全 文 ：抚仙湖窑泥沟人工湿地的除磷效果研究 3
陈源高1 ,2 　吴献花3 　李文朝2 　孔志明1 3 3
(1 南京大学环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室 ,南京 210093 ;2 中国科学院南京地理与湖泊研究所 ,
南京 210008 ;3 云南省玉溪师范学院 ,玉溪 653100)
【摘要】　为了减缓和控制抚仙湖局部湖湾水体富营养化趋势 ,在抚仙湖北岸建设了净化面积 1 hm2 的人
工湿地. 综合利用生物氧化塘、水平潜流人工湿地和表面流人工湿地治理技术 ,对入湖河道窑泥沟污水中
磷的去除效果进行了试验研究. 结果表明 ,该人工湿地系统对磷具有较强的去除能力. 总磷去除率在
7175 %～81110 %之间 ,平均去除率为 5419 %. 单位面积磷滞留量平均为 265 mg·m - 2·d - 1 ,其中 ,湿地植
物同化作用磷滞留量为 2611 mg·m - 2·d - 1 ,约占磷滞留总量的 10 % ,大部分磷去除是通过基质吸附和沉
降作用 ,但主要湿地植物水芹的季节变化对相应功能区的除磷效果会产生一定影响. 试验期间 ,各功能区
单位面积磷滞留量依次为水平潜流人工湿地 > 生物氧化塘 > 沉淀池 > 表面流人工湿地.
关键词 　抚仙湖 　人工湿地 　除磷效果
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 10 - 1913 - 05 　中图分类号 　X17114 　文献标识码 　A
Phosphorus removal eff iciency of Yaonigou constructed wetland on Fuxian lakeshore. CHEN Yuangao1 ,2 ,WU
Xianhua3 ,L I Wenchao2 , KON G Zhiming1 (1 S tate Key L aboratory of Pollution Cont rol and Resource Reuse , En2
vi ronmental School of N anjing U niversity , N anjing 210093 , China ; 2 N anjing Institute of Geography and
L im nology , Chinese Academy of Sciences , N anjing 210008 , China ;3 Yuxi Norm al College , Yuxi 653100 , Chi2
na) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (10) :1913～1917.
To mitigate and control the eutrophication of the waters in Fuxian Lake bay ,1 hm2 Yaonigou constructed wet2
land was built on the north Fuxian lakeshore ,and the P removal of the wastewater from Yaonigou River was in2
vestigated by the techniques of precipitation pond ,oxidation pond ,and subsurface2and surface flow constructed
wetland. The results demonstrated that this constructed wetland had a very strong capacity (718 %～8111 %) of
total phosphorus ( TP) removal. The average removal rate of TP was 5419 % ,and the TP retention in the con2
structed wetland was 265mg·m - 2·d - 1 ,of which ,plant assimilation was 2611mg·m - 2·d - 1 ,about 10 % of the
total. The TP removal was mainly through adsorption and sedimentation ,but the seasonal growth dynamics of
main plant Oenanthe javanica could have a definite effect on the efficiency of TP removal. During the examina2
tion ,the TP retention capacity was in order of subsurface flow constructed wetland > oxidation pond > precipita2
tion pond > surface flow constructed wetland.
Key words 　Fuxian Lake , Constructed wetland , Phosphorous removal efficiency.3 国家“863”计划项目 (2002AA601013)和云南省玉溪市污染治理资
助项目.3 3 通讯联系人.
2004 - 06 - 17 收稿 ,2004 - 09 - 10 接受.
