全 文 ：垂直流人工湿地的设计及净化功能初探 3
吴振斌　成水平 3 3 　贺　锋　付贵萍　金建明　陈辉蓉
(中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室 ,武汉 430072)
【摘要】　阐述了垂直流人工湿地小试系统的设计 ,并测试其冬季污水净化效果. 垂直流人工湿地由下行流
和上行流方式的两池组成. 对受污染地面水体中的 CODCr 、BOD5 和 TSS 的去除率分别为 53. 6 %、78. 7 %
和 80. 2 %. 对细菌、总大肠菌、粪大肠菌和藻类的平均去除率分别达 99. 4 %、85. 9 %、89. 7 %和 97. 7 %. 对
KN、NH +4 2N 和 TP 的平均去除率分别为 39. 2 %、16. 5 %和 25. 8 %. 各系统对污染物的去除作用无明显差
异.系统出水 NO -3 2N 浓度高于进水 ,而有植物系统中又高于无植物的对照 ,表明湿地植物的存在有利于
硝化作用. 表明下行流2上行流人工湿地在冬季仍能较好地改善水质 ,是一种有效的水处理技术 ,对水体水
质改善和水生态系恢复具有重要意义.
关键词 　人工湿地 　垂直流 　下行2上行流 　污水净化
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 06 - 0715 - 04 　中图分类号 　X13112 ,X17114 　文献标识码 　A
Design and purif ication performance of vertical flow constructed wetland. WU Zhenbin ,CHEN G Shuiping ,HE
Feng ,FU Guiping ,J IN Jianming ,CHEN Huirong ( S tate Key L aboratory of Freshw ater Ecology and Biotechno2
logy , Institute of Hydrobiology , Chinese Academy of Sciences , W uhan 430072) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,
13 (6) :715～718.
The technical design of small2scale plots (SSPs) of constructed wetland (CW) was described along with details of
some associated wastewater purification effects in winter. Plots were comprised of two chambers. One chamber
induced downward2flow ,while the other created upward2flow. During Oct . 1997～Jan. 1998 ,the average plot
removal rates for CODCr ,BOD5 and total suspended solids were 53. 6 % , 78. 7 % and 80. 2 % , respectively.
Reductions of bacteria ,total coliforms ( TC) ,fecal coliforms ( FC) and algae were 99. 4 % ,85. 9 % ,89. 7 % and
97. 7 % ,respectively. The mean removal rates of Kjeldahl nitrogen ( KN) , ammonium ( NH+4 2N) and total
phosphorus ( TP) were 39. 2 % ,16. 5 % and 25. 8 %. The treatment effects were not significantly different from
each other. Concentrations of nitrate (NO -3 2N) in effluents were higher than those of the influent ,and nitrate
concentrations in the effluents of plant2systems were higher than those of the control. This indicated that
presence of macrophytes enhanced nitrification in the CW. The downward followed by upward flow CW
performed better in removing contaminants and microorganisms from polluted surface water. It is an improved
technology to purify water quality and rehabilitation of aquatic ecosystems.
Key words 　Constructed wetland , Vertical flow , Downflow2upflow , Wastewater purification.3 国家杰出青年基金 ( 39925007) 、欧盟国际合作项目 ( ERBIC182
CT9620059)和中国科学院知识创新重要方向项目 ( KSCX22SW2102)
资助.3 3 通讯联系人. E2mail :shpcheng @ihb. ac. cn
2000 - 10 - 17 收稿 ,2000 - 12 - 18 接受.
1 　引 　　言
随着社会的发展和城市化进程的加速 ,大量污
水的无处理排放 ,造成世界范围内水质污染问题愈
来愈严重 ,导致水资源的可利用性降低 ,水生态系退
化 ,严重地影响了人类的生活水平和生存环境. 为解
决这些问题 ,改善水质和水生态系统的恢复是目前
极为紧迫的任务. 污水全部采用工厂化处理 ,财力不
堪重负 ,且大量小城镇的出现 ,大型污水处理场所无
法满足日益分散的污水处理. 多元化处理污水 ,充分
开发生态工程净化污水技术是降低污水处理的能源
消耗、节省开支的重要渠道.
