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

　　 隨著湖泊周圍經濟的發展，來自湖泊周圍的污染源（城鎮、村落、農田和工廠等）對湖泊的污染日趨嚴重，而且湖濱帶遭到不同程度的人為活動的破壞，如圍湖造田導致的湖濱帶被蠶食，湖周過渡養魚和放牧對湖濱帶生態多樣性的破壞，營養物負荷過高，動植物棲息地的喪失和分割，外來物種的侵入，水文規律的改變。解決此問題的一些途徑有農業生產的改進，村落和農業垃圾的及時收集與處置；增建畜禽污水處理廠；合理處理畜禽糞便（如堆肥產沼）；在農田和湖泊之間進行濕地和湖濱生態系統的修復和建設。其中人工濕地系統具有污染物處理效果較好、耐受沖擊負荷能力強、建設費用和運行費用低的優點，因此人工濕地在湖泊污染防治中具有良好的應用前景。 ^[1-4]

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

　　 本文著重報道位于中國云南滇池東岸靠近農業區的湖濱帶濕地中的氮去除效果和去除動力學。

　　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，年均降雨量高，為797~1007mm，其中有85%發生在夏季。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）的進水為來自上游農田區域（0.66 km²）的農業徑流（圖2）。在雨季（5月~9月）時滇池水位低于濕地出水，在旱季（從10月~翌年4月）時滇池水位高于濕地出水。

　　2.2 常規物理化學分析

　　2.2.1 水樣分析

　　進水流量采用浮標法測定，每次采集水樣時測定各條溝渠的規則溝渠段的流動距離與時間，溝渠水深與水面寬度，進水總流量為各溝渠流量的總和。進水流量的計算：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；T=通過指定距離L所需的時間，d。

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

圖1 濕地位置圖

　　CODcr的測定采用重鉻酸鉀法測定；TN的測定采用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法(220nm和275nm)；NH₃-N的測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。TP的測定采用鉬銻抗分光光度法。^[9]

　　抽測結果表明：NO₂^－-N的含量均很低，可以忽略不計。

　　 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-蒸餾法測定，全磷采取釩鉬黃吸光光度法測定，全鉀采取火焰光度法測定。含水率采用常壓恒溫干燥法（105℃30分鐘，65℃至恒重）測定。

　　3 結果與討論

　　分季節討論氮的去除效果和氮的去除動力學。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）的濕地進水水質和處理效果見表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，去除率最大點并非為濕地出水端。

圖2 旱季的進水水質和污染物去除率

　　Inf: 進水水質, Eff-1: 位置1的水質, Eff-2: 位置2的水質, 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月的濕地進水水質及處理效果見圖3，本階段的平均日進水流量為747.4m³/d。

圖3 雨季的進水水質和污染物去除率

　　Inf: 進水水質, Eff-1: 位置1的水質, Eff-2: 位置2的水質, 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。這是因為為確保滇池周圍農田的安全，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，滇池水對濕地出水有返混作用，去除率最大點基本上在濕地的出水端。

　　對比旱季和雨季的處理效果可知，旱季和雨季的NO₃^--N進水濃度較接近，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的進水濃度比旱季的低。

　　旱季和雨季時污染物的沿程變化規律：

　　雨季時，進水濃度>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，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（尤其在低濃度進水時期）受滇池水的影響較大，濕地內的沿程污染物濃度呈“V”字形規律變化。

　　3.2.2 暴雨期間處理效果

　　以2003年6月6日暴雨時王家莊濕地的運行數據為例來說明本工程在大雨日的運行效果。進水量為1866m³/d，水力負荷為22.2cm/d，水質和去除率情況見表3。

表3 不同大雨暴雨期間王家莊濕地平均水質和去除率

	NH3-N	NO3--N	TN
進水（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 動力學參數

　　動力學參數K_t受多種因素影響，其中主要受污染物的性質與濃度、水力負荷、填料介質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K_t的影響做全面的分析，有關研究結果也只能作參考。氮的形態也很重要，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的動力學參數計算方程如下：3.3.1 NH₄⁺-N去除動力學方程

　　氮的去除也和溫度有關而且對低溫十分敏感。一旦在冬天時溫度降至5℃以下，則氮的去除就會成為問題。氨氮的去除依式（1）計算^[13]：

　　 　　　　　　(2)

　　式中：TKN－進水凱氏氮，mg/L；

　　 C_eff－出水中氨氮濃度，mg/L；

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

　　 HRT－水力停留時間，d。

　　 對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去除動力學方程

　　 硝氮的去除依式（2）計算^[14]：

　　　　　　　　　　　　 (5-3)

　　式中：C_inf－進水硝酸鹽濃度，mg/L；

　　 C_eff－出水硝酸鹽濃度，mg/L；

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

　　 對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。

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

　　 3.3.3 動力學參數計算結果

　　 由上述公式計算得到王家莊濕地的動力學參數，見表4。

表4 王家莊濕地的動力學參數表

		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，雨季時的Kt值均高于旱季時。全年看來，氨氮的去除動力學常數介于文獻[13]和[15]所推薦的范圍（0.219～2.88）內。

　　 旱季時氨氮去除的動力學方程為：

　　

　　

　　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物、鮮重和含水率見表8。

表7 菖蒲高度測定結果

時間	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，菖蒲的含水率比春季的低，干重比春季的高，這與我們在外觀上所觀測到的菖蒲的莖葉在春季和秋末冬初時的外觀一致：在春季時為鮮嫩的綠色枝葉，而在秋末冬初時，菖蒲的莖葉略發黃，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仍在增加。

　　 生長季節時，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時，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時，收割部分的氮有一部分向殘留部分轉移。

　　4 結論

　　 4.1 構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業區農業徑流對滇池的污染。旱季（每年11月至翌年4月）時濕地中的氮去除呈現“V” 字形變化規律，雨季（每年5月至10月）時濕地中氮去除呈現沿程降低的規律。

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

　　 4.3 全年來看，氨氮的去除動力學常數為于1/3（2/3）處分別為0.702和0.574，硝氮的去除動力學常數于1/3（2/3）處分別為0.466和0.470。

　　 4.4 從進水到出水不同位置的土壤中的全氮、堿解氮和有機質均沿程降低，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 菖蒲中的氮含量測定結果表明，在秋末冬初時，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仍在增加。

　　 4.6在菖蒲成熟和衰亡季節時，收割部分的氮有一部分向殘留部分轉移。

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

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