1 　引 　　言
据监测调查 ,工业污水对抚仙湖 N、P 污染负荷
的贡献微不足道 ,而生活污水和农田径流等面源污
染占抚仙湖 N、P 污染负荷的 9911 %和 9815 %. 抚
仙湖的面源污染主要是通过北岸几条河流入湖 ,北
岸河流 N、P、CODcr 和 SS 污染负荷量分别占污染
负荷总量的 8114 %、86 %、68 %、61 % ,是引发抚仙
湖局部湖区水质污染和加速全湖富营养化发展的主
要因素 ,其中 ,窑泥沟是其污染较为严重的河道之
一. 在窑泥沟入湖口处建设人工湿地治理工程 ,对河
道污染物进行末端处理 ,削减抚仙湖污染负荷 ,控制
抚仙湖富营养化发展趋势 ,是本项研究的最终目标.
人工湿地被认为是最为经济有效的减少面源污
染的生态措施之一[1 ,2 ,14 ,16 ,19 ] . 目前 ,它被广泛应用
于处理生活污水、工业废水、农业面源污染以及水体
富营养化的治理[8 ,9 ,12 ,18 ,26 ] . 有关潜流人工湿地、表
面流人工湿地、生物氧化塘的除磷效果以及应用研
究 ,国内外已有很多报道[4 ,5 ,10 ,25 ,27 ,28 ] . 但是 ,把这
几种类型湿地治理技术进行优化组合 ,在湖滨带建
设一个复合人工湿地 ,用于湖泊面源污染控制和治
理 ,在国内外还少见应用报道. 为了寻求抚仙湖面源
污染控制和治理的有效途径和措施 ,本文研究了抚
仙湖窑泥沟人工湿地运行期间的除磷效果.
2 　材料与方法
211 　窑泥沟人工湿地建设
窑泥沟人工湿地建设在抚仙湖北岸湖滨滩地上 ,占地面
积 115 hm2 . 其中 ,沉淀池、生物氧化塘、水平潜流人工湿地
应 用 生 态 学 报 　2005 年 10 月 　第 16 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY , Oct . 2005 ,16 (10)∶1913～1917
和表面流人工湿地是其主要净化功能区 ,面积 1 hm2 ;种苗
基地、垃圾堆场及管理用房是其辅助功能区 ,面积 015 hm2 .
该人工湿地处理工程汇集了窑泥沟径流区内村镇及
31313 hm2 农田面源污水 ,污水经过溢流堰引入该人工湿地
处理系统 ,进行物理沉降、生物吸附、吸收和分解 ,最终达到
去除污染物的目的. 其工艺流程见图 1.
图 1 　窑泥沟人工湿地工艺流程
Fig. 1 Schematic diagram of Yaonigou constructed wetland.
　　湿地植物选择主要以当地品种为主 ,经济植物水芹菜
( Oenanthe javanica)是其主要品种 ,栽种面积 5 700 m2 ,占整
个湿地有效净化面积的 57 %左右. 其中 ,水平潜流人工湿地
由 4 个 15 m ×15 m 的单元格并联组成 ,填充 60 cm 厚的砾
石或煤渣. 单元 1 :填充砾石规格 3～5 cm ,栽种旱伞草和香
蒲 ( Typha latif olia) ;单元 2 :填充砾石规格 012～015 cm ,栽
种芦苇 ( Phragmites com m unis) ;单元 3 :填充砾石规格 1～2
cm ,栽种香蒲 ;单元 4 :填充煤渣 ,栽种芦苇. 各功能区设计参
数及栽种植物品种见表 1.
