全 文 ：河岸荆三棱带改善河水水质的中试研究
李睿华1 , 2 ,管运涛1 , 3 , 4 ,何苗1 ,胡洪营1 ,蒋展鹏1
(1.清华大学环境科学与工程系 , 北京　100084;2.南京大学环境学院 , 南京　210093;3.清华大学深圳研究生院 , 深圳　
518055;4.清华-京大环境技术联合研究和教育中心 , 深圳　518055)
摘要:在 1 a的时间里利用中试规模的荆三棱河岸带对受污染河水进行处理 , 主要考察了 COD、NH +4 -N、TP、浊度和水温等水质
指标.结果表明 , 荆三棱带在夏 、秋季改善河水水质的效果好于冬 、春季.荆三棱带在夏季对 COD、NH+4 -N、TP 和浊度的去除率
分别为 44.10%、78.66%、69.44%、99.53%,在冬季对河水水质也有一定程度的改善.荆三棱带可以降低河水温度及河水早晚
温差 ,起到改善局部水环境的作用.荆三棱带与空白带的对比表明植物对去除水中污染物 、改善局部水环境起着重要作用.
关键词:河流生态修复;河岸荆;三棱带;受污染河水
中图分类号:X522　文献标识码:A　文章编号:0250-3301(2007)06-1198-06
收稿日期:2006-06-02;修订日期:2006-09-27
基金项目:国家“十五”重大科技专项(2003AA601080)
作者简介:李睿华(1967～ ), 男 ,博士 ,副教授 ,主要研究方向为水处
理理论与技术 ,E-mail:liruihua@nju.edu.cn
Pilot-Scale Study on Riparian Scirpus yagara Ohw Zone Improving Water Quality
of River
LI Rui-hua1, 2 , GUAN Yun-tao1, 3 , 4 , HE Miao1 , HU Hong-ying1 , JIANG Zhan-peng1
(1.Department of Environmental Science and Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China;2.School of Environment , Nanjing
University , Nanjing 210093 , China;3.Graduate School at Shenzhen , Tsinghua University , Shenzhen 518055 , China;4.Cooperative Research
and Education Center for Environmental Technology , Kyoto University &Tsinghua University , Shenzhen 518055 , China)
Abstract:In one year polluted water was treated with Scirpus yagara Ohw to investigate its impact on river water quality in pilot scale test , and
COD , NH +4-N , TP , turbidity and water temperature were tested.The results show that the Scirpus yagara Ohw gives better water quality in
summer and autumn than in winter and spring.In summer , the Scirpus yagara Ohw zone removes 44.10% of the COD , 78.66% of the
ammonia , 69.44% of the phosphorous , and 99.53% of the turbidity.It also can improve water quality to some extent in winter.The Scirpus
yagara Ohw can reduce effluent temperature and effluent temperature difference between evening and morning and then improve water
microenvironment locally.Comparisons between the Scirpus yagara Ohw riparian zone and control zone showed that the Scirpus yagara Ohw
affects importantly on removing pollutants , improving local microenvironment of water.
Key words:river ecological restoration;Scirpus yagara Ohw;riparian zone;polluted river water
　　由于人类对河流的干扰日益加剧 ,许多河流已
经丧失了原有的自然状态 ,失去了其应有的功能 ,使
河流受到损害[ 1] .在河道浅水处种植水生植物 ,恢复
河道植物带是一种重要的恢复河流生态系统的措
施[ 2 ～ 4] .植物带中位于水面下的茎杆及水中的枯枝
败叶上会附着大量微生物 ,土壤中也会有大量微生
物存在 ,它们可以降解河水中的营养物质[ 5～ 7] ,减轻
河流的非点源污染[ 8 ～ 11] .另外 ,植物可以吸收营养物
质 ,改善局部环境.不同水生植物生长特性不同 ,由
其构成的河道水生植物带对河水水质的改善特点各
不相同.
