非點(diǎn)源污染削減設(shè)施（人工濕地）的削減效率評(píng)估研究

林甫覽　任相浩

摘要：人工濕地是利用自然濕地水質(zhì)凈化功能的水處理系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代起，韓國(guó)開(kāi)始在研究層面建設(shè)小規(guī)模人工濕地，此后環(huán)境部通過(guò)國(guó)庫(kù)補(bǔ)貼項(xiàng)目于2004年至2015年建成并運(yùn)營(yíng)51個(gè)非點(diǎn)源污染消減設(shè)施，其中最多的就是人工濕地，共有27處（53%）。雖然出于削減流域內(nèi)非點(diǎn)源污染物的目的建成并運(yùn)營(yíng)大量人工濕地，但因運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)不足、運(yùn)營(yíng)管理手冊(cè)缺失導(dǎo)致濕地運(yùn)營(yíng)效率低下。因此，為分析韓國(guó)非點(diǎn)源污染削減設(shè)施中人工濕地的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，本研究以位于洛東江水系的高靈郡牛谷畜牧濕地為對(duì)象，利用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算流量加權(quán)平均濃度（EMC）并評(píng)估處理效率。此外，研究結(jié)果還顯示，安裝后應(yīng)當(dāng)定期實(shí)施的維護(hù)管理不足。由本研究結(jié)果可知，必須通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)比較設(shè)計(jì)預(yù)期值與運(yùn)營(yíng)實(shí)測(cè)值，二者存在差異時(shí)應(yīng)掌握原因并積累運(yùn)營(yíng)效率化數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：人工濕地；非點(diǎn)污染源；EMC；處理效率

一、緒論

從韓國(guó)四大江水系的污染排放負(fù)荷量（BOD標(biāo)準(zhǔn)）來(lái)看，2003年漢江為747.2噸/天（非點(diǎn)污染源29.7%）、洛東江為547.3噸/天（非點(diǎn)污染源34.0%）、錦江為427.9噸/天（非點(diǎn)污染源31.8%）、榮山江為348.7噸/天（非點(diǎn)污染源35.0%），總排放量為2，071.1噸/天，其中點(diǎn)污染源與非點(diǎn)污染源各占67.8%與32.2%。由各水系的非點(diǎn)污染源占比來(lái)看，非點(diǎn)污染源的占比約為29.7～35.0%，最高為35%。非點(diǎn)源污染的時(shí)空范圍更廣，不確定性更大，成分、過(guò)程更復(fù)雜，因而加大了相應(yīng)的研究、治理和管理政策制定的難度。

非點(diǎn)源污染已成為影響水體污染的主要因素，是當(dāng)今世界上普遍存在的一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，為減少非點(diǎn)污染源，目前正在開(kāi)展應(yīng)用改善農(nóng)業(yè)用水庫(kù)水質(zhì)的各種工藝與處理設(shè)施的研究。尹慶燮與李泰浩曾經(jīng)提出，必須安裝考慮農(nóng)村地區(qū)水質(zhì)污染特點(diǎn)、污廢水排放特點(diǎn)、流量與現(xiàn)場(chǎng)條件等及水質(zhì)管理系統(tǒng)的削減設(shè)施。主要應(yīng)用的工藝與設(shè)施包括加壓浮上設(shè)施、使用藻類(lèi)清理船、沉積物疏浚與水草栽培島、蓄水池等，但自然型非點(diǎn)源污染削減設(shè)施比裝置型設(shè)施需要更大的安裝用地面積，在特定場(chǎng)所安裝存在局限。但是，自然型設(shè)施具有污染物削減效率高、可結(jié)合周?chē)h(huán)境建設(shè)、景觀性優(yōu)秀的優(yōu)點(diǎn)。特別是自然型設(shè)施中的人工濕地，可人為地提高沉積、過(guò)濾、吸附等濕地所具有的自然凈化能力，清除污染物，屬于環(huán)保型非點(diǎn)源污染削減設(shè)施，可在易于確保充足地皮面積的場(chǎng)所大量安裝。

人工濕地是利用自然濕地水質(zhì)凈化功能的水處理系統(tǒng)，是一種控制水體污染的生態(tài)工程措施，一般用于處理生活污水、畜牧廢水、耕地排水等目的，自20世紀(jì)60年代起開(kāi)始應(yīng)用。一般而言，人工濕地的污染物清除效率受到濕地形態(tài)、栽種植物種類(lèi)、土壤環(huán)境、處理水濃度、水利水文學(xué)特點(diǎn)等的影響。

