动态一体化天然浮岛治理湖泊污染的设计

吕竑均，李英杰，宋琪，黄静玲，万小琼

(华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070)



动态一体化天然浮岛治理湖泊污染的设计

吕竑均，李英杰，宋琪，黄静玲，万小琼

(华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070)

指出了治理湖泊污染的先锋植物凤眼莲的大规模使用受到限制的主要原因是由于其极易泛滥成灾，并且打捞困难、含水量极高。基于环境生态工程的原则和凤眼莲作为天然浮岛的特性，设计了天然一体化自动打捞装置。该设计理念是利用太阳能进行供能，压力传感器和自动收缩杆打捞凤眼莲并进行原位去水，利用螺旋桨动力结构使浮床移动到岸边并将打捞的凤眼莲进行后续利用。研究表明：该装置可以移动和反复使用。相比于当前使用人工浮岛，应用天然浮岛治理湖泊污染更为经济可行。而且凤眼莲的去污本领比芦苇、美人蕉等其他植物更强。在解决凤眼莲易泛滥成灾、打捞困难的难题的前提下为实现高效低成本治理湖泊富营养化、重金属污染等问题提供了新思路，并能够统筹生态效益、经济效益、社会效益和景观效益的协调发展。

凤眼莲；天然浮岛；自动一体化；生态修复

1 引言

《2015年中国环境状况公报》显示全国共有423条主要河流以及太湖、滇池和巢湖等62座重点湖泊(水库)，其中Ⅰ类水占2.8%，Ⅱ类水占31.4%，由上述数据可知国内大部分水域都已受到不同程度的污染。凤眼莲(Eichhorniacrassipes)，又称水葫芦，因去污能力强、能同时超积累多种重金属，且具有生长迅速、生物量大、生态适应能力较强等特点，通常被作为修复污染湖泊的先锋植物[1]。但由于凤眼莲的生长繁殖速度过快，且对其的监控和管理工作上存在着相应的难题，基于此，从环境生态工程的设计理念和原理出发，针对凤眼莲在治理湖泊污染中繁殖速度快、不易打捞的难题，设计了“动态一体化天然浮岛”模型，利用凤眼莲治理湖泊富营养化和减轻重金属污染并及时收集打捞凤眼莲，达到生态效益、经济效益和景观效益的有机结合和统一，为低成本治理湖泊污染提供新思路。

2 动态一体化天然浮岛装置介绍

将凤眼莲治理湖泊水体富营养化技术与生态工程理念进行有机结合。本着节能减排、绿色无污染的前提，动态一体化天然浮岛以凤眼莲的水质净化机理为原理治理水体富营养化，以清洁能源太阳能进行供能，并巧妙地运用自动伸缩杆、压力传感器等现代科技，同时也可以达到一定的景观效应。该装置主要分为3个结构区域：中间凤眼莲种植区、外围太阳能储能供能区和上方凤眼莲自动采摘区种植区的周围安装有4个自动伸缩杆，一端固定在安放处，另一端带有钩子与水下的网兜相连。压力传感器在每一个自动伸缩杆上都有安装，并由外围的太阳能电池板对其供电。

如图1和图2，中间的部分是凤眼莲种植区，装置中间的水面地下铺了一张很结实的网兜，上面种植着凤眼莲。外面的圆环即为太阳能储能供能区，内部安装了主板和确保该装置可以正常运行的各种程序(比如自启动螺旋桨、一键返回等)，并配备了电能储能供能装置，以确保该装置能够正常运行而不受天气影响。由于在设计的同时考虑到了装置本身的景观效应，将装置的外围设计成类似于花朵的形状，并且将太阳能电池板安装在外围类似于“花瓣”的上面，同时将其倾斜一定的角度，使其可以充分接收来自各个方向的太阳光。

图1 天然浮岛非工作状态(a)

图2 天然浮岛非工作状态(b)

运行时，首先将凤眼莲投放入中间的圆形种植区，利用凤眼莲的生长繁殖吸收水体中的N、P等富营养物质和重金属离子。当凤眼莲生长密度达到一定程度时，会压迫安置在边上的压力传感器，之后便会根据主板上写好的程序，启动自动伸缩杆向内向上伸长。等自动伸缩杆到达最大伸长长度和最高抬升高度时，原先设置在种植区水下的网兜便会被提升到水面以上(图3)，同时将种植区内所有的凤眼莲全部截留在里面。最后，启动装置下面的螺旋桨，将整个装置开到岸边，对打捞上来的凤眼莲进行回收处理，同时换上新的网兜，如此循环往复。

