全 文 ：香根草和风车草人工湿地对猪场废水
氮磷处理效果的研究＊
廖新亻弟＊＊　骆世明　(华南农业大学 , 广州 510642)
【摘要】　分别以香根草(Vetiveria zizanioides)和风车草(Cyperus alternifolius)为植被 , 按 1.0m×0.5m×
0.8m 建立人工湿地 ,通过四季测试研究其对猪场废水 N、P的净化功能及其随季节 、进水浓度及水力停留
时间变化的规律.结果表明 ,两湿地对 NH3-N 和 S-PO3-4 去除率受污水停留时间和污水浓度影响较大.香
根草或风车草人工湿地在春季对 NH3-N 和 S-PO3-4 有明显的去除效果;在秋季 ,则对去除废水 TN 均有效
果 ,在去除 TP上 , 香根草湿地效果明显 , 风车草湿地效果差.秋春季人工湿地随水力停留时间(t)延长 , TP
或 S-PO3-4 (Y)的去除遵从指数方程 Y t =Y 0·e-kt规律.冬季和夏季 , 进水浓度对湿地去除 P 影响较大;在
相同停留时间内 , 冬夏季人工湿地随进水浓度变化 , 进出水 S-PO3-4 遵从直线方程 y=a+bx 规律.
关键词　香根草　风车草　人工湿地　猪场　废水处理
文章编号　1001-9332(2002)06-0719-04　中图分类号　X703　文献标识码　A
Effects of constructed wetlands on treating with nitrogen and phosphorus in wastewater from hoggery.L IAO
Xindi, LUO Shiming (South China Agricultural University , Guangzhou 510642).-Chin.J.Appl.Ecol.,
2002 , 13(6):719 ～ 722.
Using plant species Vetiveria zizanioides (VCWS) and Cyperus alternifolius (CCWS) respectively , two
constructed wetlands(CWS)with size of 1.0 m×0.5 m×0.8 m were established.The purifying function and
its change pattern among different seasons , influent concentration and hydraulic retention time(HRT)of CWS
on nitrogen and phosphorus in wastewater from a hoggery w as studied throughout four seasons in the year.The
results showed that the effects of HRT and wastewa ter concentration on the removal r ate of NH3-N and S-PO 3-4
were obvious in both VCWS and CCWS.High removal rates of NH3-N and S-PO3-4 w ere obtained in CCWS and
VCWS in spring.Significant removal of TN in wastewa ter existed in CCWS and VCWS in autumn , while signi-
ficant removal of TP in wastewater existed only in VCWS.The removal of TP or S-PO3-4 against the HRT in
CWS follow ed exponential function.The rates of P removal in w inter and summer changed with the influent
concentrations.Under the same HRT , the change of S-PO 3-4 concentrations in outflow against the influent
concentration fo llowed a linear relationship.
Key words 　 Vetiveria zizanioides , Cyperus alternifolius , Constructed wetlands , Hoggery , Wastewater
treatment.
＊国家“九五”科技攻关项目(96003040103).
＊＊通讯联系人.
2001-03-12收稿 , 2001-11-07接受.
1　引　　言
人工湿地作为废水处理的一种设施 ,可以不同
程度地去除废水中的悬浮物 、有机物 、N 、P 和重金
属等 ,并具有建造和运行费用低 、维护简单 、耐污染
负荷以及景观美化等优点.随着人工湿地的研究和
应用 ,已充分显示出其在去除 N 和 P 中的潜力 ,极
有可能成为一种去除废水 N 和 P 既有效又低成本
的设施.目前 ,国内已在人工湿地去除 N 、P 上开展
专门的研究[ 14 ,20] .过去 ,围绕人工湿地去污功能的
研究多在以芦苇(Phragm ites australis)、香蒲
(Typha lati folia)、茭白(Zizania lati fol ia)、水葱
(Schoenoplectus lacustris)等植物构建的人工湿地上
进行[ 2 , 6 , 12 ～ 14 ,19～ 22] .人工湿地对污染物的降解随污
水类别 、污染物浓度以及系统特征和系统运行条件
而变化[ 4 ,5 ,8 ,11] ,如设施(处理床)规格 、水力停留时
间(HRT)、温度等因素都影响湿地的运行.利用风
车草(Cyperus alterni folius)净化废水的研究报道较
少 ,Neuray 等[ 9]研究表明 ,风车草对猪场废水 COD
的去除率为 36%,并测定了植物组织中 N 、P 的含
量 ,但未报道废水中 N 和 P 指标的变化.香根草
(Vet iveria zizanioides)主要被许多国家应用于防止
水土流失.近几年来 ,香根草的应用研究开始涉及污
染治理 , 包括应用香根草去除废水 N 、P 和重金
属[ 16 ～ 18]等方面.结果表明 ,香根草在水中能正常生
长 ,并在去除垃圾污水和生活污水 N 、P 和重金属上
表现出明显效果 ,是一种良好的净化富营养水体的
应 用 生 态 学 报　2002 年 6 月　第 13 卷　第 6 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Jun.2002 , 13(6)∶719～ 722
DOI :10.13287/j.1001-9332.2002.0170
植物 ,但其在高浓度猪场废水中的应用未见报道.本
文主要研究分别由香根草和风车草构建的人工湿地
对养猪业废水 N 、P 的净化功能 ,及其随季节 、进水
浓度和废水在湿地的平均水力停留时间(hydraulic
retention time ,HRT ,d)变化的规律.