從利用人工濕地的污染物削減對(duì)策研究的國(guó)內(nèi)外研究趨勢(shì)來(lái)看，韓國(guó)在四大江水系實(shí)施的非點(diǎn)源污染削減示范項(xiàng)目包括10個(gè)人工濕地的安裝案例，考慮到人工濕地占地面積廣、很難在城市中心地區(qū)應(yīng)用這一點(diǎn)，李政勇等為開(kāi)發(fā)可應(yīng)用于城市內(nèi)綠地空間的小規(guī)模人工濕地，安裝Pilot-scale test與Test-bed設(shè)施等并開(kāi)展研究。

國(guó)外的優(yōu)點(diǎn)是濕地的污染物、尤其是營(yíng)養(yǎng)鹽類(lèi)清除能力以及對(duì)流量與水質(zhì)變化的適應(yīng)能力較高。北美及歐洲地區(qū)從20世紀(jì)70年代起就已開(kāi)始將濕地用于污染物削減。此外，為進(jìn)一步提高自然濕地的污染物消減能力，開(kāi)展了大量有關(guān)人工濕地的研究。包括用于研究的人工濕地在內(nèi)，北美地區(qū)目前運(yùn)營(yíng)有1，000多個(gè)人工濕地，為利用這些濕地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)資料查明濕地的污染物削減能力，正在開(kāi)展相關(guān)因素的研究。

與利用人工濕地龐大而多樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的國(guó)外研究相反，韓國(guó)目前多出于流入水庫(kù)的污水處理廠放流水再處理與流域內(nèi)的非點(diǎn)源污染物削減目的建設(shè)并運(yùn)營(yíng)大量人工濕地，但因運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)不足、運(yùn)營(yíng)管理手冊(cè)缺失導(dǎo)致濕地運(yùn)營(yíng)效率低下。此外，與用于高濃度畜牧及污水處理目的的外國(guó)人工濕地不同，韓國(guó)水庫(kù)人工濕地的處理水特點(diǎn)多為低濃度、高流量，但目前的濕地設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)卻并未考慮這一點(diǎn)。

鑒于此，為評(píng)估并提高農(nóng)村非點(diǎn)污染源削減設(shè)施中人工濕地的效率，本研究選擇了最佳工藝并開(kāi)展研究，意在通過(guò)相應(yīng)地區(qū)非點(diǎn)污染源流出特點(diǎn)與削減設(shè)施效率評(píng)估得出最適合的運(yùn)營(yíng)方案。此外，實(shí)際效率可能會(huì)因建成后的維護(hù)管理情況而異，因此本研究還想得出符合各濕地特點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)與管理方案，以使建成的人工濕地保持最佳水處理效率。

二、研究方法

（一）對(duì)象流域

本研究選擇了位于洛東江水系會(huì)川中部地區(qū)的高靈郡牛谷畜牧濕地作為研究對(duì)象地區(qū)，實(shí)施了非點(diǎn)污染源削減設(shè)施效率分析。對(duì)象地區(qū)位于慶尚北道高靈郡牛谷面沙田里324號(hào)一帶，西側(cè)建有大谷里畜牧園。畜牧園北側(cè)、西側(cè)、南側(cè)是小規(guī)模耕地與山地，排水流域面積為2，090，320m2。在距離人工濕地安裝地點(diǎn)約1.56㎞處匯入會(huì)川后繼續(xù)向東南流去，在距離人工濕地安裝地點(diǎn)約7.61㎞處匯入洛東江。

高靈郡現(xiàn)已確立點(diǎn)污染源造成的水質(zhì)污染削減方案，但關(guān)于非點(diǎn)污染源的適當(dāng)削減設(shè)施仍有不足，因此本研究選擇了建設(shè)人工濕地時(shí)施工成本低、應(yīng)用案例多、改善景觀與周?chē)h(huán)境、有利于建設(shè)環(huán)?？臻g的地表流人工濕地，以水道較長(zhǎng)的水道形式規(guī)劃濕地并分布在蜿蜒部分，建成水深為0.3～1.95m的濕地，盡可能地提高了水質(zhì)凈化效果。此外，為盡可能減少濕地內(nèi)出現(xiàn)滯留死水區(qū)域，有效規(guī)劃水道，將滯留時(shí)間定為24小時(shí)，盡量增大處理流量、減少濕地內(nèi)出現(xiàn)滯留水域引起的綠藻、惡臭現(xiàn)象。

（二）氣象現(xiàn)狀

為分析牛谷畜牧濕地流域的氣象現(xiàn)狀，利用氣象廳運(yùn)營(yíng)的降雨觀測(cè)站中距離本設(shè)施最近地區(qū)的降雨資料分析氣象現(xiàn)狀。距離最近的氣象廳觀測(cè)站是高靈觀測(cè)站，與位于牛谷面沙田里的非點(diǎn)源污染處理設(shè)施只有10分鐘左右的車(chē)程，地理位置接近，可視為兩地降雨特點(diǎn)相似。此外，高靈郡人工濕地流域的2017年降雨量為662.0mm、降雨天數(shù)為72天。

