生活污水用于人工濕地的水稻種植實驗

［泰國］ S.坎塔瓦尼奇庫爾

稻田是最大的人工濕地，全球總面積約1.3億hm2。亞洲水稻生產(chǎn)和消耗量大約占全球的90%，而在全球大米生產(chǎn)國中，泰國稻田面積排名世界第六，2010年大米總產(chǎn)量達3200萬t。泰國稻田總面積大約為900萬hm2，但其中80%依賴雨水。由于多種原因，泰國水稻產(chǎn)量逐年下降，如種植水稻所需水量不足，而且水稻通常只能一年一季。近年來泰國一直長期干旱，干旱已造成該國水稻減產(chǎn)。

2005年有專家研究了稻田內(nèi)的氮平衡，發(fā)現(xiàn)氮主要被水稻吸收，由此建議人工濕地可種植水稻，這有助于減少濕地內(nèi)氮濃度。泰國鼓勵農(nóng)民用有機肥取代已長期使用的化肥。2007年的研究表明，傳統(tǒng)稻田和有機稻田在水稻產(chǎn)量和節(jié)肢動物種群上存在差異。此外，有機水稻生產(chǎn)改善了原有靠雨水補給區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量。由于農(nóng)村地區(qū)經(jīng)常沒有污水處理設施，因此用廢水種植水稻不僅對污水處理，同時對替代傳統(tǒng)的水灌和有機肥都是有利的。

該研究是利用表面流人工濕地系統(tǒng)種植水稻達到處理生活污水的目的，并評估系統(tǒng)中各污染物的去除率和水稻產(chǎn)量。

1 材料與步驟

研究使用 4個混凝土池(1.5 m×1 m×0.8 m)。池內(nèi)稻田土深0.4 m，插上稻秧。帶孔進水管道穿過池子，確保廢水沿池子寬均勻分配。管道出口高出土地表面5 cm以上，如圖l所示。研究使用清邁大學的生活污水。為了使植物適應廢水的生長環(huán)境，廢水比率從30%逐漸增加到70%，在3周時間內(nèi)，每周廢水比率達到100%。

圖1 種有水稻的實驗人工濕地

為了實現(xiàn)廢水處理效益和提高水稻產(chǎn)量，采用兩種不同的水應用模式。實驗一中(2008年8～12月)，廢水間歇性地引入每個單元，直到植被收割(7h/d:從早上9點到下午4點)，水力負荷(HLR)為2，4，6 cm/d和8 cm/d。實驗二中(2008年12月～2009年4月)，每個單元裝滿廢水，水力停留時間(HRT)分別為10，15，20 d和25 d。除去每天蒸發(fā)損失量，水位維持在15 cm。廢水停留期過后，每個單元排干廢水，再注入新廢水。根據(jù)美國公共衛(wèi)生協(xié)會要求，每隔5 d收集每個實驗單元的進出口水樣，分析水樣中 COD、BOD、TKN、NH+4-N、TS(總固體量)、SS、TP和FC(糞大腸菌群)共8個項目的濃度，以評估這些污染物的去除率。

與實驗同步，比較了傳統(tǒng)稻田內(nèi)水稻生產(chǎn)情況，也測試了水稻中氮累積量。傳統(tǒng)稻田生長季節(jié)使用了兩次化肥。

2 結(jié)果與討論

實驗一中，廢水的平均溫度、pH值和COD分別為27.30℃、7.5和200 mg/L(其他參數(shù)見表 1)。蒸發(fā)耗水大約占到輸水量的6.7%，接近之前報道的6%。

表1 生活污水中各參數(shù)匯總

在幾乎準備收割水稻的3個月后，秸稈倒伏，實驗不得不結(jié)束，第114 d收割了水稻。秸稈倒伏可能是由于陽光不足。2008年有專家提到，如果氮負荷比普通施肥量 (氮120～150 kg/hm2)高，多數(shù)水稻品種將會倒伏。實驗中TKN和N-N平均濃度為5～15 mg/L，因此依據(jù)N-N濃度推算，單元中氮使用量在86～344 kg/hm2之間，遠遠高于施肥的量。實驗二中未發(fā)生水稻秸稈倒伏，因為剪掉一些樹枝，同時廢水中氮負荷較低(83～125 kg/hm2)。

當HRT最長(25 d)和HLR最低(2 cm/d)時，廢水中污染物去除率最高。在HLR分別為2，4，6 cm/d和8 cm/d時，有機負荷 COD每天為4，8，12 g/m2和 l6 g/m2，去除率分別只有49.0%、46.1%、42.4%和38.7%。COD、BOD、SS的出流濃度分別為102，52.7 mg/L 和46 mg/L，除 TKN 之外，都高于泰國污水排放標準的限值(BOD5為20 mg/L，TKN為35 mg/L，SS為30 mg/L)。經(jīng)研究，多數(shù)污染物去除率隨負荷率的增加而增加。

2008年有專家在實驗室尺度垂直潛流人工濕地，并結(jié)合生菜池塘，處理生活污水。HLR為8 cm/d時，COD去除率為每天5 g/m2，低于當前研究結(jié)果。與之相反，TKN、N-N和SS的去除率卻高達該研究的2倍，原因是垂直潛流濕地系統(tǒng)增氧能力較高，有潛力通過硝化作用降低N-N濃度。相比表面流濕地系統(tǒng)，認為垂直潛流濕地系統(tǒng)能有效去除SS。2008年有專家提出，去除的大部分氮是被水稻吸收的。專家還發(fā)現(xiàn)，日本一個長有水稻的表面流人工濕地，氮去除率為30.6 g/m2，高于該項研究發(fā)現(xiàn)的22.8 g/m2。

