Abstract: Wangjiazhuang constructed wetland (WCD), with area of 12, 000 m², located at the eastern lakeside area of Dianchi Lake, belong to Kunming, Yunnan Province. The major helophytes species were Phragmites australis, Zizania caduciflora and Acorus calamus L. The wetland was in operation since August, 2002. The influent came from six agricultural region main watercollecting canals, and the influent was equispaced in the wetland. Nitrogen removal ability of WCD of influent ditches from October 2002 to June 2004 was summarized here. Influent sample, effluent sample point 1 (taken from 1/3 position of folwpath from inlet to outlet), effluent sample point 2 (taken from 2/3 position of folwpath from inlet to outlet). WCD can effectively decrease the agricultural runoff pollution load from agricultural region on Dianchi Lake. During drought season, the inflow was 497.6m³/d. Total nitrogen (TN) concentration, ammonia concentration and nitrate concentration of influent were 7.50mg/L, 2.49mg/L and 2.50mg/L, respectively. Total nitrogen (TN) concentration, ammonia concentration and nitrate concentration of effluent were 3.07mg/L, 0.35mg/L and 1.07mg/L in effluent sample point 1, 2.06mg/L, 0.43mg/L and 0.37mg/L effluent sample point 2, respectively. Total nitrogen (TN) removal rate, ammonia removal rate and nitrate removal rate were 66.6%, 67.4%and 56.1% in effluent sample point 1 of the wetland flowpath, 58.5%, 58.1%and 43.6% in effluent sample point 2 of the wetland flowpath, respectively. During drought season, the inflow was 747.4m³/d. Total nitrogen (TN) concentration, ammonia concentration and nitrate concentration of influent were 4.68mg/L, 0.98mg/L and 2.22mg/L, respectively. Total nitrogen (TN) concentration, ammonia concentration and nitrate concentration of effluent were 2.51mg/L, 0.81mg/L and 1.10mg/L in effluent sample point 1, 3.11mg/L, 1.04mg/L and 1.41mg/L effluent sample point 2, respectively. Total nitrogen (TN) removal rate, ammonia removal rate and nitrate removal rate were 34.4%, 64.6%and 51.8% in effluent sample point 1 of the wetland flowpath, 55.9%, 62.6%and 80.6% in effluent sample point 2 of the wetland flowpath, respectively. Nitrogen removal in wetland during drought season, which was from November to next April, presents the “V” shape regularity along the flow distance. Nitrogen removal in wetland during rainy season, which was from May to October, presents the decreased regularity along the flow distance. This wetland had strong load impact resistant capability, TN、NO₃^--N and NH₃-N removal rate were larger than 59％, when the influent hydraulic load equaled to 22.2 cm/d. NH₃-N removal dynamic constants equal to 0.702 and 0.574 in effluent sample point 1 and effluent sample point 2. NO₃^--N removal dynamic constants equaled to 0.702 and 0.574 in effluent sample point 1 and effluent sample point 2. Harvest part of Acorus calamus L. had low water content but high dry weight in last autumn or early winter than in spring. Dry weight of Acorus calamus L’s harvest part increased form 15^th November to 1^st December. Some nitrogen of Acorus calamus L’s harvest part transferred to its remaining part among mature period and senescence phase.

Keywords: Lakeside area, constructed wetland, agricultural runoff, nitrogen, seasonal various regularity.

　　 1 序論

　　 隨著湖泊周圍經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，來自湖泊周圍的污染源（城鎮(zhèn)、村落、農(nóng)田和工廠等）對(duì)湖泊的污染日趨嚴(yán)重，而且湖濱帶遭到不同程度的人為活動(dòng)的破壞，如圍湖造田導(dǎo)致的湖濱帶被蠶食，湖周過渡養(yǎng)魚和放牧對(duì)湖濱帶生態(tài)多樣性的破壞，營養(yǎng)物負(fù)荷過高，動(dòng)植物棲息地的喪失和分割，外來物種的侵入，水文規(guī)律的改變。解決此問題的一些途徑有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的改進(jìn)，村落和農(nóng)業(yè)垃圾的及時(shí)收集與處置；增建畜禽污水處理廠；合理處理畜禽糞便（如堆肥產(chǎn)沼）；在農(nóng)田和湖泊之間進(jìn)行濕地和湖濱生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和建設(shè)。其中人工濕地系統(tǒng)具有污染物處理效果較好、耐受沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，因此人工濕地在湖泊污染防治中具有良好的應(yīng)用前景。 ^[1-4]

