陳 杰，陳 婕，王逸超，彭明國，桂 松，張文藝

（常州大學環(huán)境與安全工程學院，江蘇 常州 213164）

隨著農村生活逐漸步入城市化、現代化，隨之而來的村莊污水污染問題也日益凸顯［1］。目前中國村莊污水處理技術大多套用或借用城市污水處理技術，如A/O、SBR、生物濾池、人工濕地等。但分散式村莊污水水量較小，相較于城市污水處理設施，具有建設投資費用高、運營維護點多面廣、運維成本亦較高等特點，造成多地村莊污水處理重建設、輕管護的現狀［1，2］。稻田也是一種濕地［3，4］，在中國南方水稻種植地區(qū)，利用水稻對氮、磷營養(yǎng)消納能力較大的特點，可實現污水養(yǎng)分資源化。

耕作型稻田濕地主要通過水稻、土壤、微生物的協(xié)同作用，通過一系列的物理、化學、生物途徑來達到凈化污水的目的［5，6］，在降解過程中土壤酶起到重要作用。國內外學者對此進行了較多研究，Vymazal［7］、Ong等［8］在研究中發(fā)現植物能夠顯著改善濕地的溶解氧水平，從而提高濕地脫氮處理效果。岳春雷等［9］、許巧玲等［10］報道了土壤脲酶活性與土壤有機質含量、微生物含量和含氮污染物的去除密切相關。因此，土壤脲酶活性可作為耕作型稻田濕地對污水處理效果的一個重要指標。

本研究通過構建耕作型稻田濕地，對其消納村莊污水特性及其土壤脲酶活性進行研究，探究了5個不同水稻生長期內（返青期、分蘗期前、分蘗期后、幼穗分化期、抽穗-黃熟期）稻田濕地對污水中的COD、總磷、氨氮、總氮的去除效率?；陔迕缸兓?guī)律，揭示稻田濕地對污水中的氮轉化機制。

1 材料與方法

1.1 試驗水質

試驗水質指標如表1所示。

表1 試驗進水水質指標

1.2 試驗裝置及其啟動

1.2.1 試驗裝置 如圖1所示，裝置為耕作型水平潛流濕地，其材料選用PP板，L（長）×B（寬）×H（高）=1.0 m×0.4 m×0.5 m。該部分主要由集水區(qū)、稻田濕地處理區(qū)和出水區(qū)三大部分所構成，集水區(qū)沸石層厚度200 mm，濕地填料層厚度400 mm，自下而上由40.00～50.00 mm礫石、15.00～35.00 mm紅磚碎塊、4.00～8.00 mm陶粒組成，孔隙率約30.8%；試驗進水通過恒流水泵抽入集水區(qū)，經集水區(qū)的沸石層有效攔截后，再進入稻田濕地，稻田濕地土壤取自常州市洛陽鎮(zhèn)薛家河邊稻田。

1.2.2 裝置啟動 當裝置內的填料和稻田土壤充填完畢后，在水力負荷（HLR）為0.024 m3（/m2·d）的條件下利用污水進行為期3周的自然掛膜，當COD去除率超過60%時認為掛膜成功，隨后再移植水稻秧苗，種植密度為15株/m2。

圖1 試驗裝置剖面

1.3 檢測方法

濕地土壤的脲酶活性測定采用奈氏比色法［11，12］。水質指標（COD、TP、TN、NH3-N）測定方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》第4版。

2 結果與分析

2.1 稻田濕地對村莊污水污染物凈化效果分析

2.1.1 COD去除分析 由圖2可以看出，稻田濕地在水稻由返青期到抽穗-黃熟期過程中對COD的平均去除率依次為33.0%、46.8%、47.3%、44.3%、46.2%。其中，水稻處于返青期時，稻田濕地對COD的處理效果最差，一方面由于返青期水稻對污水中營養(yǎng)物質吸收有限，另一方面因為初期濕地土壤和濕地填料表面生物量相對較少，微生物群落結構尚未成型，土壤及填料對COD凈化能力不足。而隨著水稻及其根系不斷生長，濕地土壤和濕地填料表面生物量逐漸增多，濕地系統(tǒng)對COD的去除率開始逐步升高。同時張燕等［13］和Michaud等［14］在研究中發(fā)現濕地對COD的去除主要通過濕地填料的截留降低非溶解性的COD含量以及填料表面生物膜上好氧、厭氧微生物及水稻根系的協(xié)同作用去除溶解性的COD含量。這不僅驗證了水稻處于返青期時，濕地對COD處理較差，還驗證了水稻處于抽穗-黃熟期時，水稻對營養(yǎng)物質吸收能力及需求不斷下降的同時，濕地依然能保持對COD平穩(wěn)的去除效果。

