低負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：以南方地區水稻田為載體，構建低負荷耕作型水稻田濕地，考察水稻生長周期內不同水力負荷（HLR）條件下的COD、總磷、氨氮、總氮等污染物去除規律，并利用模糊綜合評價法對稻田排水水質進行綜合評價。結果表明，水稻分蘗期后，裝置的凈化效果提升了4%～13%;當水力負荷為0.065 m3/（m2·d）時，耕作型濕地對COD、總磷、氨氮、總氮的去除率分別達47.3%、84.0%、80.0%、68.5%;模糊綜合評價表明稻田排水水質優于普遍農村污水設施的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002中的一級A標準。

關鍵詞：耕作型濕地;氮磷;稻田;水力負荷

中圖分類號：X703 ? ? ? ? 文獻標識碼：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（資源服務）標識碼（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）

農村生活污水早期主要混有少量的肥料，但現在由于農業化肥的大量使用，再加上隨著農村地區中、青年勞動力大量外出工作，使得生活污水用作農肥的越來越少，導致農村生活污水中的化肥量占比越來越高。大量的農村生活污水排入溝渠、河道、池塘，由此對地表水產生了不同程度的污染。此外，農村生活污水的成分較復雜，很容易通過農作物進入食物鏈，因此其對環境的影響比城市污水對人類及生物的影響更為嚴重。

人工濕地（CWs）作為一種處理廢水的綜合生態系統，可有效去除廢水中的懸浮物、有機物、氮和磷等，由于其具有污染物去除能力強、耐沖擊負荷能力強、開發和維護費用少、效果好等優點[1，2]，同時具有美化環境、緩解溫室效應的功效，在國內外得到廣泛應用。水稻作為經濟型農作物，在生長過程中需要大量的氮、磷，且從《濕地公約》內容上來看[3]，稻田也算是濕地的一種。雖然近幾年已有相關研究通過耕蔬型人工濕地來凈化農村尾水，但主要利用稻田型復合人工濕地中植物的根系吸收及土壤生物的協同作用來實現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，旨在對蘇南地區農村面源污染修復方式提供一定的選擇依據。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗裝置

試驗裝置的材料選用PP板（1.0 m×0.4 m×0.5 m）。該裝置主要由集水池、濕地處理區和出水區三大部分所構成。集水區主要由改性沸石[4]來完成，濕地填料基質自下而上主要由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%。試驗進水通過恒流水泵抽入集水區，經集水區的沸石層有效攔截后，再進入濕地主體。裝置內的土壤取自常州洛陽鎮薛家河周邊稻田，覆土厚度為20 cm。耕作型潛流式濕地裝置如圖1所示。

1.2 ?運行方式

當裝置內的填料和土壤充填完畢后，以0.024 m3/（m2·d）為初始條件，讓裝置運行1周，一方面保證裝置運行參數穩定，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水稻田（種植密度為45株/m2）。根據水稻不同生長周期（圖2）對水的需求量（圖3），調整裝置的水力負荷，運行參數如表1所示。裝置穩定運行1周后，每隔2 d測1次水樣，連續測5次為1組水力負荷。

1.3 ?水質檢測方法

測定總氮、總磷、氨氮、CODcr、NO3-N、PO4-等6個水質指標，具體方法參照《水和廢水監測分析方法》[5]，pH、T（溫度）和DO采用手持式哈希水質檢測儀在現場進行實時測定。

1.4 ?評價方法

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

2 ?結果與分析

2.1 ?對COD的去除

運行期間的水溫維持在25～35 ℃，COD平均進水濃度為（76±4） mg/L。不同水力負荷（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）時的處理效果較差。在大部分條件下，裝置出水濃度都表現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]及水稻根系的協同作用，將部分溶解性COD和大分子有機物轉化成簡單的無機物質、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，雖然此時的水力停留時間（HRT）最長，但其填料生物膜相對較薄，微生物群落結構尚未成型，且水稻又處于秧苗時期，對營養物質的吸收有限，從而出現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，濕地系統對COD的去除越趨穩定。且在HLR為0.113 m3/（m2·d）時，此時已到水稻成熟期，水稻已對各營養物吸附飽和，但對系統的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，但出水也能達到城鎮污水處理廠污染物排放標準的一級A的標準，且接近地表水環境質量標準的Ⅴ類水標準。