湿地是一种高生产力的生态系统 ,具有污水净
化功能. 但自然湿地存在淤积、效率低、占地面积大
等缺点. 20 世纪 70 年代 ,国际上开始采用人工湿地
净化污水[5 ] . 基质、水生湿生植物和微生物是人工
湿地的基本组成. 湿地净化污水是湿地中基质、植物
和微生物相互关联 ,物理、化学、生物学过程协同作
用的结果.
国际上湿地水处理技术发展较快 ,欧洲芦苇床
技术应用较广泛[1 ,4 ] . 但大多采用水平流、单一的垂
直流等方式 ,且欧洲芦苇普遍存在着衰退现象[6 ] .
本研究发展上行流2下行流人工湿地作为一种水处
理技术 ,改善水质 ,促使退化水生态系统的恢复和水
资源的持续利用. 本文主要报道人工湿地小试系统
的设计及在冬季的初步污水净化功能.
应 用 生 态 学 报 　2002 年 6 月 　第 13 卷 　第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2002 ,13 (6)∶715～718
2 　材料与方法
211 　人工湿地小试系统构造
由串联的 1m ×1m ×1m 两个池 (图 1)组成 ,共 12 套.
图 1 　人工湿地结构示意图
Fig. 1 Structure of constructed wetland.
a)上行池 Upflow chamber ,b)下行池 Downflow chamber.
　　填料 :底层 15cm 厚为石头 (直径 40～80mm) ,上部为细
砂 (粒径 0～ 4mm) ,其中下行池砂深 55cm ,上行池砂深
45cm. 下行池填料高于上行池 10cm.
水生植物 :各池栽培不同种水生植物. 植物的选择以武
汉地区及亚热带区域较典型的水生、湿生 ,根系发达 ,生物量
较大 ,多年生的植物为原则. 各套小试系统中的植物组合如
表 1.
表 1 　人工湿地小试系统植物组合
Table 1 Composition of macrophytes in small2scale plots of constructed
wetland
系统
Plots
下行池
Downflow chamber
上行池
Upflow chamber
P1 芦苇 Phragmites aust ralis 水葱 Schoenoplect us lacust ris
P2 茭白 Ziz ania latif olia 菖蒲 A corus calam us
P3 荻 M iscanthus saccharif lorus 刚毛 　草 Sci rpus subulatus
P4 　草 Sci rpus t riqueter 苔草 Carex sp.
P5 菰 Ziz ania caducif lora 慈菇 S agittaria t rif olia
P6 无植物 (对照 Control)
P7 香蒲 Typha latif olia 鸢尾草 I ris pseudacorus
P8 水烛 Typha angustif olia 灯心草 J uncus ef f usus
P9 莎草 Cyperus alternif olius 水雍菜 Ipomoea aquatica
P10 薏苡 Coix lacrym a2jobi 喜旱莲子草 Alternanthera philoxeroides
P11 光头稗 Echinochloa colonum 水芹 Oenabthe javanica
P12 稗 Echinochloa crusgalli 水蓼 Polygonum hydropiper
212 　系统运行管理
系统的管网系统见图 1 ,采用直径为 70mm 的 PVC 管.
下行池中表面中央为一根上半面截除的布水管 ,下钻小孔
(直径 6mm) ,使进水均匀地分布到湿地表面 ,充分地利用垂
直流湿地的界面作用 ;上行池填料表面为“H”型收集管 ,下
钻小孔 ,以均匀地收集出水 ;下行2上行池底部为钻有小孔的
“H”型管相连. 水流方式为下行流2上行流 ,根据净化水质的
要求还可进行循环流方式.
进水方式采用间歇式 ,以便于较低水力负荷时的布水均
匀 ,充分地利用湿地表面和体积 ;另外 ,间歇式进水方式 ,造
成湿地充氧的效果 ,有利于湿地中的有氧呼吸及硝化作用.
根据不同的水力负荷 ,采用日进水 2～4 次.
本系统将进行不同的水力负荷试验. 本文报道系统在冬
季运转状况 ,采用下行流2上行流、间隙进水、日进水两次、水
力负荷为 200mm·d - 1的运行方式.
