全 文 ：书第 42 卷 增刊 1
2012 年 03 月
吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版)
Journal of Jilin University(Earth Science Edition)
Vol. 42 Sup. 1
Mar. 2012
再力花 /菖蒲生物湿地床去除河水中氮磷的试验
王 骥1，2，张兰英1，卢少勇2，甘 树2，3，金相灿2
1．吉林大学环境与资源学院，长春 130026
2．中国环境科学研究院湖泊工程技术中心 /湖泊环境研究中心 /国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，北京 100012
3．湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128
摘要:采用再力花和菖蒲构建湿地床，以考察其对污染河水的净化效果。6 个月的连续试验表明:在水
力负荷为 0. 24 m3 /(m2·d)、植物种植密度大于 158 株 /m2的条件下，2 种植物存活率均大于 93%，说明植
物能适应低污染负荷、高种植密度的无土培养环境;再力花和菖蒲湿地床月均去除率分别为:总氮(TN) ，
48. 22% ～ 78. 53%和 43. 23% ～ 72. 42%;总磷(TP) ，77. 62% ～ 85. 67%和 58. 07% ～ 80. 77%。再力花湿地
床对 TN、TP的净化效果好于菖蒲湿地床;2 种植物吸收 N、P 含量分别占去除总量的比例:N 为 44. 14%、
37. 75%，P为 73. 43%、62. 05%。湿地床技术可有效去除来水中的 TN、TP，通过植物吸收作用累积 N、P含
量较高，不同种类的植物构建湿地床对污染河水中 N、P去除效果存在显著差异，且硝化反硝化和植物吸收
是去除 N的主要途径，而植物吸收是去除 P的有效手段。
关键词:生物湿地床;再力花;菖蒲;河水;氮;磷
中图分类号:X522 文献标志码:A 文章编号:1671-5888(2012)Sup. 1-408-07
收稿日期:2011-09-22
基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008 ZX07101-012009ZX07101-09) ;国家高技术研究发展计划项目
(2005AA60101005)
作者简介:王骥(1983 －) ，男，博士研究生，主要从事人工湿地水质净化研究，E-mail:yingmu0414@ 126． com
通信作者:金相灿(1945—) ，男，研究员，主要从事水环境生态修复研究，E-mail:jinxiangcan2004@ 163． com。
Removal of N and P from River Water Treated by the Bio-rack Wetland
Planted with Thalia Dealbata and Acorus Calamus Linn
Wang Ji1，2，Zhang Lan-ying1，Lu Shao-yong2，Gan Shu2，3，Jin Xiang-can2
1． College of Environmental and Resource Sciences，Jilin University，Changchun 130026，China
2． Engineering and Technology Center of Lake Research Center of Lake Environment State Environmental Protection Key Laboratory for Lake
Pollution Control，Chinese Research Academy of Environment Sciences，Beijing 100012，China
3． College of Resources and Environment，Hunan Agriculture University，Changsha 410128，China
Abstract:Nitrogen and phosphorus removal were studied in the bio-rack systems with Thalia dealbata and
Acorus calamus Linn for purifying river water． The results showed the survived rates of two plants were more than