　　 就污染物負(fù)荷而言，如果全部通過建設(shè)傳統(tǒng)的污水二級(jí)處理廠來控制這些污染，那么由于污染源的高度分散性，因此管道建設(shè)費(fèi)用過高，而且維護(hù)費(fèi)用很高，因此湖泊污染的控制需要尋求污染物處理效果較好、耐受沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用低的技術(shù)。人工濕地處理能滿足這些要求且維護(hù)管理簡(jiǎn)便，是修復(fù)湖濱帶的合適技術(shù)。^[5-6]

　　 本文著重報(bào)道位于中國云南滇池東岸靠近農(nóng)業(yè)區(qū)的湖濱帶濕地中的氮去除效果和去除動(dòng)力學(xué)。

　　2 材料和方法

　　2.1 位置描述

　　王家莊濕地位于滇池東岸，滇池位于昆明東部（圖1）。王家莊濕地處于北亞熱帶地區(qū)，年均降雨量高，為797~1007mm，其中有85%發(fā)生在夏季。由于地下水位高，因此濕地的型式選用表面流。王家莊濕地（12,000 m²）的進(jìn)水為來自上游農(nóng)田區(qū)域（0.66 km²）的農(nóng)業(yè)徑流（圖2）。在雨季（5月~9月）時(shí)滇池水位低于濕地出水，在旱季（從10月~翌年4月）時(shí)滇池水位高于濕地出水。

　　2.2 常規(guī)物理化學(xué)分析

　　2.2.1 水樣分析

　　進(jìn)水流量采用浮標(biāo)法測(cè)定，每次采集水樣時(shí)測(cè)定各條溝渠的規(guī)則溝渠段的流動(dòng)距離與時(shí)間，溝渠水深與水面寬度，進(jìn)水總流量為各溝渠流量的總和。進(jìn)水流量的計(jì)算：Q=D×L×W×0.8/T

　　式中, Q=溝渠的流量，m³d^-1；L=水流長度，m；D=水深，m；W=水面寬度，m；0.8=系數(shù)；T=通過指定距離L所需的時(shí)間，d。

　　水樣采自進(jìn)水溝渠、3號(hào)采樣路自進(jìn)水端起算1/3處，2/3處以及末端。其中化學(xué)需氧量(CODcr)，氨氮(NH₃-N)，硝酸鹽氮，總氮(TN)和總磷(TP)平均每月測(cè)定四次，生化需氧量（BOD₅）和亞硝氮（NO₂^－-N）僅僅抽測(cè)，NO₂在水中的含量甚微^[8]，因此不測(cè)定。

圖1 濕地位置圖

　　CODcr的測(cè)定采用重鉻酸鉀法測(cè)定；TN的測(cè)定采用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法(220nm和275nm)；NH₃-N的測(cè)定采用納氏試劑光度法（420nm）；所有氮化合物的濃度均以氮的濃度計(jì)。TP的測(cè)定采用鉬銻抗分光光度法。^[9]

　　抽測(cè)結(jié)果表明：NO₂^－-N的含量均很低，可以忽略不計(jì)。

　　 2.2.2 植物樣分析

　　 鑒于濕地中植物的重要性^[10-12]，分析了植物的生物量、株高、含水率和營養(yǎng)物含量。

　　 考慮到濕地中為便于植物收割后植物的再生長，收割后植物的地面殘留高度為30cm，因此本研究中將植物分成兩部分，其一為收割部分（地上部分扣除30cm的地上殘余高度），其二為殘留部分（為植物的地下部分和地上殘余高度30cm）。

