全 文 ：ISSN 1000-0054
CN 11-2223 /N
　 清华大学学报 (自然科学版 )
J Tsingh ua Univ ( Sci & Tech ) ,
2006年 第 46卷 第 3期
2006, Vo l. 46, No. 3
14 /35
366-370　
用美人蕉、香根草、荆三棱植物带处理受污染河水
李睿华 , 　管运涛 , 　何　苗 , 　胡洪营 , 　蒋展鹏
(清华大学 环境科学与工程系 ,北京 100084)
收稿日期: 2005-02-25
基金项目: 国家 “十五” 重大科技攻关项目 ( 2003AA601080)
作者简介: 李睿华 ( 1967-) ,男 (汉 ) , 湖北 ,博士后。
E-mai l: liruih ua@ mail. tsinghua. ed u. cn
通讯联系人: 管运涛 ,副教授 , E-mai l: g uang yt@ tsinghua. ed u. cn
摘　要: 为了解美人蕉、香根草和荆三棱 3种水生植物带改
善河水水质的作用 ,在中试规模上研究了它们处理受污染河
水的效果。 结果表明 ,有植物带对污染物降解的效果好于无
植物带 ,其中荆三棱带效果最好 ,它在整个运行期间对
COD、 氨氮 NH+4 -N和总磷 TP的去除效果分别为 44. 1% 、
78. 7%和 71. 4%。对出水溶解氧与水温进行了考察 , 3种植
物带中 ,荆三棱带的水温和溶解氧最低。 各种植物带对河水
中污染物的去除和改善水环境条件等方面有不同的特点 ,在
河岸带修复时应尽可能保证水生植物的多样性。
关键词: 河流生态修复 ; 水生植物带 ; 水质改善
中图分类号: X 703. 1 文献标识码: A
文章编号: 1000-0054( 2006) 03-0366-05
Treating polluted river water withCanna
glauca l. , Vet iveria zizanioides and Scirpus
yagara ohw zones
LI Ruihua , GUAN Yuntao , HE Miao , HU Hongyin ,
JIANG Zhanpeng
( Department of Environmental Science and Engineering,
Ts inghua Universi ty, Beijing 100084, China)
Abs tract: Pol lu ted river w ater w as t reated w ith Canna glau ca l . ,
Vetiveria z izanioides, and Scirp us yaga ra ohw to inv es tigate th eir
impact on river w ater quali ty in pilot-s cale tes ts. The results show
that t reatmen t w ith aquatic plants giv es bet ter water quality than in
areas w ithout aquatic plants w ith Scirpus yagara ohw giving the bes t
results. On average, the Scirpus yagara ohw removes 44. 1% of the
COD, 78. 7% of the ammonia, and 71. 4% of the total phosphorous.
Measu rements of the dissolv ed ox ygen and temperature of the
ef f luent f rom the th ree treatmen t zones show that the temperature
and dissolved ox yg en are the lowest in the Scirpus yagara ohw zone.
Th ree dif feren t aquatic plants have dif feren t abili ties to remove water
pollu tants and improve water quality; th erefo re, biological diversi ty
is a key compo nent of river ecology restoration.
