非点源污染削减设施（人工湿地）的削减效率评估研究
时间：2020-11-09 14:00:38 来源：达达文档网 本文已影响 人 
林甫览 任相浩
摘要：人工湿地是利用自然湿地水质净化功能的水处理系统。20世纪90年代起，韩国开始在研究层面建设小规模人工湿地，此后环境部通过国库补贴项目于2004年至2015年建成并运营51个非点源污染消减设施，其中最多的就是人工湿地，共有27处（53%）。虽然出于削减流域内非点源污染物的目的建成并运营大量人工湿地，但因运营经验不足、运营管理手册缺失导致湿地运营效率低下。因此，为分析韩国非点源污染削减设施中人工湿地的运营现状，本研究以位于洛东江水系的高灵郡牛谷畜牧湿地为对象，利用设计标准与监测结果计算流量加权平均浓度（EMC）并评估处理效率。此外，研究结果还显示，安装后应当定期实施的维护管理不足。由本研究结果可知，必须通过持续监测比较设计预期值与运营实测值，二者存在差异时应掌握原因并积累运营效率化数据。
关键词：人工湿地；
非点污染源；
EMC；
处理效率
一、绪论
从韩国四大江水系的污染排放负荷量（BOD标准）来看，2003年汉江为747.2吨/天（非点污染源29.7%）、洛东江为547.3吨/天（非点污染源34.0%）、锦江为427.9吨/天（非点污染源31.8%）、荣山江为348.7吨/天（非点污染源35.0%），总排放量为2，071.1吨/天，其中点污染源与非点污染源各占67.8%与32.2%。由各水系的非点污染源占比来看，非点污染源的占比约为29.7～35.0%，最高为35%。非点源污染的时空范围更广，不确定性更大，成分、过程更复杂，因而加大了相应的研究、治理和管理政策制定的难度。
非点源污染已成为影响水体污染的主要因素，是当今世界上普遍存在的一个严重的环境问题，为减少非点污染源，目前正在开展应用改善农业用水库水质的各种工艺与处理设施的研究。尹庆燮与李泰浩曾经提出，必须安装考虑农村地区水质污染特点、污废水排放特点、流量与现场条件等及水质管理系统的削减设施。主要应用的工艺与设施包括加压浮上设施、使用藻类清理船、沉积物疏浚与水草栽培岛、蓄水池等，但自然型非点源污染削减设施比装置型设施需要更大的安装用地面积，在特定场所安装存在局限。但是，自然型设施具有污染物削减效率高、可结合周围环境建设、景观性优秀的优点。特别是自然型设施中的人工湿地，可人为地提高沉積、过滤、吸附等湿地所具有的自然净化能力，清除污染物，属于环保型非点源污染削减设施，可在易于确保充足地皮面积的场所大量安装。
人工湿地是利用自然湿地水质净化功能的水处理系统，是一种控制水体污染的生态工程措施，一般用于处理生活污水、畜牧废水、耕地排水等目的，自20世纪60年代起开始应用。一般而言，人工湿地的污染物清除效率受到湿地形态、栽种植物种类、土壤环境、处理水浓度、水利水文学特点等的影响。
从利用人工湿地的污染物削减对策研究的国内外研究趋势来看，韩国在四大江水系实施的非点源污染削减示范项目包括10个人工湿地的安装案例，考虑到人工湿地占地面积广、很难在城市中心地区应用这一点，李政勇等为开发可应用于城市内绿地空间的小规模人工湿地，安装Pilot-scale test与Test-bed设施等并开展研究。
国外的优点是湿地的污染物、尤其是营养盐类清除能力以及对流量与水质变化的适应能力较高。北美及欧洲地区从20世纪70年代起就已开始将湿地用于污染物削减。此外，为进一步提高自然湿地的污染物消减能力，开展了大量有关人工湿地的研究。包括用于研究的人工湿地在内，北美地区目前运营有1，000多个人工湿地，为利用这些湿地数据库资料查明湿地的污染物削减能力，正在开展相关因素的研究。
