如今，水污染情况日趋严重，已经威胁到了人类的健康。人工浮床(生态浮床)作为一种新型的处理水污染的技术，具有净化水质、改善环境、消波等一系列的综合作用，由于其具有投资少、运转费用低但效率高，可实现原位修复和控制污染物等特点[1，2]。近年来受到国内外广泛关注,以日本为代表的国家和地区成功地将人工浮床应用于地表水体的污染治理和生态修复[3]。通过人工浮床的治理，能够有效地解决水体有机污染物和水体富营养化问题。它是当今最有效、最经济以及最符合可持续发展要求的技术之一[4]。
生态浮床：又称为人工生物浮床、生物浮岛等，是一项改善富营养化水体水质的原位净化技术,具有造价低、运行管理相对容易等优点,在我国的研究与应用日益增多，生态浮床中净化主体是植物,主要依靠植物的吸收来去除氮、磷等营养物[5-7]。植物是生态浮床净化水质的主题，人们通常选用的浮床植物有空心菜、美人蕉、吊兰、黄菖蒲、千屈菜、再力花、凤眼莲(水葫芦)、旱伞草(风车草)和水芹等。考虑到当前天气，阴晴不定、气温温差较大、时热时冷，本实验选用具有抗逆性强，喜冷暖等特性的水芹作为浮床植物。
水芹(Oenanthe javanica DC.)：属伞形花科水芹属，为水生宿根草本植物,水芹对环境条件的适应性较广,抗逆性强,喜冷凉,较耐寒,适于冷凉、短日照季节生长,生长适温20℃左右,10℃停止生长。0℃时,只要加深水位,茎叶仍不至冻死。适生的pH为6.5～7.0。因其具有较高的生物量、可多次收割、耐低温,在冬季结冰条件下仍保持较强的生命力,所以可作为低温季节修复污染水体的优势种[8-10]。研究实验中选择生长优势基本一致的水芹植株作为浮床植物，进行高效曝气浮床实验。
本文主要研究高效曝气水芹浮床实验对滇池老干鱼塘水质净化效果的影响情况。根据研究检测结果，得出在挂膜的情况下，运用太阳能曝气的不同曝气量处理对水质净化效果的影响情况，多大的曝气量较为适宜。为今后的大规模生态浮床实验提供理论依据，并获得相关技术参数。但是由于该研究实验是运用太阳能曝气法在露天条件下进行的，受到自然因素影响的可能性比较大，比如刮风下雨，阴晴不定的天气对实验的影响很大，直接影响了曝气量的大小。再一个就是初种水芹的生长情况存在小方面的差异，也可能会对实验结果造成不利影响。因此如何有效的控制曝气量?如何尽量排除自然因素对实验的影响?是该研究实验应解决的关键问题。
1实验材料与方法
1.1 实验材料
生长优势基本一致的植株水芹植株、老干鱼塘水样、高79cm的蓝色胶桶八个、尼龙绳、1台直流永磁式空气压缩机、14个曝气头、1片太阳能板 、1个1000A的备用蓄电池、8份生物膜(人工水草)。
1.2实验方法和步骤：
1.2.1实验设计
设置一个空白对照组，三个实验组。空白对照组加生物膜但不做曝气处理，实验组则加同等生物膜，并做三个不同曝气量处理。每个对照组和实验组设1个重复。实验中共采用了八个胶桶，它们的编号分别是1、2、3、4、5、6、7、8，采用抽签的方式，分别对每个装好水样、种下水芹的胶桶进行抽签决定做何处理，并给予相应的处理。以下是实验的基本信息和模拟图：
表1 实验基本情况
|
编号（曝气量） |
曝气头数 |
曝气量m3/h |
曝气时间h/d |
总曝气量m3/d |
|
1（四倍曝气-1） |
4 |
2.4 |
4 |
9.6 |
|
2 （CK-1） |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
3（四倍曝气-2） |
4 |
2.4 |
4 |
9.6 |
|
4（一倍曝气-1） |
1 |
0.6 |
4 |
2.4 |
|
5（一倍曝气-2） |
1 |
0.6 |
4 |
2.4 |
|
6（两倍曝气-1） |
2 |
1.2 |
4 |
4.8 |
|
7 （CK-2） |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
8（两倍曝气-2） |
2 |
1.2 |
4 |
4.8 |
图1 实验模拟图