Key words: river ecology res toration; aquatic plants; w ater quali ty
imp rovemen t
在自然河流的河岸边一般都生长有水生植物 ,
它们对稳定河岸结构 ,提供生物栖息地 ,维持河流生
态系统的完整性起着重要作用。然而由于人类的不
合理干扰使得这些河岸植物带受到破坏甚至消失。
在河道浅水处种植水生植物 ,恢复河岸植物带
是一种重要的恢复河流健康生态系统的措施 [1-3 ]。
河岸水生植物带可以去除河水中的营养物质 [4-6 ] ,
减轻河流的非点源污染 [7-10 ] , 对改善河水水质 ,提高
河流自净能力有重要作用。不同水生植物生长特性
不同 ,由其构成的河岸水生植物带对河水水质的改
善特点各不相同。因此有必要对植物改善河水的特
性进行深入研究。
美 人 蕉 ( Canna glauca l . ) [11 ]、 香 根 草
( Vetiveria zizanioides ) [12 ]和荆三棱 ( Scirpus yagara
ohw )
[13 ]在人工湿地处理废水中多有研究 ,显示了较
好的效果。本文模拟河道水生植物带设计了无植物
带 (空白 )、美人蕉、香根草、荆三棱带等中试试验床 ,
并利用它们处理受污染河水。 旨在通过中试了解河
道各种水生植物带对污染河水的处理情况 ,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
试验使用的河水直接取自山东省淄博市孝妇
河 ,河水水质一年之中变化较大 , COD的浓度 dCOD
在 35～ 100 mg /L之间 ,氨氮 NH+4 -N浓度dNH+4 -N为
5～ 30mg /L, 总磷 T P浓度 dTP在 0. 05～ 0. 4mg /L
之间 ,河水的可生化性较差 ,可生化系数一般只有
0. 1～ 0. 2。
1. 2　中试装置
中试场地位于山东淄博孝妇河河滩地上 ,香根
DOI : 10. 16511 /j . cnki . qhdxxb. 2006. 03. 014
草、荆三棱在孝妇河河岸可以找到 ,美人蕉为当地花
卉品种。各植物床长为 15 m,植物床宽为 10m ,空白
床宽为 5 m。河水通过潜水泵直接打入进水槽 ,通过
渗流坝使水均匀进入试验床 ,出水通过渗流坝进入出
水槽。进水渗流坝高 50cm, 由 5～ 10cm的碎石堆成 ,
出水渗流坝建于 30 cm的夯土坝上 ,高 20cm, 由 5～
10cm的碎石堆成。试验床从进水到出水水深从 0逐
渐变为 30cm, 以考察不同深度的植物床情况。
植物种植时行距和列距都是 25 cm, 菱形种植 ,
植物 2 400棵左右。
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。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和 TP和浊度
等 ,分析频次为每周 2次。dCOD分析采用重铬酸钾
法 ; dNH+4 -N分析采用纳氏试剂分光光度法 ; dTP采用
钼锑抗分光光度法 ; 浊度采用浊度计测量。
2　试验结果
2. 1　各中试床 COD的去除效果
0号床为无植物的空白床。 1、 2、 3号中试场地
于与 2004年 4月底分别移植美人蕉、香根草、荆三
棱 ,随后立即通入孝妇河水。在 5月底时抽查各植物
的存活率发现 ,香根草和荆三棱在深水水域生长不
及浅水水域 ,但总体成活率很高大于 90% 。美人蕉
在水生小于 20 cm水域生长良好 ,基本都成活 ,在大
于 20 cm水域成活率只有 50%左右。
运行时间从 6月 10日开始到 9月 13日为止共
95d。从 6月 25日开始调节进水量 , 1、 2、 3号床进
水流量为 12 m3 /d, 0号床进水流量为 6m3 /d,各试验
床中理论水力停留时间均为 2 d; 运行 60 d后 ,调节
水量使各试验床的运行时间为 1d。一周取样 2次。
图 1是各中试床对 COD的处理效果 ,其中 t为
运行时间。进水dCOD除偶尔接近 100mg /L外基本在
30～ 60mg /L之间。 7月底孝妇河进入雨季后 , dCOD
相对较低 ,在 30～ 40mg /L之间。 出水 dCOD波动较
