低負(fù)荷耕作型濕地凈化村落污水效能研究

王逸超 陳維墉 蘇鵬 張文藝

摘要：以南方地區(qū)水稻田為載體，構(gòu)建低負(fù)荷耕作型水稻田濕地，考察水稻生長周期內(nèi)不同水力負(fù)荷（HLR）條件下的COD、總磷、氨氮、總氮等污染物去除規(guī)律，并利用模糊綜合評價(jià)法對稻田排水水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)果表明，水稻分蘗期后，裝置的凈化效果提升了4%～13%;當(dāng)水力負(fù)荷為0.065 m3/（m2·d）時(shí)，耕作型濕地對COD、總磷、氨氮、總氮的去除率分別達(dá)47.3%、84.0%、80.0%、68.5%;模糊綜合評價(jià)表明稻田排水水質(zhì)優(yōu)于普遍農(nóng)村污水設(shè)施的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：耕作型濕地;氮磷;稻田;水力負(fù)荷

中圖分類號：X703 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）24-0063-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.015 ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on the efficiency of low-load tillage wetland for purification of village sewage

WANG Yi-chao1，2，CHEN Wei-yong1，SU Peng2，ZHANG Wen-yi1

（1.School of Environmental & Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China;

2.Changzhou Municipal Engineering Design Research College Co.，Ltd.，Changzhou 213127，Jiangsu，China）

Abstract： Low-load cultivated paddy field wetland was constructed by using paddy fields in the south， and the removal laws of COD， total phosphorus， ammonia nitrogen， total nitrogen and other pollutants under different hydraulic loads （HLR） in rice growth cycle were investigated. Fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate the drainage quality of paddy field. The results showed that the purification effect of the plant increased 4%～13%; When the hydraulic load was 0.065 m3/（m2·d）， the removal rate of COD， total phosphorus， ammonia nitrogen and total nitrogen was 47.3%、84.0%、80.0%、68.5%， respectively. The fuzzy comprehensive evaluation shows that the drainage quality of paddy field is better than that of the Pollution discharge standard of urban sewage treatment plant in the GB18918-2002 of general rural sewage facilities.

Key words： tillage type wetland; nitrogen and phosphorus; paddy field; hydraulic load（HLR）

農(nóng)村生活污水早期主要混有少量的肥料，但現(xiàn)在由于農(nóng)業(yè)化肥的大量使用，再加上隨著農(nóng)村地區(qū)中、青年勞動力大量外出工作，使得生活污水用作農(nóng)肥的越來越少，導(dǎo)致農(nóng)村生活污水中的化肥量占比越來越高。大量的農(nóng)村生活污水排入溝渠、河道、池塘，由此對地表水產(chǎn)生了不同程度的污染。此外，農(nóng)村生活污水的成分較復(fù)雜，很容易通過農(nóng)作物進(jìn)入食物鏈，因此其對環(huán)境的影響比城市污水對人類及生物的影響更為嚴(yán)重。

人工濕地（CWs）作為一種處理廢水的綜合生態(tài)系統(tǒng)，可有效去除廢水中的懸浮物、有機(jī)物、氮和磷等，由于其具有污染物去除能力強(qiáng)、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用少、效果好等優(yōu)點(diǎn)[1，2]，同時(shí)具有美化環(huán)境、緩解溫室效應(yīng)的功效，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。水稻作為經(jīng)濟(jì)型農(nóng)作物，在生長過程中需要大量的氮、磷，且從《濕地公約》內(nèi)容上來看[3]，稻田也算是濕地的一種。雖然近幾年已有相關(guān)研究通過耕蔬型人工濕地來凈化農(nóng)村尾水，但主要利用稻田型復(fù)合人工濕地中植物的根系吸收及土壤生物的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對污水中污染物去除的研究相對較少。本研究擬考察在不同水力負(fù)荷（HLR）的條件下，該耕作型濕地對氮磷的去除效能，旨在對蘇南地區(qū)農(nóng)村面源污染修復(fù)方式提供一定的選擇依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置的材料選用PP板（1.0 m×0.4 m×0.5 m）。該裝置主要由集水池、濕地處理區(qū)和出水區(qū)三大部分所構(gòu)成。集水區(qū)主要由改性沸石[4]來完成，濕地填料基質(zhì)自下而上主要由40～50 mm礫石、15～35 mm紅磚碎塊、4～8 mm陶粒，濕地的孔隙率為30.8%。試驗(yàn)進(jìn)水通過恒流水泵抽入集水區(qū)，經(jīng)集水區(qū)的沸石層有效攔截后，再進(jìn)入濕地主體。裝置內(nèi)的土壤取自常州洛陽鎮(zhèn)薛家河周邊稻田，覆土厚度為20 cm。耕作型潛流式濕地裝置如圖1所示。

