鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地水體凈化處理及循環(huán)再生利用研究

莊廷江　徐琪斐

關(guān)鍵詞：鄉(xiāng)村旅游；濕地景觀；水體凈化；人工浮島；復(fù)合介質(zhì)

中圖分類號：X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著工程化、農(nóng)業(yè)化的發(fā)展，大量污染物匯入鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地水體中，為了從根本上解決濕地水體污染問題，需要設(shè)計(jì)現(xiàn)代化水體凈化方法，并達(dá)到水體循環(huán)再生利用的目的，提升水質(zhì)。

目前，出現(xiàn)很多水體凈化方法，文獻(xiàn)[2]明確了生物炭基質(zhì)對有機(jī)物、氮磷等污染物的去除作用。依托于生物炭的吸附和絡(luò)合性能，完成水體凈化處理。但是該方法的水體污染物去除效果較差。文獻(xiàn)[3]以水體生態(tài)修復(fù)為目標(biāo)，提出“三位一體”的系統(tǒng)性水體處理方法，從生態(tài)處理、水質(zhì)凈化、水體循環(huán)三方面人手，實(shí)現(xiàn)水體凈化。但是該方法適用性較差。文獻(xiàn)[4]將待凈化濕地水體劃分為多個(gè)單元，針對單元檢測水體污染物濃度，選定合適的材料搭建旁路循環(huán)凈化裝置，完成濕地水體凈化處理。但是該凈化方法面臨著水質(zhì)反復(fù)的問題。

上述方法無法很好地處理鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地水體，設(shè)計(jì)一種運(yùn)用復(fù)合介質(zhì)人工浮島技術(shù)的新型水體凈化方法，并在濕地水體中布置厭氧池、缺氧池等裝置，將凈化后的水資源引入設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)循環(huán)再生利用。

1設(shè)計(jì)鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地水體凈化方法

滿足式（2）和式（3）提出的約束條件后，得到擬合度較好的回歸方程，將其應(yīng)用到待凈化的鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地水體中，劃分水體河段為多個(gè)分段，通過凈化模型進(jìn)行回歸分析，匯總回歸結(jié)果得到水體污染物總量。

1.2建立光催化氧化降解方案

針對濕地水體進(jìn)行分析，明確水體中污染物含量占比最高的是有機(jī)物。對此，研究建立光催化氧化降解方案，消除水體中的有機(jī)污染物，光催化降解操作原理見圖1。

應(yīng)用新型光催化技術(shù)進(jìn)行有機(jī)物降解時(shí)，考慮凈化模型回歸分析得出的水體污染物總量，確定選用合適的負(fù)載催化材料，將其浸入濕地水體下部，通過材料的功能纖維正面材料吸收日光能量，并將其轉(zhuǎn)換為可以激發(fā)活性氧的電能，利用形成的活性氧對有機(jī)污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將其降解為不同的產(chǎn)物。

如圖1所示，搭建光催化降解裝置時(shí)應(yīng)用了光催化材料，在該材料的輔助下激發(fā)出的活性氧，可以覆蓋在纖維表面產(chǎn)生潔凈微區(qū)，改變纖維結(jié)構(gòu)，從而啟發(fā)材料的氮磷削減效應(yīng)，初步改善了濕地水體的水質(zhì)可生化性。

1.3設(shè)計(jì)復(fù)合介質(zhì)人工浮島凈化技術(shù)

為了進(jìn)一步凈化景觀廊道濕地水體，提出復(fù)合介質(zhì)人工浮島凈化技術(shù)，設(shè)備包含兩層填料結(jié)構(gòu)的新型人工浮島框架，最上面為植物，植物下面是填料1，然后是進(jìn)出水，最后是填料2。新型人工浮島通過植物、浮島框架、填料等部分組成復(fù)合介質(zhì)人工浮島裝置。在浮島上層填料層中放置石灰石、生物陶粒等顆粒狀填料，下層填料層則放置組合填料等混合材料。將該裝置放到待凈化的濕地水體中后，水流會(huì)進(jìn)人人工浮島裝置內(nèi)部，通過懸掛纖維束組合填料等過水性好的填料對流人的水資源發(fā)揮阻滯作用，在調(diào)料顆粒內(nèi)部緩慢流動(dòng)實(shí)現(xiàn)溶解氧，形成厭／缺氧區(qū)域，完成濕地水體的反硝化脫氮處理。同時(shí)，人工浮島中添加的填料中往往包含二氧化硅、氧化鈣、氧化鐵、氧化鋁等化合物，可以對水體中的磷進(jìn)行吸附和沉淀處理。由于顆粒填料為多孔介質(zhì)，采用三維有限差分地下水流動(dòng)模型模擬，水流數(shù)值模型如式（4）所示。

復(fù)合介質(zhì)人工浮島裝置內(nèi)部流動(dòng)的水體類似于潛水層，通過上述公式模擬水流變化，定義進(jìn)出水端和兩側(cè)概化分別為水頭邊界、隔水邊界，得到矩形的人工浮島模擬單元，通過模擬分析優(yōu)化填料直徑、填料深度等設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.4實(shí)現(xiàn)廊道濕地水體高效凈化

考慮到正常情況下鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地水體流速較低，布置復(fù)合介質(zhì)人工浮島后，也難以全方面、高效率完成水體凈化。文中提出在池底中心處安裝一個(gè)混合充氧裝置，該裝置由進(jìn)水筒、喉管、電機(jī)、攪拌槳等組成，其通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌槳轉(zhuǎn)動(dòng)提升水體流速，輔助水體凈化處理。實(shí)際操作過程中，先建立水流連續(xù)性方程、水流動(dòng)量方程、濃度對流擴(kuò)散方程，了解濕地水體流動(dòng)情況，確定混合充氧裝置部件的尺寸參數(shù)。其中，水流連續(xù)性方程為式（5）：