實驗二中，廢水的平均溫度和pH值分別為29.3℃和7.3，蒸發(fā)水量大約為15 L/d。直到準備收割，實驗共進行了96 d。HRT為25 d時去除率最大。所用廢水BOD平均濃度為158.2 mg/L(相應每天3.7，3.06，2.7 g/m2和2.5 g/m2)，停留時間分別為10，15，20 d和25 d的各單元出水濃度分別降到42.7，30.0，19.8 mg/L 和18.0 mg/L。停留時間為20 d和25 d的，BOD5出水濃度能夠滿足國家排放標準的限值，BOD5去除率相當于2.5 g/m2和2.3 g/m2。由于應用的污染負荷低，甚至低于美國環(huán)境保護局(USEPA)2000年建議的表面流處理濕地的污染負荷，去除率低于實驗一。廢水中COD平均濃度為200.2 mg/L，對于4個停留時間，COD有機負荷率等于每天4.8，3.9，3.4 g/m2和3.1 g/m2。出流中COD濃度為59.8～33.1 mg/L，對于20 d和25 d的停留時間，去除率相當于每天3.9 g/m2和2.9 g/m2。這說明廢水停留時間長，可以提高有機物質(zhì)的生物降解和沉積。雖然廢水停留25 d，能去除92.2%的SS，但出流中SS濃度(67～46 mg/L)仍高于國家排放標準限值(30 mg/L)，這可能是由于排水期間細顆粒泥沙被沖刷，及水體中藻類的生長。

廢水中TKN的平均濃度為17.2 mg/L，出流中濃度降到7.8～8.9 mg/L。最大去除率為82.6%，出現(xiàn)在25 d停留時間，去除率相當于每天0.22 g/m2。與 TKN 相似，N-N 濃度降到5.6 ～1.2 mg/L，去除率相當于每天0.08 g/m2，也出現(xiàn)在25 d停留時間。有學者研究發(fā)現(xiàn)，若停留時間更長，通過硝化/反硝化作用及吸附作用，廢水中氮的去除率更高。

從實驗稻田和傳統(tǒng)稻田研究均發(fā)現(xiàn)，谷物中吸收的氮量是最高的。實驗稻田谷物吸收的氮量與傳統(tǒng)稻田相似(見表2)。秸稈中，葉片吸氮量最多，其次是莖和根。

傳統(tǒng)稻田施肥總氮(TN)量相當于廢水中70 kg/hm2的NH+4-N，實驗一大約為86～344 kg/hm2，實驗二為83～125 kg/hm2。實驗水稻吸收的氮與傳統(tǒng)稻田相當，這可能意味著廢水中的氮植物容易吸收。2008研究發(fā)現(xiàn)，地面以上植株累積氮量為30.3～37.7 g/m2，根部累積氮量為3.59 ～5.63 g/m2，該研究結(jié)果為地面上34.27 g/m2，地面下3.02 g/m2，二者結(jié)果基本相似。2009年有專家報道，生長中的水稻，吸收的氮量占施肥總氮量的60%，這一比例遠高于該研究結(jié)果。此外他們發(fā)現(xiàn)，在較高的氮負荷之下，可以獲得較高的生物量，這與該研究結(jié)果一致。

表2 傳統(tǒng)稻田和實驗稻田(25 d)植被中氮磷含量對比(權(quán)重) %

根據(jù)泰國污染物排放標準，25 d停留時間可以使廢水出水在一定程度上滿足這些標準，除SS因藻類生長不能達標之外。此外，廢水25 d停留期間的氮磷水平對植物健康成長很重要，該水平與傳統(tǒng)稻田記錄的氮磷水平不相上下 (見表2)。這證明了水稻可在生活污水中生長，廢水中營養(yǎng)鹽可代替化肥。因此，農(nóng)民在旱季可以種植水稻，并降低化肥成本。此外，這將有助于減少存在于傳統(tǒng)化肥中的化學物質(zhì)造成的環(huán)境污染。

從健康方面來考慮，廢水中大腸菌群降低到4100000～35000 MPN/100mL，在人們消費前，大米需要加工和烹調(diào)，即便存在細菌或寄生蟲污染，也將最終被消除。

傳統(tǒng)稻田水稻產(chǎn)量為5000 kg/hm2，實驗一中，HLR為2 cm/d和4 cm/d的產(chǎn)量分別為4900 kg/hm2和4800 kg/hm2，HLR為6 cm/d和8 cm/d的產(chǎn)量均為4500 kg/hm2。實驗二中，10 d和15 d的停留時間產(chǎn)量均為4000 kg/hm2，20 d和25 d停留時間產(chǎn)量分別為4500 kg/hm2和4700 kg/hm2。這一結(jié)果與傳統(tǒng)稻田沒有顯著差異。秸稈高度、數(shù)量及谷物數(shù)量，從整體來說也與傳統(tǒng)稻田類似。

3 結(jié)論

利用廢水種植水稻不僅在干旱季節(jié)可以提供灌溉用水，還可以作為肥料。實驗一廢水的補給方式，導致氮素過多，造成水稻倒伏。廢水在稻田停留25 d，出水滿足泰國污染物排放標準，可以排放或者循環(huán)用于其他農(nóng)作物。生長于廢水中的水稻和大米產(chǎn)量可與傳統(tǒng)稻田相比，這一結(jié)果表明，使用廢水對水稻生長和發(fā)育沒有不利影響。