圖2 HLR對COD去除效果的影響

2.1.2 TP去除分析 圖3為水稻不同生長時期對TP的去除影響，由圖3可看出，稻田濕地在水稻由返青期到抽穗-黃熟期過程中對TP的平均去除率依次為81.3%、82.0%、84.0%、79.8%、61.3%。其中，水稻處于返青期到幼穗分化期過程中，由于此階段的水稻生長對磷的需求較大，且根系的不斷發(fā)育更加大水稻對磷元素的吸收，因此濕地系統(tǒng)在該階段對TP能夠保持較好的去除效果，平均出水濃度為0.20 mg/L，達到地表水Ⅴ類水標準。而當水稻進入抽穗-黃熟期后，相比水稻處于返青期時，濕地對總磷的去除率下降了近20個百分點，一方面因為此時水稻生長發(fā)育較為完全，對總磷的吸收效果變差，另一方面由于進水濃度小于稻田濕地中的間隙濃度，進而產生了一個負濃度梯度，污水中的磷無法被濕地基質所吸附，導致總磷去除率較低。

圖3 HLR對TP去除效果的影響

2.1.3 NH3-N去除分析 由圖4可以看出，隨著水稻的生長，氨氮的去除率總體表現為下降趨勢，局部呈先下降后上升趨勢。水稻由返青期到抽穗-黃熟期過程中對氨氮平均去除率依次為74.3%、55.0%、78.9%、70.3%、70.6%。分蘗期前濕地對氨氮去除效果最差，主要因為在分蘗期前需對水稻增施氮肥以保證水稻正常生長，而未被水稻吸收的氮肥隨污水流出，導致濕地在分蘗期前對氨氮去除效果較差。但隨著氮肥逐漸被水稻吸收，濕地對氨氮去除率又迅速回到平穩(wěn)狀態(tài)。稻田濕地對氨氮去除效果能夠保持平穩(wěn)狀態(tài)主要基于以下4個方面：①集水區(qū)沸石較大的孔隙率和比表面積為微生物繁殖生長提供一個載體，且隨著附著于沸石的生物膜不斷加厚，集水區(qū)對污水中氨氮處理效果逐漸變好；②相較于根粗須少的植物，稻根細小、活力強且接觸污水面積更廣，同時向周圍釋放氧含量相對更多［14］；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菌的作用對氨氮進行生物氧化；④土壤的吸附作用及離子交換反應。

圖4 HLR對氨氮去除效果的影響

2.1.4 TN去除分析 由圖5可以看出，隨著水稻生長，稻田濕地對總氮的平均去除率依次為63.2%、55.1%、68.6%、65.9%、59.3%。同時結合圖4發(fā)現，總氮去除率的變化趨勢與氨氮相似，但在整體去除率上，總氮比氨氮低了近20%，這主要由于村落污水中氨氮占總氮的80%以上，同時氨氮進入濕地中能很快被水稻植株吸收和土壤吸附，而稻田硝態(tài)氮則快速溶出并被排出濕地［15，16］。當水稻處于分蘗期后時，稻田濕地對氮元素去除率達到最高，一方面由于水溫的上升對總氮的去除效率有一定的促進作用；另一方面由于該時期稻田需要進行曬田，且經過曬田后的土壤層結構發(fā)生變化，便于秧苗根系的下扎，從而增強水稻根系活力，提升了凈化效能。而對后期出水總氮去除效果較為穩(wěn)定，主要因為稻田型濕地基質上的生物膜上種群結構越來越趨向飽和且濕地土壤內的微生物種群逐漸增多，彌補了抽穗-黃熟期水稻對氮吸收的不斷下降，保證濕地對含氮污染物穩(wěn)定有效的去除。

