動態(tài)一體化天然浮島治理湖泊污染的設計

呂竑均，李英杰，宋琪，黃靜玲，萬小瓊

(華中農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430070)

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動態(tài)一體化天然浮島治理湖泊污染的設計

呂竑均，李英杰，宋琪，黃靜玲，萬小瓊

(華中農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430070)

指出了治理湖泊污染的先鋒植物鳳眼蓮的大規(guī)模使用受到限制的主要原因是由于其極易泛濫成災，并且打撈困難、含水量極高。基于環(huán)境生態(tài)工程的原則和鳳眼蓮作為天然浮島的特性，設計了天然一體化自動打撈裝置。該設計理念是利用太陽能進行供能，壓力傳感器和自動收縮桿打撈鳳眼蓮并進行原位去水，利用螺旋槳動力結構使浮床移動到岸邊并將打撈的鳳眼蓮進行后續(xù)利用。研究表明：該裝置可以移動和反復使用。相比于當前使用人工浮島，應用天然浮島治理湖泊污染更為經濟可行。而且鳳眼蓮的去污本領比蘆葦、美人蕉等其他植物更強。在解決鳳眼蓮易泛濫成災、打撈困難的難題的前提下為實現高效低成本治理湖泊富營養(yǎng)化、重金屬污染等問題提供了新思路，并能夠統(tǒng)籌生態(tài)效益、經濟效益、社會效益和景觀效益的協(xié)調發(fā)展。

鳳眼蓮；天然浮島；自動一體化；生態(tài)修復

1 引言

《2015年中國環(huán)境狀況公報》顯示全國共有423條主要河流以及太湖、滇池和巢湖等62座重點湖泊(水庫)，其中Ⅰ類水占2.8%，Ⅱ類水占31.4%，由上述數據可知國內大部分水域都已受到不同程度的污染。鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)，又稱水葫蘆，因去污能力強、能同時超積累多種重金屬，且具有生長迅速、生物量大、生態(tài)適應能力較強等特點，通常被作為修復污染湖泊的先鋒植物[1]。但由于鳳眼蓮的生長繁殖速度過快，且對其的監(jiān)控和管理工作上存在著相應的難題，基于此，從環(huán)境生態(tài)工程的設計理念和原理出發(fā)，針對鳳眼蓮在治理湖泊污染中繁殖速度快、不易打撈的難題，設計了“動態(tài)一體化天然浮島”模型，利用鳳眼蓮治理湖泊富營養(yǎng)化和減輕重金屬污染并及時收集打撈鳳眼蓮，達到生態(tài)效益、經濟效益和景觀效益的有機結合和統(tǒng)一，為低成本治理湖泊污染提供新思路。

2 動態(tài)一體化天然浮島裝置介紹

將鳳眼蓮治理湖泊水體富營養(yǎng)化技術與生態(tài)工程理念進行有機結合。本著節(jié)能減排、綠色無污染的前提，動態(tài)一體化天然浮島以鳳眼蓮的水質凈化機理為原理治理水體富營養(yǎng)化，以清潔能源太陽能進行供能，并巧妙地運用自動伸縮桿、壓力傳感器等現代科技，同時也可以達到一定的景觀效應。該裝置主要分為3個結構區(qū)域：中間鳳眼蓮種植區(qū)、外圍太陽能儲能供能區(qū)和上方鳳眼蓮自動采摘區(qū)種植區(qū)的周圍安裝有4個自動伸縮桿，一端固定在安放處，另一端帶有鉤子與水下的網兜相連。壓力傳感器在每一個自動伸縮桿上都有安裝，并由外圍的太陽能電池板對其供電。

如圖1和圖2，中間的部分是鳳眼蓮種植區(qū)，裝置中間的水面地下鋪了一張很結實的網兜，上面種植著鳳眼蓮。外面的圓環(huán)即為太陽能儲能供能區(qū)，內部安裝了主板和確保該裝置可以正常運行的各種程序(比如自啟動螺旋槳、一鍵返回等)，并配備了電能儲能供能裝置，以確保該裝置能夠正常運行而不受天氣影響。由于在設計的同時考慮到了裝置本身的景觀效應，將裝置的外圍設計成類似于花朵的形狀，并且將太陽能電池板安裝在外圍類似于“花瓣”的上面，同時將其傾斜一定的角度，使其可以充分接收來自各個方向的太陽光。