荆三棱(Scirpus yagara Ohw)通常在河边 、湖岸 、
沼泽生长 ,适应性强 ,是湿地生态系统非常重要的一
种植物.本研究模拟河道水生植物带设计了荆三棱
中试植物带 ,并设置空白带作为对照.利用它们处理
受污染河水.旨在通过中试了解荆三棱河岸带的各
种作用 ,为受污染河流的水质净化和生态修复提供
技术基础.
1　试验装置与方法
1.1　河水水质
试验用水直接取自山东省淄博市孝妇河 ,河水
水质 1 a中变化较大 , COD为 20 ～ 106 mg L ,NH+4 -N
为 3 ～ 36 mg L , TP 为 0.05 ～ 0.42 mg L ,河水的可生
化性较差 ,可生化系数一般只有 0.1 ～ 0.2.
1.2　中试场地及植物种植
中试场地位于山东省淄博孝妇河河滩地上.图
1为其平面图.荆三棱带长 15 m ,宽 10 m ,空白带宽
5 m.河水通过潜水泵直接打入进水槽 ,连续进水 ,通
过渗流坝使水均匀进入中试荆三棱带 ,出水通过渗
流坝进入出水槽.荆三棱带水深从0 cm 逐渐变为 30
第 28 卷第 6期
2007 年6 月 环　　境　　科　　学ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol.28 , No.6
Jun., 2007
DOI :10.13227/j.hjkx.2007.06.006
cm ,以模拟河岸水深的变化.
图 1　中试场地平面图
Fig.1　Plan of pilot-scale system
中试场地于 2004-05初移植荆三棱 ,荆三棱种
植方式为行距 25 cm ,列距 25 cm , 菱形种植 ,植物
2 400棵左右 ,随后立即通入孝妇河水.在 5月底时
抽查植物的存活率发现荆三棱基本上全部成活.监
测时间从 2004-06-10 ～ 2005-06-01 , 持续近 1 a.从
2004-06-25开始调节进水量 ,通过阀门调节进水流
量 ,水力停留时间(HRT)为 2 d 时 ,水力负荷为 8
cm d.每周 2次在进水槽和出水槽取水样进行水质
分析.
1.3　分析方法
主要分析项目有 COD 、NH+4 -N 、TP 和浊度等.
COD分析采用重铬酸钾法;NH+4 -N分析采用纳氏试
剂分光光度法;TP 采用钼锑抗分光光度法;浊度采
用浊度计测量;DO和温度用溶解氧测定仪测量.
2　结果与分析
2.1　荆三棱河岸带对COD的去除效果
2004年山东省淄博市夏天的最高气温在 35℃
以上 ,不过这样的气温持续一般只有1周左右 ,冬天
的最低气温达到-15℃.淄博市 7月气温最高 ,平均
气温为26℃左右 ,1 月气温最低 ,平均气温为-3℃
左右.根据气温的实际情况 ,将所试验的 1 a时间分
为 4 季 , 即 2004-06-28 ～ 2004-09-13 、2004-09-14 ～
2004-11-11 、2004-11-12 ～ 2005-03-01 、2005-03-02 ～
2005-06-27分别划定为夏 、秋 、冬和春 4季.2004-07-
22 ～ 2004-09-02划定为雨季.
从2004-06-25 ～ 2004-08-02共 38 d ,中试河岸带
进水量为 12 m3 d ,水力停留时间大约为 2 d;08-03
～ 09-13共 42 d的时间内中试河岸带的进水量为 24
m
3 d ,水力停留时间约为 1 d;09-14 ～ 10-28共 45 d
内进水量为 36 m3 d ,水力停留时间约为0.7 d;2004-
10-29以后的所有时间里 ,进水量为 12 m3 d ,水力停
留时间约为 2 d.由于泵的流量限制和进水阀门调节
的问题 ,没有在更大范围内进行调节水力停留时间
的试验.