实验中采用的是太阳能曝气法，即用太阳能板作为电源给空气压缩机供电的曝气装置，太阳能板功率是120W，在最大功率处的电压为17.2V，空气压缩机功率130W，电压12V，排气量140L/min。因1m3 =1000L，所以140L/min=8400L/h=8.4m3/h，实验中共接了14个曝气头，则每个曝气头的曝气量为0.6 m3/h，曝气头为①、②、④的各个胶桶里的总曝气量分别是0.6 m3/h 、1.2 m3/h、2.4m3/h，各实验组每天曝气时间约为4
小时，则曝气头为①、②、④的各个胶桶的每天总曝气量约为2.4 m3、4.8m3、9.6m3。
1.2.2水质检测
对水样进行实验前水质检测，测其透明度，PH值，DO,TN,TP，NH4+-N。且每两周对各个实验组以及对照组进行监测并记录数据。
1.2.3水芹生长形态数量观测
种植前及结束后测其株数、株高、根长、称重。
1.2.4生物膜的处理
实验前的称重以及实验结束后打捞各组生物膜，分别称它们的湿重和晒干后的干重，并计算出各组生物膜所吸收的生物量。
2 结果与讨论
2.1生物膜的挂膜情况
生物膜挂膜前干重和和湿重，以及打捞以后的湿重和干重。
表2 生物膜的生物量变化情况
|
曝气量 |
挂前湿重kg |
捞后湿重kg |
挂前干重kg |
捞后干重kg |
|
四倍曝气-1 |
0.32 |
0.60 |
0.087 |
0.106 |
|
CK-1 |
0.32 |
0.58 |
0.084 |
0.097 |
|
四倍曝气-2 |
0.32 |
0.62 |
0.083 |
0.107 |
|
单倍曝气-1 |
0.32 |
0.60 |
0.084 |
0.105 |
|
单倍曝气-2 |
0.32 |
0.56 |
0.088 |
0.104 |
|
两倍曝气-1 |
0.32 |
0.66 |
0.086 |
0.104 |
|
CK-2 |
0.32 |
0.53 |
0.087 |
0.097 |
|
两倍曝气-2 |
0.32 |
0.66 |
0.085 |
0.107 |
图3 挂膜前后干重变化图
图4 挂膜前后湿重变化图
由表2可知1~8个胶桶中的生物膜所吸附的湿生物量和干生物量分别是0.28、0.26、0.30、0.28、0.24、0.34、0.21、0.34kg和0.019、0.013、0.024、0.021、0.016、0.018、0.010、0.022kg，平均吸附的湿生物量和干生物量分别为0.28kg和0.018kg。由图2图3再结合表1可知做曝气处理的实验组中的生物膜所吸附的生物量，不论是湿生物量还是干的生物量都要比空白对照组的多。
2.2水芹生长变化情况
实验开始时和实验结束后，都有对水芹生长形态数量进行观测，以及称其生物量的变化。
表3 水芹生长变化情况
|
编号 |
株数前 |
株数后 |
死亡数 |
种前株高cm |
种后株高cm |
种前根长cm |
种后根长cm |
种前质量kg |
种后质量kg |
发芽数 |
|
1 |
22 |
20 |
2 |
27 |
31 |
6 |
20 |
0.248 |
0.249 |
23 |
|
2 |
22 |
16 |
6 |
26 |
32 |
5 |
14 |
0.241 |
0.211 |
18 |
|
3 |
21 |
21 |
0 |
25 |
31 |
5 |
18 |
0.256 |
0.227 |
25 |
|
4 |
21 |
20 |
1 |
28 |
33 |
5 |
16 |
0.251 |
0.222 |
17 |
|
5 |
20 |
18 |
2 |
24 |
30 |
5 |
20 |
0.247 |
0.235 |
24 |
|
6 |
20 |
17 |
3 |
25 |
30 |
4 |
15 |
0.257 |
0.207 |
27 |
|
7 |
21 |
18 |
3 |
26 |
29 |
4 |
17 |
0.253 |
0.211 |
20 |
|
8 |
23 |
21 |
4 |
28 |
35 |
7 |
20 |
0.254 |
0.232 |
18 |
2.2.1水芹形态的变化
