乡村旅游景观廊道湿地水体净化处理及循环再生利用研究

庄廷江　徐琪斐

关键词：乡村旅游；湿地景观；水体净化；人工浮岛；复合介质

中图分类号：X524 文献标志码：B

前言

随着工程化、农业化的发展，大量污染物汇入乡村旅游景观廊道湿地水体中，为了从根本上解决湿地水体污染问题，需要设计现代化水体净化方法，并达到水体循环再生利用的目的，提升水质。

目前，出现很多水体净化方法，文献[2]明确了生物炭基质对有机物、氮磷等污染物的去除作用。依托于生物炭的吸附和络合性能，完成水体净化处理。但是该方法的水体污染物去除效果较差。文献[3]以水体生态修复为目标，提出“三位一体”的系统性水体处理方法，从生态处理、水质净化、水体循环三方面人手，实现水体净化。但是该方法适用性较差。文献[4]将待净化湿地水体划分为多个单元，针对单元检测水体污染物浓度，选定合适的材料搭建旁路循环净化装置，完成湿地水体净化处理。但是该净化方法面临着水质反复的问题。

上述方法无法很好地处理乡村旅游景观廊道湿地水体，设计一种运用复合介质人工浮岛技术的新型水体净化方法，并在湿地水体中布置厌氧池、缺氧池等装置，将净化后的水资源引入设备中，实现循环再生利用。

1设计乡村旅游景观廊道湿地水体净化方法

满足式（2）和式（3）提出的约束条件后，得到拟合度较好的回归方程，将其应用到待净化的乡村旅游景观廊道湿地水体中，划分水体河段为多个分段，通过净化模型进行回归分析，汇总回归结果得到水体污染物总量。

1.2建立光催化氧化降解方案

针对湿地水体进行分析，明确水体中污染物含量占比最高的是有机物。对此，研究建立光催化氧化降解方案，消除水体中的有机污染物，光催化降解操作原理见图1。

应用新型光催化技术进行有机物降解时，考虑净化模型回归分析得出的水体污染物总量，确定选用合适的负载催化材料，将其浸入湿地水体下部，通过材料的功能纤维正面材料吸收日光能量，并将其转换为可以激发活性氧的电能，利用形成的活性氧对有机污染物进行转化，将其降解为不同的产物。

如图1所示，搭建光催化降解装置时应用了光催化材料，在该材料的辅助下激发出的活性氧，可以覆盖在纤维表面产生洁净微区，改变纤维结构，从而启发材料的氮磷削减效应，初步改善了湿地水体的水质可生化性。

1.3设计复合介质人工浮岛净化技术

为了进一步净化景观廊道湿地水体，提出复合介质人工浮岛净化技术，设备包含两层填料结构的新型人工浮岛框架，最上面为植物，植物下面是填料1，然后是进出水，最后是填料2。新型人工浮岛通过植物、浮岛框架、填料等部分组成复合介质人工浮岛装置。在浮岛上层填料层中放置石灰石、生物陶粒等颗粒状填料，下层填料层则放置组合填料等混合材料。将该装置放到待净化的湿地水体中后，水流会进人人工浮岛装置内部，通过悬挂纤维束组合填料等过水性好的填料对流人的水资源发挥阻滞作用，在调料颗粒内部缓慢流动实现溶解氧，形成厌／缺氧区域，完成湿地水体的反硝化脱氮处理。同时，人工浮岛中添加的填料中往往包含二氧化硅、氧化钙、氧化铁、氧化铝等化合物，可以对水体中的磷进行吸附和沉淀处理。由于颗粒填料为多孔介质，采用三维有限差分地下水流动模型模拟，水流数值模型如式（4）所示。

复合介质人工浮岛装置内部流动的水体类似于潜水层，通过上述公式模拟水流变化，定义进出水端和两侧概化分别为水头边界、隔水边界，得到矩形的人工浮岛模拟单元，通过模拟分析优化填料直径、填料深度等设计参数。

1.4实现廊道湿地水体高效净化

考虑到正常情况下乡村旅游景观廊道湿地水体流速较低，布置复合介质人工浮岛后，也难以全方面、高效率完成水体净化。文中提出在池底中心处安装一个混合充氧装置，该装置由进水筒、喉管、电机、搅拌桨等组成，其通过电机驱动搅拌桨转动提升水体流速，辅助水体净化处理。实际操作过程中，先建立水流连续性方程、水流动量方程、浓度对流扩散方程，了解湿地水体流动情况，确定混合充氧装置部件的尺寸参数。其中，水流连续性方程为式（5）：

