呂竑均，李英杰，宋琪，黃靜玲，萬小瓊

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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動(dòng)態(tài)一體化天然浮島治理湖泊污染的設(shè)計(jì)

呂竑均，李英杰，宋琪，黃靜玲，萬小瓊

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)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(zāi)，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(shè)計(jì)了天然一體化自動(dòng)打撈裝置。該設(shè)計(jì)理念是利用太陽能進(jìn)行供能，壓力傳感器和自動(dòng)收縮桿打撈鳳眼蓮并進(jìn)行原位去水，利用螺旋槳?jiǎng)恿Y(jié)構(gòu)使浮床移動(dòng)到岸邊并將打撈的鳳眼蓮進(jìn)行后續(xù)利用。研究表明：該裝置可以移動(dòng)和反復(fù)使用。相比于當(dāng)前使用人工浮島，應(yīng)用天然浮島治理湖泊污染更為經(jīng)濟(jì)可行。而且鳳眼蓮的去污本領(lǐng)比蘆葦、美人蕉等其他植物更強(qiáng)。在解決鳳眼蓮易泛濫成災(zāi)、打撈困難的難題的前提下為實(shí)現(xiàn)高效低成本治理湖泊富營(yíng)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(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和景觀效益的協(xié)調(diào)發(fā)展。

鳳眼蓮；天然浮島；自動(dòng)一體化；生態(tài)修復(fù)

1 引言

《2015年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示全國(guó)共有423條主要河流以及太湖、滇池和巢湖等62座重點(diǎn)湖泊(水庫)，其中Ⅰ類水占2.8%，Ⅱ類水占31.4%，由上述數(shù)據(jù)可知國(guó)內(nèi)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(qiáng)、能同時(shí)超積累多種重金屬，且具有生長(zhǎng)迅速、生物量大、生態(tài)適應(yīng)能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，通常被作為修復(fù)污染湖泊的先鋒植物[1]。但由于鳳眼蓮的生長(zhǎng)繁殖速度過快，且對(duì)其的監(jiān)控和管理工作上存在著相應(yīng)的難題，基于此，從環(huán)境生態(tài)工程的設(shè)計(jì)理念和原理出發(fā)，針對(duì)鳳眼蓮在治理湖泊污染中繁殖速度快、不易打撈的難題，設(shè)計(jì)了“動(dòng)態(tài)一體化天然浮島”模型，利用鳳眼蓮治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和減輕重金屬污染并及時(shí)收集打撈鳳眼蓮，達(dá)到生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和景觀效益的有機(jī)結(jié)合和統(tǒng)一，為低成本治理湖泊污染提供新思路。

2 動(dòng)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(yíng)養(yǎng)化技術(shù)與生態(tài)工程理念進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。本著節(jié)能減排、綠色無污染的前提，動(dòng)態(tài)一體化天然浮島以鳳眼蓮的水質(zhì)凈化機(jī)理為原理治理水體富營(yíng)養(yǎng)化，以清潔能源太陽能進(jìn)行供能，并巧妙地運(yùn)用自動(dòng)伸縮桿、壓力傳感器等現(xiàn)代科技，同時(shí)也可以達(dá)到一定的景觀效應(yīng)。該裝置主要分為3個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域：中間鳳眼蓮種植區(qū)、外圍太陽能儲(chǔ)能供能區(qū)和上方鳳眼蓮自動(dòng)采摘區(qū)種植區(qū)的周圍安裝有4個(gè)自動(dòng)伸縮桿，一端固定在安放處，另一端帶有鉤子與水下的網(wǎng)兜相連。壓力傳感器在每一個(gè)自動(dòng)伸縮桿上都有安裝，并由外圍的太陽能電池板對(duì)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(jié)實(shí)的網(wǎng)兜，上面種植著鳳眼蓮。外面的圓環(huán)即為太陽能儲(chǔ)能供能區(qū)，內(nèi)部安裝了主板和確保該裝置可以正常運(yùn)行的各種程序(比如自啟動(dòng)螺旋槳、一鍵返回等)，并配備了電能儲(chǔ)能供能裝置，以確保該裝置能夠正常運(yùn)行而不受天氣影響。由于在設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮到了裝置本身的景觀效應(yīng)，將裝置的外圍設(shè)計(jì)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(shí)將其傾斜一定的角度，使其可以充分接收來自各個(gè)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(yùn)行時(shí)，首先將鳳眼蓮?fù)斗湃胫虚g的圓形種植區(qū)，利用鳳眼蓮的生長(zhǎng)繁殖吸收水體中的N、P等富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和重金屬離子。當(dāng)鳳眼蓮生長(zhǎng)密度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)壓迫安置在邊上的壓力傳感器，之后便會(huì)根據(jù)主板上寫好的程序，啟動(dòng)自動(dòng)伸縮桿向內(nèi)向上伸長(zhǎng)。等自動(dòng)伸縮桿到達(dá)最大伸長(zhǎng)長(zhǎng)度和最高抬升高度時(shí)，原先設(shè)置在種植區(qū)水下的網(wǎng)兜便會(huì)被提升到水面以上(圖3)，同時(shí)將種植區(qū)內(nèi)所有的鳳眼蓮全部截留在里面。最后，啟動(dòng)裝置下面的螺旋槳，將整個(gè)裝置開到岸邊，對(duì)打撈上來的鳳眼蓮進(jìn)行回收處理，同時(shí)換上新的網(wǎng)兜，如此循環(huán)往復(fù)。

圖3 天然浮島工作狀態(tài)