　　 植株全氮采用H₂SO₄-混合加速劑-蒸餾法測(cè)定，全磷采取釩鉬黃吸光光度法測(cè)定，全鉀采取火焰光度法測(cè)定。含水率采用常壓恒溫干燥法（105℃30分鐘，65℃至恒重）測(cè)定。

　　3 結(jié)果與討論

　　分季節(jié)討論氮的去除效果和氮的去除動(dòng)力學(xué)。3.1 旱季處理效果

　　旱季（2002年10月~2003年4月和2003年10月~2004年4月）的濕地進(jìn)水水質(zhì)和處理效果見表1，本階段的平均日流量為497.6m³/d。

圖2 王家莊濕地平面布置圖 ^[7]

　　由圖2可見，旱季的在濕地的沿程1/3處的TN、NO₃^--N和NH₃-N的平均去除率高于濕地的沿程2/3處。由于此階段滇池水位高，滇池水反灌濕地，去除率最大點(diǎn)并非為濕地出水端。

圖2 旱季的進(jìn)水水質(zhì)和污染物去除率

　　Inf: 進(jìn)水水質(zhì), Eff-1: 位置1的水質(zhì), Eff-2: 位置2的水質(zhì), Rr-1: 位置1的去除率, Rr-2: 位置2的去除率。

　　3.2 雨季處理效果

　　3.2.1 雨季平均去除效果

　　2003年5月~2003年9月和2004年5月~2004年6月的濕地進(jìn)水水質(zhì)及處理效果見圖3，本階段的平均日進(jìn)水流量為747.4m³/d。

圖3 雨季的進(jìn)水水質(zhì)和污染物去除率

　　Inf: 進(jìn)水水質(zhì), Eff-1: 位置1的水質(zhì), Eff-2: 位置2的水質(zhì), Rr-1: 位置1的去除率, Rr-2: 位置2的去除率。

　　由圖3可見，雨季時(shí)在濕地沿程1/3處的TN和NO₃^--N的平均去除率高于濕地沿程2/3處，而兩處的NH₃-N平均去除率較接近。這是因?yàn)闉榇_保滇池周圍農(nóng)田的安全，此階段，滇池下游開閘放水，因此滇池的水位低于濕地的出水水位，滇池水對(duì)濕地出水有返混作用，去除率最大點(diǎn)基本上在濕地的出水端。

　　對(duì)比旱季和雨季的處理效果可知，旱季和雨季的NO₃^--N進(jìn)水濃度較接近，雨季的NO₃^--N去除率比旱季的高，雨季濕地水深較大，因此濕地在雨季比在旱季具有更多的缺氧和厭氧條件，利于NO₃^--N的轉(zhuǎn)化。

　　而雨季的TN和NH₃-N的去除率比旱季高。雨季的TN和NH₃-N的進(jìn)水濃度比旱季的低。

　　旱季和雨季時(shí)污染物的沿程變化規(guī)律：

　　雨季時(shí)，進(jìn)水濃度>沿程1/3處濃度>沿程2/3處濃度，說明濕地中污染物濃度沿程降低。表明濕地出水受滇池水的影響很小。而旱季時(shí)，沿程1/3處中的TN、NO₃^--N、NH₃-N和TP的濃度高于沿程2/3處中的濃度，即濕地出水（尤其在低濃度進(jìn)水時(shí)期）受滇池水的影響較大，濕地內(nèi)的沿程污染物濃度呈“V”字形規(guī)律變化。

　　3.2.2 暴雨期間處理效果

　　以2003年6月6日暴雨時(shí)王家莊濕地的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例來說明本工程在大雨日的運(yùn)行效果。進(jìn)水量為1866m³/d，水力負(fù)荷為22.2cm/d，水質(zhì)和去除率情況見表3。