依托于上述方程模拟不同运行工况条件下的水动力，基于此改变充氧装置各项参数，最终得到优化后的混合充氧装置。通过该充氧装置辅助复合介质人工浮岛的净化工作，实现景观廊道湿地水体高效、全面净化处理。

2乡村旅游景观廊道湿地水体循环再生利用

在乡村旅游景观廊道湿地发展过程中，为了解决水资源短缺问题，针对净化后的湿地水体进一步处理，建立如图2所示的水资源循环再生利用模式。

图2湿地水资源循环再生利用模式

如图2所示，在湿地水体中布置厌氧池、缺氧池等一系列装置，当受到工业、农业污染后，经过循环再生利用装置主动分解水体中的污染物，将不包含污染因素的水资源排人湿地，再将净化和循环再生处理后的水提供给农业生产区域和水产养殖区域，达到水资源循环再生利用的效果。

3实验

3.1研究区域概况

选定黄河流域兰州段湿地景观作为研究区域，随着该区域内城市经济发展带来了严重的环境污染，很多工业废水与生活污水进入黄河，直接造成湿地水体氨氮、石油等污染严重，影响居民生活用水安全。尤其是在湿地水位下降后，表现出的污染更加严重，湿地水体急需进行净化处理。在2023年5月10日-5月20日不断采集湿地水体进行检测，了解湿地水体的水质污染情况，最终见表1的检测结果。

根据表1可知，研究区域湿地水体面临着严重的氨氮、总氮污染。同时，水体中存在的硝酸盐氮和总磷，也是引起湿地水体污染的主要因素。应用文中提出的净化方法，对湿地水体进行污染净化，从水质变化可以看出所提方法的应用效果。

3.2构建人工浮岛装置

复合介质人工浮岛是净化湿地水体的主要装置，此次操作过程中，采用粒径为5～10 mm的火山石作为上层填充填料，并在填料底部放置组合填料。按照1：1的比例混合硫铁矿、石灰石，并将其添加到下层填充层中作为填料。其中，硫铁矿和石灰石的粒径分别为5～10 mm、10～20 mm。在面积为16m²的正方形浮岛上，布置多个0.3 m×0.3 m的正方形空心塑料基盘，并利用螺母连接各浮岛基盘。考虑到景观廊道湿地水体所在区域的气候情况，选择水葱、风车草和千屈菜作为人工浮岛种植植物，按照9株／m²的种植密度，将三种植物混合种植到浮岛料基盘上。

3.3水体净化结果分析

人工浮岛安装后，在水体中央放置混合充氧装置，该装置驱动前后，湿地水体流速变化情况见图3。

如图3所示，混合充氧装置运行后，可以让湿地水体中死水流动起来，并使得水体平均流速从0.025 m/s增长至0.069 m/s，更好地展开水体净化处理。

完成准备工作后，对研究区域的湿地水体进行一系列净化处理，在净化后每隔12 h进行一次水质检测，与表1所示的初始水质检测结果进行对比，得到如图4所示的污染去除率变化情况。同时，实验过程中还应用了文献[2]和文献[3]提出的方法净化湿地水体，所得净化结果也体现在图4中。

根据图4可知，所提方法应用后，四种湿地水体主要污染物的去除率明显高于两种文献提出方法。经过6周的净化后，此时湿地水体污染去除率分别为95.6%、74.4%、88.5%和91.3%，水质净化结果基本满足要求，证明了所提水体净化方法的优越性。

4结束语

为了提高乡村旅游景观廊道湿地水体净化效果，并且对水体进行循环再生利用，研究了相关技术。该研究基于湿地水体污染程度确定净化目标，并引入光催化降解技术和双层填料结构的复合介质人工浮岛净化技术，设计了混合充氧装置结构，通过提升水体流速完成高效净化，采用该技术有效去除湿地水体中的氮、磷等污染物质，提升湿地水体水质，利用厌氧池、缺氧池、微电解与固化微生物等一系列装置，实现村旅游景观廊道湿地水体循环再生利用。为了验证该技术的有效性和可行性，设计了对比分析实验，通过与文献技术进行对比得出，该方法有效提高了湿地水体主要污染物的去除率，从而降低了污染物浓度，提高了水体水质，为乡村湿地旅游的发展提供助力。