与利用人工湿地庞大而多样的数据进行研究的国外研究相反，韩国目前多出于流入水库的污水处理厂放流水再处理与流域内的非点源污染物削减目的建设并运营大量人工湿地，但因运营经验不足、运营管理手册缺失导致湿地运营效率低下。此外，与用于高浓度畜牧及污水处理目的的外国人工湿地不同，韩国水库人工湿地的处理水特点多为低浓度、高流量，但目前的湿地设计与运营却并未考虑这一点。
鉴于此，为评估并提高农村非点污染源削减设施中人工湿地的效率，本研究选择了最佳工艺并开展研究，意在通过相应地区非点污染源流出特点与削减设施效率评估得出最适合的运营方案。此外，实际效率可能会因建成后的维护管理情况而异，因此本研究还想得出符合各湿地特点的运营与管理方案，以使建成的人工湿地保持最佳水处理效率。
二、研究方法
（一）对象流域
本研究选择了位于洛东江水系会川中部地区的高灵郡牛谷畜牧湿地作为研究对象地区，实施了非点污染源削减设施效率分析。对象地区位于庆尚北道高灵郡牛谷面沙田里324号一带，西侧建有大谷里畜牧园。畜牧园北侧、西侧、南侧是小规模耕地与山地，排水流域面积为2，090，320m2。在距离人工湿地安装地点约1.56㎞处汇入会川后继续向东南流去，在距离人工湿地安装地点约7.61㎞处汇入洛东江。
高灵郡现已确立点污染源造成的水质污染削减方案，但关于非点污染源的适当削减设施仍有不足，因此本研究选择了建设人工湿地时施工成本低、应用案例多、改善景观与周围环境、有利于建设环保空间的地表流人工湿地，以水道较长的水道形式规划湿地并分布在蜿蜒部分，建成水深为0.3～1.95m的湿地，尽可能地提高了水质净化效果。此外，为尽可能减少湿地内出现滞留死水区域，有效规划水道，将滞留时间定为24小时，尽量增大处理流量、减少湿地内出现滞留水域引起的绿藻、恶臭现象。
（二）气象现状
为分析牛谷畜牧湿地流域的气象现状，利用气象厅运营的降雨观测站中距离本设施最近地区的降雨资料分析气象现状。距离最近的气象厅观测站是高灵观测站，与位于牛谷面沙田里的非点源污染处理设施只有10分钟左右的车程，地理位置接近，可视为两地降雨特点相似。此外，高灵郡人工湿地流域的2017年降雨量为662.0mm、降雨天数为72天。
（三）水质与流量监测执行现状
作为分析牛谷畜牧湿地流域非点源污染削减效率的基础资料，实施了流量与水质监测。2017年降雨时进行了测量，监测执行现状如表1所示，水质分析结果如表2所示。
（四）利用设计标准与监测结果评估处理效率
用作非点源污染物流出特点的因素包括降雨前浓度、算术平均浓度、流量加权平均浓度、峰值浓度、降雨前负荷量、算术平均负荷量、峰值负荷量、总负荷量。农村地区的营养素循环与土壤侵蚀均为自然过程，因此各流域的降雨前浓度，即本底浓度（background level）各不相同。本底浓度取决于流域固有的气候、水文学因素、地质学因素、生态学因素，故而因流域而异。大多数情况下，降雨时发生的总负荷量比各个浓度或峰值负荷量更为重要。这是因为流出事件比较短、降雨流出水流入的水体（特别是水库或水坝）中伴有某种程度的混合现象，因此水库内的污染物浓度说到底还是总负荷量的反应，而不是受降雨影响的各个浓度变化。出于相同的原因，流量加权平均浓度（event mean concentration），即EMC值被视为是评估非点源污染物流出的最佳因素，使用也最为广泛。
三、研究结果
（一）流出EMC分析
2017年7月，共对高灵郡牛谷畜牧湿地实施了监测，通过监测得出的各污染物流入与流出EMC如表3：
调查结果显示，高灵郡牛谷畜牧湿地的流入水质为 BOD 13.9mg/L、COD 19.9mg/L、SS 17.0mg/L、T-N 9.4mg/L、T-P 0.509mg/L，流出水质为BOD 8.6mg/L、COD 11.9mg/L、SS 10.0mg/L、T-N 6.3mg/L、T-P 0.320mg/L。监测执行结果显示，流入水质略高于设计水质。
