全 文 ：第一作者:谭洪新 ,男 , 1968年生 ,博士 ,教授 ,主要从事设施渔业和生态工程方面的研究。
＊国家科技支撑计划项目(No.2006BAD03B06);上海市重点学科建设项目(No.S30701)。
宽叶香蒲表面流人工湿地脱氮除磷效果研究＊
谭洪新1 　周　琪2 　杨殿海2
(1.上海海洋大学水产与生命学院 , 上海 201306;2.同济大学环境科学与工程学院 ,上海 200092)
　　摘要　以运行A/O工艺的生化反应器出水为处理对象 ,在中试规模上研究了宽叶香蒲表面流人工湿地的脱氮除磷效果及影
响因素。结果表明 ,在工况Ⅰ条件下 , COD去除率为 43.2%, COD 面积负荷去除率为 4.79 g/(m2 · d), COD面积负荷去除率常数
为 0.18 m/ d , SS 、NH+4 -N和NO -3 -N的去除率分别为 41.2%、9.4%、3.4%, T N 去除率为 11.8%, TN 面积负荷去除率为 1.36
g/(m 2· d), T N 面积负荷去除率常数为 0.04 m/ d , TP 去除率为 30.1%, TP 面积负荷去除率为 0.29 g/(m 2· d), T P 面积负荷去除
率常数为 0.13 m/ d;在工况Ⅱ条件下 , COD 去除率为 18.7%, COD 面积负荷去除率为 1.19 g/(m2 · d), COD面积负荷去除率常数
为 0.06 m/ d , SS 、NH+4 -N 、NO -2 -N、NO -3 -N的去除率分别为 31.6%、29.8%、65.0%、29.2%, T N 去除率为 31.4%, TN 面积负荷去
除率为 2.33 g/(m2 ·d), TN 面积负荷去除率常数为 0.12 m/ d , TP 去除率为 29.4%, TP 面积负荷去除率为 0.22 g/(m2 · d), T P
面积负荷去除率常数为 0.11 m/ d。在 COD 面积负荷去除率 、TN 面积负荷去除率 、TP 面积负荷去除率分别为 4.90～ 9.80 、2.76～
8.83 、0.57～ 1.39 g/(m2· d),水力停留时间(HRT)为 0.4～ 1.1 d条件下 ,随 HRT 、水温 、(NO -2 -N+NO -3 -N)/ T N 的增加,表面流
人工湿地的 TN 面积负荷去除率线性增加。
　　关键词　表面流人工湿地　生化反应器　脱氮除磷　宽叶香蒲
Removal of nitrogen and phosphorus by free water surface constructed wetland planted with Typha lati f olia 　Tan
Hong xin1 , Zhou Qi2 , Yang Dianhai2 .(1.Col lege o f F isheries and Li fe Science , S hanghai Ocean University ,
Shanghai 201306;2.College of Env ironmental Science and Engineering , Tong ji Univ ersity , Shanghai 200092)
Abstract:　F ree wa ter sur face constructed w etland planted w ith Typha lati f olia was employed to trea t effluent
from bio chemical reacto r under A/O process.The removal efficiency of nit rog en and phospho rus of the w etland sy s-
tem w ere investig ated.The treatment effects of the f ree w ater surface constructed we tland under tw o conditions were
presented in the pape r.The effect of hydraulic r etention time(HRT), w ater temperature and content of o xidation
state nitrog en on total nitro gen (TN)area loading removal ra te w as studied.When COD area loading ra te was 4.90-
9.80 g/(m2 · d), TN a rea lo ading rate wa s 2.76-8.83 g/(m2 · d), TP area lo ading rate w as 0.57-1.39 g/(m2 · d),
hydraulic retention time w as 0.4-1.1 d , TN area loading removal ra te wa s linea rly increa sed w ith increasing of H RT ,
wa ter tempe rature and (NO -2-N+NO-3 -N)/ TN ratio.The diffe rent mechanisms and favo rable conditions fo r treat-
ment of differ ent type s o f wastew ater by w etland sy stem w ere discussed in the final.
