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)?？吹焦ぷ魅藛T用各種方法對(duì)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(zhǎng)期有效地治理這個(gè)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(duì)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(zhǎng)度約35千米。在實(shí)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(shí)，水體富營(yíng)養(yǎng)化是指在人類活動(dòng)的影響下，導(dǎo)致水體中氮、磷營(yíng)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(cè)內(nèi)溝河水發(fā)出惡臭可能是由于水體富營(yíng)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(huì)用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對(duì)內(nèi)溝河的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)做出評(píng)價(jià)。管理處提供的數(shù)據(jù)證實(shí)了我的初步推測(cè)。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(yíng)養(yǎng)化開始。

3.水植箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

母體攜有太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能電池板控制器、蓄電池、單片機(jī)、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(gè)相對(duì)密閉的容器，下方有水槽，安裝一個(gè)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(jì)。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(yáng)能電池板充分吸收陽(yáng)光，通過太陽(yáng)能電池板控制器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)成電能存儲(chǔ)在蓄電池中，蓄電池給予整個(gè)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(yíng)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(dòng)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(jì)，用于檢測(cè)沉水式子體密閉容器內(nèi)的光吸收率，以實(shí)驗(yàn)測(cè)定為基礎(chǔ)，智能地通過測(cè)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(cè)到沉水式子體內(nèi)的光吸收率達(dá)到測(cè)定的臨界值時(shí)，單片機(jī)就控制4G模塊發(fā)送信號(hào)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(zhǎng)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(shí)收獲利用，能有效防止其因?yàn)榻醑偪竦姆种攴敝成L(zhǎng)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(yáng)能蓄電池，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全天候自動(dòng)運(yùn)行。該系統(tǒng)有一個(gè)母體和多個(gè)水植箱子體。母體安裝太陽(yáng)能電池板和蓄電池，使用清潔能源——太陽(yáng)能，保證系統(tǒng)用電充足。每個(gè)水植箱子體上都裝有光傳感器，它可以根據(jù)光強(qiáng)度判斷晝夜;白天時(shí)，太陽(yáng)光照射在水植箱體上，提供藻類生長(zhǎng)的陽(yáng)光及熱量，同時(shí)太陽(yáng)光也通過母體上的太陽(yáng)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(zhǎng)所需要的光照，實(shí)現(xiàn)裝置的全天候自動(dòng)可控養(yǎng)殖，提升水體富營(yíng)養(yǎng)化處理的效率。

（2）鼓勵(lì)藻類有序生長(zhǎng)，凈化、過濾富營(yíng)養(yǎng)化水體。以往整治水體富營(yíng)養(yǎng)化的方案大多是要控制藻類泛濫生長(zhǎng)，遏制水體富營(yíng)養(yǎng)化的惡性循環(huán)。但本項(xiàng)目的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)就在于反其道行之，充分利用藻類易養(yǎng)、易繁殖的優(yōu)勢(shì)，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(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的水體起到凈化及過濾的作用。

（3）改善水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀的同時(shí)，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(gè)，用于人為可控地種植其他適合治理富營(yíng)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(yíng)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(shí)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(yíng)養(yǎng)化問題，還可以在藻類活躍期就及時(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)資源的二次利用，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)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(yíng)養(yǎng)化問題。整個(gè)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(yíng)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(shí)驗(yàn)，通過60天的試用實(shí)驗(yàn)，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(yíng)養(yǎng)成分的含量，對(duì)內(nèi)溝河水起到過濾和凈化的作用。該項(xiàng)目已與泉州市西北洋滯洪排澇工程管理處簽訂了項(xiàng)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(cè)實(shí)驗(yàn)。