耕作型稻田消纳村庄生活污水及其土壤脲酶活性研究

陈 杰，陈 婕，王逸超，彭明国，桂 松，张文艺

（常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164）

随着农村生活逐渐步入城市化、现代化，随之而来的村庄污水污染问题也日益凸显［1］。目前中国村庄污水处理技术大多套用或借用城市污水处理技术，如A/O、SBR、生物滤池、人工湿地等。但分散式村庄污水水量较小，相较于城市污水处理设施，具有建设投资费用高、运营维护点多面广、运维成本亦较高等特点，造成多地村庄污水处理重建设、轻管护的现状［1，2］。稻田也是一种湿地［3，4］，在中国南方水稻种植地区，利用水稻对氮、磷营养消纳能力较大的特点，可实现污水养分资源化。

耕作型稻田湿地主要通过水稻、土壤、微生物的协同作用，通过一系列的物理、化学、生物途径来达到净化污水的目的［5，6］，在降解过程中土壤酶起到重要作用。国内外学者对此进行了较多研究，Vymazal［7］、Ong等［8］在研究中发现植物能够显著改善湿地的溶解氧水平，从而提高湿地脱氮处理效果。岳春雷等［9］、许巧玲等［10］报道了土壤脲酶活性与土壤有机质含量、微生物含量和含氮污染物的去除密切相关。因此，土壤脲酶活性可作为耕作型稻田湿地对污水处理效果的一个重要指标。

本研究通过构建耕作型稻田湿地，对其消纳村庄污水特性及其土壤脲酶活性进行研究，探究了5个不同水稻生长期内（返青期、分蘖期前、分蘖期后、幼穗分化期、抽穗-黄熟期）稻田湿地对污水中的COD、总磷、氨氮、总氮的去除效率。基于脲酶变化规律，揭示稻田湿地对污水中的氮转化机制。

1 材料与方法

1.1 试验水质

试验水质指标如表1所示。

表1 试验进水水质指标

1.2 试验装置及其启动

1.2.1 试验装置 如图1所示，装置为耕作型水平潜流湿地，其材料选用PP板，L（长）×B（宽）×H（高）=1.0 m×0.4 m×0.5 m。该部分主要由集水区、稻田湿地处理区和出水区三大部分所构成，集水区沸石层厚度200 mm，湿地填料层厚度400 mm，自下而上由40.00～50.00 mm砾石、15.00～35.00 mm红砖碎块、4.00～8.00 mm陶粒组成，孔隙率约30.8%；试验进水通过恒流水泵抽入集水区，经集水区的沸石层有效拦截后，再进入稻田湿地，稻田湿地土壤取自常州市洛阳镇薛家河边稻田。

1.2.2 装置启动 当装置内的填料和稻田土壤充填完毕后，在水力负荷（HLR）为0.024 m3（/m2·d）的条件下利用污水进行为期3周的自然挂膜，当COD去除率超过60%时认为挂膜成功，随后再移植水稻秧苗，种植密度为15株/m2。

图1 试验装置剖面

1.3 检测方法

湿地土壤的脲酶活性测定采用奈氏比色法［11，12］。水质指标（COD、TP、TN、NH3-N）测定方法采用《水和废水监测分析方法》第4版。

2 结果与分析

2.1 稻田湿地对村庄污水污染物净化效果分析

2.1.1 COD去除分析 由图2可以看出，稻田湿地在水稻由返青期到抽穗-黄熟期过程中对COD的平均去除率依次为33.0%、46.8%、47.3%、44.3%、46.2%。其中，水稻处于返青期时，稻田湿地对COD的处理效果最差，一方面由于返青期水稻对污水中营养物质吸收有限，另一方面因为初期湿地土壤和湿地填料表面生物量相对较少，微生物群落结构尚未成型，土壤及填料对COD净化能力不足。而随着水稻及其根系不断生长，湿地土壤和湿地填料表面生物量逐渐增多，湿地系统对COD的去除率开始逐步升高。同时张燕等［13］和Michaud等［14］在研究中发现湿地对COD的去除主要通过湿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、厌氧微生物及水稻根系的协同作用去除溶解性的COD含量。这不仅验证了水稻处于返青期时，湿地对COD处理较差，还验证了水稻处于抽穗-黄熟期时，水稻对营养物质吸收能力及需求不断下降的同时，湿地依然能保持对COD平稳的去除效果。

图2 HLR对COD去除效果的影响

2.1.2 TP去除分析 图3为水稻不同生长时期对TP的去除影响，由图3可看出，稻田湿地在水稻由返青期到抽穗-黄熟期过程中对TP的平均去除率依次为81.3%、82.0%、84.0%、79.8%、61.3%。其中，水稻处于返青期到幼穗分化期过程中，由于此阶段的水稻生长对磷的需求较大，且根系的不断发育更加大水稻对磷元素的吸收，因此湿地系统在该阶段对TP能够保持较好的去除效果，平均出水浓度为0.20 mg/L，达到地表水Ⅴ类水标准。而当水稻进入抽穗-黄熟期后，相比水稻处于返青期时，湿地对总磷的去除率下降了近20个百分点，一方面因为此时水稻生长发育较为完全，对总磷的吸收效果变差，另一方面由于进水浓度小于稻田湿地中的间隙浓度，进而产生了一个负浓度梯度，污水中的磷无法被湿地基质所吸附，导致总磷去除率较低。