2　材料与方法
2.1　试验设计
湿地净化试验在广州市一个大型猪场污水处理站附近
(校内科研基地)大棚内进行.人工湿地长宽高分别为 1.0m
×0.5m×0.8m , 由砖和水泥砌成.湿地内均填充粒径 3 ～
5cm的碎石 60cm 厚 , 作为处理床.Ⅰ室处理床面上种风车
草 , Ⅱ室床面上种香根草 , Ⅲ室作为空白对照组 ,不填碎石 ,
不种植物.处理组(Ⅰ 室和 Ⅱ室)植物于测试前直接种在床
上 ,供试植物均采自自建的水生标本园 , 植株根系发达 , 分蘖
数 14 ～ 16 个/株 , 香根草高度 150 ～ 170cm , 风车草 135 ～
145cm , 每组 8 株 ,分两行栽种 , 每行 4株.湿地进水通过位于
各室前部的进水槽从处理床前端底部分多孔均匀进水 , 从另
一端上部多孔均匀出水.测试前先运行两个月 ,以让处理床
挂膜;运行时每隔 3 天进一次废水 ,进水量 90L/室 , 进水浓
度低于当季正式测试时的最低进水浓度.每一个季节测试结
束 ,将试验植物沿床面上 30cm 剪割 , 各组继续在低浓度下
维持运行.
2.2　测试期运行
试验系统一年四季连续进行 ,采样与测试工作也是分季
节开展.春季 、夏季 、秋季和冬季测试期间的平均气温分别为
23.8、27.2 、21.4 和 17.9℃.为了研究水力停留时间(HRT)
对湿地净化 N 、P功能的影响 , 秋季和春季试验都采用相同
的运行方式 ,即进水浓度在同一范围 ,HRT 采用 5 个方式(5、
4 、3、2 和 1d);秋季平均进水水质:总 P(TP)29.05±0.75mg·
L-1 , NH3-N 189.71±12.38mg·L-1 , 总 N(TN)233.45±4.67
mg·L-1 ,春季平均进水水质 NH3-N 84.18±7.78mg·L-1 ,可
溶性磷酸盐(S-PO3-4 )122.55±5.55mg·L-1.为了研究进水浓
度对湿地净化 N、P功能的影响 ,冬季和夏季试验运行采用同
一个 HRT(3d)、5 个不同的进水浓度范围(表 1).
　　试验期间各组每天连续进水(水是猪场废水经沉淀和厌
氧处理后的出水再用清水稀释而成).在同一季节内 , 不同停
留时间(秋 、春季)或不同进水水质(冬 、夏季)的运行和测定
均重复 3 次.
2.3　废水采样与测试
表 1　冬夏季试验进水水质
Table 1 Influent for winter and summer experiment(mg·L-1)
季节
Seasons
项目
Item
进水序号 Influent No.
