人工濕地在流域有機質污染水體治理中的應用研究

中圖分類號：X703.1 文獻標志碼：B

ApplicationofArtificialWetlandsinTreatmentof Organic MatterPolluted WaterBodiesin Watersheds

Zhong Qijun ^1，2 ，Zhou Zeyou’，Liu Chaoxiang3，Xu Xiang’， Jiang Lin ^1，2 （1.Fujian Environmental Protection Design Institute Co.，Ltd.，Fuzhou 350012，China; 2.Fujian Minhuan Aquatic Ecological Technology Co.，Ltd.，Fuzhou 350025，China； 3.School of Environmental and Safety Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 3501O8，China）

Abstract：InodertomproveteitegrityustainabilityndodivesityftehaelossteinCaniBasinadatet rallandscapeandhdroilicspace，teapplicationofostrucedwetlandintetreatmentofoanicmaterutedwaterbodishe basinwasstudied.ThoughtheimplementationoftheconstructedwetlandprojectinCEDRiverBasin，aterqualityindexmeasureent， nutrientstatusindexasesent，poltionidexmetodnderetdseusedtoevaatetetreametctofconstrcdeland onorganicmaterpollutedwaterbodies.Theresultsshowtattheconstructedwetlandhassignificantlyreducedtheconcentrationfotal phosphorus and chemical oxygen demand，among which total phosphorus has decreased by 58.9% ，ammonia nitrogen has decreased by 82.3% ，and chemical oxygen demand has decreased by 43.5% ．After 2O days，the purification effect is stable.This study not only validatesthehigheficiencyofonstructedwetlandinwaterpolutioncontrol，utalsoprovidesafasibleshemeforsimilarwateio ment control.

KeyWords：constructed wetland；organic materpolution；waterbody treatment；waterqualityassessment；governance strategy

前言

隨著城市的快速發展，全球范圍內的水體污染問題日益嚴重。特別是工業活動集中的地區，由于長期排放含有大量有機質和營養鹽的廢水，導致水體遭受嚴重污染，生態系統受到破壞，水質惡化，嚴重影響了人類健康和生態環境的可持續性[1]。流域水體污染具有來源廣泛、途徑復雜、影響深遠等特點。污染物不僅包括工業排放的有機污染物，還包括農業面源污染中的氮、磷等營養鹽，這些污染物通過地表徑流和地下滲透進入水體，造成水質富營養化，引發水華等生態問題[2-3]。在此背景下，人工濕地因其在水質凈化、生態修復和景觀美化方面的卓越表現而受到廣泛關注[4]。人工濕地模擬自然濕地的生態系統，通過植物、微生物以及基質的協同作用，有效去除水體中的有機物、氮、磷等污染物，同時為野生動植物提供棲息地，具有較高的環境和社會效益。研究以產溪流域為研究對象，探討人工濕地系統在治理流域有機質污染水體中的應用效果。通過實地調查和科學實驗，評估人工濕地對水質的改善效果，并分析在水環境治理中的潛力和價值。研究的創新點在于綜合運用多種水質評價方法，如營養狀態指數、污染指數法等，全面評估人工濕地的治理效果，并提出針對性的治理策略。

1基于人工濕地系統的滬溪流域有機質污染治理

1.1滬溪流域人工濕地工程概況

產溪流域人工濕地工程是一項綜合性的水生態環境修復項目，通過人工濕地建設等，對產溪主干流龍津橋至尾厝斷面的水體進行凈化處理，以恢復河流的生態結構和功能。工程區選定在鏟溪主干流龍津橋至尾厝斷面，特別是鏟溪流域及污水處理廠尾水排放口至龍門橋段。考慮到該區域地形、地勢條件以及現有土地利用情況，人工濕地的建設將遵循以下原則：符合區域總體規劃，減少征地、拆遷及移民等工程移民征地費用，以及降低工程實施難度。人工濕地的凈化機理依賴于物理、化學和生物三重協同作用，通過過濾、截流懸浮物，化學沉淀、吸附、離子交換、拮抗和氧化還原反應，以及微生物和水生動物的生物降解活動，有效去除污水中的有機物、氨氮和總磷。污染源主要來源于滬溪河道內受污染的水體，尤其是丁溪、纓溪、城后溪等支流匯入口處的城鎮區域。這些區域人口密集，河道水深達2～3來，存在溶解氧不足和水質富營養化問題。本項目通過建設人工濕地，將受污染的水體引入濕地系統進行處理，以期達到地表水Ⅲ類標準。在人工濕地的設計中，特別考慮了水流動態和水質特性，采用了包括沉砂塘、生態塘、水平潛流人工濕地和出水穩定塘在內的多種工藝單元，以適應不同的水質凈化需求，并確保濕地系統的有效運行和長期穩定性。通過精心規劃的生態引水堰、沉砂塘、生態塘和人工濕地床等結構，配合本土水生植物的種植，項目不僅提升了水質，還增強了生物多樣性，同時融入了休閑和游憩設施，以實現生態效益和社會效益的雙重目標。