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，導致總磷的去除率呈下降趨勢。Li等[10]研究生態浮床凈化富營養化的水體過程表明，隨著HRT的減少，會降低對總磷的去除率，與本試驗結論一致。HLR為0.024 m3/（m2·d）時，其出水濃度為（0.21±0.05） mg/L，去除率為81.9%±2.1%，同比反應后期HLR為0.113 m3/（m2·d）時，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荷的條件下運行的，所以對裝置的出水濃度影響不大。總磷的去除主要基于水稻根系吸收、稻根及濕地基質附著的生物膜凈化作用。在污水中，磷主要以溶解態和顆粒態兩種形式存在，其中，溶解性的PO4-占比在53%～80%。溶解態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而得到有效的處理[11，12]。

在整個運行過程中，在HLR為0.113 m3/（m2·d）時總磷的去除效果最差，分析原因，一方面是此時已開始接近水稻成熟期，各方面營養都吸收飽和，另一方面是進水濃度小于濕地中的間隙濃度，存在一個負濃度梯度，污水中的磷無法被濕地基質所吸附，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定，平均出水濃度為（0.20±0.01） mg/L，但與戴謹微等[13]研究的由水生植物組成的復合型生態浮床相比，其TP去除效率略顯不足，但其出水水質也能達到地表水Ⅲ至Ⅳ類的標準。

2.3 ?對氨氮的去除

運行期間裝置的進水DO保持在1.26～2.79 mg/L，整個水稻生長周期不同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，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，裝置的去除效果最差，主要是此時正值水稻分蘗期前，需要對水稻增施一定的氮肥，促進水稻的生殖生長，更是對產量的保證，所以此時會有一部分氮肥通過表面徑流直接隨出水流出，導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到以往水平，可能是因為水稻通過這部分氮肥的吸收，導致水稻生物量得到進一步的增長，加大了對氮的吸收，進而導致能較快恢復裝置對氨氮的去除率。

根據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，可能體現在以下4個方面：①集水區的沸石，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、轉化有很重要的貢獻。在人工濕地中根須多且細小的根系比根粗而須少的根系除氮效果更顯著，主要由于細小根須接觸面積更廣，根系活力強，根須周圍釋放氧含量相對更多[15];③在根系周邊的好氧區及流動水中的溶解氧，通過硝化細菌的作用，對氨氮進行生物氧化，生成NO3-和NO2-;在缺氧環境中，則通過反硝化細菌將硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原生成N2，通過撥風管排出[16];④通過土壤的吸附作用力及離子交換反應，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

試驗期間裝置進水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，總氮去除率為57.5%±11.5%，出水濃度為（4.86±0.47） mg/L，該階段在整個水稻生長周期中總氮去除效果最差，此時為水稻分蘗期前，分析有以下兩個原因：一是由于對水稻進行增肥，部分氮肥流失到水體中，從而導致出水總氮偏高;二是由于夏季白天水稻的蒸發量過大，導致植物過度失水，而此時又正值幼苗初期，根系活力并不穩定，進而造成了總氮去除率降低的現象。在HLR為0.065 m3/（m2·d）時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%，此時已為水稻分蘗期后。從分蘗期前到分蘗期后這段時間，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行曬田，經過曬田后土壤層的結構得到了調整變化，促進了秧苗根系的下扎以致增強水稻根系活力，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間，雖然總氮的去除率下降了4%，但總體出水效果較為穩定，分析原因：①稻田型濕地基質上的生物膜上種群結構越來越趨向飽和，對于含氮易消化污染物的去除相對穩定;②隨著濕地運行，濕地土壤內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，發現在裝置運行過程中，裝置的出水相對偏堿。濕地進水的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DO的含量較少時，對硝化反應的進行會起到一定的抑制。在缺氧環境下，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]。隨著進水中碳源被各微生物吸收利用，最終導致一部分反硝化作用反應不完全，造成亞硝酸鹽的積累，從而使得出水pH上升，同時受環境中DO的限制，在進行厭氧氨化作用時，反應會消耗一定量的H+，這也可能造成出水偏堿[22]。

2.5 ?稻田濕地出水水質評價

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

以水生植物為主的人工濕地，其水質綜合評價一般可達Ⅳ類水的標準。從水質評價結果上來看，耕作型濕地的處理率稍遜一籌，但其卻能產生一定的經濟效益，例如，本試驗耕作濕地的產量約為0.82 kg/m2，結合實際水稻單價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維費。

3 ?小結

1）以水稻為載體構建的耕作型濕地來處理村落污水的最佳水力負荷為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到了《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中的Ⅱ類水質要求，氨氮及COD的最低出水濃度則達到了Ⅴ類水質要求。

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）通過模糊綜合水質評價的計算結果顯示，耕作濕地在總氮的處理上還有待優化，但其綜合出水濃度接近《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中的Ⅴ類水質，優于普遍農村污水設施的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002中的一級A標準。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，在南方水網地區村落污水處理治理中具有一定的應用推廣價值。

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