依托于上述方程模擬不同運(yùn)行工況條件下的水動(dòng)力，基于此改變充氧裝置各項(xiàng)參數(shù)，最終得到優(yōu)化后的混合充氧裝置。通過該充氧裝置輔助復(fù)合介質(zhì)人工浮島的凈化工作，實(shí)現(xiàn)景觀廊道濕地水體高效、全面凈化處理。

2鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地水體循環(huán)再生利用

在鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地發(fā)展過程中，為了解決水資源短缺問題，針對凈化后的濕地水體進(jìn)一步處理，建立如圖2所示的水資源循環(huán)再生利用模式。

圖2濕地水資源循環(huán)再生利用模式

如圖2所示，在濕地水體中布置厭氧池、缺氧池等一系列裝置，當(dāng)受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染后，經(jīng)過循環(huán)再生利用裝置主動(dòng)分解水體中的污染物，將不包含污染因素的水資源排人濕地，再將凈化和循環(huán)再生處理后的水提供給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域和水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域，達(dá)到水資源循環(huán)再生利用的效果。

3實(shí)驗(yàn)

3.1研究區(qū)域概況

選定黃河流域蘭州段濕地景觀作為研究區(qū)域，隨著該區(qū)域內(nèi)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染，很多工業(yè)廢水與生活污水進(jìn)入黃河，直接造成濕地水體氨氮、石油等污染嚴(yán)重，影響居民生活用水安全。尤其是在濕地水位下降后，表現(xiàn)出的污染更加嚴(yán)重，濕地水體急需進(jìn)行凈化處理。在2023年5月10日-5月20日不斷采集濕地水體進(jìn)行檢測，了解濕地水體的水質(zhì)污染情況，最終見表1的檢測結(jié)果。

根據(jù)表1可知，研究區(qū)域濕地水體面臨著嚴(yán)重的氨氮、總氮污染。同時(shí)，水體中存在的硝酸鹽氮和總磷，也是引起濕地水體污染的主要因素。應(yīng)用文中提出的凈化方法，對濕地水體進(jìn)行污染凈化，從水質(zhì)變化可以看出所提方法的應(yīng)用效果。

3.2構(gòu)建人工浮島裝置

復(fù)合介質(zhì)人工浮島是凈化濕地水體的主要裝置，此次操作過程中，采用粒徑為5～10 mm的火山石作為上層填充填料，并在填料底部放置組合填料。按照1：1的比例混合硫鐵礦、石灰石，并將其添加到下層填充層中作為填料。其中，硫鐵礦和石灰石的粒徑分別為5～10 mm、10～20 mm。在面積為16m²的正方形浮島上，布置多個(gè)0.3 m×0.3 m的正方形空心塑料基盤，并利用螺母連接各浮島基盤?？紤]到景觀廊道濕地水體所在區(qū)域的氣候情況，選擇水蔥、風(fēng)車草和千屈菜作為人工浮島種植植物，按照9株／m²的種植密度，將三種植物混合種植到浮島料基盤上。

3.3水體凈化結(jié)果分析

人工浮島安裝后，在水體中央放置混合充氧裝置，該裝置驅(qū)動(dòng)前后，濕地水體流速變化情況見圖3。

如圖3所示，混合充氧裝置運(yùn)行后，可以讓濕地水體中死水流動(dòng)起來，并使得水體平均流速從0.025 m/s增長至0.069 m/s，更好地展開水體凈化處理。

完成準(zhǔn)備工作后，對研究區(qū)域的濕地水體進(jìn)行一系列凈化處理，在凈化后每隔12 h進(jìn)行一次水質(zhì)檢測，與表1所示的初始水質(zhì)檢測結(jié)果進(jìn)行對比，得到如圖4所示的污染去除率變化情況。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中還應(yīng)用了文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]提出的方法凈化濕地水體，所得凈化結(jié)果也體現(xiàn)在圖4中。

根據(jù)圖4可知，所提方法應(yīng)用后，四種濕地水體主要污染物的去除率明顯高于兩種文獻(xiàn)提出方法。經(jīng)過6周的凈化后，此時(shí)濕地水體污染去除率分別為95.6%、74.4%、88.5%和91.3%，水質(zhì)凈化結(jié)果基本滿足要求，證明了所提水體凈化方法的優(yōu)越性。

4結(jié)束語

為了提高鄉(xiāng)村旅游景觀廊道濕地水體凈化效果，并且對水體進(jìn)行循環(huán)再生利用，研究了相關(guān)技術(shù)。該研究基于濕地水體污染程度確定凈化目標(biāo)，并引入光催化降解技術(shù)和雙層填料結(jié)構(gòu)的復(fù)合介質(zhì)人工浮島凈化技術(shù)，設(shè)計(jì)了混合充氧裝置結(jié)構(gòu)，通過提升水體流速完成高效凈化，采用該技術(shù)有效去除濕地水體中的氮、磷等污染物質(zhì)，提升濕地水體水質(zhì)，利用厭氧池、缺氧池、微電解與固化微生物等一系列裝置，實(shí)現(xiàn)村旅游景觀廊道濕地水體循環(huán)再生利用。為了驗(yàn)證該技術(shù)的有效性和可行性，設(shè)計(jì)了對比分析實(shí)驗(yàn)，通過與文獻(xiàn)技術(shù)進(jìn)行對比得出，該方法有效提高了濕地水體主要污染物的去除率，從而降低了污染物濃度，提高了水體水質(zhì)，為鄉(xiāng)村濕地旅游的發(fā)展提供助力。