Keywords:　free w ater surface constructed w etland;bio chemical reacto r;nitro gen and pho sphorus remova l;
Typ ha lati f olia
　　表面流人工湿地类似于天然湿地系统 ,是将污
水有控制地投配到土壤/植物/微生物复合生态系统
中 ,并使土壤经常处于饱和状态 ,污水在沿一定方向
流动过程中 ,在耐湿植物和土壤相互作用下得到充
分净化的处理系统。该处理系统的工艺目标包括:
①直接处理污水;②对经人工或其他工艺处理后的
污水进行再处置或深度处理;③利用污水营造湿地
自然保护区 ,为野生群落提供有价值的生态栖息地 ,
为生物多样性研究提供场地[ 1] 。表面流人工湿地系
统主要通过植物吸收/收获 、硝化/反硝化 、氨气挥
发 、离子交换等途径脱氮。污水沿一定方向流动过
程中 ,随有机氮的氨化 、硝化和反硝化 ,氮素转化频
率增加 , TN被去除。若进水已被充分硝化 ,在有机
物(主要来自植物腐烂所释放的溶解性有机碳)供应
充足的情况下 ,可提高反硝化脱氮效率[ 2 , 3] 。在除磷
方面 ,可通过沉降作用 、植物根茎捕获 、生物膜吸附
等途径去除[ 4] 。为实现运行A/O工艺的生化反应器
出水(简称A/O工艺出水)的深度净化 ,笔者将A/O
工艺出水引入宽叶香蒲表面流人工湿地系统中进行
深度脱氮除磷 ,为人工湿地深度净化工艺设计和优
化提供参考 。
·11·
谭洪新等　宽叶香蒲表面流人工湿地脱氮除磷效果研究DOI:10.15985/j.cnki.1001-3865.2009.05.004
1　材料与方法
1.1　试验装置
　　A/O工艺出水通过配水管路进入表面流人工湿
地 ,经处理后排湖。图 1为表面流人工湿地结构示意
图。表面流人工湿地(长×宽×高=14.5 m ×2.6 m
×1.0 m)四周及底部为混凝土结构 ,总有效面积为
37.7 m2 ,素土(天然沉积形成的土 ,没有掺杂白灰 、
河流带来的砂石)填充高度为 0.5 m ,覆盖塘泥 0.2
m 。2004年 2月 30日 ,种植宽叶香蒲(Typha lat i-
folia),行距及株距均为 30 cm 。
图 1　表面流人工湿地结构示意图
Fig.1　The st ruc tura l schematic diag ram o f free
w ater surface const ruc ted we tland
1.2　运行工况
　　2004年 3 ～ 4月 , A/O工艺出水按试验流量通
过配水管路进入表面流人工湿地 ,人工湿地运行期
间 ,水位控制在 0.2 m 左右。此时 ,A/O工艺出水氮
素以NH +4 -N和有机氮为主 ,以 12 m3/d进水流量将
A/O工艺出水配送到表面流人工湿地系统 ,水力停
留时间(HRT)为0.6 d(工况 Ⅰ)。
　　2004年 9 ～ 10月 ,前端运行A/O工艺的生化反
应器已处于稳态运行阶段 , A/O工艺出水氮素以
NO-3 -N为主。在此期间 , 以 12 m3/d进水流量将
A/O工艺出水配送到表面流人工湿地系统 , HRT 为
0.6 d(工况Ⅱ)。
1.3　监测分析方法
　　水质指标均按照标准测试方法进行[ 5] 。
1.4　性能评估指标
　　采用一级推流动力学模型模拟沿湿地长轴方向
污染物浓度的指数削减情况 ,即污染物降解和 HRT
满足式(1)或式(2)。
ce = c0 ·exp(-K v x) (1)
ce/c0 = exp(-k/R) (2)
式中:c0 、ce分别为进 、出水中污染物的质量浓度 ,
mg/L;K v为容积负荷去除率常数 , d-1 ;x 为 HRT ,
d;k 为污染物的面积负荷去除率常数 , m/d;R 为水
力面积负荷率 , m/d 。
　　污染物去除率η按式(3)计算。
η=(c0 -ce)/c0 ×100% (3)
　　污染物的面积负荷去除率按式(4)计算。
ξ=(c0 -ce)Q/ A (4)
式中:ξ为污染物的面积负荷去除率 , g/(m2 ·d);Q
为进水流量 ,m3/d;A 为湿地面积 , m2 。
2　结果与分析