图 2是荆三棱带对河水 COD的处理效果.表 1
列出了不同季节和水力停留时间时荆三棱河岸带和
空白带的平均进出水 COD浓度和它们对 COD的平
均去除率.从中可以发现在 1a 的时间里 ,荆三棱中
试河岸带进水 COD 在 20 ～ 106 mg L内波动 , 出水
COD在 9.86 ～ 54.47 mg L范围内波动 ,相应的 COD
的去除率波动范围为 2.73%～ 70.36%.
夏季 , 荆三棱河岸带对 COD 的去除率为
44.10%,在 1 a中最高.空白床的去除率为 31%.在
整个夏季进行了水力停留时间为 2 d和 1 d的试验 ,
荆三棱河岸带 HRT 为 2 d 时的 COD 去除率为
50.45%,比 HRT 为 1d 时的去除率高 13.42%,而空
白河岸带则只有不到 5%.这表明 HRT 的延长有利
于对 COD的去除 ,尤其有利于荆三棱河岸带对 COD
的去除.
秋季 , 荆三棱河岸带对 COD 的去除率为
27.86%,为所试验的 1a中最差 ,与最好的夏季时的
去除效果相比 ,降低了大约 17%.空白带的去除率
为 15.72%,也比夏季降低了 15%.虽然其中有一段
时间的水力停留时间为 0.7 d ,使 COD的去除率降
低 ,但是对整个秋季 COD的去除率没有根本影响.
尽管 COD去除率在 1 a中最低 ,但是荆三棱带与空
白带之间的去除率之差有 12.14%左右 ,与夏季时
的 13%相当.这充分说明荆三棱在秋季去除河水
COD中起着重要作用.
冬季 , 荆三棱河岸带对 COD 的去除率为
41.42%.空白河岸带达到 32.89%,比其夏天时的去
除率略高.冬季气温低 ,微生物没有活性 ,植物也不
生长 ,但是荆三棱与空白河岸带对 COD的去除效果
却比秋季还好.出现这种情况的原因可能与冬天气
温低 ,在大部分时间里几乎整个中试河岸带的水体
都被冻结 ,水流情况与夏秋差异巨大有关.11 月底
中试河岸带水面开始封冻 ,2004-12-22第 1次降雪 ,中
试河岸带冰的厚度达到 2.5 cm ,以后随着气温的降
低 ,冰层逐步加厚 , 到 2005-01-19 时冰厚度达到 11
cm.中试河岸带的浅水水体基本全部封冻 ,深水水体
也大部分被封冻.河水进入中试河岸带后 ,通过冰与
11996 期 李睿华等:河岸荆三棱带改善河水水质的中试研究
地面之间的缝隙 、土壤间隙流向下部水体.COD的去
除主要受土壤的过滤 、吸附等作用 ,而不象其它季节
主要受附着在植物及悬浮于水中的微生物作用.
春季 ,荆三棱带对COD的去除率为 42.31%,空
白带的去除率为 33.47%.两者之间的差距约为
9%,与冬季时的差距相差无几.春季气温逐步升高 ,
植物开始发芽 、生长 ,微生物活性逐步恢复 ,对 COD
的去除率理应比冬季好得多 ,但是事实并不如此.其
原因可能与春季的进水 COD为 69.78 mg L ,为 1 a
中最高有关.
图 2　荆三棱河岸带对 COD 的去除效果(0点为 2004-06-10)
Fig.2　Removals of COD in Scirpus yagara Ohw zone
表 1　荆三棱河岸带在不同季节和水力停留
时间下的平均进出水 COD 与 COD 的去除率
Table 1　Average COD of feed and eff luent and COD removals in Scirpus
yagara Ohw zone in different seasons and under different HRT
季节 HRT COD mg·L
-1 COD去除率 %
进水 空白带 荆三棱带 空白带 荆三棱带
平均 42.31 27.03 21.45 31.06 44.10
夏 1 d 32.95 22.31 19.57 28.49 37.03
2 d 50.74 31.28 23.15 33.37 50.45
秋 平均 39.59 32.81 27.98 15.72 27.86
0.7 d 37.51 30.65 23.63 14.21 33.14
冬 2 d 44.76 29.92 25.46 32.89 41.42
春 2 d 69.78 44.17 38.28 33.47 42.31
雨季 32.50 23.09 20.85 27.01 34.77
2.2　荆三棱带对NH+4 -N的处理效果
图3是荆三棱带对河水中NH+4 -N的处理效果.