1.2滬溪流域水質評價

鏟溪流域面臨著嚴重的有機質污染問題，流域內的工業活動和人口密集區域產生的廢水未經處理或處理不充分，直接或間接排入河流，導致水質惡化，生態系統退化。此外，流域地形復雜，水文條件多變，給水體污染治理帶來了更大的挑戰。在鏟溪流域的穩定沉積階段，水質采樣點的布置遵循HJ/T91-2002標準中的相關規定。水樣的收集與保管過程均嚴格遵守水體樣本的保管與處理技術標準的規定進行，確保采樣過程的安全性、科學性和效率[5-6]。具體實驗指標測定見表1。

為了分析隨后的生態修復措施對地表水質量的具體影響，首先，研究將每個監測項目的實測濃度與相應的水質標準值進行對比。通過比較這些濃度值與標準值的比例，可以判斷水質是否滿足特定的功能要求。如果監測到的濃度低于或等于設定的標準值，水質就被認為是符合要求的；反之，如果濃度超出標準值，則水質不符合要求[7]。具體計算見式（1）。

式（1）中， P_j 表示水質指標值， C_i 表示第 i 類指標實測濃度值， S_ij 表示 j 類標準下第 i 類指標的標準值。其次，利用內梅羅污染指數法，能夠量化水體的污染程度[8]。具體見式（2）。

式（2）中， 表示所有監測的水質參數的環境質量指數的平均值， F_max 表示在所有水質參數的環境質量指數中的最大值， F 表示所有水質參數的環境質量指數， c_i 表示在特定監測點的樣本中，第 χ_i 個水質參數的實際測量濃度， s_ij 表示在第 j 類水質標準下，第 i 個水質參數應遵守的限值， ?_?p_j 表示第 j 類水質標準下，根據內梅羅污染指數法計算得出的綜合評價值。最后，使用綜合營養狀態指數，該指數能夠衡量水體的營養水平，從而評估生態健康狀況[9。具體計算見式（3）。

式（3）中， ）表示綜合營養狀態指數，用于評估水體中營養物質的總體水平和潛在的富營養化風險。 W_j 表示第 j 種指標的營養狀態指數的權重，它反映了在綜合評估中，該特定營養指標對整體營養狀態指數的貢獻度或重要性。 TLI（j） 表示針對第j種參數的營養狀態指數，用于衡量單個營養參數對水體營養狀態的影響。通過這些方法的綜合應用，能夠全面評估生態修復措施對地表水質量的影響。

1.3基于人工濕地的產溪流域有機質污染水體治理

對流域的水質進行評價是進行水質治理的前提。通過評價，可以了解當前水質狀況，識別主要污染指標，為后續的治理措施提供依據。水生態環境修復是一種生態保護策略，它在尊重生態系統自身恢復力的基礎上，綜合運用工程方法，促進河流生態系統恢復至更接近自然的狀態，保持生態系統的結構和功能，確保長期穩定和可持續性。人工濕地是指模擬自然濕地結構和功能的綜合生態系統，通過物理、化學和生物等協同作用實現水質凈化和生態提質，在改善區域水生態環境、保障水安全、促進水資源循環利用方面發揮著重要作用。人造濕地環境具有明顯的分解有機污染物的能力，有助于清潔水體。在這些生態系統中，某些有機污染物作為植物生長所需的養分，能夠被植物直接吸收。對于不易溶于水的有機污染物，在缺氧的環境中，它們會被濕地內的微生物所分解。并通過生物吸附和代謝過程，幫助溶解水中的有機物質。

在人工構建的濕地生態中，植物的根系統能夠創造出富含氧氣的局部區域，這有助于微生物進行氧化作用，而反氧化則在植物根部以外的缺氧區域進行。無機磷是植物生長的必需營養元素，植物可以直接吸收利用。同時，微生物也可以通過吸收磷的細菌來去除水中的磷。此外，人工濕地還具有富集重金屬的能力，植物通過根部吸收和接觸作用，能夠從基質中吸收重金屬離子，實現凈化效果。人造濕地的底層結構由多層碎石、火山巖石和沸石等材料組成，當水流經過這些材料時，能夠實現自然的氧氣補給。這些材料的多孔性質還能創造出地下潛流和交錯流動，進一步增強了氧氣的補給過程，為植被和微生物的生長創造了適宜的環境。此外，底層材料通過沉降、篩選、黏附和分解等機制，高效清除水體中的氮質和磷質等雜質。在設計人造濕地的規模之際，基于關鍵污染指標來確定適宜的濕地面積。計算過程中，選擇不同污染物負荷條件下得出的最大濕地面積值，并確保滿足水流在濕地中的停留時間標準。具體見式（4）。