2.1　工况 Ⅰ条件下 ,表面流人工湿地中碳 、氮 、磷的
迁移转化及净化效率
　　工况Ⅰ运行期间 ,水温在 11.4 ～ 24.0 ℃, DO在
6.7 ～ 10.3 mg/ L ,pH 在7.2 ～ 8.0。表 1为工况Ⅰ条件
下 ,表面流人工湿地的处理效果。由表 1可知 ,在表
面流人工湿地运行初期 ,对 COD、SS 、TP 具有较高的
去除能力 ,去除率分别为 43.2%、41.2%、30.1%。而
对 TN 的去除率较低 ,仅为 11.8%。图 2为工况Ⅰ条
件下 , 表面流人工湿地进水与出水中NH+4 -N 、
NO-2 -N 、NO-3 -N和 TN质量浓度的变化曲线。从图 2
可知 ,在 2004年 3 ～ 4月 ,由于表面流人工湿地的生
物净化功能正在形成中 ,脱氮效率不高 ,但从 4 月开
始 ,表面流人工湿地出水中NO-2 -N浓度增加迅速 ,表
明亚硝化细菌对NH+4 -N的转化功能开始形成。
2.2　工况 Ⅱ条件下 ,表面流人工湿地中碳 、氮 、磷的
迁移转化及净化效率
　　工况 Ⅱ运行期间 ,水温在 22.0 ～ 27.0 ℃, DO
在0.9 ～ 1.8 mg/L , pH 在6.9 ～ 7.3 。表2为工况
表 1　工况Ⅰ 条件下表面流人工湿地的处理效果1)
Table 1　T reatment effect of f ree wa te r surface constr ucted wetland wo rking conditionⅠ
指标 进水质量浓度/(m g· L -1)
出水质量浓度
/(mg· L -1) 去除率/ %
面积负荷去除率
/(g·m-2· d-1)
面积负荷去除率常数
/(m· d-1)
COD 35.2±9.5 20.0±5.9 43.2 4.79 0.18
SS 34±4 20±5 41.2
NH +4 -N 27.98±2.93 25.35±4.04 9.4
NO-2 -N 0.04±0.04 0.17±0.15 -325.0
NO-3 -N 0.29±0.22 0.28±0.21 3.4
T N 36.10±7.58 31.84±7.24 11.8 1.36 0.04
TP 2.99±0.74 2.09±0.68 30.1 0.29 0.13
　　注:1)各项指标进 、出水质量浓度为平均值±标准差 ,去除率、面积负荷去除率和面积负荷去除率常数以平均值计算 ,本研究只讨论 COD、
TN 、TP的面积负荷去除率及其常数 ,表 2同。
·12·
　环境污染与防治　第 31 卷　第 5 期　2009年 5月
图 2　工况Ⅰ条件下表面流人工湿地进水与出水中NH+4 -N、NO-2-N、NO-3-N和 TN质量浓度的变化曲线
F ig.2　Variations o f nitro gen species concentr ation in fr ee w ater surface constructed w etland unde r wo rking condition Ⅰ
表 2　工况Ⅱ条件下表面流人工湿地的处理效果
Table 2　T reatment effect o f free w ater surface constructed we tland under wo rking condition Ⅱ
指标 进水质量浓度/(mg· L -1)
出水质量浓度
/(mg· L -1) 去除率/ %
面积负荷去除率
/(g·m-2· d-1)
面积负荷去除率常数
/(m· d-1)
COD 20.3±2.3 16.5±1.8 18.7 1.19 0.06
SS 19±3 13±3 31.6
NH +4 -N 16.25±2.80 11.41±1.83 29.8
NO-2 -N 0.80±0.27 0.28±0.17 65.0
NO-3 -N 5.34±1.21 3.78±1.16 29.2
T N 23.35±2.35 16.02±1.32 31.4 2.33 0.12
TP 2.31±0.39 1.63±0.37 29.4 0.22 0.11
Ⅱ条件下 ,表面流人工湿地的处理效果。比较表 1
和表 2可知 ,当表面流人工湿地稳态运行时 ,由于进