表 1 　湿地系统设计参数
Table 1 Design of characteristics in constructed wetland
功能区
Function
region
面积
Area
(m2)
水深
Depth
(m)
植物品种
Plant species
净化方式
Purification method
　
沉淀池
Precipitation tank
900 110～115 美人蕉、香蒲
Canna indica
and Typha latif olia
打捞和沉降
Salvage and deposit
生物氧化塘
Oxidation ponds
Pond 1 :1700 115～118 水芹
Oenanthe javanica
3 级塘串联
Three ponds in series
Pond 2 :1700 115～118 水芹
Oenanthe javanica
Pond 3 :1260 115～118 菱、睡莲
Trapaceae and Nenuphar
水平潜流人工湿地
Horizontal subsurface
flow constructed wetland
900 014～016 香蒲、芦苇、旱伞草
Typha latif olia and
Phragmites com m unis
四单元格并联
Four cells in
parallel connection
表面流人工湿地
Surface flow (SF)
constructed wetland
SF 1 :2300
SF 2 :1300
012～013
012～013 水芹 Oenanthe javanica莲、茨菇
Nelumbo nucif era and
Sagittiaria sagittif olia
二级梯田串联
Two terraces in se2
ries
212 　样品采集和测定
2002 年 3～12 月份 ,每月一次定期对各功能区进出水
进行采集 ,7 月和 10 月采集了各进出水口处的底泥样 ,按照
标准方法[6 ]监测 P、N 及其它污染指标含量变化. 湿地植物
生物量用 1 m2 的样方法测定.
3 　结果与分析
311 　进入湿地系统的污水量及污染物浓度
将窑泥沟污水引入湿地处理系统 ,由于受季节
及农事影响 ,进水流量变化幅度较大 ,范围在 0～
78 000 m3·d - 1之间. 而湿地系统设计处理污水能力
只有 5 000 m3·d - 1 ,停留时间为 48 h. 当进水流量最
大时 ,高出处理能力 1516 倍 ,停留时间仅为 3 h ,相
应的处理效果较差 ,只有通过分流部分污水措施 ,减
轻系统负荷 ,才能保证湿地系统正常安全运行 ;而在
旱季缺水条件下 ,污水在湿地系统内的停留时间可
达 6 d 之久 ,虽然进入污水量低于设计要求 ,但处理
效果较好 ;在一年大部分时间里 ,处理系统水力负荷
变动范围为 1 500～11 000 m3·d - 1 ,平均 4 400 m3·
d - 1 ,停留时间为 5118 h ,湿地系统能够正常运行.
在人工湿地运行及试验期间 ,进入该人工湿地
原水中 TP 浓度为 0153～2120 mg·L - 1 ,平均值为
1110 mg·L - 1 ,其它污染指标见表 2.
表 2 　人工湿地原水中污染物浓度
Table 2 Concentration of inlet pollutants in constructed wetland( mg·
L - 1)
SS BOD5 CODcr TP PO -4 2P TN
浓度范围
Concentration 19～122 915～6411 2619～194 0168～2120 0131～0188 5113～14193
平均值
Average 60 5112 7618 1110 0169 9100
312 　沉淀池的除磷效果
在沉淀池前段有个固体垃圾打捞区 ,试验运行
期间对窑泥沟入湖污水实施拦截 ,打捞飘浮固体垃
圾 ,年打捞量约为 750 t , 其干物质含磷量为
01238 % ,年去除磷量约为 179 kg.
污水引入沉淀池后 ,虽然停留时间较短 ,但通过
泥沙和悬浮有机质沉降作用 ,香蒲等湿地植物的净
化作用 ,也能起到一定除磷效果. 试验期间 ,沉淀池
对 TP 的平均去除率为 217 % ,单位面积 P 滞留量为
147 mg·m - 2·d - 1 ,其中香蒲年生物量为 1516 kg·
m
- 2
,生物同化作用年除磷量为 1144 kg.
沉淀池对 SS 的平均去除率相当高 ,达到 62 % ,
而且底泥淤积速度也很快 ,说明吸附、沉降作用是其
除磷的主要途径. 这也可以从沉淀池进出水口处底
泥中 C、N、P 含量随时间递增的结果得到证明 (表
3) .