大 ,不过大多数在 30mg /L以下。
各试验床在整个运行期间的平均 COD去除率
WCOD分别为 31. 1% 、 43. 1%、 38. 8% 、 44. 1% , 这表
明植物试验床对 COD的去除效果比空白试验床要
好 ,其中荆三棱床的效果最好。
在 HRT为 2d时 0、 1、 2、 3各试验床WCOD分别
为 32. 7%、 53. 4%、 47. 3%、 49. 0% , HRT为 1 d
时各试验床的 WCOD则为 28. 5% 、 31. 4% 、 31. 3% 、
37. 0%。对于各植物床而言 , HRT为 2 d时的平均
去除效果大约比 HRT为 1 d时高 10个百分点以
上 ; 对于空白床 , HRT为 2 d时的去除效果比 1 d
时的大约高 4个百分点。 表明水力停留时间的延长
对植物床去除水中 COD更有利。
图 1　各中试床对 COD的处理效果
(运行时间 60 d之前 HRT为 2 d, 60 d之后 HRT为 1d)
2. 2　各中试床对 NH+4 -N的处理效果
图 2是各中试床对河水中 NH+4 -N的处理效
果。 整个运行期间 ,河水 NH+4 -N浓度 dNH+
4
-N在
5～ 35mg /L之间变化。在 7月底之前 ,河水 NH+4 -N
浓度较高 ,在 10～ 35mg /L之间。 7月底孝妇河流
域进入雨季。直到 9月中旬 ,河水流量较大 ,河水
dNH+
4
-N相对较低 ,一般在 10mg /L以下。在雨季之前
植物床出水dNH+
4
-N基本在 10 mg /L以下 ,空白床在
15 mg /L左右 ; 在雨季开始后各中试床出水 ρNH+
4
-N
基本在 2mg /L以下。
在整个运行期间 , 0、 1、 2、 3号中试床对 NH+4 -N
的去除率 WNH+4 -N分别为 62. 2% 、 77. 8% 、 75. 3% 、
78. 7% , 3个植物床对 N H+4 -N的去除率都达到 75%
367李睿华 , 等: 　用美人蕉、香根草、荆三棱植物带处理受污染河水
以上 ,相对而言 ,荆三棱床效果最好。
在 HRT为 2 d时 0、 1、 2、 3各试验床WNH+
4
-N分
别为 54. 6% 、 70. 6% 、 72. 2% 、 71. 2% , HRT为
1 d时各试验床的 WNH+
4
-N则为 69. 3%、 84. 8%、
78. 5% 、 85. 9% 。水力停留时间的缩短使 N H+4 -N
的去除率反而提高很多 ,这一现象很反常。
图 2　各中试床对 NH+4 -N的处理效果
(运行时间 60 d之前 HRT为 2 d, 60 d之后 HRT为 1 d)
2. 3　各中试床对 TP的处理效果
图 3是各中试床对 T P的处理效果。空白床、美
人蕉、香根草床和荆三棱床对 TP的平均去除率WTP
分别为 42. 7% 、 68. 1% 、 56. 8%和 71. 4%。有植物
的中试试验床对 TP的处理效果好于空白床 ,荆三
棱床对 TP的处理效果最好。除偶尔 T P浓度dTP接
近 0. 4 mg /L外 ,进水 TP浓度大多数情况下在
0. 2mg /L以下 ,达到地表水三类水体总磷标准 ,因
此在开始阶段监测一段时间后决定不再连续监测。
2. 4　各试验床出水的溶解氧
为了了解植物对出水溶解氧 dDO的影响 ,在
2004年 7月份和 9月份对出水溶解氧进行了监测。
监测点在各中试床靠近出水渗流坝中部的水底。图
4是各试验床出水溶解氧情况 (图中 0709表示监测
日期为 2004年 7月 9日 ,以下同 )。 植物床中 ,美人
图 3　各中试床对 TP的处理效果
蕉床和香根草床出水溶解氧较高 ,荆三棱床最低。空
白床在 7月 27日以后监测的dDO较高 ,在 6mg /L以
上 ; 7月 27日之前的出水dDO在 1～ 2 mg /L左右 ,
和进水相差不大。
中试床出水溶解氧的大小与床内耗氧与复氧能
力有关。耗氧主要表现为水体中微生物降解水中污染
物而消耗氧气 ; 复氧则有植物根部向水输送氧气、空
气向水面输送氧气等。由于植物床植物生长茂密 ,风
等气象因素对空气向水中输氧的影响较小 ,主要受
植物根部输氧的影响。空白床里植物很少 ,复氧主要
受风等气象因素的影响。 因此可以初步判断植物根