表2是不同季节 、不同水力停留时间下荆三棱带 、空
白带进出水的平均 NH+4 -N 浓度与 NH+4 -N 的去除
率.在所监测的 1a 时间里 ,进水 NH+4 -N浓度在 3 ～
36 mg L之间波动 ,荆三棱带出水的波动范围为 0 ～
27.8 mg L ,荆三棱带对NH+4 -N的去除率波动范围为
2.4%～ 100%.
夏季 ,荆三棱带对 NH+4 -N 的去除效果最好 ,去
除率达到 78.66%, 空白带对 NH+4 -N 去除率高达
61.07%,这与空白带中的有一些植物 ,水中和土壤
中有大量微生物有关.出乎意料的是 HRT 为 1 d 时
的去除率比 HRT 为 2 d时还高.这可能与 HRT 为 1
d时 ,平均进水 NH+4 -N浓度仅为 6.45 mg L ,而 HRT
为 2 d时 NH+4 -N浓度高达 17.02 mg L有关.
秋季 ,荆三棱带对 NH+4 -N的去除率为 55.97%,
空白带为 37.31%.反常的是在水力停留时间为 0.7
d时 ,中试河岸带对 NH+4 -N的去除率反而比整个秋
季的去除率高.这可能与这一期间进水 NH+4 -N 浓度
较低 ,且该期间处于夏秋之际 ,气温相对较高 ,且植
物未完全死亡有关.
冬季 ,荆三棱河岸带对 NH+4 -N的去除率较低 ,
只有 26.92%,与空白带的 25.37%相差不大.冬季
气温低 ,微生物活性低 ,植物的吸收作用消失.去除
NH
+
4 -N主要的主要作用为土壤的吸附等物理化学
作用 ,因而荆三棱带与空白带相差不大.
春季 ,荆三棱带的 NH+4 -N去除率仅为 22.41%.
春季气温升高 ,植物开始生长 ,微生物活性增加 ,但
是荆三棱带对 NH+4 -N的去除率却比冬季时的还低.
主要原因在于进水水质严重恶化 ,平均 NH+4 -N 浓度
高达27.7 mg L ,超过了河岸带去除NH+4 -N的能力.
不过荆三棱带与空白带之间对NH+4 -N的去除率之
差为 11.23%,远大于冬季时的差值.这充分表明春
季荆三棱在去除NH+4 -N中的作用.
分析还发现在未进入雨季之前(2004-07-22之
前)空白带 、荆三棱带对 NH+4 -N 处理的平均效果分
别为34.52%、57.88%,差别为 23.36%.这说明荆三
1200 环　　境　　科　　学 28 卷
　　　　　　
图 3　荆三棱河岸带对 NH+4 -N的去除效果(0点为 2004-06-10)
Fig.3　Removals of NH+4 -N in Scirpus yagara Ohw zone
表 2　荆三棱河岸带在不同季节和水力停留时间下的
平均进出水 NH+4 -N浓度及其去除率
Table 2　Average NH+4 -N of feed and effluent and NH+4 -N removals
in Scirpus yagara Ohw zone in different seasons and under different HRT
季节 HRT NH
+
4 -N mg·L-1 NH+4 -N去除率 %
进水 空白带 荆三棱带 空白带 荆三棱带
平均 11.48 5.51 3.20 61.07 78.66
夏 1 d 6.45 1.90 0.88 66.96 85.42
2 d 17.02 9.49 5.74 54.59 71.23
秋 平均 8.13 5.54 4.07 37.31 55.97
0.7 d 5.79 2.76 1.45 54.36 76.30
冬 2 d 20.94 16.03 15.66 25.37 26.92
春 2 d 27.70 24.50 21.55 11.18 22.41
雨季 7.55 1.98 1.10 70.88 84.09
雨季前 21.88 14.55 8.95 34.52 57.88
棱带对 NH+4 -N的去除能力远强于空白带.但是 ,在
雨季期间 ,空白带和荆三棱带对 NH+4 -N的去除率分
别为 70.88%和 84.75%,差距减小很多.这是因为
雨季时水中 NH+4 -N浓度变小 ,很容易降解到一定低
的程度 ,因而不能充分显示荆三棱的作用.