由表3可知曝气量为2.4m3/h的3号胶桶中的水芹死亡率最低为0%，2号空白对照组中的水芹死亡率最高，高达27%;各实验组中的水芹平均长高了5cm，根平均长长了12cm，平均发芽数是22株。
2.2.2水芹生物量的变化
可能由于各实验组中部分水芹植株死亡，或者植株上局部死亡，或是运用尼龙绳轻微捆绑固定的种植方式不利于水芹的生长发育的原因，导致大部分实验组中水芹生物量出现负增长现象，由图5可知除了做了四倍曝气处理的1号胶桶有0.01克增长外，其他胶桶中的水芹生物量都出现负增长现象。可认为做了曝气处理对水芹的生长还是有影响的，但就本实验而言曝气处理对水芹生长发育的影响可能不大。此外，出现该现象的原因还可能是实验观察时间不够长影响到实验结果，另一个我认为比较重要的原因可能是水样的肥力不够，不能给水芹生长提供最基础的营养供应，从而抑制到了水芹的生长发育。如果采用剪断平铺的方式，给水芹一个相对自由的生长空间，可能更利于水芹恢复生长。那么，实验结果可能就会有所不同。
图5 水芹生物量的变化图
2.3水质的净化效果
表6是在实验开始时每隔两周对水样做一次水质检测的三次水质检测结果。检测项目包含COD、TP、TN、NH4+-N、pH值、DO、、叶绿素a和悬浮物的检测，此外还有溶解性磷酸盐含量的检测，由于该项含量比较低，所以在此不作比较分析。
表4 水质检测结果
|
曝气量 |
COD |
TP |
TN |
NH4+-N |
pH值 |
DO |
叶绿素a |
悬浮物 |
|
|
2016年4月1日 |
四倍曝气-1 |
22.8 |
0.141 |
1.20 |
0.257 |
8.02 |
7.27 |
0.124 |
25 |
|
CK-1 |
30.8 |
0.125 |
1.55 |
0.243 |
8.21 |
9.69 |
0.106 |
12 |
|
|
四倍曝气-2 |
31.4 |
0.126 |
1.53 |
0.225 |
7.86 |
7.13 |
0.108 |
16 |
|
|
单倍曝气-1 |
29 |
0.127 |
1.50 |
0.275 |
8.59 |
7.58 |
0.084 |
16 |
|
|
单倍曝气-2 |
29.8 |
0.123 |
1.48 |
0.278 |
8.50 |
8.32 |
0.128 |
22 |
|
|
两倍曝气-1 |
31.2 |
0.116 |
1.67 |
0.402 |
8.62 |
8.34 |
0.100 |
22 |
|
|
CK-2 |
25.8 |
0.126 |
1.49 |
0.254 |
8.61 |
11.8 |
0.110 |
13 |
|
|
两倍曝气-2 |
25.9 |
0.117 |
1.43 |
0.238 |
8.71 |
8.34 |
0.118 |
7 |
|
|
2016年4月15日 |
曝气量 |
34.9 |
0.0600 |
1.36 |
0.326 |
8.12 |
4.88 |
0.027 |
12 |
|
四倍曝气-1 |
36.7 |
0.0494 |
1.31 |
0.231 |
8.15 |
5.5 |
0.027 |
17 |
|
|
CK-1 |
39.3 |
0.0678 |
1.06 |
0.222 |
8.28 |
5.36 |
0.03 |
14 |
|
|
四倍曝气-2 |
34.6 |
0.0566 |
1.22 |
0.231 |
8.18 |
5.24 |
0.026 |
8 |
|
|
单倍曝气-1 |
34.6 |
0.0600 |
1.32 |
0.25 |
8.19 |
5.32 |
0.028 |
12 |
|
|
单倍曝气-2 |
29.4 |
0.0551 |
1.26 |
0.361 |
8.15 |
4.71 |
0.010 |
8 |
|
|
两倍曝气-1 |
33.6 |
0.0458 |
1.19 |
0.276 |
8.18 |
5.24 |
0.029 |
10 |
|
|
CK-2 |
37.7 |
0.0677 |
1.40 |
0.293 |
8.24 |
5.43 |
0.044 |
12 |
|
|
2016年4月28日 |
