生活污水用于人工湿地的水稻种植实验

2013-07-16泰国坎塔瓦尼奇库尔

水利水电快报 2013年7期

［泰国］ S.坎塔瓦尼奇库尔

稻田是最大的人工湿地，全球总面积约1.3亿hm2。亚洲水稻生产和消耗量大约占全球的90%，而在全球大米生产国中，泰国稻田面积排名世界第六，2010年大米总产量达3200万t。泰国稻田总面积大约为900万hm2，但其中80%依赖雨水。由于多种原因，泰国水稻产量逐年下降，如种植水稻所需水量不足，而且水稻通常只能一年一季。近年来泰国一直长期干旱，干旱已造成该国水稻减产。

2005年有专家研究了稻田内的氮平衡，发现氮主要被水稻吸收，由此建议人工湿地可种植水稻，这有助于减少湿地内氮浓度。泰国鼓励农民用有机肥取代已长期使用的化肥。2007年的研究表明，传统稻田和有机稻田在水稻产量和节肢动物种群上存在差异。此外，有机水稻生产改善了原有靠雨水补给区域的生态系统质量。由于农村地区经常没有污水处理设施，因此用废水种植水稻不仅对污水处理，同时对替代传统的水灌和有机肥都是有利的。

该研究是利用表面流人工湿地系统种植水稻达到处理生活污水的目的，并评估系统中各污染物的去除率和水稻产量。

1 材料与步骤

研究使用 4个混凝土池(1.5 m×1 m×0.8 m)。池内稻田土深0.4 m，插上稻秧。带孔进水管道穿过池子，确保废水沿池子宽均匀分配。管道出口高出土地表面5 cm以上，如图l所示。研究使用清迈大学的生活污水。为了使植物适应废水的生长环境，废水比率从30%逐渐增加到70%，在3周时间内，每周废水比率达到100%。

图1 种有水稻的实验人工湿地

为了实现废水处理效益和提高水稻产量，采用两种不同的水应用模式。实验一中(2008年8～12月)，废水间歇性地引入每个单元，直到植被收割(7h/d:从早上9点到下午4点)，水力负荷(HLR)为2，4，6 cm/d和8 cm/d。实验二中(2008年12月～2009年4月)，每个单元装满废水，水力停留时间(HRT)分别为10，15，20 d和25 d。除去每天蒸发损失量，水位维持在15 cm。废水停留期过后，每个单元排干废水，再注入新废水。根据美国公共卫生协会要求，每隔5 d收集每个实验单元的进出口水样，分析水样中 COD、BOD、TKN、NH+4-N、TS(总固体量)、SS、TP和FC(粪大肠菌群)共8个项目的浓度，以评估这些污染物的去除率。

与实验同步，比较了传统稻田内水稻生产情况，也测试了水稻中氮累积量。传统稻田生长季节使用了两次化肥。

2 结果与讨论

实验一中，废水的平均温度、pH值和COD分别为27.30℃、7.5和200 mg/L(其他参数见表 1)。蒸发耗水大约占到输水量的6.7%，接近之前报道的6%。

表1 生活污水中各参数汇总

在几乎准备收割水稻的3个月后，秸秆倒伏，实验不得不结束，第114 d收割了水稻。秸秆倒伏可能是由于阳光不足。2008年有专家提到，如果氮负荷比普通施肥量 (氮120～150 kg/hm2)高，多数水稻品种将会倒伏。实验中TKN和N-N平均浓度为5～15 mg/L，因此依据N-N浓度推算，单元中氮使用量在86～344 kg/hm2之间，远远高于施肥的量。实验二中未发生水稻秸秆倒伏，因为剪掉一些树枝，同时废水中氮负荷较低(83～125 kg/hm2)。

当HRT最长(25 d)和HLR最低(2 cm/d)时，废水中污染物去除率最高。在HLR分别为2，4，6 cm/d和8 cm/d时，有机负荷 COD每天为4，8，12 g/m2和 l6 g/m2，去除率分别只有49.0%、46.1%、42.4%和38.7%。COD、BOD、SS的出流浓度分别为102，52.7 mg/L 和46 mg/L，除 TKN 之外，都高于泰国污水排放标准的限值(BOD5为20 mg/L，TKN为35 mg/L，SS为30 mg/L)。经研究，多数污染物去除率随负荷率的增加而增加。

