非點源污染削減設施（人工濕地）的削減效率評估研究

林甫覽　任相浩

摘要：人工濕地是利用自然濕地水質凈化功能的水處理系統。20世紀90年代起，韓國開始在研究層面建設小規模人工濕地，此后環境部通過國庫補貼項目于2004年至2015年建成并運營51個非點源污染消減設施，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非點源污染物的目的建成并運營大量人工濕地，但因運營經驗不足、運營管理手冊缺失導致濕地運營效率低下。因此，為分析韓國非點源污染削減設施中人工濕地的運營現狀，本研究以位于洛東江水系的高靈郡牛谷畜牧濕地為對象，利用設計標準與監測結果計算流量加權平均濃度（EMC）并評估處理效率。此外，研究結果還顯示，安裝后應當定期實施的維護管理不足。由本研究結果可知，必須通過持續監測比較設計預期值與運營實測值，二者存在差異時應掌握原因并積累運營效率化數據。

關鍵詞：人工濕地；非點污染源；EMC；處理效率

一、緒論

從韓國四大江水系的污染排放負荷量（BOD標準）來看，2003年漢江為747.2噸/天（非點污染源29.7%）、洛東江為547.3噸/天（非點污染源34.0%）、錦江為427.9噸/天（非點污染源31.8%）、榮山江為348.7噸/天（非點污染源35.0%），總排放量為2，071.1噸/天，其中點污染源與非點污染源各占67.8%與32.2%。由各水系的非點污染源占比來看，非點污染源的占比約為29.7～35.0%，最高為35%。非點源污染的時空范圍更廣，不確定性更大，成分、過程更復雜，因而加大了相應的研究、治理和管理政策制定的難度。

非點源污染已成為影響水體污染的主要因素，是當今世界上普遍存在的一個嚴重的環境問題，為減少非點污染源，目前正在開展應用改善農業用水庫水質的各種工藝與處理設施的研究。尹慶燮與李泰浩曾經提出，必須安裝考慮農村地區水質污染特點、污廢水排放特點、流量與現場條件等及水質管理系統的削減設施。主要應用的工藝與設施包括加壓浮上設施、使用藻類清理船、沉積物疏浚與水草栽培島、蓄水池等，但自然型非點源污染削減設施比裝置型設施需要更大的安裝用地面積，在特定場所安裝存在局限。但是，自然型設施具有污染物削減效率高、可結合周圍環境建設、景觀性優秀的優點。特別是自然型設施中的人工濕地，可人為地提高沉積、過濾、吸附等濕地所具有的自然凈化能力，清除污染物，屬于環保型非點源污染削減設施，可在易于確保充足地皮面積的場所大量安裝。

人工濕地是利用自然濕地水質凈化功能的水處理系統，是一種控制水體污染的生態工程措施，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60年代起開始應用。一般而言，人工濕地的污染物清除效率受到濕地形態、栽種植物種類、土壤環境、處理水濃度、水利水文學特點等的影響。

從利用人工濕地的污染物削減對策研究的國內外研究趨勢來看，韓國在四大江水系實施的非點源污染削減示范項目包括10個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應用這一點，李政勇等為開發可應用于城市內綠地空間的小規模人工濕地，安裝Pilot-scale test與Test-bed設施等并開展研究。

國外的優點是濕地的污染物、尤其是營養鹽類清除能力以及對流量與水質變化的適應能力較高。北美及歐洲地區從20世紀70年代起就已開始將濕地用于污染物削減。此外，為進一步提高自然濕地的污染物消減能力，開展了大量有關人工濕地的研究。包括用于研究的人工濕地在內，北美地區目前運營有1，000多個人工濕地，為利用這些濕地數據庫資料查明濕地的污染物削減能力，正在開展相關因素的研究。

與利用人工濕地龐大而多樣的數據進行研究的國外研究相反，韓國目前多出于流入水庫的污水處理廠放流水再處理與流域內的非點源污染物削減目的建設并運營大量人工濕地，但因運營經驗不足、運營管理手冊缺失導致濕地運營效率低下。此外，與用于高濃度畜牧及污水處理目的的外國人工濕地不同，韓國水庫人工濕地的處理水特點多為低濃度、高流量，但目前的濕地設計與運營卻并未考慮這一點。

鑒于此，為評估并提高農村非點污染源削減設施中人工濕地的效率，本研究選擇了最佳工藝并開展研究，意在通過相應地區非點污染源流出特點與削減設施效率評估得出最適合的運營方案。此外，實際效率可能會因建成后的維護管理情況而異，因此本研究還想得出符合各濕地特點的運營與管理方案，以使建成的人工濕地保持最佳水處理效率。

二、研究方法

（一）對象流域

本研究選擇了位于洛東江水系會川中部地區的高靈郡牛谷畜牧濕地作為研究對象地區，實施了非點污染源削減設施效率分析。對象地區位于慶尚北道高靈郡牛谷面沙田里324號一帶，西側建有大谷里畜牧園。畜牧園北側、西側、南側是小規模耕地與山地，排水流域面積為2，090，320m2。在距離人工濕地安裝地點約1.56㎞處匯入會川后繼續向東南流去，在距離人工濕地安裝地點約7.61㎞處匯入洛東江。

高靈郡現已確立點污染源造成的水質污染削減方案，但關于非點污染源的適當削減設施仍有不足，因此本研究選擇了建設人工濕地時施工成本低、應用案例多、改善景觀與周圍環境、有利于建設環?？臻g的地表流人工濕地，以水道較長的水道形式規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凈化效果。此外，為盡可能減少濕地內出現滯留死水區域，有效規劃水道，將滯留時間定為24小時，盡量增大處理流量、減少濕地內出現滯留水域引起的綠藻、惡臭現象。