（三）水質(zhì)與流量監(jiān)測(cè)執(zhí)行現(xiàn)狀

作為分析牛谷畜牧濕地流域非點(diǎn)源污染削減效率的基礎(chǔ)資料，實(shí)施了流量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)。2017年降雨時(shí)進(jìn)行了測(cè)量，監(jiān)測(cè)執(zhí)行現(xiàn)狀如表1所示，水質(zhì)分析結(jié)果如表2所示。

（四）利用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)估處理效率

用作非點(diǎn)源污染物流出特點(diǎn)的因素包括降雨前濃度、算術(shù)平均濃度、流量加權(quán)平均濃度、峰值濃度、降雨前負(fù)荷量、算術(shù)平均負(fù)荷量、峰值負(fù)荷量、總負(fù)荷量。農(nóng)村地區(qū)的營(yíng)養(yǎng)素循環(huán)與土壤侵蝕均為自然過(guò)程，因此各流域的降雨前濃度，即本底濃度（background level）各不相同。本底濃度取決于流域固有的氣候、水文學(xué)因素、地質(zhì)學(xué)因素、生態(tài)學(xué)因素，故而因流域而異。大多數(shù)情況下，降雨時(shí)發(fā)生的總負(fù)荷量比各個(gè)濃度或峰值負(fù)荷量更為重要。這是因?yàn)榱鞒鍪录容^短、降雨流出水流入的水體（特別是水庫(kù)或水壩）中伴有某種程度的混合現(xiàn)象，因此水庫(kù)內(nèi)的污染物濃度說(shuō)到底還是總負(fù)荷量的反應(yīng)，而不是受降雨影響的各個(gè)濃度變化。出于相同的原因，流量加權(quán)平均濃度（event mean concentration），即EMC值被視為是評(píng)估非點(diǎn)源污染物流出的最佳因素，使用也最為廣泛。

三、研究結(jié)果

（一）流出EMC分析

2017年7月，共對(duì)高靈郡牛谷畜牧濕地實(shí)施了監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)得出的各污染物流入與流出EMC如表3：

調(diào)查結(jié)果顯示，高靈郡牛谷畜牧濕地的流入水質(zhì)為 BOD 13.9mg/L、COD 19.9mg/L、SS 17.0mg/L、T-N 9.4mg/L、T-P 0.509mg/L，流出水質(zhì)為BOD 8.6mg/L、COD 11.9mg/L、SS 10.0mg/L、T-N 6.3mg/L、T-P 0.320mg/L。監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)果顯示，流入水質(zhì)略高于設(shè)計(jì)水質(zhì)。

（二）非點(diǎn)源污染削減成果評(píng)估與改善方案導(dǎo)出

調(diào)查結(jié)果顯示，處理對(duì)象地區(qū)為畜牧園地區(qū)，降雨時(shí)呈非點(diǎn)源污染物流出較高的土地使用形態(tài)，流出水的收集效率與洪水及侵蝕的安全性也比較高。因此筆者認(rèn)為，購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)有的耕地后建成人工濕地時(shí)，設(shè)施選址用地的公共性及在農(nóng)業(yè)水路中放水后流入河流、流出水順暢排出的能力較低。

1.設(shè)施容量

在韓國(guó)，計(jì)算濕地規(guī)模時(shí)主要采用利用滯留時(shí)間的計(jì)算方法，綜合考慮對(duì)象地區(qū)為私有土地、進(jìn)行土地補(bǔ)償時(shí)的濕地可用地皮面積受限等因素后，本研究選用了利用滯留時(shí)間的計(jì)算方法。雖然尚未在韓國(guó)就濕地滯留時(shí)間提出適當(dāng)滯留時(shí)間的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但以6～24小時(shí)左右為宜。筆者認(rèn)為，長(zhǎng)時(shí)間滯留時(shí)產(chǎn)生藻類(lèi)的危險(xiǎn)相對(duì)較高且內(nèi)部負(fù)荷導(dǎo)致處理效率下降的可能性也比較高，因此比起增加滯留時(shí)間，最好通過(guò)增加流入·流量的方式增加總污染物處理量。