2008年有专家在实验室尺度垂直潜流人工湿地，并结合生菜池塘，处理生活污水。HLR为8 cm/d时，COD去除率为每天5 g/m2，低于当前研究结果。与之相反，TKN、N-N和SS的去除率却高达该研究的2倍，原因是垂直潜流湿地系统增氧能力较高，有潜力通过硝化作用降低N-N浓度。相比表面流湿地系统，认为垂直潜流湿地系统能有效去除SS。2008年有专家提出，去除的大部分氮是被水稻吸收的。专家还发现，日本一个长有水稻的表面流人工湿地，氮去除率为30.6 g/m2，高于该项研究发现的22.8 g/m2。

实验二中，废水的平均温度和pH值分别为29.3℃和7.3，蒸发水量大约为15 L/d。直到准备收割，实验共进行了96 d。HRT为25 d时去除率最大。所用废水BOD平均浓度为158.2 mg/L(相应每天3.7，3.06，2.7 g/m2和2.5 g/m2)，停留时间分别为10，15，20 d和25 d的各单元出水浓度分别降到42.7，30.0，19.8 mg/L 和18.0 mg/L。停留时间为20 d和25 d的，BOD5出水浓度能够满足国家排放标准的限值，BOD5去除率相当于2.5 g/m2和2.3 g/m2。由于应用的污染负荷低，甚至低于美国环境保护局(USEPA)2000年建议的表面流处理湿地的污染负荷，去除率低于实验一。废水中COD平均浓度为200.2 mg/L，对于4个停留时间，COD有机负荷率等于每天4.8，3.9，3.4 g/m2和3.1 g/m2。出流中COD浓度为59.8～33.1 mg/L，对于20 d和25 d的停留时间，去除率相当于每天3.9 g/m2和2.9 g/m2。这说明废水停留时间长，可以提高有机物质的生物降解和沉积。虽然废水停留25 d，能去除92.2%的SS，但出流中SS浓度(67～46 mg/L)仍高于国家排放标准限值(30 mg/L)，这可能是由于排水期间细颗粒泥沙被冲刷，及水体中藻类的生长。

废水中TKN的平均浓度为17.2 mg/L，出流中浓度降到7.8～8.9 mg/L。最大去除率为82.6%，出现在25 d停留时间，去除率相当于每天0.22 g/m2。与 TKN 相似，N-N 浓度降到5.6 ～1.2 mg/L，去除率相当于每天0.08 g/m2，也出现在25 d停留时间。有学者研究发现，若停留时间更长，通过硝化/反硝化作用及吸附作用，废水中氮的去除率更高。

从实验稻田和传统稻田研究均发现，谷物中吸收的氮量是最高的。实验稻田谷物吸收的氮量与传统稻田相似(见表2)。秸秆中，叶片吸氮量最多，其次是茎和根。

传统稻田施肥总氮(TN)量相当于废水中70 kg/hm2的NH+4-N，实验一大约为86～344 kg/hm2，实验二为83～125 kg/hm2。实验水稻吸收的氮与传统稻田相当，这可能意味着废水中的氮植物容易吸收。2008研究发现，地面以上植株累积氮量为30.3～37.7 g/m2，根部累积氮量为3.59 ～5.63 g/m2，该研究结果为地面上34.27 g/m2，地面下3.02 g/m2，二者结果基本相似。2009年有专家报道，生长中的水稻，吸收的氮量占施肥总氮量的60%，这一比例远高于该研究结果。此外他们发现，在较高的氮负荷之下，可以获得较高的生物量，这与该研究结果一致。

表2 传统稻田和实验稻田(25 d)植被中氮磷含量对比(权重) %

根据泰国污染物排放标准，25 d停留时间可以使废水出水在一定程度上满足这些标准，除SS因藻类生长不能达标之外。此外，废水25 d停留期间的氮磷水平对植物健康成长很重要，该水平与传统稻田记录的氮磷水平不相上下 (见表2)。这证明了水稻可在生活污水中生长，废水中营养盐可代替化肥。因此，农民在旱季可以种植水稻，并降低化肥成本。此外，这将有助于减少存在于传统化肥中的化学物质造成的环境污染。

从健康方面来考虑，废水中大肠菌群降低到4100000～35000 MPN/100mL，在人们消费前，大米需要加工和烹调，即便存在细菌或寄生虫污染，也将最终被消除。

传统稻田水稻产量为5000 kg/hm2，实验一中，HLR为2 cm/d和4 cm/d的产量分别为4900 kg/hm2和4800 kg/hm2，HLR为6 cm/d和8 cm/d的产量均为4500 kg/hm2。实验二中，10 d和15 d的停留时间产量均为4000 kg/hm2，20 d和25 d停留时间产量分别为4500 kg/hm2和4700 kg/hm2。这一结果与传统稻田没有显著差异。秸秆高度、数量及谷物数量，从整体来说也与传统稻田类似。