213 　系统进水水源
该试验直接采用东湖 (水果湖) 周围池塘水体作为系统
的进水水源 ,以实现水质改善 ,促使退化水生态系的恢复和
水资源的持续利用. 运行期间的进水水质状况见表 2.
表 2 　人工湿地进水水质状况(平均值) 3
Table 2 Water quality of influent in constructed semi2natural wetland
( average value)
指 　标
Index
数 　值
Value
指 　标
Index
数 　值
Value
水温 12. 4 (5～23. 2) 凯氏氮 2. 70 (1. 06)
Temperature ( ℃) KN (mg·L - 1)
p H 7. 3 (0. 4) NH +4 2N (mg·L - 1) 1. 64 (1. 20)
电位 ORP(mv) 51 (13. 2) NO -3 2N (mg·L - 1) 0. 103 (0. 041)
电导 Conductivity 531 (26. 4) 总 P TP 0. 206 (0. 098)
(μs·cm - 1) (mg·L - 1)
溶解氧 DO(mg·L - 1) 8. 9 (4. 9) 无机 P IP(mg·L - 1) 0. 023 (0. 017)
化学耗氧量 64. 5 (19. 7) 细菌总数 1. 6 (1. 4) ×107
CODCr (mg·L - 1) Bacteria (ind·ml - 1)
生化耗氧量 14. 5 (5. 0) 总大肠菌 Total coliform 20. 5 (11. 8)
BOD5 (mg·L - 1) (MPN·100ml - 1)
总悬浮物 20. 5 (11. 8) 粪大肠菌 Fecal coliform 2. 0 (2. 0) ×106
TSS(mg·L - 1) (MPN·100ml - 1)
藻类 Algae (ind. ·ml - 1) 4. 8 (0. 2) ×1053括号中数值为标准差 (其中水温为幅度 ) The value in bracket is standard
deviation ( Temperature is spectrum) .
214 　分析测试
1997 年 10 月～1998 年 1 月 ,定期对湿地进出水水质进
行分析. 本文主要报道几种水质指标的改善状况 ,并定期观
测水生植物的生长状况. 1)仪器测定进出水的水温、电导、电
位、p H 值 (Cole Parmer 60648 型笔式电导仪、电位仪和 p H
计) 、溶氧 (UC212 型便携式溶氧仪) ;2) 化学需氧量 (重铬酸
钾法) 、五日生化需氧量 (碘量法测氧) 、总悬浮物 (滤纸称恒
量) ;3)总 P(过硫酸钾消解法) 、无机 P(钼锑抗分光光度法) 、
凯氏 N、硝基 N (酚二磺酸光度法) 、氨氮 (纳氏比色法) ;4) 异
养细菌总数 (平板计数法) 、总大肠菌群、粪大肠菌数 (多管发
酵法) ,藻类计数 (血球计数法) . 各种指标的测试方法均按国
家环保局编制的《水和废水监测分析方法》[3 ]进行.
3 　结果与讨论
311 　植物生长状况
1997 年 9 月成功地在小试系统中栽种了 22 种
水生、湿生植物 (表 1) . 栽种以后 ,各系统中植物能
正常生长 ;至 11 月底 ,大部分植物枯萎 ,只有 P1 芦
苇、水葱、P4 　草、P8 灯心草、P11水芹等仍长势较好.
其中水葱、　草、灯心草至 1998 年 1 月仍能保持一
定量的新蘖 ,水芹一直生长旺盛. 由于栽种的时间较
短 ,生长季节已过 ,大部分植物不能充分地占有整个
湿地表面 ,盖度不大.
312 　人工湿地系统进出水水温、电导、电位、p H、溶
解氧
1997 年 10 月 23 日～1998 年 1 月 15 日 ,对人
617 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
工湿地小试系统进出水水温、电导、电位、p H、溶解
氧测试了 9 次 ,其平均值如图 2.
图 2 　人工湿地小试系统进出水理化参数
Fig. 2 Physico2chemical characteristic of the influent and effluents in SSPs.
　　人工湿地进出水水温变化不大. 但气温在 0 ℃
以下 ,自然水温在 5 ℃时 ,出水水温略高于进水. 表
明了湿地的保温作用 ,湿地中生物活动特别是微生
物的发酵作用产热可能是维持湿地出水水温的主要
因素.
