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C16 · 可持续发展 · 第十六节

营养盐的循环魔法

搭建微型人工湿地,净化蓝莓园的施肥尾水

⏱ 60 分钟 👦 中小学 🌊 SDG6 · 水质净化 · 生态工程
🌊 1970年代 · 人工湿地的发明
凯特·赛德尔:用芦苇净化污水的女科学家
1960年代,德国科学家凯特·赛德尔在马克斯普朗克研究所发现:湿地植物(芦苇、香蒲)的根系能去除污水中的氮和磷。她的研究催生了"人工湿地"技术——用人工构建的湿地生态系统净化污水。

蓝莓园施肥后,多余的氮(硝酸盐NO₃⁻)和磷(磷酸盐PO₄³⁻)会随浇水流出,进入附近水体,导致富营养化(Eutrophication)——藻类爆发,水体缺氧,鱼虾死亡。

今天我们搭建一个微型净化柱,模拟人工湿地的三层净化原理,检测净化前后水质的变化。
「最好的污水处理厂,是一片设计得当的湿地。」——生态工程理念
核心驱动问题
蓝莓施肥尾水中的氮和磷如何污染水体?人工湿地如何用物理、化学、生物三种方法同时净化污水?
🌿
本课产出物
微型人工湿地净化柱(可持续运行观察)

🛠 材料(每组)

1
三层净化原理
⏱ 10 分钟
净化层次方法材料去除对象
🧲 物理层过滤、吸附鹅卵石 + 活性炭 + 细砂悬浮颗粒、有机物、部分重金属
⚗️ 化学层沉淀反应石灰水(Ca(OH)₂)磷酸盐→磷酸钙沉淀(白色)
🌱 生物层植物吸收 + 细菌分解水生植物 + 根系硝化细菌硝酸盐(NO₃⁻)→植物氮素
2
搭建净化柱 + 化学实验
⏱ 40 分钟
  1. ① 制作过滤柱
    将1.5L瓶子倒置,去底部作漏斗形容器。从下往上依次填入:棉花(防漏)→鹅卵石5cm→活性炭3cm→细砂5cm→棉花。
  2. ② 化学除磷演示
    取50mL模拟施肥尾水,滴入5mL石灰水,搅拌30秒。观察白色沉淀(磷酸钙 Ca₃(PO₄)₂)生成。过滤后磷含量大幅降低。
  3. ③ 通过过滤柱
    将水倒入过滤柱顶部,收集底部流出的水。对比过滤前后的浑浊度和颜色。
  4. ④ 种植水生植物
    在另一个容器中放入过滤后的水,种入铜钱草。植物根系会持续吸收残余硝酸盐。这是最终的生物净化步骤。
  5. ⑤ 水质检测对比
    用硝酸盐试纸分别检测:原水→化学处理后→过滤后→植物处理7天后。记录硝酸盐浓度变化。
3
讨论
⏱ 10 分钟
  • 富营养化为什么会导致鱼死亡?(藻类爆发→死亡分解→消耗DO→鱼缺氧)
  • 活性炭吸附能力有限,会饱和——如何知道活性炭需要更换了?
  • 如果让你为曼莓庄园设计一个真实的尾水处理系统,你会把它放在哪里?怎么设计?
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