A=Q（S₀-S₁）/N_A

式（4）中，A表示人工濕地的總面積， Q 表示每天需要處理的水量， S₀ 表示進入濕地系統之前的水體中污染物的濃度， S₁ 表示經過濕地處理后的水體中污染物的濃度， .N_A 表示污染物的面積負荷。綜上所述，研究構建了一個完整的人工濕地鏟溪流域治理系統。首先，在上游設置攔截設施去除大顆粒雜質，隨后處理區攔截上游水流，并通過過濾和預氧化過程進行初步凈化，該區域利用直立植物群落和碎石層過濾系統，有效去除 N 和 P ，提升水質與景觀。水下植物區進一步強化凈化 N 和 P ，提高河流的自我凈化能力。泛濫平原借助植物與石塊協同作用，捕捉懸浮顆粒，減緩水流，過濾污染物，兼具生態與美學價值。為確保系統高效運行，建立了運行管理制度，定期進行水質監測、生態評估及系統清理維護。同時，通過調整植物配置和運行參數，保持生態系統的平衡與健康。此外，加強公眾教育與宣傳，提高環保意識，共同維護這一生態治理成果。這一系列措施旨在全面改善流域水質，促進生態恢復，實現可持續發展。

2基于人工濕地的滬溪流域有機質污染治 理效果評估

研究對滬溪流域的A、B區域進行了深入的營養水平評估。通過分析各監測點的水質數據，能夠評估這些水體的營養水平。根據各項營養指標的分析結果，對每個監測點的水體營養狀態進行了分類，從而確定了它們是否存在富營養化的問題。具體的分類結果和相關數據見表2。

表2中，區域A的水質營養狀態綜合評價指數分布在44至48的范圍內，顯示出該區域的水質總體上保持在良好水平。具體來看，區域A的總磷濃度在 0.08mg/L 至 0.12mg/L 之間，氨氮含量濃度在 1.19mg/L 至 2.84mg/L 之間，而重鉻酸鉀指數濃度則在 21mg/L 至 26mg/L 之間。這些指標表明區域A的水體營養水平適中，未出現明顯的富營養化跡象。另一方面，區域B的水質營養狀態綜合評價指數較高，分布在64至69的范圍內，表明該區域的水質已經達到了中度富營養化的水平。區域B的總磷濃度在 0.62mg/L 至 0.69mg/L 之間，氨氮含量濃度在 1.57mg/L 至 2.59mg/L 之間，重鉻酸鉀指數濃度在 18mg/L 至 26mg/L 之間。特別是總磷和氨氮含量的濃度較高，這可能是導致區域B水質富營養化的主要原因。研究進一步對人工濕地系統的污染物凈化效果進行分析，具體見圖1。

圖1（a）中，建立人工濕地之后，進水總磷濃度在 0.21mg/L～0.35mg/L 區間，出口總磷濃度在0.01mg/L～0.15mg/L 區間。說明人工濕地通過內部的物理、化學和生物過程，如植物吸收、微生物代謝、沉降、吸附等，能夠將水中的總磷濃度大幅度降低，從而有效凈化水質。圖1（b）中，進水重鉻酸鉀指數濃度在 18mg/L～28mg/L 區間，出口重鉻酸鉀指數濃度在 8mg/L～15mg/L 區間，說明人工濕地系統對重鉻酸鉀指數具有較好的去除效果，能夠有效降低水體中的化學需氧量，提升水質，滿足環境水質標準。研究進一步對人工濕地系統的綜合凈化效果進行分析，具體見圖2。

從圖2中可以看出，在第10天之后人工濕地系統的綜合凈化效果顯著提升，并在20天后達到穩定。人工濕地系統治理后總磷的綜合凈化效果達到了58.9% ，氨氮含量的綜合凈化效果達到了 82.3% ，重鉻酸鉀指數的綜合凈化效果達到了 43.5% ，說明人工濕地系統治理水中污染物的效果明顯，可以大力推廣。

3結論

研究通過對滬溪流域區域A和區域B的實地調查和水質分析，以明確人工濕地系統在流域有機質污染水體治理中的有效性。人工濕地建立后，進水的重鉻酸鉀指數濃度在 18mg/L 至 28mg/L 的區間，而出口的重鉻酸鉀指數濃度顯著降低至 8mg/L 至 15mg/L 的區間。說明人工濕地系統有效地去除了水中的有機污染物，對重鉻酸鉀指數有較好的去除效果。這表明人工濕地是一種有效的水質凈化方法，尤其適用于處理富含有機物的污水。治理后總磷的綜合凈化效果為 58.9% ，氨氮含量的綜合凈化效果為 82.3% ，重鉻酸鉀指數的綜合凈化效果為43.5% 。這些數據表明人工濕地系統在去除水中污染物方面具有明顯效果，是一種有效的水質凈化方法。人工濕地系統的構建和運行還需要考慮優化植物選擇、基質配置和水力停留時間等因素，以提高治理效率和生態效益。

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