水培水稻系统对生活污水中氮磷的深度净化效能

高 原 朱静平 范鹏宇 杨 俊

(1. 西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2. 西南科技大学低成本废水处理技术四川省国际科技合作基地 四川绵阳 621010；3. 云南合续环境科技有限公司 云南大理 672100)

水培植物系统对水体中氮、磷的富集和转移有明显的效果：植物可通过自身生物量的生长来吸收水体中的氮磷；固体颗粒在系统内沉淀作用可降低污水中氮磷含量；植物根系具有泌氧作用，使其根部形成好氧-厌氧环境，根际微生物活动对于污水中氮磷去除具有重要作用[1,2]。目前国内采用生化法处理农村生活污水时，相当一部分处理设施存在着处理效果不稳定的问题，且部分旅游景区对排入其中的污水水质要求极其严格，因而需要对二级生化出水进行深度处理。水培植物法，是一种能持续去除二级生化出水氮磷的营养循环型水质净化技术，该技术在改善水质的同时还能收获农产品，获取一定的经济效益，国内外已广泛开展相关研究[3-5]。

本文采用水培水稻系统深度净化生活污水经二级生化处理后出水，考察其对污水中氮磷的去除效果，并探明在水培水稻系统中不同氮磷去除方式在整体氮磷去除中所占的比率。

1 材料与方法

1.1 实验植物及种植方法

实验植物采用水稻，水稻幼苗购自附近农贸市场，单株鲜重约8.1 g，系统水稻幼苗总鲜重约2 511.0 g，研究周期为6月中旬至9月下旬，即水稻自幼苗至衰败所用时间，水稻被移除时单株鲜重约18.2 g，系统水稻总鲜重约5 642.0 g，其间水温20～35 ℃，气温22～41 ℃，水培植物净化床每个圆孔栽种5株水稻。

1.2 实验装置及运行方式

水培植物净化床装置采用两根PVC管首尾连接制作而成，置于室外，单根PVC管长约4 m，距地面高度约3 m，该装置采光通风条件较好，具体装置平面图如图1所示。

图1 水培植物净化床装置Fig.1 Hydroponic plant purification bed device

该净化床系统采用连续进水连续出水方式，进水流量约0.37 m3/d，水力停留时间约2 h，有效水深约45 mm，系统储水量约0.03 m3，采用自然通风供氧。

1.3 试验用水

试验用水来源于生活污水经二级生化处理后的出水。在研究周期内，进水pH值范围为6.50～7.80，水培水稻系统进水氮磷浓度值变化范围如表1所示。进水氮磷浓度满足水稻生长对氮磷的需求。

表1 水培水稻系统进水氮磷浓度值变化范围Table 1 Variation range of influent nitrogen and phosphorus concentration in hydroponic rice system

1.4 监测项目及分析方法

1.4.1 水中氮磷含量测定方法

pH值：pH计；NH3-N：纳氏试剂分光光度法；TN：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；TP：钼酸铵分光光度法[6]。

1.4.2 水稻中氮磷含量测定方法

水稻中 TN 和 TP 含量按农业行业标准方法测定[7]，用浓硫酸与双氧水消解样品，凯氏微量法测定植株氮含量，钼锑抗吸光光度法测定植株磷含量。

1.4.3 沉积物中氮磷含量测定方法

实验结束后，收集装置内沉淀物，采用城建标准中污泥检测方法[8]测定 TN 和 TP 含量。

1.4.4 微生物及其他作用对氮磷去除量的计算

系统对氮磷的去除总量减去植物吸收、沉淀物作用去除的氮磷量，即为微生物及其它作用对氮磷的去除量。

2 结果与讨论

2.1 系统对TN的去除及各除氮作用的贡献

植物需吸收无机氮作为自身的营养成分，用于合成植物蛋白等有机氮，同时植物根部附近能够形成好氧、缺氧、厌氧的微环境，有利于硝化菌和反硝化菌的生长，从而增强微生物的硝化和反硝化作用，可提高污水中氮的净化效率[9]，而在一定条件下氨逃逸作用也会降低污水中TN含量。基于以上分析，水培水稻净化床系统对污水中的总氮应该有一定的去除效果。