（二）非点源污染削减成果评估与改善方案导出
调查结果显示，处理对象地区为畜牧园地区，降雨时呈非点源污染物流出较高的土地使用形态，流出水的收集效率与洪水及侵蚀的安全性也比较高。因此笔者认为，购买现有的耕地后建成人工湿地时，设施选址用地的公共性及在农业水路中放水后流入河流、流出水顺畅排出的能力较低。
1.设施容量
在韩国，计算湿地规模时主要采用利用滞留时间的计算方法，综合考虑对象地区为私有土地、进行土地补偿时的湿地可用地皮面积受限等因素后，本研究选用了利用滞留时间的计算方法。虽然尚未在韩国就湿地滞留时间提出适当滞留时间的设计标准，但以6～24小时左右为宜。笔者认为，长时间滞留时产生藻类的危险相对较高且内部负荷导致处理效率下降的可能性也比较高，因此比起增加滞留时间，最好通过增加流入·流量的方式增加总污染物处理量。
2.非点源污染（土地）排放负荷量变化
研究结果显示，本非点源污染削减设施（人工湿地）的削减量为BOD 0.067kg/天、T-P 0.008kg/天、T-N 0.084kg/天，实施项目后的排放负荷量为BOD 0.343kg/天、T-P 0.039kg/天、T-N 0.703kg/天，具有非点源污染削减效果。
四、结论
人工湿地是利用自然湿地水质净化功能的水处理系统，一般用于处理生活污水、畜牧废水、耕地排水等目的，自20世纪60年代起开始应用。韩国自20世纪90年代起开始在研究层面建设小规模湿地，环境部通过国库补贴项目于2004年至2015年建成并运营51个非点源污染削减设施，其中最多的就是人工湿地，共有27处（53%）。
为分析韩国非点源污染削减设施中人工湿地的运营现状，本研究以位于洛东江水系的高灵郡牛谷畜牧湿地为对象，利用设计标准与监测结果计算流量加权平均浓度（EMC）并评估处理效率。在本研究中得出了以下主要结论：
高灵郡牛谷畜牧湿地的流入水质为BOD13.9mg/L、COD19.9mg/L、SS17.0mg/L、T-N9.4mg/L、T-P0.509mg/L，流出水质为
BOD8.6mg/L、COD11.9mg/L、SS10.0mg/L、T-N6.3mg/L、T-P0.320mg/L。监测执行结果显示，流入水质略高于设计水质。笔者认为，这是坡度较大的排水区域特点本身导致流入顺畅、宽度狭窄的湿地结构导致流水滞留时间较短所致。
对象湿地的削减效率略低于设计时的清除效率。考虑到耕地与畜舍的非点源污染物流入会导致流入水浓度过高等现象，笔者认為，设计人工湿地时必须更细致地考虑周围地区的特点，并在效率预测与设计中反映。此外，还必须通过持续监测比较设计预期值与运营实测值，二者存在差异时应掌握原因并积累运营效率化数据。
人工湿地依据非点源污染削减设施的安装与管理、运营手册进行管理，流入水质与清除效率按照比较设计标准保持。但是，必须依据相应流域特点重点运营的事项则与其他湿地不同。特别值得一提的是，随着降雨时和雨水一起流入的杂质导致流入水无法流入、未清除水道杂草等导致水道内水流不均衡、出现死水区域等问题的发生，需要采取按时期增加清除次数的措施。与此同时，考虑到人工湿地内的水生植物过度生长会妨碍及搁置流水流动，造成水质污染，夏季时还需要清除水生植物。此外，气候异常导致夏季水温上升时会导致绿藻植物繁殖并产生毒素与异味，这可能会引发居民投诉，因此需要进行适当的植被管理。考虑到各湿地的设计与特点、非点污染源物质、重点维护管理因素等各有不同，笔者认为，日后必须通过持续监测得出最恰当的人工湿地运营方案。
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