，蓄電池給予整個系統(tǒng)穩(wěn)定供電。

沉水式子體過濾及放養(yǎng)水中現(xiàn)有的藻類;浮水式子體放養(yǎng)能吸收氮、磷等物質(zhì)的水生植物，如大薸、鳳眼蓮等。子體下方的水泵不斷工作，讓內(nèi)溝河的水不斷進(jìn)入子體內(nèi)部，給子體內(nèi)的藻類及水生植物提供營養(yǎng)元素。沉水式子體內(nèi)的濾網(wǎng)選擇由網(wǎng)眼800目（孔徑15um）的尼龍網(wǎng)紗組成，孔徑15um的網(wǎng)紗可過濾大部分藻類，過濾后的水則通過蓋子上方的小孔自動溢出;浮水式子體底部裝有鏤空的洞板，利于將水生植物的根系牢牢鎖在子體內(nèi)。沉水式子體內(nèi)安裝光度計，用于檢測沉水式子體密閉容器內(nèi)的光吸收率，以實驗測定為基礎(chǔ)，智能地通過測得的光吸收率變化用于判斷子體內(nèi)藻類的生成情況。

當(dāng)檢測到沉水式子體內(nèi)的光吸收率達(dá)到測定的臨界值時，單片機就控制4G模塊發(fā)送信號給工作人員，告知子體內(nèi)的藻類可以進(jìn)行收獲，需要更換新濾網(wǎng)處理，預(yù)防其死亡造成水體二次污染的現(xiàn)象。

在浮水式水植箱內(nèi)種植大薸、鳳眼蓮等浮水植物，浮水植物化感物質(zhì)也具有抑制藻類爆發(fā)的作用;充分發(fā)揮浮水、沉水植物之間的協(xié)同增效作用， 可保持生態(tài)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和物種多樣性。將大薸等浮水植物固定種植在浮水式子體中并及時收獲利用，能有效防止其因為近乎瘋狂的分株繁殖生長引發(fā)水體再次惡化。

5.水植箱系統(tǒng)應(yīng)用效果

（1）安裝光傳感器和太陽能蓄電池，實現(xiàn)系統(tǒng)全天候自動運行。該系統(tǒng)有一個母體和多個水植箱子體。母體安裝太陽能電池板和蓄電池，使用清潔能源——太陽能，保證系統(tǒng)用電充足。每個水植箱子體上都裝有光傳感器，它可以根據(jù)光強度判斷晝夜;白天時，太陽光照射在水植箱體上，提供藻類生長的陽光及熱量，同時太陽光也通過母體上的太陽能板能給蓄電池充電;夜間，水植箱子體內(nèi)部的LED燈可消耗母體的電能，繼續(xù)提供藻類生長所需要的光照，實現(xiàn)裝置的全天候自動可控養(yǎng)殖，提升水體富營養(yǎng)化處理的效率。

（2）鼓勵藻類有序生長，凈化、過濾富營養(yǎng)化水體。以往整治水體富營養(yǎng)化的方案大多是要控制藻類泛濫生長，遏制水體富營養(yǎng)化的惡性循環(huán)。但本項目的創(chuàng)新優(yōu)勢就在于反其道行之，充分利用藻類易養(yǎng)、易繁殖的優(yōu)勢，在帶有水泵及過濾功能的水植箱中進(jìn)行人為可控、有序地養(yǎng)殖，對富營養(yǎng)化的水體起到凈化及過濾的作用。

（3）改善水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀的同時，成為古城中一道靚麗的風(fēng)景線。除了養(yǎng)殖水中過濾的藻類，子體水植箱還可以復(fù)制多個，用于人為可控地種植其他適合治理富營養(yǎng)化水體的水生植物，如大薸、鳳眼蓮、狐尾草等。不僅可以改善水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀，還可以美化城市內(nèi)溝河的環(huán)境，成為古城中一道靚麗的風(fēng)景線，符合泉州市內(nèi)溝河整治“河暢、水清、岸綠、景美、宜居”的建設(shè)目標(biāo)。

（4）實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。該系統(tǒng)不僅可以處理水體富營養(yǎng)化問題，還可以在藻類活躍期就及時收割，收獲后的藻類可利用現(xiàn)有成熟的技術(shù)，作為城鄉(xiāng)園林綠化的肥料、提煉石油、養(yǎng)殖畜牧等，形成一個完整的生態(tài)閉環(huán)，收獲的大薸也可作為青飼料、肥料等，可實現(xiàn)資源的二次利用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

該系統(tǒng)采用的是物理和生物結(jié)合的方法處理水體富營養(yǎng)化問題。整個系統(tǒng)的成本較低，人工投入少，適用于治理泉州市古城內(nèi)溝河的水體富營養(yǎng)化問題。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)完成了兩代產(chǎn)品的制作和實驗，通過60天的試用實驗，初步判定該系統(tǒng)可以有效清除120升內(nèi)溝河水里的藻類，降低水中氮、磷等富營養(yǎng)成分的含量，對內(nèi)溝河水起到過濾和凈化的作用。該項目已與泉州市西北洋滯洪排澇工程管理處簽訂了項目合作意向書，下一步將安裝試用于我家附近的內(nèi)溝河段，進(jìn)一步開展更科學(xué)、更精密的監(jiān)測實驗。