图3 天然浮岛工作状态

3 天然浮岛与人工浮岛的对比

天然浮岛与人工浮岛差异显著，主要体现在以下几个方面。一是所种植的植物的不同，人工浮岛一般种植的是景观类植物，如芦苇、美人蕉、香蒲、菖蒲、水麦冬、风车草、灯芯草等湿地植物[2]，这些植物的单株价格都较贵，且不易存活；而天然浮岛选用的植物为凤眼莲，不仅能够有效去除氮磷还具有较强去污能力[3]。二是所选用的固定材料不同，构建人工浮岛需对每一株植物进行固定，一般通过塑料模型来固定填充土壤以供其生长；而天然浮岛模型采用的是耐摩擦耐腐蚀的网兜结构，相比于人工浮岛，简单方便很多。三是运费，人工浮岛通常选用湿地植物，其生长所需土壤或基质、以及塑料模型往往在运费中占据很大的比重；相比之下，天然浮岛采用的是悬浮生长在水面的浮水植物凤眼莲，无需运输土壤及模型，能大大降低物流投资。四是管理的人工费用，在构建初期，人工浮岛的种植需要投入大量的人力物力以及管理，在植物生长成熟之后，还需要回收利用，此方面又需人力，人力的投入很大程度上增加了运行和维护成本；而动态一体化天然浮岛在种植时，只需将少量的凤眼莲放置在网中即可，因其生长繁殖力强，短时间内就会长满模型内部，触发压力传感器，使得模型开始运转，开启原位去水模式，在一键返回系统与螺旋桨的配合下返回岸边。

4 动态一体化天然浮岛优越性

该一体化天然浮岛采用的是一体式自动化的收集技术，目的是对凤眼莲生长过程进行有效的控制与管理，它解决了凤眼莲治理湖泊污染中最突出的问题——及时采收的困难性，对凤眼莲应用于治理水体富营养化和重金属污染的技术进行了改进，既能克服采收困难，又能提高水质净化能力。

此外，动态一体化天然浮岛模型应用了压力传感器、自动伸缩杆、太阳能电池等现代化科学技术，利用太阳能为机械自动化提供能源，利用压力传感器控制采摘时间并利用自动伸缩杆实现凤眼莲的自动打捞。并且为了更好的服务环境，不造成二次污染和能源浪费，其所有的动力设备能源均来自太阳能供能。而且该装置可移动性强，安装拆卸方便，可循环使用，能够节约成本跟资源。

该动态一体化天然浮岛治理湖泊污染模型是一项直接应用凤眼莲治理湖泊污染和修复水生生态的全新技术，不仅人工运行费用低，而且后期管理方便，实用性很强。采用这种一体式自动化收集技术不但操作简单还不会产生二次污染问题，能够给社会带来巨大的生态、经济、社会和景观效益。

5 后续利用

凤眼莲做为天然浮岛的纳污植物在经回收返回岸边后，可以参考生物质的后续利用，分别是“药用化、材料化、能源化、饲料化”；以下将从各点分别进行说明：一是可以利用沼气工程产业化技术、生物质气化及发电技术、生物质成型燃料技术、生物质非粮燃料乙醇技术、生物质生物柴油技术等技术对其进行能源化利用[4]；二是从养殖业出发，做成饲料用来喂养各种经济动物；三是与生活相关角度出发，硬化后用做家具的材料；四是从堆肥角度出发，可以将凤眼莲残渣做堆肥处理，既可以用作肥料，又可以用来饲养蚯蚓，后续可以用作循环农业等。

6 讨论与展望

动态一体化天然浮岛模型结合了协调与平衡原理、太阳能充分利用原理、无污染工艺原理、生态经济效益原理等生态工程理念，对凤眼莲治理水体富营养化和重金属污染的技术进行了改进和完善[5]。该模型实现了自动采收一体化，同时很好的解决了生态系统内的污染物处理，实现了污染零排放的治理模式，达到了生态效益、经济效益和景观效益的高度协调统一。另外，该全自动一体化收集打捞模式还打破了以往凤眼莲疯长难以控制和人工打捞困难的僵局，推动了现代化科学技术的研究和推广应用。

动态一体化天然浮岛是环境生态工程技术的推广应用，是借助生态系统，利用太阳能作为辅助能源对湖泊污染进行控制的技术，达到防止环境污染与提高经济效益和生态效益的一致性发展。此外，该动态一体化天然浮岛模型也为实现低成本高成效治理湖泊污染提供了一个很好的选择，为应用凤眼莲治理污染湖泊技术的优化改进指引了方向，有利于促进环境生态工程技术的进一步推广应用。

[1]传胜，吴智弘，朱 敏,等.凤眼莲动态模块化治理湖泊污染的设计[J].绿色科技，2014(8):227～228.

[2]陈德强，吴振斌，成水平,等.不同湿地组合工艺净化污水效果的比较[J].中国给水排水，2003(19):12～15.

[3]程康彦. 探索低成本治理城市湖泊污染的有效途径[C]∥中国环境科学学会.学术年会论文集.北京：科学出版社，2013.

[4]日本能源学会，生物质与生物能源手册[M].史仲平，华兆哲,译.北京:化学工业出版社，2007.

[5]白晓慧. 生态工程——原理及应用[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

国家自然科学基金(编号：41201510)

吕竑均(1995—)，男，华中农业大学资源与环境学院学生。

万小琼(1975—)，女，副教授，主要从事环境生物学与生物技术方面的教学与研究工作。

X703

A

1674-9944(2016)18-0054-03