1 2 3 4 5
冬季 NH3-N 30.23±6.40 97.83±6.83 159.50±2.75 192.90±5.61 249.10±9.41
Winte r S-PO3-4 5.85±1.33 17.73±0.39 33.87±2.07 40.33±2.10 50.00±2.23
夏季 NH3-N 30.80±0.72 66.87±4.35 103.07±6.77 113.33±8.61 169.60±10.18
Summer S-PO3-4 14.10±1.26 28.15±0.79 66.40±6.72 111.60±7.90 132.70±1.15
　　测试期间每天从各湿地出水口取水样分析 TN 或 NH3-
N、TP 或 S-PO3-4 等指标.NH3-N 采用纳氏试剂比色法
(GB7481-87), TN 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法 , S-
PO
3-
4 采用氯化亚锡还原光度法 , TP 采用钼锑抗分光光度
法[ 3] .
2.4　数据分析方法
用 Microsoft Excel对数据进行方差和图表分析 , 多重比较
采用邓肯氏新复极差检验法(DMRT 法),α=0.05.
3　结果与分析
3.1　人工湿地去除 TN 、TP 、NH3-N 、S-PO3-4 的功能
由图 1可见 ,秋季香根草或风车草人工湿地对
废水 TN 去除率比对照组高 ,方差分析表明差异极
显著(P<0.01),多重比较表明两湿地间无显著差
异(P >0.05).停留 2d ,湿地 TN 去除率约达 15%;
停留 3d ,约达 20%;停留 5d ,约达 30%.
图 1　秋季(a)、春季(b)废水不同处理 HRTs TN 、NH3-N 、TP 和 S-
PO 3-4 去除率
Fig.1 TN , NH3-N , TP and S-PO3-4 removal rate of w astew ater in di ff e-
rent H RTs in autumn(a)and spring (b).
Ⅰ .香根草湿地 Vet iver w et land , Ⅱ .风车草湿地 Umbrella wetland ,
Ⅲ .空白组 Cont rol group.下同 The same below.
　　春季 NH3-N去除率的方差分析结果表明 ,两湿
地 NH3-N 去除率与对照组差异极显著 ,但两湿地之
间无显著差异;在不同停留时间之间呈显著差异.这
720 应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　13卷
说明在春季 ,以风车草或香根草构建的人工湿地可
以有效地去除 NH3-N.秋季香根草湿地对废水 TP
的去除率比风车草湿地和对照组高 ,差异均达极显
著(P<0.01);但风车草湿地与对照组之间无显著
差异(P >0.05).停留 2d ,香根草湿地 TP 去除率约
达 10%,风车草湿地约为 3%.春季两湿地可明显去
除废水S-PO3-4 ,去除率随HRT 延长而提高 ,去除效
果在两湿地间没有显著差异(P >0.05).
在一定浓度下 ,不同停留时间秋季香根草湿地
TP和春季风车草湿地 S-PO3-4 去除模型均可用 Y t
=Y 0·e(-kt)来表示(图 2),其中 , Y t 为出水 TP 或
S-PO3-4 , Y 0为进水 TP 或 S-PO3-4 , t 为水力停留时
间(d), k 为降解常数(d-1).并求得秋季香根草湿地
TP 去除模型 Y 0=29.89mg·L-1 , k =0.0760·d-1 ,
R 2=0.9783 ,呈极显著(P <0.01);春季风车草湿地
S-PO3-4 去除模型 Y 0=121.82mg·L-1 , k =0.0917·
d-1 , R 2=0.7456 ,呈显著(P <0.05).
图 2　秋季香根草(a)和春季风车草(b)人工湿地 TP 、S-PO3-4 去除模型
Fig.2 Model of removal T P S-PO 3-4 in Vetiver CWS in autumn(a)and
Umbrella CWS in spring(b).
3.2　冬季 、夏季进水浓度逐步提高的条件下湿地对
S-PO3-4 去除率变化.
图 3表明 ,在上述系列进水浓度下 ,冬季香根草
或风车草湿地的去 P 能力都比空白组强;从总趋势
来看 ,去除率随进水浓度增大而升高.夏季 S-PO3-4
去除率在湿地与对照组间无显著差异(P >0.05),
在不同进水浓度间呈显著差异(P<0.05).
　　HRT 为 3d时 ,冬季或夏季风车草湿地 5 个不
同的进水 S-PO3-4 (x)和出水 S-PO3-4 (y)的回归方
程为 y =a+bx(图 4).并求得冬季风车草湿地 a =
2.2252 , b=0.5885 , R 2=0.9693;夏季风车草湿地
a=-2.3699 , b= 0.7984 , R2 =0.9818 ,均呈极显
著相关(P<0.01).