表3 不同大雨暴雨期間王家莊濕地平均水質(zhì)和去除率

	NH3-N	NO3--N	TN
進(jìn)水（mg/L）	2.68	9.53	11.8
出水（mg/L）	0.46	2.98	4.73
去除率（%）	82.9	68.7	59.8

　　由表3可見，大雨和暴雨期間，王家莊濕地的水力負(fù)荷略超出高拯民等的推薦值(2~20cm/d)的上限值。TN、NO₃^--N和NH₃-N的去除率均較高。

　　3.3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)

　　動(dòng)力學(xué)參數(shù)K_t受多種因素影響，其中主要受污染物的性質(zhì)與濃度、水力負(fù)荷、填料介質(zhì)的粒徑和種植植物的種類及生長狀況等的影響。目前尚不能將這些因素對(duì)K_t的影響做全面的分析，有關(guān)研究結(jié)果也只能作參考。氮的形態(tài)也很重要，濕地中硝酸鹽氮比氨氮容易去除。表面流人工濕地中的NH₃-N和NO₃^--N的動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方程如下：3.3.1 NH₄⁺-N去除動(dòng)力學(xué)方程

　　氮的去除也和溫度有關(guān)而且對(duì)低溫十分敏感。一旦在冬天時(shí)溫度降至5℃以下，則氮的去除就會(huì)成為問題。氨氮的去除依式（1）計(jì)算^[13]：

　　 　　　　　　(2)

　　式中：TKN－進(jìn)水凱氏氮，mg/L；

　　 C_eff－出水中氨氮濃度，mg/L；

　　 K_t－與溫度有關(guān)的速率常數(shù)，對(duì)于表面流濕地，K_t可如下計(jì)算：K_t=a×(1.048)^(T-20)（式中T為水溫，單位℃）。文獻(xiàn)91中提出a=0.2187。

　　 HRT－水力停留時(shí)間，d。

　　 對(duì)于典型的溫和冬天氣候，水溫在5~10℃，K_t值為0.2~0.25。

　　 3.3.2 NO₃^--N去除動(dòng)力學(xué)方程

　　 硝氮的去除依式（2）計(jì)算^[14]：

　　　　　　　　　　　　 (5-3)

　　式中：C_inf－進(jìn)水硝酸鹽濃度，mg/L；

　　 C_eff－出水硝酸鹽濃度，mg/L；

　　 K_t－與溫度有關(guān)的速率常數(shù)，對(duì)于表面流濕地，K_t可如下計(jì)算：K_t=a×(1.15)^(T-20)（式中T為水溫，單位℃）。文獻(xiàn)91中提出a=1.0。

　　 對(duì)于典型的溫和的冬天氣候，水溫在5~10℃，K_t的值在0.12~0.25。

　　 反硝化比硝化對(duì)低溫更敏感，但水溫高于10℃時(shí)反硝化速率比氨去除速率大，如水溫為15℃時(shí)，反硝化速率和氨去除速率常數(shù)分別為0.49和0.31。

　　 3.3.3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

　　 由上述公式計(jì)算得到王家莊濕地的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，見表4。

表4 王家莊濕地的動(dòng)力學(xué)參數(shù)表

		旱季	雨季	全階段
三分之一處	Kt-NO3--N	0.342	0.487	0.466
	a-NO3--N	26.8	0.156	1.49
	Kt-NH4+-N	0.471	0.961	0.702
	a-NH4+-N	40.5	0.337	2.46
三分之二處	Kt-NO3--N	0.239	1.09	0.470
	a-NO3--N	18.7	0.350	1.50
	Kt-NH4+-N	0.367	0.924	0.574
	a-NH4+-N	31.5	0.324	2.01

　　由表4可見，雨季時(shí)的Kt值均高于旱季時(shí)。全年看來，氨氮的去除動(dòng)力學(xué)常數(shù)介于文獻(xiàn)[13]和[15]所推薦的范圍（0.219～2.88）內(nèi)。

　　 旱季時(shí)氨氮去除的動(dòng)力學(xué)方程為：

　　