圖1 天然浮島非工作狀態(tài)(a)

圖2 天然浮島非工作狀態(tài)(b)

運行時，首先將鳳眼蓮投放入中間的圓形種植區(qū)，利用鳳眼蓮的生長繁殖吸收水體中的N、P等富營養(yǎng)物質和重金屬離子。當鳳眼蓮生長密度達到一定程度時，會壓迫安置在邊上的壓力傳感器，之后便會根據主板上寫好的程序，啟動自動伸縮桿向內向上伸長。等自動伸縮桿到達最大伸長長度和最高抬升高度時，原先設置在種植區(qū)水下的網兜便會被提升到水面以上(圖3)，同時將種植區(qū)內所有的鳳眼蓮全部截留在里面。最后，啟動裝置下面的螺旋槳，將整個裝置開到岸邊，對打撈上來的鳳眼蓮進行回收處理，同時換上新的網兜，如此循環(huán)往復。

圖3 天然浮島工作狀態(tài)

3 天然浮島與人工浮島的對比

天然浮島與人工浮島差異顯著，主要體現在以下幾個方面。一是所種植的植物的不同，人工浮島一般種植的是景觀類植物，如蘆葦、美人蕉、香蒲、菖蒲、水麥冬、風車草、燈芯草等濕地植物[2]，這些植物的單株價格都較貴，且不易存活；而天然浮島選用的植物為鳳眼蓮，不僅能夠有效去除氮磷還具有較強去污能力[3]。二是所選用的固定材料不同，構建人工浮島需對每一株植物進行固定，一般通過塑料模型來固定填充土壤以供其生長；而天然浮島模型采用的是耐摩擦耐腐蝕的網兜結構，相比于人工浮島，簡單方便很多。三是運費，人工浮島通常選用濕地植物，其生長所需土壤或基質、以及塑料模型往往在運費中占據很大的比重；相比之下，天然浮島采用的是懸浮生長在水面的浮水植物鳳眼蓮，無需運輸土壤及模型，能大大降低物流投資。四是管理的人工費用，在構建初期，人工浮島的種植需要投入大量的人力物力以及管理，在植物生長成熟之后，還需要回收利用，此方面又需人力，人力的投入很大程度上增加了運行和維護成本；而動態(tài)一體化天然浮島在種植時，只需將少量的鳳眼蓮放置在網中即可，因其生長繁殖力強，短時間內就會長滿模型內部，觸發(fā)壓力傳感器，使得模型開始運轉，開啟原位去水模式，在一鍵返回系統(tǒng)與螺旋槳的配合下返回岸邊。

4 動態(tài)一體化天然浮島優(yōu)越性

該一體化天然浮島采用的是一體式自動化的收集技術，目的是對鳳眼蓮生長過程進行有效的控制與管理，它解決了鳳眼蓮治理湖泊污染中最突出的問題——及時采收的困難性，對鳳眼蓮應用于治理水體富營養(yǎng)化和重金屬污染的技術進行了改進，既能克服采收困難，又能提高水質凈化能力。

此外，動態(tài)一體化天然浮島模型應用了壓力傳感器、自動伸縮桿、太陽能電池等現代化科學技術，利用太陽能為機械自動化提供能源，利用壓力傳感器控制采摘時間并利用自動伸縮桿實現鳳眼蓮的自動打撈。并且為了更好的服務環(huán)境，不造成二次污染和能源浪費，其所有的動力設備能源均來自太陽能供能。而且該裝置可移動性強，安裝拆卸方便，可循環(huán)使用，能夠節(jié)約成本跟資源。

該動態(tài)一體化天然浮島治理湖泊污染模型是一項直接應用鳳眼蓮治理湖泊污染和修復水生生態(tài)的全新技術，不僅人工運行費用低，而且后期管理方便，實用性很強。采用這種一體式自動化收集技術不但操作簡單還不會產生二次污染問題，能夠給社會帶來巨大的生態(tài)、經濟、社會和景觀效益。