图 3　冬季(a)和夏季(b)进水浓度提高条件下湿地对 S-PO 3-4 去除率
Fig.3 S-PO 3-4 removal rates of dif ferent influent contents of wastewater
retained in CWS in w inter(a)and summer (b).
进水序号从 1到 5 ,进水浓度逐步提高 , Inf luent conten t increased step
by step from No.1 to 5;HRT=3d.
图 4　冬季(a)、夏季(b)风车草湿地进、出水 S-PO3-4
Fig.4 S-PO 3-4 of influent and eff luent in CWS in w inter(a)and summer(b)(HRT=3d).
4　讨　　论
研究表明 ,季节影响湿地出水水质 ,不同季节出
水水质的差异主要体现在 N 、P 的去除上[ 21 ～ 23] ,与
本文结果相一致.同样水力停留 2d 计 ,春季香根草
湿地和风车草湿地对 N 、P 的去除率都比秋季高.季
节究竟是如何影响湿地的去污机制? 不同季节赋予
不同生物和系统不同的外部环境 ,特别是温热环境;
而湿地植物和微生物是湿地系统去污作用的重要生
物因子.曹向东等[ 1]将人工湿地运行区分为植物生
长期(20 ～ 26℃及 14 ～ 20℃)和非植物生长期(0 ～
8℃及8 ～ 12℃),对N 、P 去除效果进行观测 ,发现植
物生长期中湿地对 N 和 P 的去除效果提高.这源自
7216 期　　　　　　　　　　　廖新 等:香根草和风车草人工湿地对猪场废水氮磷处理效果的研究　　　　　　　　　　
植物对 N 、P 吸收的增强以及温热环境下湿地系统
其它生物去污机制的改善.本文研究结果表明 ,秋季
香根草湿地去除 TP 比较有效 ,而风车草湿地效果
比较差 ,说明人工湿地去 P 机制与植物种类有关.
这可能与植物根系与微生物的相互关系有关.
秋季两湿地对去除废水 TN 均有效.春季香根
草或风车草人工湿地对 NH3-N 和 S-PO3-4 都有明
显的去除效果.除秋季 TP 外 ,上述指标的去除率主
要受停留时间影响;停留时间延长 ,去除率提高 ,去
除规律符合指数方程规律.水力停留时间以 2d计 ,
秋季香根草湿地对废水 TN 和 TP 的去除率分别约
为 15%和 10%.
冬夏季试验表明 ,进水浓度对湿地去除 P 影响
较大.进出水 P 之间的关系符合线性方程规律.
关于 N 、P 的去除是当前废水处理领域继有机
污染物解决之后所面临的最严重 、急需解决的问题
之一 ,也是最受关注和最难解决的问题.一般来说 ,
在不同的运行条件下 ,人工湿地对有机物的去除效
果比较稳定 ,但对 N 、P 的去除效果一直容易受各种
因素的影响而显得不稳定 ,所报道的数据往往变异
范围比较大[ 15] .这不仅仅与运行季节 、气温等因素
有关 ,还涉及处理床结构 、基质成分 、植物种类 、系统
管理方法等因素[ 1 ,7 ,10] .适当延长废水在湿地中的
停留时间有助于 N 、P去除[ 1] ,而有利于去 N 或去 P
的系统具有不同的特征 ,例如 ,包括沉水 、挺水和漂
浮植物在内的湿地多种植物结合有助于去 N ,而去
P则不仅与系统生物学特性有关 ,而且与处理床的
物理和化学特性有很大关系[ 15 ,20] .要提高湿地去 N
效果 ,关键在于改善湿地氧环境 ,从而改善硝化作
用 ,以便保证湿地硝化-反硝化这一重要去 N 机制
的畅通[ 20] .因此 ,在研究去污机制的基础上 ,构建或
调控有利于去除 N 、P 的湿地系统将是今后湿地功
能研究和实践的重要内容.
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作者简介　廖新亻弟 , 男 , 1968 年 3 月出生 ,博士 , 副教授 , 主
要从事动物环境与生态学研究 , 发表论文 20 余篇.Tel:020-
85280279 , E-mail:xdliao2002@yahoo.com.cn
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