93%，when Hydraulic loading was controlled at 0. 24 m3 /(m2· d)and plants density was more than 158
plants /m2 ． This indicated that the plants could be adaptable Under the condition of lower pollution and higher
plant density． Total nitrogen(TN)average removal rates per month were 48. 22% － 78. 53% and 43. 23% －
72. 42%，total phosphorus(TP)average removal rates per month were 77. 62% － 85. 67% and 58. 07% －
80. 77% in the bio-rack wetland planted with Thalia dealbata and Acorus calamus Linn respectively． The removal
rates for N and P were higher in the bio-rack wetland planted with Thalia dealbata than wetland planted with
Acorus calamus Linn． Nitrogen uptake by plants accounted for 44. 14%，41. 08% in the Thalia dealbata and
Acorus calamus Linn systems，while for P，the removal ratio was 73. 43%，62. 05% respectively． It indicated
that the bio-rack wetland was an efficient way for purifying river water，the contribution rate on N，P removal of
DOI:10.13278/j.cnki.jjuese.2012.s1.032
plants assimilation was obvious，and different plants species had significantly difference for the bio-rack wetland
removing N and P of river water． The study also showed that nitrification /denitrification process and plant uptake
process are major removal pathways for TN，while plant uptake is an effective removal pathway for TP．
Key words:bio-rack wetland;Thalia dealbata;Acorus calamus Linn;river water;nitrogen;phosphorus
0 前言
人工湿地是 20 世纪 70 年代发展起来的一项污
水处理与生态修复技术，具有效率高、投资低、运转
费低、维持费低等优点，已被广泛用于污染河水治
理［1-5］。植物作为人工湿地的重要组成部分，在污水
处理过程中，越来越受关注。植物不但直接摄取利
用污水中的营养物［6-8］，且输送氧气到根区，提供根
区微生物生长、繁殖及降解等对氧的需求［9-10］;还能
有效维持和加强湿地系统内水力传输，延长湿地的
运行期限［11-12］。然而，在湿地中，植物种植密度一
般为几株至十几株 /m2［13-16］，普遍较低，植物作用受
一定程度限制。
湿地床是一种新的污水处理技术，利用 PVC 管
代替传统湿地填料支撑植物生长。在单位面积内，
种植大量植物，充分发挥植物的吸收功能及植物根
区提供的微环境完成物理、化学和生物作用，以实现
对污水的处理［17］。目前，此技术仅用于市政污水处
理，但对低污染水的处理效果未见报道，本研究以再
力花和菖蒲为试验植物构建湿地床净化河水，旨在
提高湿地床的净化效果，供对湿地研究与应用的人
员参考。
1 材料与方法
1. 1 试验装置
试验地点位于江苏省宜兴市周铁镇洋溪村的中
国环境科学研究院太湖研究中心。试验系统由 2 个
有机玻璃缸组成(长 500 mm ×宽 400 mm ×高 400