5 后續(xù)利用

鳳眼蓮做為天然浮島的納污植物在經回收返回岸邊后，可以參考生物質的后續(xù)利用，分別是“藥用化、材料化、能源化、飼料化”；以下將從各點分別進行說明：一是可以利用沼氣工程產業(yè)化技術、生物質氣化及發(fā)電技術、生物質成型燃料技術、生物質非糧燃料乙醇技術、生物質生物柴油技術等技術對其進行能源化利用[4]；二是從養(yǎng)殖業(yè)出發(fā)，做成飼料用來喂養(yǎng)各種經濟動物；三是與生活相關角度出發(fā)，硬化后用做家具的材料；四是從堆肥角度出發(fā)，可以將鳳眼蓮殘渣做堆肥處理，既可以用作肥料，又可以用來飼養(yǎng)蚯蚓，后續(xù)可以用作循環(huán)農業(yè)等。

6 討論與展望

動態(tài)一體化天然浮島模型結合了協(xié)調與平衡原理、太陽能充分利用原理、無污染工藝原理、生態(tài)經濟效益原理等生態(tài)工程理念，對鳳眼蓮治理水體富營養(yǎng)化和重金屬污染的技術進行了改進和完善[5]。該模型實現了自動采收一體化，同時很好的解決了生態(tài)系統(tǒng)內的污染物處理，實現了污染零排放的治理模式，達到了生態(tài)效益、經濟效益和景觀效益的高度協(xié)調統(tǒng)一。另外，該全自動一體化收集打撈模式還打破了以往鳳眼蓮瘋長難以控制和人工打撈困難的僵局，推動了現代化科學技術的研究和推廣應用。

動態(tài)一體化天然浮島是環(huán)境生態(tài)工程技術的推廣應用，是借助生態(tài)系統(tǒng)，利用太陽能作為輔助能源對湖泊污染進行控制的技術，達到防止環(huán)境污染與提高經濟效益和生態(tài)效益的一致性發(fā)展。此外，該動態(tài)一體化天然浮島模型也為實現低成本高成效治理湖泊污染提供了一個很好的選擇，為應用鳳眼蓮治理污染湖泊技術的優(yōu)化改進指引了方向，有利于促進環(huán)境生態(tài)工程技術的進一步推廣應用。

[1]傳勝，吳智弘，朱 敏,等.鳳眼蓮動態(tài)模塊化治理湖泊污染的設計[J].綠色科技，2014(8):227～228.

[2]陳德強，吳振斌，成水平,等.不同濕地組合工藝凈化污水效果的比較[J].中國給水排水，2003(19):12～15.

[3]程康彥. 探索低成本治理城市湖泊污染的有效途徑[C]∥中國環(huán)境科學學會.學術年會論文集.北京：科學出版社，2013.

[4]日本能源學會，生物質與生物能源手冊[M].史仲平，華兆哲,譯.北京:化學工業(yè)出版社，2007.

[5]白曉慧. 生態(tài)工程——原理及應用[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

Design of Automatic Integrated Natural Floating Bed Focusing on the Control of Lake Pollution

Lü Hongjun, Li Yingjie, Song Qi, Huang Jingling, Wan Xiaoqiong

(CollegeofRecoursesandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan,Hubei430000)

This paper pointed out thatEichhorniacrassipes, as the pioneer of the plantsthatplay important roles on the control of lake pollution, are limited in application. The main reason is that this kind of plant is easy to overrun and difficult to harvestdue to exactly high water content. However, the plant is still the ideal natural floating bed for water pollution control. In terms of the principles and concepts of Ecological Engineering of Environment, a natural integrated automatic fishing device was designed. This design concept focused on the topic ofusing solar energy as power supply, using pressure transducer and automatic telescopic rod to collectEichhorniacrassipesand remove moisture, and using propeller to drive the device to lakeshore. The device featuredboth excellent mobilityand reuse. Taking advantage of the natural floating bed for the control of lake pollution was more economical and feasible compared with artificial floating bed at present, andEichhorniacrassipesisbetter in solving contamination than other plant, such as Reed or Canna Indica. Based on solving the problems of overrunning easily and refloating difficultly, this idea provided a new effective and economical method on lake eutrophication control and heavy mental pollution, achieving the harmonization and unification in ecological, economic, social and landscape benefits.

Eichhorniacrassipes; naturalfloating bed; automatic integration; ecological restoration

2016-07-27

國家自然科學基金(編號：41201510)

呂竑均(1995—)，男，華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院學生。

萬小瓊(1975—)，女，副教授，主要從事環(huán)境生物學與生物技術方面的教學與研究工作。

X703

A

1674-9944(2016)18-0054-03