2.3　荆三棱带对TP的处理效果
河岸带中 TP 的去除主要靠化学沉淀 、植物吸
收 ,微生物在其生命活动中会利用一些 P ,但是其死
亡后又会从细胞中释放出来 ,因此微生物在河岸带
TP的去除中所起的作用不大.
图4是荆三棱河岸带对 TP的去除效果.表 3列
出了不同季节和 HRT 下荆三棱带和空白带进出水
的平均TP浓度和对 TP 的平均去除率.在试验的1 a
内进水 TP在 0.082 ～ 0.42 mg L内波动 ,荆三棱带出
水TP在 0 ～ 0.168 mg L内变化 ,荆三棱带对 TP 的去
除率在6.12%～ 100%内变化.由于在HRT 为 1 d和
0.7 d时取样的次数很少 ,因此不单独对它们进行
讨论.
夏季 ,荆三棱河岸带对TP的去除率为69.44%,
空白带为 41.48%,二者之间的差值高达 29个百分
点 ,充分显示了荆三棱对TP的去除作用.
秋季 ,荆三棱河岸带对TP的去除率为85.74%,
空白带也高达为 66.89%, 二者之间的差值约为
20%.这表明秋季植物走向死亡 ,对 TP 的去除率减
弱.空白带的去除率高达 66.96%应该与土壤的吸
附 、沉淀的TP量变大有关.
表 3　荆三棱河岸带在不同季节和水力停留
时间下的平均进出水 TP浓度及其去除率
Table 3　Average TP of feed and effluent and TP removals in Scirpus
yagara Ohw zone in different seasons and under different HRT
季节 HRT TP mg·L
-1 TP 去除率 %
进水 空白带 荆三棱带 空白带 荆三棱带
夏 平均 0.19 0.09 0.05 41.48 69.44
秋 平均 0.26 0.07 0.02 66.89 85.74
冬 2 d 0.15 0.09 0.06 37.83 53.22
春 2 d 0.20 0.11 0.07 42.30 63.32
　　冬季 ,荆三棱带对TP的去除率为 53.22%,空白
带为 37.83%,二者差别约为 15%,为 1 a之中最小
值.这与冬季植物死亡 ,对 TP 的去除基本上与土壤
的作用有关.
春季 ,荆三棱带对TP的去除率为 63.32%,空白
带为 42.30%,二者的差距为 21%,仅仅比夏季时的
差距小.春季植物开始生长 ,荆三棱带与空白带对
TP 的去除率之间的差距变大 ,进一步表明了荆三棱
对 TP 去除的重要作用.
12016 期 李睿华等:河岸荆三棱带改善河水水质的中试研究
图 4　荆三棱河岸带对 TP的去除效果(0点为 2004-06-10)
Fig.4　Removals of TP in Scirpus yagara Ohw zone
2.4　荆三棱带对浊度的影响
河水流经中试河岸带时 ,由于水流变缓 ,以及受
到水中植物附着的微生物等作用 ,水中的悬浮物会
逐步沉积下来 ,使河水的浊度降低.图 5为中试河岸
带进出水的浊度.为了便于了解中试河岸带对浊度
的去除效果 ,表 4列出了中试河岸带在各季节进出
水的平均浊度和对浊度的去除率.