mm) ，有效水深 380 mm。20 根 400 mm 高、直径为
90 mm的 PVC管被集中放置于玻璃装置内，PVC 管
表面钻有 20 mm小孔，以保证水力流通。试验采用
连续进水方式，使用蠕动泵向湿地床供水。湿地床
系统试验装置见图 1。
1. 2 试验方案
2010 年 6 月初，将试验区附近池塘中株高均匀
(40 ～ 60 cm)的再力花和菖蒲(植物根系以直径小
于 3 mm的须根为主，根状茎较小)小心挖出，洗净
去土，去除枯叶，分别放入 2 个装有 PVC 管的装置
图 1 湿地床系统试验装置图
Fig. 1 Schematic appearance of a constructed bio-rack
wetland system
中;加入清水，每隔 1 h曝气一次，每次曝气 30 min，
曝气 2 d，以洗净植物根系溶出物质，并促进根系恢
复正常生长;之后向装置中注入河水，对植物进行进
一步恢复培养，植物初始种植密度为 158 株 /m2。
培养过程中，将死亡植株取出以防止植物腐解，恶化
水质。系统稳定 1 个月后，于 2010 年 7 月 1 日开始
试验，同年 12 月 20 日结束。以低污染河水为去除
对象，河水取自中国环境科学研究院太湖研究中心
附近的横塘河，横塘河是沿太湖西岸与太湖大堤有
一定距离的连通多条入湖河流的一条河道，河水 pH
值为 6. 8 ～ 7. 6，溶解氧(dissolved oxygen，DO)质量
浓度为 5. 2 ～ 10. 2 mg /L。试验期间水力负荷为
0. 24 m3 /(m2·d)。
1. 3 分析方法
试验过程中每隔 4 d 于上午 10 时取进水及湿
地床出水水样，检测指标包括总氮(total nitrogen，
TN)、溶解性总氮(dissolved total nitrogen，DTN)、氨
氮(ammonia nitrogen，NH3 － N)、总磷(total phos-
phorus，TP)、溶解性总磷(dissolved total phosphorus，
DTP)、生物可利用性磷(soluble reactive phosphorus，
SRP)的质量浓度及高锰酸钾指数(permanganate in-
dex，CODMn) ，均用标准方法测定
［18］。由于 12 月份
后期温度较低，装置中水体结冰，只监测 4 次水样。
水温、pH 采用 Hach 便携仪器 sensIONTM 测试;
ρ(DO)采用 Hach 便携仪器 sensION8 型溶解氧仪测
904增刊 1 王 骥，张兰英，等:再力花 /菖蒲生物湿地床去除河水中氮磷的试验
试。试验数据用 SPSS 13. 0 程序分析。
每月初选择有代表性的 3 株植物测量根系长
度、体积及植物株高，根系体积采用排水法测定［19］。
试验过程中，收集植物枯萎凋落物，在 105 ℃下杀青
30 min，70 ℃烘干至恒重并保存。试验初始及结束
时，记录植物生物量及植物体内氮、磷含量，植物
TN、TP测定方法见文献［20］。试验过程中植物吸
收总量为
M =MiP i －MoPo +MjP j。 (1)
式中:Mi、Mo、Mj分别为试验结束和起始时以及定
期收集的植物生物量，g /m2;P i、Po、P j分别为试验结
束和起始以及定期收集时植物体内的氮、磷质量分
数，mg /g。单位面积湿地床的去除量计算公式为
F =(C1Q1 － C2Q2)t /S。 (2)
式中:F为单位面积湿地床对 N、P 的去除量，g /m2;
S为湿地床的表面积，m2;C1、C2分别为湿地床进、出
水 N、P 质量浓度，mg /L;Q1、Q2分别为进、出水水
量，m3 /d;t为湿地床运行时间，d。
2 结果
2. 1 植物生长研究
在整个试验过程中，2 种植物各监测指标均有
明显增长，再力花各测量指标均高于菖蒲(图 2)。
方差分析表明，装置中，再力花根系体积显著(p ＜
0. 01)大于菖蒲。9 月份时，植物根长、根系体积以
及株高均生长最快，随后植物总体保持稳定增长;11
月份时，由于温度较低，再力花的茎、叶开始枯萎，根
系增长量不明显，虽然菖蒲部分叶片发黄，但根茎叶
仍然有增长趋势，说明菖蒲具有更强的低温适应能
力。在试验过程中，2 种植物成活率均在 93 %以
上，说明再力花和菖蒲能适应低污染负荷、高种植密
度的无土培养环境。
图 2 湿地床植物根长、株高、根系体积变化图
Fig. 2 Root length，plant height and total root volume in the bio-rack wetland with different plants