2.1.1 水培水稻系统对TN的去除效果

在104 d的水培水稻期间，水培水稻系统对TN的去除效果如图2所示。

图2 水培水稻系统对TN的去除效果Fig.2 Removal of TN by hydroponic rice system

由图 2 可以看出：水培水稻系统对水体中的总氮有一定的去除效果，进出水TN浓度的变化趋势大致相同，即出水TN浓度的高低随进水TN浓度的高低而变化；进水TN浓度范围为4.47～13.71 mg/L，出水TN浓度范围为1.53～10.56 mg/L，TN去除率在15.4%～85.7%之间。在104 d的水培水稻期间，系统进水及各级出水TN浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 3838——2002)一级A标准要求，水培至第33天时，系统进水TN浓度为10.67 mg/L，系统出水TN浓度为1.50 mg/L，出水TN浓度达到《地表水环境质量标准》(GB 3838——2002)Ⅳ类水质标准要求。其余水培时间内，出水TN浓度虽未达到《地表水环境质量标准》(GB 3838——2002)Ⅳ类水质标准要求，但系统对水体中的TN均有一定的去除效果。

水培至第32天前，水稻处于营养生长阶段，在这个阶段水稻根系生长旺盛，分蘖增加，叶片增多，该阶段水稻系统对污水中TN的去除率整体呈上升趋势，在51.2%～71.8%之间，对TN 的日绝对去除量范围为1 800.9～3 422.0 mg。水培第33天至第74天期间，水稻处于生殖生长阶段，在这个阶段水稻拔节孕穗，抽穗开花，灌浆结实，该阶段水稻系统对污水中TN的去除率整体呈下降趋势，在39.5%～85.7%之间，对TN 的日绝对去除量范围为778.8～2 620.8 mg。水培第75天至第104天期间，水稻处于衰败阶段，在这个阶段水稻茎叶逐渐枯黄，部分籽粒掉落，该阶段水培水稻系统对污水中TN的去除率整体低于前两个阶段，在15.4%～36.9%之间，对TN 的日绝对去除量范围为718.9～1 624.9 mg。

2.1.2 水培水稻系统各除氮作用对TN的去除贡献

孙宏伟[10]等考察在不同氨浓度梯度下，氨逃逸的变化规律，结果表明当pH值范围为7.50～8.10，0.62 mg/L<游离氨(FA)<7.70 mg/L 时，水中游离态氨和水分子结合，生成较稳定的NH3·H2O，几乎未发生氨逃逸。张亮[11]等研究认为FA的质量浓度随着pH值和氨氮质量浓度的升高而升高。常温(20 ℃)下，当 pH值为7时，FA 约占氨氮浓度的 1%，在pH值为8时，FA 约占氨氮浓度的 10%。而在 104 d的水培水稻期间，进水pH值范围为6.50～7.80，氨氮浓度范围为0.14～0.95 mg/L，因而FA浓度远远低于7.70 mg/L，氨氮逃逸量可忽略。

在104 d的水培水稻期间，水稻净化系统共去除 TN量约193.7 g。水稻吸收作用、沉积作用、微生物及其他作用去除TN量分别为34.3,7.9,151.5 g，各种作用对TN去除的贡献如图3所示。

图3 水培水稻系统不同除氮作用对TN去除的贡献Fig.3 Contribution of different nitrogen removal effects in hydroponic rice systemto TN removal

从图3可知，水稻吸收去除的TN占17.7%，沉淀作用去除的TN占4.1%，微生物及其他作用对TN去除的贡献最大，占系统TN去除量的78.2%。这与徐欢[12]在水培梭鱼草净化槽对黑臭河水营养盐净化效果研究中的结果相近，在夏季，水培梭鱼草系统对TN的去除以微生物作用为主。

2.2 系统对TP的去除及各除磷作用的贡献

植物可吸收同化水中的无机磷，转化成自身的有机成分，固体颗粒在系统内的沉淀作用可降低污水中磷含量[13]，此外，植物根区为各种微生物提供各自的小生境，有利于聚磷微生物的生长，促进微生物对磷的过量积累，达到除磷效果[14]。综上所述，水培水稻净化床系统对污水中的总磷应有一定的去除效果。