1.2 ?運(yùn)行方式

當(dāng)裝置內(nèi)的填料和土壤充填完畢后，以0.024 m3/（m2·d）為初始條件，讓裝置運(yùn)行1周，一方面保證裝置運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，另一方面保證濕地床的掛膜順利，隨后再移植水稻秧苗。水稻秧苗取自常州市洛陽鎮(zhèn)水稻田（種植密度為45株/m2）。根據(jù)水稻不同生長周期（圖2）對水的需求量（圖3），調(diào)整裝置的水力負(fù)荷，運(yùn)行參數(shù)如表1所示。裝置穩(wěn)定運(yùn)行1周后，每隔2 d測1次水樣，連續(xù)測5次為1組水力負(fù)荷。

1.3 ?水質(zhì)檢測方法

測定總氮、總磷、氨氮、CODcr、NO3-N、PO4-等6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，具體方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[5]，pH、T（溫度）和DO采用手持式哈希水質(zhì)檢測儀在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)測定。

1.4 ?評價(jià)方法

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的CODcr、氨氮、總氮、總磷指標(biāo)為限值，采用模糊綜合評價(jià)模型對田間排水水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)[6，7]，通過對5個(gè)不同HLR條件下水質(zhì)質(zhì)量安全進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，以判別耕作型濕地對村落污水的凈化效果。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?對COD的去除

運(yùn)行期間的水溫維持在25～35 ℃，COD平均進(jìn)水濃度為（76±4） mg/L。不同水力負(fù)荷（HLR）對COD的去除影響如圖4所示，隨著HLR的增大，COD去除率越趨平緩。HLR分別為0.024、0.033、0.065、0.090、0.113 m3/（m2·d）時(shí)COD去除率依次為33.0%、46.8%、47.3%、44.3%、46.3%，裝置的COD平均出水濃度為（41.53±1.47） mg/L，其中HLR為0.025 m3/（m2·d）時(shí)的處理效果較差。在大部分條件下，裝置出水濃度都表現(xiàn)出了良好的去除效果，但也反映出HLR的改變對COD的去除影響不大。耕作型濕地對COD的去除主要包括溶解性和非溶解性兩部分[8]。一方面通過濕地填料的截留降低非溶解性COD的含量，另一方面是通過填料表面生物膜上的好氧厭氧微生物[9]及水稻根系的協(xié)同作用，將部分溶解性COD和大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成簡單的無機(jī)物質(zhì)、CO2、H2O。所以耕作型濕地對COD的去除主要依靠濕地填料的吸附、吸收。

在HLR為0.024 m3/（m2·d）（返青期）時(shí)，雖然此時(shí)的水力停留時(shí)間（HRT）最長，但其填料生物膜相對較薄，微生物群落結(jié)構(gòu)尚未成型，且水稻又處于秧苗時(shí)期，對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收有限，從而出現(xiàn)起初凈化效果較差的局面。隨著水稻的生殖生長及微生物種群的豐富，濕地系統(tǒng)對COD的去除越趨穩(wěn)定。且在HLR為0.113 m3/（m2·d）時(shí)，此時(shí)已到水稻成熟期，水稻已對各營養(yǎng)物吸附飽和，但對系統(tǒng)的COD整體去除率影響并不大，從而也說明水稻對于COD的去除影響并不大，但出水也能達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的一級A的標(biāo)準(zhǔn)，且接近地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 ?對總磷的去除

不同HLR對總磷去除率的影響見圖5。從圖5可以看出，隨著HLR增大，HRT逐漸縮短，導(dǎo)致總磷的去除率呈下降趨勢。Li等[10]研究生態(tài)浮床凈化富營養(yǎng)化的水體過程表明，隨著HRT的減少，會降低對總磷的去除率，與本試驗(yàn)結(jié)論一致。HLR為0.024 m3/（m2·d）時(shí)，其出水濃度為（0.21±0.05） mg/L，去除率為81.9%±2.1%，同比反應(yīng)后期HLR為0.113 m3/（m2·d）時(shí)，其出水濃度為（0.18±0.03） mg/L，去除率為61.3%±1.2%，雖然去除率下降了近20%，但由于裝置是在低負(fù)荷的條件下運(yùn)行的，所以對裝置的出水濃度影響不大?？偭椎娜コ饕谒靖滴?、稻根及濕地基質(zhì)附著的生物膜凈化作用。在污水中，磷主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)兩種形式存在，其中，溶解性的PO4-占比在53%～80%。溶解態(tài)磷作為污染的主要組成部分，主要通過水稻根系吸收的同化作用，將一些大分子及溶解性較好的溶解性磷酸鹽通過自身利用來達(dá)到去除的目的，而顆粒性磷酸鹽則通過濕地填料上生物膜的截留進(jìn)而得到有效的處理[11，12]。