2. 2 TN、TP的去除
由图 3 可知:进水 TN质量浓度为 1. 422 ～ 5. 92
mg /L，平均值 3. 05 mg /L，进水质量浓度随月份不断
上升;平均 DTN质量浓度为 2. 33 mg /L，占进水 TN
的 76. 4%;平均 NH3 － N质量浓度为 1. 37 mg /L，占
进水 TN的 44. 9 %;进水 DTN和 NH3 － N质量浓度
与 TN质量浓度有相同的变化趋势。从图 4 可知:7
月至 10 月，2 个湿地床 TN平均去除率有增加趋势，
随后下降;到 12 月时，TN 平均去除率均降到最低。
再力花和菖蒲湿地床 TN 月平均去除率分别为
48. 22% ～78. 53 %和 43. 23% ～ 72. 42 %。再力花
湿地床对 TN的去除效果好于菖蒲湿地床。
进水 TP质量浓度为 0. 068 ～ 0. 211 mg /L，平均
值 0. 155 mg /L，进水质量浓度随月份变化不明显。
平均 DTP 质量浓度为 0. 051 mg /L，占进水 TP 的
32. 91%;平均 SRP质量浓度为 0. 025 mg /L，占进水
TP的 16. 13%。河水中 DTP含量随月份变化渐降，
而颗粒态 P含量渐升，到 12 月份，河水中颗粒态 P
占 TP 90 %以上(图 3)。从图 5 可见，2 湿地床中
TP去除率随月份变化不显著，再力花和菖蒲湿地床
TP 月平均去除率分别为 77. 62% ～ 85. 67 % 和
58. 07% ～ 80. 77 %，再力花床 TP 去除率显著(p ＜
0. 01)高于菖蒲床，说明不同植物种类对污染河水
中 TP去除有显著影响。
2. 3 N、P平衡
N、P平衡结果(表1)表明，再力花系统与菖蒲
014 吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版) 第 42 卷
图 3 进水 N、P质量浓度
Fig. 3 Influent concentration of N and P during the experimental period
图 4 湿地床出水 TN质量浓度变化量及月平均去除率
Fig. 4 Variation and average removal rate of effluent nitrogen in two bio-rack wetlands
表 1 湿地床 N、P平衡
Table 1 Nitrogen and phosphate mass balance in the bio-rack wetlands through the experimental period
植物种类
N、P去除量 /(g /m2) 植物吸收量 /(g /m2) 沉积物 /(g /m2) 其他 /(g /m2)
TN TP TN TP TN TP TN TP
再力花 73. 27 5. 27 32. 34 3. 87 1. 26 1. 13 39. 67 0. 27
菖 蒲 64. 90 4. 48 24. 50 2. 78 2. 87 1. 44 36. 63 0. 26
注:实验期间，N、P的进水负荷分别为 118. 84 g /m2和 6. 39 g /m2。
系统的 TN 去除量分别为 73. 27 g /m2和 64. 90 g /
m2;TP去除量分别为 5. 27g /m2和 4. 48 g /m2。实验
运行期间，再力花的 N、P吸收量分别为 32. 34 g /m2
和 3. 87 g /m2，菖蒲分别为 24. 50 g /m2和 2. 78 g /
m2，再力花和菖蒲吸收 N、P量分别占 N、P去除总量
的 44. 14%、73. 43 %和 37. 75%、62. 05%。
114增刊 1 王 骥，张兰英，等:再力花 /菖蒲生物湿地床去除河水中氮磷的试验
图 5 湿地床出水 TP质量浓度变化量及其平均月去除率
Fig. 5 Variation and average removal rate of effluent phosphorus in two bio-rack wetlands
3 讨论
在试验过程中，2 种植物长势良好，植物成活率
均在 93%以上，说明植物完全能够适应无土栽培的
方式和当地的环境条件，而且在处理低污染河水过
程中，较低的营养物质含量能够满足植物高密度的
种植要求。在 7 月至 10 月间，植物生长快速，主要
因为较高的温度适合植物的生长;而在 11 至 12 月
间，大多数植物生长缓慢，是因为温度较低，植物生
长期结束。
试验期间，在 2 个湿地床系统进水中，均有超过