1 a 之中 , 河水的浊度在 13 ～ 287 NTU 之间波
　　　　　　
图 5　荆三棱河岸带进出水浊度(0点为 2004-06-10)
Fig.5　Removals of Turbidity in Scirpus yagara Ohw zone
表 4　荆三棱河岸带在不同季节和水力停留时间下的
平均进出水浊度及其去除率
Table 4　Average turbidity of feed and effluent and turbidity removals
in Scirpus yagara Ohw zone in different seasons and under different HRT
季节 HRT 浊度 NTU 去除率 %进水 空白带 荆三棱带 空白带 荆三棱带
夏 总 96.56 3.26 1.34 98.86 99.53
秋 总 44.21 3.11 0.32 98.92 99.89
冬 2 d 64.75 22.3 7.05 87.03 96.91
春 2 d 50.06 20.46 3.13 68.63 96.32
动 ,空白带与荆三棱带出水分别在 0 ～ 44 和 0 ～ 12
NTU范围内波动.荆三棱带和空白带夏 、秋季出水浊
度及对浊度的去除率明显好于冬 、春季.一般情况
下 ,荆三棱带的出水浊度和对浊度的去除率比空白
带好很多.这表明荆三棱对水中浊度作用明显.
2.5　荆三棱带出水的 pH
图 6是荆三棱河岸带在大约 1a里进出水 pH的
变化情况 ,从中可以了解河岸带对河水 pH 值的影
响.从图 6可以看出 ,无论是进水还是出水 ,无论是
荆三棱带还是空白带 , pH在 1a里基本上在 7 ～ 8之
间变化 ,没有大的波动.且中试河岸带出水 pH 的波
动趋势与进水基本一致 ,这表明荆三棱带和空白带
对 pH 基本上没有影响.
2.6　荆三棱带出水的水温
表 4列出了荆三棱带和空白带 2004-07 、2004-
1202 环　　境　　科　　学 28 卷
图 6　荆三棱河岸带进出水 pH(0点为 2004-06-10)
Fig.1　pH of water in Scirpus yagara Ohw zone
09 、2004-11和 2005-04等 4个月的出水水温及出水
早晚温差.空白带出水水温及出水温差明显高于荆
三棱带 ,表明荆三棱对水体起到遮蔽作用 ,降低出水
水温及出水温差 ,从而起到调节局部水温的作用.
表 5　在不同月份荆三棱与空白带出水月
平均温度及早晚月平均温差1) ℃
Table 5　Monthly average temperature and temperature difference
of effluent between morning and af ternoon
in Scirpus yagara Ohw and without plant zone ℃
时间
年-月
出水水温 早晚出水温差
空白带 荆三棱带 空白带 荆三棱带
2004-07 34.2 28.5 未测
2004-09 27.0 20.5 7.1 0.9
2004-11 17.0 12.4 6.3 1.2
2005-04 22.6 20.8 11.1 9.1
1)出水水温测试时间为下午 4点;温差为下午 4点与早上 9点出水
温差
3　结论
(1)荆三棱河岸带改善河水水质的效果受季节 、
河水受污染的状况的影响很大.通过荆三棱河岸带
处理受污染河水的 1 a 的中试研究 ,发现夏 、秋季的
去除效果好于冬 、春季 ,河水水质恶化时 ,荆三棱带
改善河水水质的效果不显著.
　　(2)荆三棱带对 COD 、NH+4 -N 、TP 、浊度在夏 、秋 、
冬 、春 4 季的去除效果分别为 44.10%、27.86%、
41.42%、 42.31%;78.66%、 55.97%、 26.92%、
22.41%;69.44%、 85.74%、 53.11%、 63.32%;
99.53%、99.89%、96.91%、96.32%.荆三棱带对河
水 pH 没有影响 ,可以降低出水水温 、稳定出水早晚
温差.荆三棱在去除水中污染物 、改善局部水环境起
着重要作用.
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