水COD较低 ,COD去除率仅为 18.7%;TN 去除率
显著增加 ,达到 31.4%;TP 去除率变化不大。图 3
为工况Ⅱ条件下 ,表面流人工湿地进水与出水中
NH +4 -N 、NO-2 -N 、NO -3 -N和 TN质量浓度的变化曲
线。从图 3 可知 , 表面流人工湿地对 NH +4 -N 、
NO
-
2 -N 、NO -3 -N和 TN 的去除率趋于稳定 , 出水
TN 变动较小 。
2.3　影响表面流人工湿地脱氮效果的主要因素
　　2004 年 5 ～ 8月 ,前端运行A/O工艺的生化反
应器处于稳态运行阶段。在 COD 面积负荷去除
率 、TN 面积负荷去除率 、TP 面积负荷去除率分别
为 4.90 ～ 9.80 、2.76 ～ 8.83 、 0.57 ～ 1.39
g/(m2 ·d), HRT 为 0.4 ～ 1.1 d 条件下 ,研究了各
因素对表面流人工湿地脱氮效果的影响 。
　　图4是表面流人工湿地的 HRT 与 TN面积负荷
去除率的关系。由图 4可见 , HRT 与 TN 面积负荷
去除率呈线性正相关 ,即随 HRT 的增加 ,TN面积负
荷去除率线性增加。两者关系式为 y =0.418 2x +
1.364 8(R2 =0.657 0)。
　　图 5是表面流人工湿地的水温与 TN面积负荷
去除率的关系。由图5可见 ,水温对 TN 面积负荷去
除率有显著影响 ,随水温的升高 , TN 面积负荷去除
率线性增加。两者关系式为 y=0.104 0x -0.521 1
(R2 =0.813 8)。
　　图 6是(NO-2 -N+NO -3 -N)/ TN 与 TN 面积负
荷去除率的关系。用(NO -2 -N+NO -3 -N)/TN 表示
氮素组分的变动情况。图 6 表明 ,氮素组分变化对
TN 面积负荷去除率有显著影响 , 随(NO-2 -N +
NO -3 -N)/ TN 的增加 , TN 面积负荷去除率线性
增加 。两者关系式为y =2.265 9 x -0.276 3(R2 =
·13·
谭洪新等　宽叶香蒲表面流人工湿地脱氮除磷效果研究
图 3　工况Ⅱ条件下表面流人工湿地进水与出水中NH+4 -N、NO-2-N、NO-3-N和 TN质量浓度的变化曲线
Fig.3　Variations of nitrog en species concentrationin free wa te r surface constr ucted wetland under w o rking condition Ⅱ
0.739 4)。即当氮负荷以氧化态(NO -3 -N)为主时 ,
TN 去除率相应增加。
图 6　(NO-2-N+NO-3-N)/ TN与 TN面积负荷去除率的关系
F ig.6　Relationships between(NO-2 -N+NO -3-N)/ TN
and TN area loading removal rate
3　讨　论
　　以还原态氮(NH+4 -N 、有机氮)质量浓度较高
(一般在 15 ～ 20 mg/ L),而氧化态氮(NO -3 -N)质量
浓度较低(<5 mg/L)的城市污水为处理对象的湿
地系统 ,氮的降解过程包括有机氮的矿化 、NH +4 -N
的硝化 、氧化态氮的反硝化 。要提高湿地脱氮效果 ,
关键在改善其供氧条件 ,保证还原态氮较高的氧化
率。一般来说 ,要实现还原态氮较高的氧化率需较
长的 HRT[ 6] 。本研究中 ,表面流人工湿地系统在工
况Ⅰ运行期间 ,主要完成生物膜自然挂膜和植物生
长 ,形成生物净化功能 ,从 2004年 4月开始 ,表面流
·14·
　环境污染与防治　第 31 卷　第 5 期　2009年 5月
人工湿地出水中NO -2 -N浓度增加迅速 ,表明亚硝化
细菌对NH +4 -N的转化功能开始形成。
　　以氧化态氮为处理对象的人工湿地系统 ,改善
其反硝化效率需满足 2个因素:①填料中存在缺氧
环境(氧化还原电位<300 mV);②植物生长为反硝
化提供碳源 ,这可促进反硝化进程。在人工湿地运
行过程中 ,采取适当措施可提高脱氮效率。例如 ,人
为升高人工湿地的 BOD/NO -3 -N(如添加秸杆等),