50 %的 N和 60 %的 P 被去除，这与 Jing 等［3，17］利
用人工湿地治理低污染河水的结果相符，证明湿地
床可有效去除河水中的营养物质。2 个湿地系统对
N、P去除率不同，说明营养物质去除率受植物种类
影响。
在湿地床系统中，TN主要去除途径包括微生物
的硝化反硝化、植物吸收、颗粒物质的重力沉降以及
植物根系对颗粒态物质的拦截。从表 1 可计算得
知，再力花和菖蒲吸收氮含量分别占氮去除量的
44. 14 %和 37. 75%，说明在湿地床系统中，植物可
有效吸收水体中的 P，这与 Peterson 和 Teal［21］的研
究结果相符。通过重力沉降和植物根系拦截作用去
除的氮量较少(表 1)。分析结果表明，在湿地床系
统中，微生物的硝化反硝化过程是氮去除的主要途
径。植物在湿地污水净化过程中的作用与其生长状
况密切相关，生长越旺盛，根系越发达的植物，其净
化作用越大［22-24］。在湿地床系统中，植物根系代替
了填料成为微生物的主要载体，较大的植物根系具
有如下优势:1)为微生物的生长繁殖提供了相对充
足的空间;2)增加了微生物以及植物根系与氮素的
接触面积和机会;3)提供更多的好氧-厌氧微环境。
这些都有助于 N的去除，因此，与菖蒲相比，再力花
具有较高的 N 去除率。研究结果同时表明:TN 的
去除率在高温季节增加(7—10 月) ，在低温季节下
降(11—12 月) ，这说明温度是影响 TN 去除率的一
个重要因素，这与卢少勇等［25］研究结果相同。硝化
反硝化过程是 TN 去除的主要机理，然而在低温季
节，微生物的活性和生长受到抑制，不利于 N 的去
除。且在冬季，植物进入成熟期，新陈代谢以及植物
体内酶活性降低，不再吸收营养物质，并逐渐出现休
眠和腐解等现象。这些可能是低温季节 TN 去除率
下降的主要原因。
在 2 个湿地床系统中，植物吸收 P 含量均在 P
去除总量的 60%以上，说明在湿地床系统中，植物
吸收是 P 去除的主要途径，且一定含量颗粒态 P 转
化为 SRP供植物吸收利用，因为 60%以上的 P以颗
粒态存在。先前的一些研究者［26-27］利用人工湿地
处理污水时表明，植物直接吸收利用 P 含量多占 P
去除总量的 30%以下，也有占 37%和 51%［28］。这
种差异存在的主要原因:首先，在传统的人工湿地
中，P的去除主要依靠填料的物化过程来完成，如富
含铁和铝的填料与 P形成络合物［29］，而植物的种植
密度相对较低，限制了植物的吸收能力。在湿地床
214 吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版) 第 42 卷
系统中，植物的种植密度约为 150 株 /m2，植物需要
大量的营养物质满足自身的生长需求，因此需要吸
收更多的营养物质。其次，较低的进水负荷有利于
植物对 P的吸收。葛铜岗［30］用四级串联菖蒲浮床
对临江河回水区域水质进行治理发现，在植物种植
密度为 45 株 /m2的条件下，各级浮床通过菖蒲吸收
的 N、P 比例均不相同，当河水经过三级处理，流入
第四级浮床时，污染负荷明显降低，而植物对 P 的
吸收作用也表现出最大值，约占 P 去除总量的
65. 75 %，这说明植物吸收 P 的含量与进水负荷存
在一定的关系，当进水 P 负荷较低时，植物的吸收
作用表现明显，这与蒋跃平［31-32］的结论相符。长期
的监测数据显示，横塘河河水中 TP 浓度大体保持
在Ⅳ类水质以下，由于湿地床进水流量较小，P负荷
较低，因此，大部分 P 被植物吸收以满足自身的生
长需要。研究结果同时表明，各湿地系统 TP 去除
率随月份变化无显著波动，这主要是因为在高温季
节，植物可以有效吸收磷，在低温季节，发达的植物
根系可有效拦截颗粒态 P。
4 结论
1)再力花和菖蒲能在太湖流域湿地床系统中
良好生长，且在处理低污染河水过程中，较低营养物
含量能满足植物高密度的种植要求。在较低温度条
件下，菖蒲各项监测指标均有增长，说明菖蒲具更强
的低温适应能力。
2)试验期间，再力花株高、根长、根系体积均显
著大于菖蒲，对污染河水中 TN、TP的去除效果也好
于菖蒲，说明湿地中配以根系发达的植物，利于 N、P
去除能力提高，因此，选择适当的植物构建湿地系统
是提高污染河水中 N、P去除率的关键。
3)在利用湿地系统处理低污染河水的过程中，
大密度的种植植物利于 TN、TP吸收，保持系统较高
的去除率。
4)N、P平衡结果表明，在湿地床系统中，植物
吸收可有效去除水体中的 N、P，而微生物的作用对
水体中 N的去除贡献也较为明显。
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