曝气量 |
24.9 |
0.0398 |
1.13 |
0.259 |
8.56 |
6.22 |
0.019 |
4 |
|
四倍曝气-1 |
28.5 |
0.0407 |
1.17 |
0.236 |
8.48 |
6.67 |
0.015 |
6 |
|
|
CK-1 |
36.3 |
0.0602 |
1.38 |
0.231 |
8.47 |
5.49 |
0.017 |
5 |
|
|
四倍曝气-2 |
31.3 |
0.0403 |
1.15 |
0.224 |
8.46 |
5.85 |
0.016 |
6 |
|
|
单倍曝气-1 |
33.1 |
0.0447 |
1.31 |
0.246 |
8.47 |
5.09 |
0.010 |
4 |
|
|
单倍曝气-2 |
28.8 |
0.0356 |
1.22 |
0.168 |
8.70 |
6.44 |
0.018 |
5 |
|
|
两倍曝气-1 |
30.7 |
0.0601 |
1.59 |
0.294 |
8.58 |
6.75 |
0.034 |
8 |
|
|
CK-2 |
34.6 |
0.0509 |
1.42 |
0.37 |
8.60 |
5.82 |
0.015 |
4 |
根据表4，可直接看出各实验组的水体中TP、TN、DO、叶绿素a和悬浮物都在不断降低和减少，pH值则一直维持8-9之间，未出现明显的升高或降低现象;在2016年4月28日，实验组中有曝气处理的要比没有曝气处理的少。比如2(CK-1)、7(CK-2)号胶桶中的悬浮物分别还有6mg/L、8mg/L，均比其他做了曝气处理的要高。以下是便于直观了解各胶桶中水质变化情况的相关柱形图：
图6 COD浓度变化
图7 TP浓度变化
图8 TN浓度变化
图9 NH4+-N浓度变化
图10 DO浓度变化
图11 叶绿素a浓度变化
图12 悬浮物浓度变化
由图7、图10、图11、图12可以直观的看出各实验组水质中的TP、DO、叶绿素a和悬浮物都有明显的降低。
2.3.1水体透明度的变化情况
以下是实验水样在2016年4月1日到5月10日的水体透明度变化情况：
表5水体透明度变化表
|
不同曝气处理 |
2016年4月1日 |
2016年4月15日 |
2016年4月28日 |
2016年5月10日 |
|
四倍曝气-1 |
39 |
53 |
70 |
70 |
|
CK-1 |
39 |
57 |
70 |
70 |
|
四倍曝气-2 |
39 |
51 |
70 |
70 |
|
单倍曝气-1 |
39 |
60 |
70 |
70 |
|
单倍曝气-2 |
39 |
55 |
70 |
70 |
|
两倍曝气-1 |
39 |
65 |
70 |
70 |
|
CK-2 |
39 |
55 |
65 |
70 |
|
两倍曝气-2 |
39 |
50 |
70 |
70 |
图13 水体透明度变化图
由表5可知实验开始是各实验组中的水体透明度都是39cm，在2016年4月15日试验组中6号胶桶透明度较高，高达65cm;到4月28日基本到达70cm，只有空白对照组中的7号胶桶中的透明度是65cm;到5月10日各实验组中的水体透明度已全部高达70cm。柱形图图13很直观的表现出水体透明度变化的实情。
3结论
3.1根据实验中水体透明度的观测，可知各实验组的水体透明度都有明显好转，且最终水体透明度都大于70cm;
3.2依据生物膜的挂摸情况，可知做曝气处理的试验组中的生物膜所吸附的生物量，不论是湿生物量还是干的生物量都要比空白对照组的多;
3.3由实验后各组胶桶中水芹的死亡率，可知做曝气处理可以给予水芹更好的生存环境;
3.4再由水质净化效果，得出0.6m3/h曝气处理对水质的TP、TN去除效果最好，最高分别高达68.3%和23.3%，1.2m3/h曝气处理对水质的NH4+-N去除效果最好，最高高达58.2%。
该研究实验属于新型组合型浮床(水芹+生物膜+太阳能曝气)，具有研究价值及意义。实验中运用的太阳能属于取之不尽且绿色环保的清洁能源,对其直接利用有利于人类社会的可持续发展，值得我们开发利用。