氮去除率会大幅提高 ,可从 30%提高到 80% ～
90%;当BOD/NO -3 -N达到 2.3时 ,反硝化速率达到
最大[ 7-9] 。本研究中 ,由于前端运行A/O工艺的生化
反应器出水 COD/TN 已相当低(低于 1.4),人工湿
地系统只能靠植物根系释放的有机碳和植物落叶分
解所产生的有机碳提供硝化所需碳源 ,严重影响人
工湿地 TN去除率 , C/N 成为人工湿地脱氮的主要
生态限制因子。随人工湿地系统运行年数的增加 ,
成炭植物腐殖化速率增加 ,成炭植物对人工湿地系
统中溶解有机碳贡献率也增加 。成炭植物的腐殖化
可向人工湿地系统补充溶解有机碳 ,这为反硝化作
用提供了碳源[ 10] 。
4　结　论
　　以A/O工艺出水为处理对象 ,在中试规模上研
究了宽叶香蒲表面流人工湿地的脱氮除磷效果及影
响因素。结果表明 ,表面流人工湿地在运行初期 ,对
COD 、SS 、TP 具有较高的去除能力 ,对 TN 的去除
能力较低 。当表面流人工湿地稳态运行时 ,对 TN
的去除能力显著提高 , TP 去除率变化不大。随
HRT 、水温 、(NO -2 -N +NO -3 -N)/TN 的增加 , TN
面积负荷去除率线性增加。考虑(NO -2 -N +
NO-3 -N)/TN 对脱氮性能的影响 ,建议A/O工艺出
水中氧化态氮浓度较高时再引入表面流人工湿地 ,
以提高脱氮效果 。
参考文献:
[ 1] 　孙铁珩 ,周启星 ,张凯松.污水生态处理技术体系及应用[ J] .水
资源保护 , 2002 , 13(3):6-9.
[ 2] 　BACHAND P A M , HO RNE A J.Deni trif ication in cons t ru c-
t ed f ree-w ater su rface w etland s:Ⅰ .Very high nit rate removal
rates in a macrocosm s tudy[ J] .Ecological Engineering , 2000 ,
14(1/ 2):9-15.
[ 3] 　COMIN F A , ROMERO J A , AST ORGA V , et al.Nit rogen re-
m oval and cycling in res tored w etland s u sed as f ilt ers of nut ri-
ents for agricu ltural run of f[ J] .Water Science and Technology ,
1997 , 35(5):255-261.
[ 4] 　DRIZO A , FROST C A , GRACE J , et al.Phy sico-chemical
screening of phosphate removing subs t rates for use in con-
s t ru cted w et land system s[ J] .Wat.Res., 1999 , 33(17):3595-
3602.
[ 5] 　国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水
监测分析方法[ M] .4版.北京:中国环境科学出版社 , 2002.
[ 6] 　GERKE S , BAKER L A , XU Y.Nit rogen transformations in a
w et land receiving lagoon eff luent:s equential model and impli-
cation s for w ater reuse[ J] .Wat.Res., 2001 , 35(16):3857-
3866.
[ 7] 　BAKER L A.Design consideration s and applications for w et-
land t reatment of high-nit rate waters[ J] .Water Science and
Tech nology , 1998 ,38(1):389-395.