（二）氣象現狀

為分析牛谷畜牧濕地流域的氣象現狀，利用氣象廳運營的降雨觀測站中距離本設施最近地區的降雨資料分析氣象現狀。距離最近的氣象廳觀測站是高靈觀測站，與位于牛谷面沙田里的非點源污染處理設施只有10分鐘左右的車程，地理位置接近，可視為兩地降雨特點相似。此外，高靈郡人工濕地流域的2017年降雨量為662.0mm、降雨天數為72天。

（三）水質與流量監測執行現狀

作為分析牛谷畜牧濕地流域非點源污染削減效率的基礎資料，實施了流量與水質監測。2017年降雨時進行了測量，監測執行現狀如表1所示，水質分析結果如表2所示。

（四）利用設計標準與監測結果評估處理效率

用作非點源污染物流出特點的因素包括降雨前濃度、算術平均濃度、流量加權平均濃度、峰值濃度、降雨前負荷量、算術平均負荷量、峰值負荷量、總負荷量。農村地區的營養素循環與土壤侵蝕均為自然過程，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、水文學因素、地質學因素、生態學因素，故而因流域而異。大多數情況下，降雨時發生的總負荷量比各個濃度或峰值負荷量更為重要。這是因為流出事件比較短、降雨流出水流入的水體（特別是水庫或水壩）中伴有某種程度的混合現象，因此水庫內的污染物濃度說到底還是總負荷量的反應，而不是受降雨影響的各個濃度變化。出于相同的原因，流量加權平均濃度（event mean concentration），即EMC值被視為是評估非點源污染物流出的最佳因素，使用也最為廣泛。

三、研究結果

（一）流出EMC分析

2017年7月，共對高靈郡牛谷畜牧濕地實施了監測，通過監測得出的各污染物流入與流出EMC如表3：

調查結果顯示，高靈郡牛谷畜牧濕地的流入水質為 BOD 13.9mg/L、COD 19.9mg/L、SS 17.0mg/L、T-N 9.4mg/L、T-P 0.509mg/L，流出水質為BOD 8.6mg/L、COD 11.9mg/L、SS 10.0mg/L、T-N 6.3mg/L、T-P 0.320mg/L。監測執行結果顯示，流入水質略高于設計水質。

（二）非點源污染削減成果評估與改善方案導出

調查結果顯示，處理對象地區為畜牧園地區，降雨時呈非點源污染物流出較高的土地使用形態，流出水的收集效率與洪水及侵蝕的安全性也比較高。因此筆者認為，購買現有的耕地后建成人工濕地時，設施選址用地的公共性及在農業水路中放水后流入河流、流出水順暢排出的能力較低。

1.設施容量

在韓國，計算濕地規模時主要采用利用滯留時間的計算方法，綜合考慮對象地區為私有土地、進行土地補償時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間的計算方法。雖然尚未在韓國就濕地滯留時間提出適當滯留時間的設計標準，但以6～24小時左右為宜。筆者認為，長時間滯留時產生藻類的危險相對較高且內部負荷導致處理效率下降的可能性也比較高，因此比起增加滯留時間，最好通過增加流入·流量的方式增加總污染物處理量。

2.非點源污染（土地）排放負荷量變化

研究結果顯示，本非點源污染削減設施（人工濕地）的削減量為BOD 0.067kg/天、T-P 0.008kg/天、T-N 0.084kg/天，實施項目后的排放負荷量為BOD 0.343kg/天、T-P 0.039kg/天、T-N 0.703kg/天，具有非點源污染削減效果。

四、結論

人工濕地是利用自然濕地水質凈化功能的水處理系統，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60年代起開始應用。韓國自20世紀90年代起開始在研究層面建設小規模濕地，環境部通過國庫補貼項目于2004年至2015年建成并運營51個非點源污染削減設施，其中最多的就是人工濕地，共有27處（53%）。

為分析韓國非點源污染削減設施中人工濕地的運營現狀，本研究以位于洛東江水系的高靈郡牛谷畜牧濕地為對象，利用設計標準與監測結果計算流量加權平均濃度（EMC）并評估處理效率。在本研究中得出了以下主要結論：

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

BOD8.6mg/L、COD11.9mg/L、SS10.0mg/L、T-N6.3mg/L、T-P0.320mg/L。監測執行結果顯示，流入水質略高于設計水質。筆者認為，這是坡度較大的排水區域特點本身導致流入順暢、寬度狹窄的濕地結構導致流水滯留時間較短所致。

對象濕地的削減效率略低于設計時的清除效率?？紤]到耕地與畜舍的非點源污染物流入會導致流入水濃度過高等現象，筆者認為，設計人工濕地時必須更細致地考慮周圍地區的特點，并在效率預測與設計中反映。此外，還必須通過持續監測比較設計預期值與運營實測值，二者存在差異時應掌握原因并積累運營效率化數據。

人工濕地依據非點源污染削減設施的安裝與管理、運營手冊進行管理，流入水質與清除效率按照比較設計標準保持。但是，必須依據相應流域特點重點運營的事項則與其他濕地不同。特別值得一提的是，隨著降雨時和雨水一起流入的雜質導致流入水無法流入、未清除水道雜草等導致水道內水流不均衡、出現死水區域等問題的發生，需要采取按時期增加清除次數的措施。與此同時，考慮到人工濕地內的水生植物過度生長會妨礙及擱置流水流動，造成水質污染，夏季時還需要清除水生植物。此外，氣候異常導致夏季水溫上升時會導致綠藻植物繁殖并產生毒素與異味，這可能會引發居民投訴，因此需要進行適當的植被管理?？紤]到各濕地的設計與特點、非點污染源物質、重點維護管理因素等各有不同，筆者認為，日后必須通過持續監測得出最恰當的人工濕地運營方案。

參考文獻：

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