313 　氧化塘的除磷效果
在3级串联的生物氧化塘功能区 , 1号和2号
表 3 　沉淀池进出水口处底泥 C、N、P含量
Table 3 Content of C, N and P in the inlet and outlet sediment of pre2
cipitation tank( %)
J ul. 10
进水口
Inlet
出水口
Outlet
Oct . 29
进水口
Inlet
出水口
Outlet
C 21223 11291 41546 11454
N 01190 01137 01576 01246
P 01109 01101 01176 01103
4191 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
氧化塘水面上种植了水芹菜 , 覆盖度高时可达
80 % ,3 号氧化塘种植了睡莲和菱. 随着植物生长的
季节变化 ,氧化塘系统的除磷效果也有一定的波动.
在水芹及菱生长旺盛季节 ,氧化塘系统对 TP 的去
除效果较好 ,最高可达 70 % ;但在夏末秋初季节 ,水
芹菜等植物进入衰老更替时期 , TP 去除效果明显下
降 ,一般不超过 30 %.
试验期间 ,系统中 TP 进、出水浓度分别为 0168
～2118 和 0131～1150 mg·L - 1 ,去除率为 310 %～
6815 % ,平均值为 2718 %(图 2) ,单位面积磷滞留量
为 283 mg·m - 2·d - 1 . 其中 ,水芹菜年生物量为 45
kg·m - 2 ,年同化作用除磷量为 57 kg ;菱年生物量为
1218 kg·m - 2 ,年同化作用除磷量为 618 kg. 氧化塘
系统中植物同化作用除磷量占 13 %左右. 另外 ,氧
化塘系统对 SS 也有很高的去除效果 ,去除率在
20 %～90132 %之间 ,平均为 60 %.
图 2 　氧化塘系统中 TP 的进出水浓度及去除率
Fig. 2 Concentration and removal rate of TP in the oxidation pond.
314 　水平潜流人工湿地的除磷效果
水平潜流人工湿地功能区 TP 进水浓度范围
0131～1150 mg·L - 1 ,去除率在 11119 %～60100 %
之间 ,平均为 24 %(图 3) ,单位面积磷滞留量为 896
mg·m - 2·d - 1 ,是氧化塘系统的 311 倍 ,是表面流人
工湿地系统的 716 倍. 但是 ,其中植物同化作用除磷
量却不大 ,芦苇同化作用年除磷量为 111 kg ,香蒲同
化作用年除磷量为 114 kg ,植物除磷量只占 1 %左
右 ,说明潜流人工湿地系统对 TP 的去除作用主要
是通过吸附和沉积作用完成的.
在潜流人工湿地系统 4 个并联处理床单元中 ,
除磷效果有很大差异. TP 平均去除率大小依次为单
元 1 ( 42123 %) > 单 元 4 ( 36119 %) > 单 元 2
(33149 %) > 单元 3 (21114 %) . 其中 ,单元 1 和单元
3 的除磷效果相差竟有 1 倍 ,但是两者处理床上栽
种的植物是相同的 ,主要是香蒲 ,通过溢流方式进入
的污水量也是相同的 ,所不同的是填充砾石的规格
图 3 　潜流人工湿地系统中 TP 的进出水浓度及去除率
Fig. 3 Concentration and removal rate of TP in subsurface flow con2
structed wetland.
大小 ,说明填充 3～5 cm 大规格砾石的单元 1 更适
合该湿地污水处理系统 ,除磷效果较好. 规格较小的
砾石处理床孔隙率也较小 ,再由于窑泥沟人工湿地
系统的水力负荷相对较高 ,孔隙率小的潜流湿地处
理床水流不畅 ,除磷效果相应就差.
315 　表面流人工湿地的除磷效果
潜流人工湿地出水经配水管均匀地进入表面流
人工湿地.该功能区对 TN 的去除率高达 40 % ,是氧
化塘系统的 2 倍 ,是潜流人工湿地系统的 4 倍 ,对
CODCr也有较好的去除效果 ,但是对 TP 的去除效果
却不甚理想 ,平均去除率只有 1512 % ,其出水水质见
表 41 该系统单位面积磷滞留量为 117 mg·m - 2·d - 1 ,
其中水芹和莲等湿地植物年同化作用除磷量为 28
kg ,占系统除磷总量的 18 %左右 ,高于氧化塘系统和
潜流人工湿地系统中植物同化作用除磷的比例.