[ 8] 　INGERSOLL T L , BAKER L A.Nitrate rem oval in w etland
microcosms[ J] .Wat.Res., 1998 , 32(3):677-684.
[ 9] 　GREEN M , FRIEDLER E , RUSKOL Y , et al.Investigat ion of
al ternative meth od for ni trif icat ion in const ructed w et lands[ J] .
Water Science and T ech nology , 1997 , 35(5):63-70.
[ 10] 　白燕 ,王升忠.成炭植物腐殖化速率的研究[ J] .东北师范大
学学报:自然科学版 , 1997 , 29(4):94-98.
责任编辑:陈泽军　(修改稿收到日期:2009-01-08)
(上接第 10页)
定 ,在环境污染控制领域有重要意义。
参考文献:
[ 1] 　程晨 ,陈振楼,毕春娟 ,等.中国地表饮用水水源地有机类内分
泌干扰物污染现状分析[ J] .环境污染与防治 , 2007 , 29(6):
446-450.
[ 2] 　AXISA B , NAYLOR A R , BELL P R F , et al.Simple and relia-
ble method of doxy cycline determination in h uman plasma and
biological ti ssues[ J] .J ou rnal of C hromatog raphy B, 2000 , 744
(2):359-365.
[ 4] 　黄春保 ,慈云祥 ,常文保.镉-铽-强力霉素-曲通 X-100协同荧光
增敏体系研究[ J] .分析化学 ,2002 , 30(6):680-683.
[ 5] 　胡乃梁 ,赵一兵 ,王冬媛.同步荧光法同时测定强力霉素和土霉
素[ J] .分析测试学报 , 1996 , 15(5):77-80.
[ 6] 　江虹 ,胡小莉 ,刘绍璞.钍与四环素类抗生素的显色反应及其分
析应用[ J] .西南师范大学学报:自然科学版 , 2002 , 27(6):913-
917.
[ 7] 　CHOM A I , GRENDA D , MAL INOWSKA I , et al.Determina-
tion of flumequine and doxycy cline in mi lk by a sim ple thin-lay-
er chromatograp hic meth od[ J] .Journal of Ch romatography B,
1999 , 734(1):7-14.
[ 8] 　张兰 ,林子俺 ,谢增鸿.毛细管电泳法用于水产品中五种抗生素
的同时测定[ J] .分析测试技术与仪器 , 2004 , 10(1):18-23.
[ 9] 　GI L C E , VAN SCHEPDAEL A , ROETS E , et al.Analy si s of
doxycycline by capil lary elect rophoresi s m ethod developm en-
tand validation [ J] .Jou rnal of C hromatog raphy A , 2000 , 895
(1/ 2):43-49.
[ 10] 　曾桂熊 ,龙启才 ,黄民.微生物法测定血浆中多西环素的方法
学研究[ J] .中国药房 , 2001 ,12(8):480-481.
[ 11] 　张兰威 ,陈一 ,韩雪.双水相萃取法从风干香肠中分离提取蛋
白酶[ J] .分析化学 , 2008 , 36(7):900-904.
[ 12] 　席艳丽 ,董慧茹.溶剂浮选-气相色谱/质谱法测定蔬菜中氨基
甲酸酯类农药残留[ J] .化学通报 , 2008(7):553-556.
[ 13] 　何燧源.环境污染物分析检测[ M] .北京:化学工业出版社 ,
2001:135.
[ 14] 　曾昭琼 ,李景宁.有机化学(上)[ M] .北京:高等教育出版社 ,
2004.
[ 15] 　DEAN J A , LANGE S.H andbook of chemist ry[ M ] .New
York:McGraw-H ill Book C om pany , 1973.
[ 16] 　张祥林 ,康衡.配位化学[ M] .长沙:中南工业大学出版社 ,
1986:291-298.
责任编辑:贺锋萍　(修改稿收到日期:2008-12-16)
·15·
谭洪新等　宽叶香蒲表面流人工湿地脱氮除磷效果研究