　　

　　3.5 植物生長

　　2004年5月30日，菖蒲的生物量（鮮重）為4.57kg/m²。2004年6月14日，菖蒲的生物量（鮮重）為4.64 kg/m²。2002年12月起測(cè)定的植物高度（以菖蒲為例）見表7。菖蒲的莖葉和根組織中的營養(yǎng)物、鮮重和含水率見表8。

表7 菖蒲高度測(cè)定結(jié)果

時(shí)間	平均株高	最大株高	最小株高
2002年12月10日	103.1	113.0	91.2
2003年7月15日	111.2	120.1	96.3
2003年11月5日	106.2	115.1	96.2
2003年12月1日	112.2	123.3	105.6
2004年6月13日	107.9	115.0	101.0

表8 菖蒲的莖葉和根組織中的營養(yǎng)物、鮮重和含水率

年-月-日	收割部分	殘留部分	鮮重*（kg/m2）	干重*（kg/m2）	含水率*（%）
	氮（g/kg dw）	氮（g/kg dw）
2003-11-15	15.15	14.44	2.42	0.55	77.4
2003-12-1	19.19	19.04	2.26	0.64	71.7
2004-4-17	26.10	17.28	2.59	0.24	90.6

　　* 鮮重、干重和含水率均是指收割部分的。

　　 由表8可見，在秋末冬初時(shí)，菖蒲的含水率比春季的低，干重比春季的高，這與我們?cè)谕庥^上所觀測(cè)到的菖蒲的莖葉在春季和秋末冬初時(shí)的外觀一致：在春季時(shí)為鮮嫩的綠色枝葉，而在秋末冬初時(shí)，菖蒲的莖葉略發(fā)黃，而且趨于凋落。

　　 12月15日菖蒲的干重比11月15日的大，說明菖蒲的干重在秋末冬初時(shí)仍在增加。

　　 生長季節(jié)時(shí)，殘留部分的氮含量低于收割部分的，而在植物成熟和衰亡季節(jié)時(shí)，殘留部分的氮含量和收割部分的氮含量較接近。說明在植物成熟和衰亡季節(jié)時(shí)，收割部分的氮有一部分向殘留部分轉(zhuǎn)移。

　　4 結(jié)論

　　 4.1 構(gòu)建于云南昆明的王家莊湖濱帶濕地占地12, 000m²。2002年8月至2004年7月兩年間，濕地能有效降低了農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)徑流對(duì)滇池的污染。旱季（每年11月至翌年4月）時(shí)濕地中的氮去除呈現(xiàn)“V” 字形變化規(guī)律，雨季（每年5月至10月）時(shí)濕地中氮去除呈現(xiàn)沿程降低的規(guī)律。

　　 4.2 本濕地具有較強(qiáng)的耐受沖擊負(fù)荷的能力，在水力負(fù)荷為22.2cm/d ,TN、NO₃^--N和NH₃-N的去除率均高于59%。

　　 4.3 全年來看，氨氮的去除動(dòng)力學(xué)常數(shù)為于1/3（2/3）處分別為0.702和0.574，硝氮的去除動(dòng)力學(xué)常數(shù)于1/3（2/3）處分別為0.466和0.470。

　　 4.4 從進(jìn)水到出水不同位置的土壤中的全氮、堿解氮和有機(jī)質(zhì)均沿程降低，而pH值升高。來水的污染物以沿程逐漸降低的方式分布于濕地上。

　　 4.5 菖蒲中的氮含量測(cè)定結(jié)果表明，在秋末冬初時(shí)，菖蒲的含水率比春季的低，干重比春季的高。菖蒲的干重在秋末冬初時(shí)仍在增加。

　　 4.6在菖蒲成熟和衰亡季節(jié)時(shí)，收割部分的氮有一部分向殘留部分轉(zhuǎn)移。

　　致謝：本研究承蒙國家重大科技專項(xiàng)“滇池流域面源污染控制研究”（2000-03）的資助。

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