一款治理古城内沟河水体富营养化的水植箱系统

黄梓清

1.研究缘起

我家附近有一条内沟河，每到夏季，整条河散发出阵阵恶臭，严重影响人们的生活。夏日里，经常看到工作人员用各种方法对这条内沟河进行整治，但成效都较为短暂。用什么方法能长期有效地治理这个问题，还内沟河一道靓丽的风景线？

2.成因初探

在老师的指导下，我对泉州市古城内沟河水质现状进行了调查研究，初步探究造成内沟河水质问题的可能原因。

泉州市地处福建省东南沿海，是一座历史悠久的城市。泉州市古城的内沟河始建于唐代，随着现代化城市的建设，一些内沟河逐渐被填埋或被改为暗沟，现有内沟河26条，总长度约35千米。在实地考察中发现部分内沟河段周边社区没有专用排污管道，居民将生活污水直接排到河中，造成内沟河水质恶化和河道淤积。

结合所学知识，水体富营养化是指在人类活动的影响下，导致水体中氮、磷营养盐含量过高，引发藻类及其他浮游生物过度繁殖而产生的一种水质污染现象，受污染的水通常呈现出绿色或蓝色。这与古城内沟河水的现状很相似，于是我推测内沟河水发出恶臭可能是由于水体富营养化导致的。

带着初步的想法，我采访了泉州市西北洋滞洪排涝工程管理处的工作人员，他们每年都会用综合营养状态指数法对内沟河的营养状态做出评价。管理处提供的数据证实了我的初步推测。通过访谈调查，我明确了要解决古城内沟河水质恶化的问题，首先要从治理水体富营养化开始。

3.水植箱系统设计

受到一款应用“ATS藻屏”技术的鱼缸启发，我设计了一款基于ATS藻屏技术治理内沟河水体富营养化的水植箱系统。该系统由一个母体和若干个子体构成（图1、图2）。

母体携有太阳能电池板、太阳能电池板控制器、蓄电池、单片机、4G模块、开关等（图3）。  子体分沉水式和浮水式两种（图4），它们都是一个相对密闭的容器，下方有水槽，安装一个水泵，上方盖子有许多小孔，盖子内侧安装LED灯、光传感器及光度计。其中沉水式子体内有多层过滤网，浮水式子体底部有利于固定根系的镂空的洞板。

4.系统工作原理

该系统的工作原理如图5所示。母体上的太阳能电池板充分吸收阳光，通过太阳能电池板控制器将太阳能转成电能存储在蓄电池中，蓄电池给予整个系统稳定供电。

沉水式子体过滤及放养水中现有的藻类;浮水式子体放养能吸收氮、磷等物质的水生植物，如大薸、凤眼莲等。子体下方的水泵不断工作，让内沟河的水不断进入子体内部，给子体内的藻类及水生植物提供营养元素。沉水式子体内的滤网选择由网眼800目（孔径15um）的尼龙网纱组成，孔径15um的网纱可过滤大部分藻类，过滤后的水则通过盖子上方的小孔自动溢出;浮水式子体底部装有镂空的洞板，利于将水生植物的根系牢牢锁在子体内。沉水式子体内安装光度计，用于检测沉水式子体密闭容器内的光吸收率，以实验测定为基础，智能地通过测得的光吸收率变化用于判断子体内藻类的生成情况。

当检测到沉水式子体内的光吸收率达到测定的临界值时，单片机就控制4G模块发送信号给工作人员，告知子体内的藻类可以进行收获，需要更换新滤网处理，预防其死亡造成水体二次污染的现象。

在浮水式水植箱内种植大薸、凤眼莲等浮水植物，浮水植物化感物质也具有抑制藻类爆发的作用;充分发挥浮水、沉水植物之间的协同增效作用， 可保持生态系统的长期稳定性和物种多样性。将大薸等浮水植物固定种植在浮水式子体中并及时收获利用，能有效防止其因为近乎疯狂的分株繁殖生长引发水体再次恶化。

5.水植箱系统应用效果

（1）安装光传感器和太阳能蓄电池，实现系统全天候自动运行。该系统有一个母体和多个水植箱子体。母体安装太阳能电池板和蓄电池，使用清洁能源——太阳能，保证系统用电充足。每个水植箱子体上都装有光传感器，它可以根据光强度判断昼夜;白天时，太阳光照射在水植箱体上，提供藻类生长的阳光及热量，同时太阳光也通过母体上的太阳能板能给蓄电池充电;夜间，水植箱子体内部的LED灯可消耗母体的电能，继续提供藻类生长所需要的光照，实现装置的全天候自动可控养殖，提升水体富营养化处理的效率。

（2）鼓励藻类有序生长，净化、过滤富营养化水体。以往整治水体富营养化的方案大多是要控制藻类泛滥生长，遏制水体富营养化的恶性循环。但本项目的创新优势就在于反其道行之，充分利用藻类易养、易繁殖的优势，在带有水泵及过滤功能的水植箱中进行人为可控、有序地养殖，对富营养化的水体起到净化及过滤的作用。

（3）改善水体富营养化现状的同时，成为古城中一道靓丽的风景线。除了养殖水中过滤的藻类，子体水植箱还可以复制多个，用于人为可控地种植其他适合治理富营养化水体的水生植物，如大薸、凤眼莲、狐尾草等。不仅可以改善水体富营养化现状，还可以美化城市内沟河的环境，成为古城中一道靓丽的风景线，符合泉州市内沟河整治“河畅、水清、岸绿、景美、宜居”的建设目标。

（4）实现环境效益和经济效益的协调统一。该系统不仅可以处理水体富营养化问题，还可以在藻类活跃期就及时收割，收获后的藻类可利用现有成熟的技术，作为城乡园林绿化的肥料、提炼石油、养殖畜牧等，形成一个完整的生态闭环，收获的大薸也可作为青饲料、肥料等，可实现资源的二次利用，产生经济效益，实现环境效益和经济效益的协调统一。

该系统采用的是物理和生物结合的方法处理水体富营养化问题。整个系统的成本較低，人工投入少，适用于治理泉州市古城内沟河的水体富营养化问题。

目前，该系统已经完成了两代产品的制作和实验，通过60天的试用实验，初步判定该系统可以有效清除120升内沟河水里的藻类，降低水中氮、磷等富营养成分的含量，对内沟河水起到过滤和净化的作用。该项目已与泉州市西北洋滞洪排涝工程管理处签订了项目合作意向书，下一步将安装试用于我家附近的内沟河段，进一步开展更科学、更精密的监测实验。