表 4 　表面流人工湿地出水污染物浓度
Table 4 Concentration of pollutants in the outlet of surface flow con2
structed wetland( mg·L - 1)
SS BOD5 CODCr TP TN NH32N
出水浓度
Outlet concentration 018～10 310～513 411～2415 0150 3172 013～415
316 　窑泥沟复合人工湿地的除磷效果
窑泥沟复合人工湿地系统进水 TP 浓度在 0168
～2120 mg·L - 1之间 ,平均浓度为 1110 mg·L - 1 ,经
过 4 个功能区的净化 ,湿地系统出水 TP 平均浓度
可达 015 mg·L - 1 ,平均去除率为 5419 % (图 4) . 与
单一的氧化塘系统、潜流人工湿地系统或表面流人
工湿地系统相比 ,除磷效果明显增强[30 ] . 单位面积
平均磷滞留量为 265 mg·m - 2·d - 1 ,其中 ,植物同化
作用年除磷量为 96 kg ,占磷滞留总量 10 %.
519110 期 　　　　　　　　　　　　　陈源高等 :抚仙湖窑泥沟人工湿地的除磷效果研究 　　　　　　　　　　　
图 4 　窑泥沟人工湿地系统磷的进出水浓度及去除率
Fig. 4 Concentration and removal rate of TP in Yaonigou constructed
wetland.
4 　讨 　　论
试验期间 ,利用 ICP 分析仪检测了湿地系统部
分进出水样和底泥样中金属元素含量. 结果发现 ,出
水中 Fe 和 Al 含量下降 10 %～20 % ,虽然出水中 Ca
和 Mg 含量变化不大 ,但是 ,湿地系统底泥中 Ca、
Mg、Fe 和 Al 含量都随运行时间而递增. 人工湿地
系统水和基质中阳离子 ( Ca2 + 、Mg2 + 、Fe3 + 、Al3 + )
与可溶性无机磷化物反应产生沉淀 ,从而达到除磷
目的[3 ,13 ,15 ,17 ,21 ] .
在人工湿地系统中 ,聚磷菌交替地处于厌氧与
好氧状态 ,在厌氧条件下吸收低分子的有机物 ,同时
将细胞原生质中聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来 ,
提供能量 ;在好氧条件下 ,所吸收的有机物被氧化提
供能量 ,同时从污水中吸收超过其生长所需的磷并
以聚磷酸盐的形式储存起来 ,通过细菌的絮凝作用
和基质的吸附作用而去除磷[7 ,29 ] .
窑泥沟湿地系统通过吸附沉降途径除磷量占磷
滞留总量 90 % ,是其主要的除磷途径. 而且在沉淀
池和水平潜流人工湿地功能区中 ,吸附沉降作用更
为明显 ,除磷量分别占总量的 97 %和 99 %以上.
生物除磷包括植物和藻类的同化作用 ,通过湿
地植物的收割和藻残体的沉降而将磷从废水中移出
或去除[11 ,20 ,23 ] . 吴振斌等[22 ]研究证明 ,人工湿地对
磷的去除主要是通过对不溶性磷的吸附和沉积作
用 ,植物、藻类等对无机可溶性磷酸盐的吸收作用并
不明显. 但是 ,湿地植物庞大的根系能和填料表面一
起形成特殊的微环境系统 ,对污染物的过滤、吸附、
吸收、转化等有相当重要的作用. 另外 ,植物根系对
氧的传递释放 ,会在湿地床、植物根系及其周围的微
环境依次呈现出好氧、缺氧及厌氧状态 ,为植物和微
生物对污水中的 N、P 等元素的吸收提供强有力的
保障[24 ,30 ] .