由图 2 可见 ,无植物系统 ( P6) 的出水电导低于
进水 ,离子态物质略减 ,体现了湿地基质对离子的吸
附作用 ;有植物系统的出水电导略高于进水 ,植物的
释放作用及植物的生理活动改变了基质的酸碱等条
件导致基质离子的释放可能是主要原因.
人工湿地出水的氧化还原电位均低于进水 ,特
别是 P5～P12的出水呈现负值 ,表明污水中的氧化物
质被还原、降解. 这一结果与出水的溶解氧下降相对
应. 系统的出水溶解氧显著地低于进水 ( P < 0. 05) .
系统在净化污水的过程中消耗了部分 O2 ,与成水
平[2 ]的结果相一致. P1～P4 出水的氧化还原电位呈
现正数可能与系统中植物的输氧作用有关 ,相对来
说 ,P1～P4 出水的溶解氧亦略高于其他系统 ,且该 4
组系统的植物生长较为旺盛.
进水 p H 值为 7. 9～8. 6 ,偏碱性 ,而出水中的
p H 值 (除 P1 外)低于进水 ,甚至有偏酸性的出水. 成
水平曾报道过人工湿地的出水偏酸性[2 ] . 微生物的
降解活动产生了有机酸类 ,以及基质的离子交换、释
放和植物的生理活动等使系统中的水体酸性增强.
313 　人工湿地净化污水有机物、总悬浮物的效果
1997 年 10 月～1998 年 1 月 ,人工湿地小试系
统进出水的 CODCr、BOD5 和 TSS(总悬浮物)进行了
5 次测试 ,其平均值如图 3.
图 3 　人工湿地进出水 CODCr、BOD5 和 TSS 浓度
Fig. 3 Concentrations of CODCr ,BOD5 and TSS in influent and effluents
of SSPs.
图 4 　人工湿地进出水 N、P 浓度
Fig. 4 Concentrations of nitrogen and phosphorus of influent and
effluents in SSPs.
Ⅰ1TP , Ⅱ1IP , Ⅲ1 KN , Ⅳ1NH +4 2N , Ⅴ1NO -3 2N.
　　由图 3 可见 ,人工湿地对污水中的 CODCr、
BOD5 和 TSS 净化效果较好 ,去除率分别达 5316 %、
78. 7 %和 80. 2 %. 除对照中 TSS 去除率略低于其他
系统外 ,各湿地系统对上述污染物质的去除作用没
7176 期 　　　　　　　　　　　　　吴振斌等 :垂直流人工湿地的设计及净化功能初探 　　　　　　　　
有明显的差异 ( P > 0. 05) . 这可能是由于系统运行
时间较短 ,植物生物量较小 ,植物及其相关的净化作
用尚未充分显现出来而造成的.
出水 CODCr平均浓度在 21. 9～29. 4mg·L - 1之
间 ,大部分在 25mg·L - 1以下 ,达到国家地面水环境
质量标准 V 类水标准 ( GB3838283) ;BOD5 浓度皆在
3mg·L - 1以下 ,可达到 Ⅰ类水标准 ; TSS 极低 ,部分
几乎未检测出. 由此可见 ,该系统在冬季仍能表现出
对受污染水体有机物、总悬浮物较好的净化效果.
314 　人工湿地净化污水中 N、P 的效果
我们选择 4 组植物生长较好的湿地系统 ( P1 、
P4 、P8 和 P11) 和无植物的对照 ( P6) ,研究其对污水
中 N、P 的净化效果.
　　以上系统对 KN、N H +4 2N 和 TP 的平均去除率
分别为 :39. 2 %、16. 5 %和 25. 8 %. 各系统之间亦无
明显差异. 进水 KN 浓度为 2. 67mg·L - 1 ,而出水
KN 浓度为 0. 876～1. 27mg·L - 1 ,达到国家地面水
环境 Ⅲ类水标准 ;出水 TP 浓度也在 0. 2mg·L - 1以
下 ,处于 Ⅲ～ Ⅳ类水之间. 可见 ,该系统能改善水质 ,
去除受污染地表水中部分 N、P 物质 ,达到地面水质
标准.