3 天然浮島與人工浮島的對(duì)比

天然浮島與人工浮島差異顯著，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(fēng)車草、燈芯草等濕地植物[2]，這些植物的單株價(jià)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(qiáng)去污能力[3]。二是所選用的固定材料不同，構(gòu)建人工浮島需對(duì)每一株植物進(jìn)行固定，一般通過塑料模型來固定填充土壤以供其生長(zhǎng)；而天然浮島模型采用的是耐摩擦耐腐蝕的網(wǎng)兜結(jié)構(gòu)，相比于人工浮島，簡(jiǎn)單方便很多。三是運(yùn)費(fèi)，人工浮島通常選用濕地植物，其生長(zhǎng)所需土壤或基質(zhì)、以及塑料模型往往在運(yùn)費(fèi)中占據(jù)很大的比重；相比之下，天然浮島采用的是懸浮生長(zhǎng)在水面的浮水植物鳳眼蓮，無需運(yùn)輸土壤及模型，能大大降低物流投資。四是管理的人工費(fèi)用，在構(gòu)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(zhǎng)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(yùn)行和維護(hù)成本；而動(dòng)態(tài)一體化天然浮島在種植時(shí)，只需將少量的鳳眼蓮放置在網(wǎng)中即可，因其生長(zhǎng)繁殖力強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)長(zhǎng)滿模型內(nèi)部，觸發(fā)壓力傳感器，使得模型開始運(yùn)轉(zhuǎn)，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(dòng)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(dòng)化的收集技術(shù)，目的是對(duì)鳳眼蓮生長(zhǎng)過程進(jìn)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(shí)采收的困難性，對(duì)鳳眼蓮應(yīng)用于治理水體富營(yíng)養(yǎng)化和重金屬污染的技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，既能克服采收困難，又能提高水質(zhì)凈化能力。

此外，動(dòng)態(tài)一體化天然浮島模型應(yīng)用了壓力傳感器、自動(dòng)伸縮桿、太陽能電池等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，利用太陽能為機(jī)械自動(dòng)化提供能源，利用壓力傳感器控制采摘時(shí)間并利用自動(dòng)伸縮桿實(shí)現(xiàn)鳳眼蓮的自動(dòng)打撈。并且為了更好的服務(wù)環(huán)境，不造成二次污染和能源浪費(fèi)，其所有的動(dòng)力設(shè)備能源均來自太陽能供能。而且該裝置可移動(dòng)性強(qiáng)，安裝拆卸方便，可循環(huán)使用，能夠節(jié)約成本跟資源。

該動(dòng)態(tài)一體化天然浮島治理湖泊污染模型是一項(xiàng)直接應(yīng)用鳳眼蓮治理湖泊污染和修復(fù)水生生態(tài)的全新技術(shù)，不僅人工運(yùn)行費(fèi)用低，而且后期管理方便，實(shí)用性很強(qiáng)。采用這種一體式自動(dòng)化收集技術(shù)不但操作簡(jiǎn)單還不會(huì)產(chǎn)生二次污染問題，能夠給社會(huì)帶來巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(jīng)回收返回岸邊后，可以參考生物質(zhì)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(diǎn)分別進(jìn)行說明：一是可以利用沼氣工程產(chǎn)業(yè)化技術(shù)、生物質(zhì)氣化及發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)成型燃料技術(shù)、生物質(zhì)非糧燃料乙醇技術(shù)、生物質(zhì)生物柴油技術(shù)等技術(shù)對(duì)其進(jìn)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(jīng)濟(jì)動(dòng)物；三是與生活相關(guān)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?jiān)龆逊侍幚恚瓤梢杂米鞣柿希挚梢杂脕盹曫B(yǎng)蚯蚓，后續(xù)可以用作循環(huán)農(nóng)業(yè)等。

6 討論與展望

動(dòng)態(tài)一體化天然浮島模型結(jié)合了協(xié)調(diào)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(jīng)濟(jì)效益原理等生態(tài)工程理念，對(duì)鳳眼蓮治理水體富營(yíng)養(yǎng)化和重金屬污染的技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)和完善[5]。該模型實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)采收一體化，同時(shí)很好的解決了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的污染物處理，實(shí)現(xiàn)了污染零排放的治理模式，達(dá)到了生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和景觀效益的高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一。另外，該全自動(dòng)一體化收集打撈模式還打破了以往鳳眼蓮瘋長(zhǎng)難以控制和人工打撈困難的僵局，推動(dòng)了現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)一體化天然浮島是環(huán)境生態(tài)工程技術(shù)的推廣應(yīng)用，是借助生態(tài)系統(tǒng)，利用太陽能作為輔助能源對(duì)湖泊污染進(jìn)行控制的技術(shù)，達(dá)到防止環(huán)境污染與提高經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的一致性發(fā)展。此外，該動(dòng)態(tài)一體化天然浮島模型也為實(shí)現(xiàn)低成本高成效治理湖泊污染提供了一個(gè)很好的選擇，為應(yīng)用鳳眼蓮治理污染湖泊技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)指引了方向，有利于促進(jìn)環(huán)境生態(tài)工程技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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

[2]陳德強(qiáng)，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(guó)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(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：科學(xué)出版社，2013.

[4]日本能源學(xué)會(huì)，生物質(zhì)與生物能源手冊(cè)[M].史仲平，華兆哲,譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]白曉慧. 生態(tài)工程——原理及應(yīng)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(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41201510)

呂竑均(1995—)，男，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院學(xué)生。

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

X703

A

1674-9944(2016)18-0054-03