图3 HLR对TP去除效果的影响

2.1.3 NH3-N去除分析 由图4可以看出，随着水稻的生长，氨氮的去除率总体表现为下降趋势，局部呈先下降后上升趋势。水稻由返青期到抽穗-黄熟期过程中对氨氮平均去除率依次为74.3%、55.0%、78.9%、70.3%、70.6%。分蘖期前湿地对氨氮去除效果最差，主要因为在分蘖期前需对水稻增施氮肥以保证水稻正常生长，而未被水稻吸收的氮肥随污水流出，导致湿地在分蘖期前对氨氮去除效果较差。但随着氮肥逐渐被水稻吸收，湿地对氨氮去除率又迅速回到平稳状态。稻田湿地对氨氮去除效果能够保持平稳状态主要基于以下4个方面：①集水区沸石较大的孔隙率和比表面积为微生物繁殖生长提供一个载体，且随着附着于沸石的生物膜不断加厚，集水区对污水中氨氮处理效果逐渐变好；②相较于根粗须少的植物，稻根细小、活力强且接触污水面积更广，同时向周围释放氧含量相对更多［14］；③在根系周边的好氧区及流动水中的溶解氧通过硝化细菌的作用对氨氮进行生物氧化；④土壤的吸附作用及离子交换反应。

图4 HLR对氨氮去除效果的影响

2.1.4 TN去除分析 由图5可以看出，随着水稻生长，稻田湿地对总氮的平均去除率依次为63.2%、55.1%、68.6%、65.9%、59.3%。同时结合图4发现，总氮去除率的变化趋势与氨氮相似，但在整体去除率上，总氮比氨氮低了近20%，这主要由于村落污水中氨氮占总氮的80%以上，同时氨氮进入湿地中能很快被水稻植株吸收和土壤吸附，而稻田硝态氮则快速溶出并被排出湿地［15，16］。当水稻处于分蘖期后时，稻田湿地对氮元素去除率达到最高，一方面由于水温的上升对总氮的去除效率有一定的促进作用；另一方面由于该时期稻田需要进行晒田，且经过晒田后的土壤层结构发生变化，便于秧苗根系的下扎，从而增强水稻根系活力，提升了净化效能。而对后期出水总氮去除效果较为稳定，主要因为稻田型湿地基质上的生物膜上种群结构越来越趋向饱和且湿地土壤内的微生物种群逐渐增多，弥补了抽穗-黄熟期水稻对氮吸收的不断下降，保证湿地对含氮污染物稳定有效的去除。

图5 HLR对总氮去除效果的影响

2.2 湿地脲酶活性变化及其与氮转化关系分析

由图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内，在稻田土自身含有一定量脲酶的基础上，随着湿地的持续进水以及增施的氮肥为稻田土壤中微生物提供了碳氮源，促进了水稻及其根系的不断生长和微生物的增殖增生，脲酶活性呈快速升高并在8月达到最高。但8月后，稻田土壤中脲酶活性逐渐下降，一方面是稻田土壤内的营养元素被水稻大量消耗，限制了微生物的生长［17］，另一方面水稻在9月已基本成熟且温度有所下降，相应的根系分泌物也随之减少［18］。

图6 湿地运行期间稻田土壤脲酶活性变化

湿地沿程稻田土壤中脲酶活性变化如图7所示。湿地前端稻田土壤层最先接触污水中的营养物质，其中的氮源较大部分被前端稻田土壤微生物所吸收，导致末端氮源供给不足，造成了前末两端脲酶活性有一定差异的现象。表层稻田土壤中脲酶活性的分布同常规水质污染物的沿程降解趋势相同，这就印证了脲酶的产生主要来源于稻田土壤微生物，微生物活动的强度将影响稻田土壤中脲酶的活性，进而可推测出湿地稻田土壤层的脲酶活性应该要高于填料层，一方面是稻田土壤层的微生物群落较丰富，另一方面稻田土壤层通过根系泌氧，含氧量相对较高，更利于微生物的生存，所以含氮类有机物主要通过稻田土壤层生物群落来进行生物降解。

图7 湿地沿程脲酶活性变化

从图8可以看出，脲酶活性与TN去除（y=667.66x-494.63，R2=0.906 6，P＜0.05，n=5）呈显著正相关关系，即总氮的去处率随脲酶活性的增大而增大。同时对各水稻生长期内湿地进出水氨氮占总氮比值分析（表3）发现，污水经过湿地处理后，氨氮所占总氮的比例大幅度减小，说明在湿地中被水稻吸收、土壤吸附部分主要以氨氮为主。而分蘖期前对湿地增施氮肥导致湿地内氮元素含量增多，氮元素去除率下降，但氮肥被脲酶水解产物NH4+-N对脲酶活性也有很好的刺激作用［19］，因此，此阶段的脲酶活性也达到最高。稻田土壤脲酶属于水解酶类中的酰胺水解酶，它不仅在湿地系统氮循环中扮演着重要的角色，脲酶活性也与稻田土壤的微生物含量、有机物质含量呈正相关［10］。因此，在一定程度上，脲酶活性也可以用来反映湿地的环境条件以及稻田湿地对污水的净化效果。

图8 脲酶活性与TN去除率的相关性

表3 各阶段湿地内进出水氨氮占总氮比值

3 小结

1）稻田湿地在不同水稻生长期下对污染物的去除效果存在差异，当水稻处于分蘖期后时，COD、TP、NH3-N和TN平均去除率最高，分别为47.2%、84.0%、78.9%和68.6%，湿地对COD处理效果一般，对TP、NH3-N和TN处理效果较好。村庄污水经稻田湿地稳定处理后的出水水质均达到《地表水环境质量标准GB3838—2002》Ⅴ类标准。

2）随着水稻的生长，水稻根系分泌物及其吸收能力呈先增后减的趋势，导致前期根系分泌物多而营养元素吸收较少，后期分泌物少且吸收能力差，进而导致湿地内土壤脲酶活性先提高后降低且稻田湿地沿程脲酶活性的分布规律呈逐级下降趋势，同时耕作型稻田湿地内脲酶活性与TN去除呈显著正相关。