在整個(gè)運(yùn)行過程中，在HLR為0.113 m3/（m2·d）時(shí)總磷的去除效果最差，分析原因，一方面是此時(shí)已開始接近水稻成熟期，各方面營養(yǎng)都吸收飽和，另一方面是進(jìn)水濃度小于濕地中的間隙濃度，存在一個(gè)負(fù)濃度梯度，污水中的磷無法被濕地基質(zhì)所吸附，以致總磷降解率較低。HLR從0.024 m3/（m2·d）上升到0.090 m3/（m2·d）的過程中，裝置對總磷的去除效果相對穩(wěn)定，平均出水濃度為（0.20±0.01） mg/L，但與戴謹(jǐn)微等[13]研究的由水生植物組成的復(fù)合型生態(tài)浮床相比，其TP去除效率略顯不足，但其出水水質(zhì)也能達(dá)到地表水Ⅲ至Ⅳ類的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 ?對氨氮的去除

運(yùn)行期間裝置的進(jìn)水DO保持在1.26～2.79 mg/L，整個(gè)水稻生長周期不同HLR對氨氮去除的影響見圖6。由圖6可知，隨著HLR的增大，氨氮的去除率呈一定的下降趨勢。HLR為0.033 m3/（m2·d）時(shí)，出水濃度為（4.27±0.5） mg/L，去除率為55.1%±10%，在其余HLR條件下的氨氮出水濃度在（2.05±1.07）～（2.54±0.50） mg/L，去除率為（69.6%±0.12%）～（79.0%±10.0%）。在HLR為0.033 m3/（m2·d）時(shí)，裝置的去除效果最差，主要是此時(shí)正值水稻分蘗期前，需要對水稻增施一定的氮肥，促進(jìn)水稻的生殖生長，更是對產(chǎn)量的保證，所以此時(shí)會有一部分氮肥通過表面徑流直接隨出水流出，導(dǎo)致這階段的裝置出水效果較差。但很快氨氮的去除率又恢復(fù)到以往水平，可能是因?yàn)樗就ㄟ^這部分氮肥的吸收，導(dǎo)致水稻生物量得到進(jìn)一步的增長，加大了對氮的吸收，進(jìn)而導(dǎo)致能較快恢復(fù)裝置對氨氮的去除率。

根據(jù)耕作型濕地在不同條件下對氨氮去除率的變化，推測其凈化原因，可能體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①集水區(qū)的沸石，其較大的孔隙率和比表面積[14]，為微生物繁殖生長提供一個(gè)載體，隨著附著的生物膜不斷加厚，對污水中氨氮的吸收起到了一定的作用;②濕地中水稻根系對氮素的吸收、轉(zhuǎn)化有很重要的貢獻(xiàn)。在人工濕地中根須多且細(xì)小的根系比根粗而須少的根系除氮效果更顯著，主要由于細(xì)小根須接觸面積更廣，根系活力強(qiáng)，根須周圍釋放氧含量相對更多[15];③在根系周邊的好氧區(qū)及流動水中的溶解氧，通過硝化細(xì)菌的作用，對氨氮進(jìn)行生物氧化，生成NO3-和NO2-;在缺氧環(huán)境中，則通過反硝化細(xì)菌將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原生成N2，通過撥風(fēng)管排出[16];④通過土壤的吸附作用力及離子交換反應(yīng)，也能對氨氮的去除起到一定的作用[17，18]。

2.4 ?對總氮的去除

試驗(yàn)期間裝置進(jìn)水pH為7.45±0.13，出水pH為7.78±0.16，水溫維持在25～35 ℃。不同HLR條件下對總氮、NO3-N去除率的影響如圖7所示。在HLR為0.033 m3/（m2·d）時(shí)，總氮去除率為57.5%±11.5%，出水濃度為（4.86±0.47） mg/L，該階段在整個(gè)水稻生長周期中總氮去除效果最差，此時(shí)為水稻分蘗期前，分析有以下兩個(gè)原因：一是由于對水稻進(jìn)行增肥，部分氮肥流失到水體中，從而導(dǎo)致出水總氮偏高;二是由于夏季白天水稻的蒸發(fā)量過大，導(dǎo)致植物過度失水，而此時(shí)又正值幼苗初期，根系活力并不穩(wěn)定，進(jìn)而造成了總氮去除率降低的現(xiàn)象。在HLR為0.065 m3/（m2·d）時(shí)的總氮去除效果相對較好，出水濃度為（3.45±0.2） mg/L，去除率為68.5%±3.56%，此時(shí)已為水稻分蘗期后。從分蘗期前到分蘗期后這段時(shí)間，一方面隨著水溫的上升，總氮的去除效率逐漸上升，另一方面分蘗期后的稻田需要進(jìn)行曬田，經(jīng)過曬田后土壤層的結(jié)構(gòu)得到了調(diào)整變化，促進(jìn)了秧苗根系的下扎以致增強(qiáng)水稻根系活力，從而提升了凈化效能，使得總氮得到更好的去除。在水稻從有穗分化到黃熟期這段時(shí)間，雖然總氮的去除率下降了4%，但總體出水效果較為穩(wěn)定，分析原因：①稻田型濕地基質(zhì)上的生物膜上種群結(jié)構(gòu)越來越趨向飽和，對于含氮易消化污染物的去除相對穩(wěn)定;②隨著濕地運(yùn)行，濕地土壤內(nèi)的微生物種群逐漸增多，這對總氮的去除起到重要的作用[19]。