2.2.1 水培水稻系统对TP的去除效果

在104 d的水培水稻期间，水培水稻系统对TP的去除效果如图4所示。

图4 水培水稻系统对TP的去除效果Fig.4 Removal of TP by hydroponic rice system

由图4可以看出：水稻系统对水体中的磷有一定的去除效果，进出水TP浓度的变化趋势大致相同，不同TP进水浓度对TP去除率有一定的影响。在104 d的水培水稻过程中，进水TP浓度范围为0.20～1.86 mg/L，出水TP浓度范围为0.11～1.70 mg/L，TP去除率在8.2%～73.9%之间。水培水稻至第8,12,18,21,27,30,33,44,71 天时，进水TP浓度均未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 3838——2002)一级B标准要求，而相应出水TP浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 3838——2002)一级B标准要求；水培水稻至第2,15,74 天时，进水TP浓度均未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 3838——2002)一级A标准要求，而相应出水TP浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 3838——2002)一级A标准要求；水培水稻至第78，84 天时，进水TP浓度均未达到《地表水环境质量标准》(GB 3838——2002)Ⅳ类水质标准要求，相应出水TP浓度均达到《地表水环境质量标准》(GB 3838——2002)Ⅳ类水质标准要求。其余水培时间内，系统对水体中的TP均有一定的去除效果。

水培水稻分别至第2,52,56,60,64,74,78,85 天时，进水TP浓度在0.36～0.89 mg/L之间，出水TP浓度在0.13～0.38 mg/L之间，TP去除率范围为50.0%～73.9%，日绝对去除量在86.1～239.6 mg之间；水培水稻分别至第5,24,33,36,40,44,48,67,97,100 d时，进水TP浓度在1.35～1.86 mg/L之间，出水TP浓度在1.01～1.24 mg/L之间，TP去除率范围为8.1%～30.8%，日绝对去除量在41.2～187.2 mg之间。由此可见，在104 d的水培水稻期间，进水TP浓度在0.36～0.89 mg/L之间时，对污水中TP的去除效果较好，这与周世玲[15]等研究的浮床水稻对生活污水中 N，P的去除作用结果相近，其研究结果为水培水稻系统对TP去除率最高的污水总磷浓度为0.65 mg/ L。

2.2.2 水培水稻系统各除磷作用对TP的去除贡献

在104 d的水培水稻期间，水稻净化系统共去除TP量约13.3 g。水稻吸收作用、沉积作用、微生物及其他作用去除TP量分别为4.4,1.0,7.9 g，各种作用对TP去除的贡献如图5所示。

图5 水培水稻系统不同除磷作用对TP去除的贡献Fig.5 Contribution of different phosphorus removal in hydroponic rice system to TP removal

从图 5可知：水稻吸收去除的TP占32.9%，沉淀作用去除的TP占7.2%，微生物及其他作用对TP去除的贡献最大，占系统中TP去除量的59.9%。李先会[16]研究表明荇菜-微生物水生系统中，对磷的去除以荇菜吸收为主，聚磷菌也起到了一定的作用。而从本研究结果的分析可知，水稻吸收对磷的去除作用虽然占了较大比例，但不是对 TP 去除贡献最大的部分，该水培水稻净化系统中微生物的作用可能占比较大，具体还需深入探讨。

3 结论

(1)在104 d的水培水稻期间，净化系统对污水中TN的去除效率较TP高；在水稻的营养生长阶段和生殖生长阶段，系统对污水中TN 的去除效果均优于衰败阶段，且营养生长阶段对TN的去除效果最好。

(2)在104 d的水培水稻期间，进水TP浓度在0.36～0.89 mg/L之间时，净化系统对污水中TP的去除效果较好。

(3)在104 d的水培水稻期间，微生物及其它作用对氮磷去除的贡献最大，植物吸收作用对氮磷去除的贡献次之，而沉淀作用对氮磷去除的贡献相对较小。