圖5 HLR對總氮去除效果的影響

2.2 濕地脲酶活性變化及其與氮轉化關系分析

由圖6可以看出，在7—11月，脲酶活性先升高后降低。在起初的30 d內，在稻田土自身含有一定量脲酶的基礎上，隨著濕地的持續(xù)進水以及增施的氮肥為稻田土壤中微生物提供了碳氮源，促進了水稻及其根系的不斷生長和微生物的增殖增生，脲酶活性呈快速升高并在8月達到最高。但8月后，稻田土壤中脲酶活性逐漸下降，一方面是稻田土壤內的營養(yǎng)元素被水稻大量消耗，限制了微生物的生長［17］，另一方面水稻在9月已基本成熟且溫度有所下降，相應的根系分泌物也隨之減少［18］。

圖6 濕地運行期間稻田土壤脲酶活性變化

濕地沿程稻田土壤中脲酶活性變化如圖7所示。濕地前端稻田土壤層最先接觸污水中的營養(yǎng)物質，其中的氮源較大部分被前端稻田土壤微生物所吸收，導致末端氮源供給不足，造成了前末兩端脲酶活性有一定差異的現象。表層稻田土壤中脲酶活性的分布同常規(guī)水質污染物的沿程降解趨勢相同，這就印證了脲酶的產生主要來源于稻田土壤微生物，微生物活動的強度將影響稻田土壤中脲酶的活性，進而可推測出濕地稻田土壤層的脲酶活性應該要高于填料層，一方面是稻田土壤層的微生物群落較豐富，另一方面稻田土壤層通過根系泌氧，含氧量相對較高，更利于微生物的生存，所以含氮類有機物主要通過稻田土壤層生物群落來進行生物降解。

圖7 濕地沿程脲酶活性變化

從圖8可以看出，脲酶活性與TN去除（y=667.66x-494.63，R2=0.906 6，P＜0.05，n=5）呈顯著正相關關系，即總氮的去處率隨脲酶活性的增大而增大。同時對各水稻生長期內濕地進出水氨氮占總氮比值分析（表3）發(fā)現，污水經過濕地處理后，氨氮所占總氮的比例大幅度減小，說明在濕地中被水稻吸收、土壤吸附部分主要以氨氮為主。而分蘗期前對濕地增施氮肥導致濕地內氮元素含量增多，氮元素去除率下降，但氮肥被脲酶水解產物NH4+-N對脲酶活性也有很好的刺激作用［19］，因此，此階段的脲酶活性也達到最高。稻田土壤脲酶屬于水解酶類中的酰胺水解酶，它不僅在濕地系統(tǒng)氮循環(huán)中扮演著重要的角色，脲酶活性也與稻田土壤的微生物含量、有機物質含量呈正相關［10］。因此，在一定程度上，脲酶活性也可以用來反映濕地的環(huán)境條件以及稻田濕地對污水的凈化效果。

圖8 脲酶活性與TN去除率的相關性

表3 各階段濕地內進出水氨氮占總氮比值

3 小結

1）稻田濕地在不同水稻生長期下對污染物的去除效果存在差異，當水稻處于分蘗期后時，COD、TP、NH3-N和TN平均去除率最高，分別為47.2%、84.0%、78.9%和68.6%，濕地對COD處理效果一般，對TP、NH3-N和TN處理效果較好。村莊污水經稻田濕地穩(wěn)定處理后的出水水質均達到《地表水環(huán)境質量標準GB3838—2002》Ⅴ類標準。

2）隨著水稻的生長，水稻根系分泌物及其吸收能力呈先增后減的趨勢，導致前期根系分泌物多而營養(yǎng)元素吸收較少，后期分泌物少且吸收能力差，進而導致濕地內土壤脲酶活性先提高后降低且稻田濕地沿程脲酶活性的分布規(guī)律呈逐級下降趨勢，同時耕作型稻田濕地內脲酶活性與TN去除呈顯著正相關。