此外，發(fā)現(xiàn)在裝置運(yùn)行過程中，裝置的出水相對偏堿。濕地進(jìn)水的DO為1.26～3.20 mg/L，但出水的DO一般僅有0.26～0.84 mg/L，而當(dāng)DO的含量較少時(shí)，對硝化反應(yīng)的進(jìn)行會起到一定的抑制。在缺氧環(huán)境下，一般反硝化作用相對較多，所以在氮的去除過程中反硝化作用占很大的比重，研究顯示，在氮的去除過程中，約有80%的氮是通過反硝化作用來完成的[20，21]。隨著進(jìn)水中碳源被各微生物吸收利用，最終導(dǎo)致一部分反硝化作用反應(yīng)不完全，造成亞硝酸鹽的積累，從而使得出水pH上升，同時(shí)受環(huán)境中DO的限制，在進(jìn)行厭氧氨化作用時(shí)，反應(yīng)會消耗一定量的H+，這也可能造成出水偏堿[22]。

2.5 ?稻田濕地出水水質(zhì)評價(jià)

根據(jù)模糊綜合評價(jià)法，通過式（1）、式（2）的計(jì)算，得出水質(zhì)評價(jià)結(jié)果如表2所示。結(jié)合水稻的生長周期可知，在5個(gè)HLR條件的運(yùn)行下，該裝置的出水比較接近《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅴ類水的標(biāo)準(zhǔn)，且在0.065 m3/（m2·d）的條件下，出水的水質(zhì)評價(jià)相對較高，并且從污染物的權(quán)重因子來看，TN的權(quán)重比相對較高，這與周興偉等[23]、吳丹等[24]研究的以水生植物為主的復(fù)合型人工濕地處理生活污水的研究結(jié)果相同。

以水生植物為主的人工濕地，其水質(zhì)綜合評價(jià)一般可達(dá)Ⅳ類水的標(biāo)準(zhǔn)。從水質(zhì)評價(jià)結(jié)果上來看，耕作型濕地的處理率稍遜一籌，但其卻能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，例如，本試驗(yàn)耕作濕地的產(chǎn)量約為0.82 kg/m2，結(jié)合實(shí)際水稻單價(jià)2.14～2.16元/kg，每公頃約可收獲17 550元，從而能降低一定的運(yùn)維費(fèi)。

3 ?小結(jié)

1）以水稻為載體構(gòu)建的耕作型濕地來處理村落污水的最佳水力負(fù)荷為0.065 m3/（m2·d），在此條件下，總氮、總磷、氨氮、COD的平均去除率為68.5%、84.0%、80.0%、47.3%，出水濃度分別為（3.45±0.2） mg/L、（0.20±0.01） mg/L、（2.05±1.07） mg/L、（40.06±2.13） mg/L，其中，總磷的最低出水濃度達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的Ⅱ類水質(zhì)要求，氨氮及COD的最低出水濃度則達(dá)到了Ⅴ類水質(zhì)要求。

2）水稻分蘗期后，裝置對污染物的去除率提升了4%～13%，且隨著水稻的成熟、收割，水稻田對污染物的去除仍能維持一定的去除效果，去除率僅下降了3%～10%。

3）通過模糊綜合水質(zhì)評價(jià)的計(jì)算結(jié)果顯示，耕作濕地在總氮的處理上還有待優(yōu)化，但其綜合出水濃度接近《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的Ⅴ類水質(zhì)，優(yōu)于普遍農(nóng)村污水設(shè)施的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002中的一級A標(biāo)準(zhǔn)。這種凈化村落污水處理與水稻增肥雙重效益的污水治理模式，在南方水網(wǎng)地區(qū)村落污水處理治理中具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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