人工湿地出水中的可溶性磷酸盐 ( IP)浓度高于
进水 ,其中对照 ( P6) 最高 ,表明系统中有机 P、不可
溶性磷酸盐的分解释放了正磷酸盐 ,还可能有基质
的释放作用. 而有植物系统出水中 IP 低于对照 ,显
示了植物对可利用态 P 的吸收利用.
系统出水 NO -3 2N 浓度高于进水 ,且植物系统
中又高于对照 ,表明该系统硝化作用较强 ,植物的存
在更有利于系统硝化作用的发生.
表 3 　人工湿地对污水中生物学指标的净化效果(去除率 %) 3
Table 3 Performances of removing microorganisms in SSPs ( removal
rates %)
系统
Plots
细 　菌
Bacteria
总大肠菌
Total coliform
粪大肠菌
Fecal coliform
藻 　类
Algae
P1 97. 8 (2. 7) 93. 6 (6. 0) 96. 7 (4. 0) 98. 3 (0. 2)
P2 99. 4 (0. 5) 97. 3 (1. 9) 96. 0 (3. 6) 98. 6 (0. 4)
P3 99. 6 (0. 2) 90. 5 (7. 2) 94. 9 (3. 8) 98. 3 (0. 4)
P4 99. 1 (0. 8) 94. 5 (7. 6) 92. 3 (9. 5) 98. 0 (0. 3)
P5 99. 4 (0. 4) 76. 8 (20. 5) 95. 6 (4. 0) 96. 8 (0. 1)
P6 99. 6 (0. 3) 92. 5 (7. 5) 93. 1 (6. 8) 97. 9 (0. 6)
P7 99. 3 (0. 6) 73. 2 (19. 6) 88. 4 (7. 8) 98. 1 (1. 0)
P8 99. 7 (0. 2) 63. 5 (15. 8) 78. 2 (13. 5) 96. 4 (0. 8)
P9 99. 8 (0. 2) 85. 3 (14. 9) 81. 1 (17. 3) 95. 1 (1. 8)
P10 99. 6 (0. 3) 81. 8 (13. 8) 81. 6 (16. 6) 98. 5 (1. 1)
P11 99. 9 (0. 1) 93. 3 (7. 6) 94. 4 (7. 5) 98. 6 (0. 7)
P12 99. 5 (0. 3) 88. 7 (9. 3) 84. 4 (17. 6) 97. 3 (1. 7)3 括号内为标准差 The value in bracket is standard deviation.
315 　人工湿地对污水中生物学指标的净化效果
在冬季 ,测试了人工湿地对污水中细菌、总大肠
菌、粪大肠菌和藻类的去除作用.
由表 3 可见 ,人工湿地对细菌、总大肠菌、粪大
肠菌和藻类的平均去除率分别为 99. 4 %、85. 9 %、
89. 7 %和 97. 7 %. 而各系统之间的净化作用无明显
的差异 ( P > 0. 05) .
4 　结 　　论
411 　在冬季 ,下行流2上行流方式的人工湿地对污
水中有机物、悬浮物和微生物等仍具有较好的去除
效果 ,对 N、P 具有一定的净化作用 ,是一种有效的
水链管理对策. 人工湿地可因地制宜地应用于地表
水和湖泊水体水质的改善等.
412 　由于运转时间较短 ,人工湿地中植物生长状况
不是很好 ,生物量较小 ,植物及其相关的净化作用尚
未充分显现出来 ,各系统净化污水的效果暂无明显
差异. 而从冬季植物地面部分的生长状况来看 ,水
葱、　草、灯心草至 1998 年 1 月仍能保持一定量的
新蘖 ,水芹一直生长旺盛 ,是较为适宜的用于人工湿
地的植物种类.
413 　人工湿地中硝化作用较强 ,植物的存在有利于
系统中硝化作用的发生.
致谢 　参与工作的还有夏宜王争研究员 ,邓家齐、刘保元、詹
发萃、况琪军、邱东茹、谭渝云、庄德辉副研究员 ,诚表谢意 !
参考文献
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作者简介 　吴振斌 ,男 ,1956 年生 ,研究员 ,博士生导师 ,主
要从事生态工程技术和水生植物生理生态学研究 ,发表论文
70 多篇. E2mail :wuzb @ihb. ac. cn
817 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