部向水输氧能力大小: 美人蕉和香根草相近 ,但是
都大于荆三棱。 植物床出水溶解氧的波动远小于空
白床 ,表明植物的存在起到稳定水体溶解氧的作用。
图 4　各中试床出水的溶解氧 ( 2004年数据 )
368 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 2006, 46( 3)
2. 5　各中试床的出水水温
为了了解植物对出水水温θ的影响 ,在监测出
水溶解氧的同时也对出水水温进行了监测。图 5是
各中试床出水水温情况。各中试床出水θ分别为
31. 5、 27. 5、 26. 8和 25. 2℃。空白床出水水温高
于各植物床。 荆三棱床出水水温最低。其原因在于
荆三棱生长茂密、旺盛 ,植物密度高。 空白床出水θ
比荆三棱床高 6℃以上 ,表明茂密的植物可以为水
体起到很强的遮蔽作用。
图 5　各中试床的出水水温 ( 2004年数据 )
3　讨　论
对空白、美人蕉、香根草和荆三棱 4个中试床进
行了处理受污染河水的中试研究。整个监测时间为
95 d, 在第一阶段水力停留时间为 2 d, 即进水量
12m
3 /d(水流负荷 8 cm /d) , 第 2阶段水力停留时
间 1 d。整个运行时间内 4个中试床 WCOD分别为
31. 1% 、 43. 1%、 38. 8% 、 44. 1% ; WNH+
4
-N分别为
62. 2% 、 77. 8%、 75. 3%、 78. 7% ; 对WTP的平均去
除率分别为 42. 7% 、 68. 1% 、 56. 8%和 71. 4%。总
体来看植物床的处理效果比空白床好 ,其中荆三棱
床的处理效果最好。
河道植物带处理降解水中污染物主要通过植物
在水中的根和杆及水中的残败枝叶上吸附的微生物
降解及植物的吸收等作用 ,土壤和水中的微生物也
有一定的作用。植物密度、根的生长状况、植物根部
的泌氧能力等对植物带处理河水效果有重要影响 ,
决定了各植物带改善河水水质的特性。本试验中空
白床对改善河水水质也有相当效果 ,与空白床中并
不完全“空白” ,其中有少量的植物及土壤和水中的
微生物作用有关。
水力停留时间的缩短使 NH+4 -N的去除率反而
提高很多 ,这一反常现象的原因是雨季河水 N H+4 -N
很低 ,在植物吸收及微生物降解作用下 NH+4 -N降
解比较完全 ,因而去除率高。在雨季前 NH+4 -N浓度
很高 ,超过中试床降解能力 ,因而去除率低。 这也说
明植物带水域改善水质有其限度。
不同试验床出水溶解氧和水温较大差异。美人
蕉和香根草植物带出水溶解氧较高 ,荆三棱出水溶
解氧较低。在夏季植物床出水比空白床出水水温低。
荆三棱床平均出水 θ比空白床低 6℃以上 ,比其他
植物床也低 4℃以上 ,显示了其独特的遮蔽作用。河
道植物带茂密的水生植物可以降低水温 ,改善局部
微型气候。
对于 3种植物中试床而言 ,荆三棱床改善河水
水质效果最好 ,这与荆三棱根系发达 ,植物生长茂
密 ,既能提供较大的微生物附着面积 ,又有较强的泌
氧能力强有关。但是其他植物也有较好的效果 ,在河
道植物带修复时应该综合考虑 ,不能因荆三棱的效
果稍好就屏弃其他植物 ,应根据具体情况将它们有
机结合起来 ,发挥综合效果。
4　结　论
无植物、美人蕉、香根草和荆三棱植物带处理受
污染河水的研究显示荆三棱带降解污染物的能力最
强 ,其根部向水中输氧能力最强 ,能对水域通过更多
的遮蔽 ,降低水温。
植物带水域对污染物的去除能力大于无植物带
水域。同时 ,植物带水域中水的溶解氧一般情况下比
无植物带稳定 ,且在夏季水温低于无植物带水域的
水温。说明在河道修复中植物对提高河流自净能力 ,
改善流域局部小气候有重要作用。
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( in Chines e)
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(摘自 ht tp: / /new s. tsinghua. edu. cn, 2006-01-13)
370 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 2006, 46( 3)