2.非點(diǎn)源污染（土地）排放負(fù)荷量變化

研究結(jié)果顯示，本非點(diǎn)源污染削減設(shè)施（人工濕地）的削減量為BOD 0.067kg/天、T-P 0.008kg/天、T-N 0.084kg/天，實(shí)施項(xiàng)目后的排放負(fù)荷量為BOD 0.343kg/天、T-P 0.039kg/天、T-N 0.703kg/天，具有非點(diǎn)源污染削減效果。

四、結(jié)論

人工濕地是利用自然濕地水質(zhì)凈化功能的水處理系統(tǒng)，一般用于處理生活污水、畜牧廢水、耕地排水等目的，自20世紀(jì)60年代起開(kāi)始應(yīng)用。韓國(guó)自20世紀(jì)90年代起開(kāi)始在研究層面建設(shè)小規(guī)模濕地，環(huán)境部通過(guò)國(guó)庫(kù)補(bǔ)貼項(xiàng)目于2004年至2015年建成并運(yùn)營(yíng)51個(gè)非點(diǎn)源污染削減設(shè)施，其中最多的就是人工濕地，共有27處（53%）。

為分析韓國(guó)非點(diǎn)源污染削減設(shè)施中人工濕地的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，本研究以位于洛東江水系的高靈郡牛谷畜牧濕地為對(duì)象，利用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)結(jié)果計(jì)算流量加權(quán)平均濃度（EMC）并評(píng)估處理效率。在本研究中得出了以下主要結(jié)論：

高靈郡牛谷畜牧濕地的流入水質(zhì)為BOD13.9mg/L、COD19.9mg/L、SS17.0mg/L、T-N9.4mg/L、T-P0.509mg/L，流出水質(zhì)為

BOD8.6mg/L、COD11.9mg/L、SS10.0mg/L、T-N6.3mg/L、T-P0.320mg/L。監(jiān)測(cè)執(zhí)行結(jié)果顯示，流入水質(zhì)略高于設(shè)計(jì)水質(zhì)。筆者認(rèn)為，這是坡度較大的排水區(qū)域特點(diǎn)本身導(dǎo)致流入順暢、寬度狹窄的濕地結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流水滯留時(shí)間較短所致。

對(duì)象濕地的削減效率略低于設(shè)計(jì)時(shí)的清除效率。考慮到耕地與畜舍的非點(diǎn)源污染物流入會(huì)導(dǎo)致流入水濃度過(guò)高等現(xiàn)象，筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)人工濕地時(shí)必須更細(xì)致地考慮周?chē)貐^(qū)的特點(diǎn)，并在效率預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)中反映。此外，還必須通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)比較設(shè)計(jì)預(yù)期值與運(yùn)營(yíng)實(shí)測(cè)值，二者存在差異時(shí)應(yīng)掌握原因并積累運(yùn)營(yíng)效率化數(shù)據(jù)。

人工濕地依據(jù)非點(diǎn)源污染削減設(shè)施的安裝與管理、運(yùn)營(yíng)手冊(cè)進(jìn)行管理，流入水質(zhì)與清除效率按照比較設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)保持。但是，必須依據(jù)相應(yīng)流域特點(diǎn)重點(diǎn)運(yùn)營(yíng)的事項(xiàng)則與其他濕地不同。特別值得一提的是，隨著降雨時(shí)和雨水一起流入的雜質(zhì)導(dǎo)致流入水無(wú)法流入、未清除水道雜草等導(dǎo)致水道內(nèi)水流不均衡、出現(xiàn)死水區(qū)域等問(wèn)題的發(fā)生，需要采取按時(shí)期增加清除次數(shù)的措施。與此同時(shí)，考慮到人工濕地內(nèi)的水生植物過(guò)度生長(zhǎng)會(huì)妨礙及擱置流水流動(dòng)，造成水質(zhì)污染，夏季時(shí)還需要清除水生植物。此外，氣候異常導(dǎo)致夏季水溫上升時(shí)會(huì)導(dǎo)致綠藻植物繁殖并產(chǎn)生毒素與異味，這可能會(huì)引發(fā)居民投訴，因此需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹脖还芾怼？紤]到各濕地的設(shè)計(jì)與特點(diǎn)、非點(diǎn)污染源物質(zhì)、重點(diǎn)維護(hù)管理因素等各有不同，筆者認(rèn)為，日后必須通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)得出最恰當(dāng)?shù)娜斯竦剡\(yùn)營(yíng)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛旭鋒，魏曉燕，陳瓊.人工濕地對(duì)湖泊外源污染削減過(guò)程及效率分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2015 （03）.

[2]劉禮祥，劉 真，章北平等.人工濕地在非點(diǎn)源污染控制中的應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21 （1）：40–43.

[3]朱丹丹，馬永勝，時(shí)秋月.人工濕地對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染中幾種污染元素的控制[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，39 （2）：191-195.