窑泥沟湿地系统通过植物同化途径除磷量占磷
滞留总量 10 % ,是其次要的除磷途径. 在氧化塘和
表面流人工湿地功能区中 ,同化作用相对较强 ,除磷
量分别占总量的 13 %和 18 %以上.
人工湿地对 P 的去除研究表明 ,在冬季 ,一般
湿地植物要越冬、枯死 ,产生二次污染 ,造成湿地出
水中的 P 浓度甚至高于进水 ,除磷效果较差 ;但是
在夏季 ,植物新陈代谢旺盛、生理活动加强 ,即使加
大污染负荷 ,人工湿地仍表现出一定的无机磷去除
能力[22 ,27 ] . 窑泥沟人工湿地除磷效果恰恰相反 ,在
气温低的冬春季节 ,除磷效果最佳. 可能是因为窑泥
沟人工湿地栽种的主要品种是耐寒植物水芹菜所
致 ,气温低的季节是其生长旺盛期 ,气温高的季节会
出现夏眠和衰老更替现象. 另一个原因是窑泥沟人
工湿地位于云南地区 ,四季如春 ,冬夏两季温差只有
10 ℃左右 ,即使在冬季微生物和植物的生命活动也
很活跃.
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29 　Zheng X2C(郑兴灿) ,Li Y2X(李亚新) . 1998. Technology of Phos2
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chitectural Industry Press. (in Chinese)
30 　Zhang J2Y(张甲耀) ,Xia S2L (夏盛林) ,Qiu K2M (邱克明) ,et al .
1999. Nitrogen removal by a subsurface flow constructed wetlands
wastewater treatment system and nitrogen transformation bacteria.
Acta Sci Ci rc (环境科学学报) ,19 (3) :323～327 (in Chinese)
作者简介 　陈源高 ,男 ,1964 年出生 ,在职博士生 ,副研究
员.主要从事污染生态学研究 ,发表论文 10 余篇. E2mail :
ygch @niglas. ac. cn
“第 12 届全国农业生态学研讨会”将在广州召开
由中国生态学会农业生态学专业委员会主办 ,华南农业大学和广东省生态学会承办的“第 12 届全国农
业生态学研讨会”将于 2005 年 10 月 24～26 日在广州召开.
会议主题与内容
主题 :农业生态学与我国农业可持续发展 ———教学、科研与推广
内容 : (1)生态农业建设 ———模式与技术、推广与市场、政策与法规 ; (2)农业生态安全与食品安全 ; (3)化
学生态学、分子生态学与农业 ; (4)生物多样性与农业 ; (5) 全球变化与农业 ; (6) 循环经济与农业 ; (7) 农业生
态学的理论与模型 ; (8)农业生态规划与生态旅游 ; (9)农科的生态教学.
组委会现邀请国内外同行及感兴趣的专家学者参会 ,并征集论文 ,组委会拟编辑出版会议论文集. 请参
会代表务必在 7 月 15 日前将会议回执邮寄或通过传真、电子邮件发给大会秘书处. 论文截止日期为 2005 年
8 月 15 日. 会议第二轮通知将在 9 月 15 日左右发给参会代表. 具体会议信息请访问华南农业大学主页
(http :/ / www. scau. edu. cn/ ) ,从“学校动态”栏查看.
联系人 :章家恩 　蔡昆争 　欧秀娟
联系地址 :广州市天河区五山街 　华南农业大学热带亚热带生态研究所 　邮编 :510642
电 　　话 :020 - 85280211 　020 - 85283203
传 　　真 :020 - 85282693 　020 - 85280211
电子邮件 :jeanzh @scau. edu. cn ;jez6808 @163. com ; kzcai @scau. edu. cn
中国生态学会农业生态学专业委员会
第 12 届全国农业生态学研讨会组委会
2005 年 3 月 31 日
719110 期 　　　　　　　　　　　　　陈源高等 :抚仙湖窑泥沟人工湿地的除磷效果研究