潛流人工濕地水力學(xué)研究進(jìn)展

隨著(zhù)人們對環(huán)境問(wèn)題重視的不斷加深，各種水污染治理技術(shù)相繼出現，其中人工濕地（CWs）被證實(shí)是一種低成本、生態(tài)化的污水處理技術(shù)，在國內外的研究和應用十分廣泛。2010年，環(huán)保部發(fā)布了《人工濕地污水處理工程技術(shù)規范》，標志著(zhù)CWs技術(shù)在我國水處理領(lǐng)域的工程化應用進(jìn)入了規范階段。

人工濕地除污效率受到多種因素影響，包括氣候溫度、基質(zhì)微生物、植物種類(lèi)、運行方式等，對此國內外相關(guān)研究頗多。另外，水力條件的改變會(huì )影響人工濕地污水的停留時(shí)間、污染物與基質(zhì)的有效接觸面積等，從而對人工濕地除污效果起到關(guān)鍵作用。目前，應用廣泛的潛流人工濕地的水流方式需要通過(guò)人為控制來(lái)進(jìn)行調整，對其水力條件的研究顯得更為重要，也逐步受到重視。但是，關(guān)于人工濕地水力條件的影響因素及其優(yōu)化方法的研究成果相對零散。因此，筆者著(zhù)重歸納分析人工濕地水力學(xué)的研究方法和影響水力條件的主要因素，為提升人工濕地對污染物去除效果提供一定借鑒。

1 潛流人工濕地水力學(xué)研究方法

潛流人工濕地內水的流態(tài)屬于多孔介質(zhì)流。但是，在人工濕地基質(zhì)中，錯綜復雜的根系導致其周?chē)鷺O易出現紊流，所以其水力特征很難用滲流研究中的成熟理論來(lái)描述。目前，人工濕地水力學(xué)研究方法主要包括理論分析法、數值模擬法和實(shí)驗法。

1．1 理論分析法

理論分析法是利用流動(dòng)模型假設，給出所研究問(wèn)題的解析解或簡(jiǎn)化方程。當潛流水的流動(dòng)狀態(tài)為層流時(shí)，人工濕地的水力學(xué)方程可采用達西公式表述；當滲流的雷諾數Re＞10時(shí)，對水流的擾動(dòng)作用已不能忽視，一般則可采用厄剛（Ergun）公式來(lái)描述。隨著(zhù)潛流人工濕地理論研究的深入，多種水力學(xué)模型相繼被提出：Kadelc提出了理想推流模型（PFM），Florent提出了彌散推流模型（DPFM），Han等人提出了多流彌散模型（MFDM），Deans提出了連續完全混合反應器模型（CSTRM）。這些模型對濕地構造、運行方式、和水力學(xué)參數的選擇等方面提供了一定的借鑒。1．2 數值模擬法

數值模擬法通過(guò)數值計算和圖像顯示對流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行研究。隨著(zhù)紊流理論的發(fā)展和計算機計算能力的提高，數值模擬方法有了較大的發(fā)展。其中，計算流體力學(xué)技術(shù)將實(shí)驗研究與理論分析方法聯(lián)系起來(lái)，使很多簡(jiǎn)化流動(dòng)模型的方法得到發(fā)展和完善，為人工濕地水動(dòng)力模擬和數學(xué)建模分析提供了有效手段。例如，范立維采用計算流體力學(xué)（CFD）對潛流人工濕集水區對水力學(xué)性能的影響進(jìn)行了數值模擬研究，結果表明在平均停留時(shí)間相差不大的情況下，散度成為潛流人工濕地水力效率的主要影響因素；肖海文對人工濕地水力停留時(shí)間分布進(jìn)行了模擬研究，通過(guò)比較分析水力停留時(shí)間分布的早期高峰、峰值集中和尾部?jì)A斜拖長(cháng)等流態(tài)特征，結果表明活塞流反應器并聯(lián)完全混合反應器模型處理效果最好。

1．3 實(shí)驗法

實(shí)驗法是人工濕地水力學(xué)研究中最常用的方法，它是利用示蹤表征相應的水流運動(dòng)，對其分析后得到水流運動(dòng)的規律性。其基本原理是在系統進(jìn)水中瞬時(shí)加入示蹤劑脈沖，繪出系統出水中示蹤劑濃度隨時(shí)間的響應曲線(xiàn)（RTD），以判斷濕地系統短流、死區比例以及水力效率。Florent等將活塞流離散模型和多釜串聯(lián)模型運用到潛流人工濕地水力學(xué)研究中，通過(guò)示蹤劑實(shí)驗指出其更適合模擬潛流人工濕地中的非理想流動(dòng)。王久賢對白泥坑人工濕地水力學(xué)計算進(jìn)行了研究，由示蹤劑試驗確定了系統中水力停留時(shí)間分布（RTD），提出RTD的不同是濕地處理效率差異的主要原因。

2 潛流人工濕地水力學(xué)特征描述

潛流人工濕地水力學(xué)特征參數主要包括水深、流量、水力負荷、水力停留時(shí)間（HRT）等。

水深對濕地內部的氧含量影響較大，是濕地植物生長(cháng)，微生物繁殖的制約因素，溶解氧過(guò)低將使氨氧化過(guò)程受到影響，因此對水深的控制尤其重要。

水力負荷是通過(guò)單位面積的水流體積。在不同的水力負荷條件下，濕地的污水處理效果差異很大：水力負荷過(guò)高，水力停留時(shí)間縮短，污水處理效果相應降低。這是因為水力負荷過(guò)高時(shí)，植物根系、微生物、基質(zhì)對污染物的接觸面積過(guò)低，不能充分發(fā)揮濕地系統的去污能力。

HRT與人工濕地處理效率密切相關(guān)。HRT時(shí)間過(guò)短，污染物與植物、微生物和基質(zhì)的接觸時(shí)間較短，生化反應不充分，從而導致處理效果不佳。反之，HRT過(guò)長(cháng)，容易引起污水滯留、厭氧區域擴大以及基質(zhì)堵塞等問(wèn)題。因此，HRT是影響人工濕地污染物去除效率的重要因素。

此外，水力條件還能直接或間接改變人工濕地的物理化學(xué)性質(zhì)，如氧化還原電位、pH值等。

根據上述水力指標對人工濕地的影響，人們提出了能綜合分析影響人工濕地污染物去除效率的指標——水力效率，例如，王世和等研究了水力條件對人工濕地處理效果的影響，通過(guò)測定分析水深、水力負荷、水力停留時(shí)間等對人工濕地中的COD、懸浮物、氨氮等去除效果的影響及其規律，探明了各自?xún)艋瘷C理。國外也有很多學(xué)者提出了衡量人工濕地水力效率的指標，如Tact提出的短路值，Thackston提出的有效體積比等。

3 潛流人工濕地水力學(xué)特征的影響因素

3．1 濕地構造

濕地結構是影響潛流人工濕地水力學(xué)特征的一大因素。Garcia等通過(guò)示蹤劑實(shí)驗研究了長(cháng)寬比對潛流人工濕地水流運動(dòng)的影響，結果表明長(cháng)寬比增加，會(huì )導致水力停留時(shí)間增加、活塞流比例升高、死區率降低。Alcocer等研究了長(cháng)寬比對潛流人工濕地水力效率的影響，發(fā)現較大的長(cháng)寬比可以降低短流影響，提高水力效率。Holland［22］等通過(guò)染料示蹤劑實(shí)驗研究了水深對潛流人工濕地水力效率的影響，實(shí)驗結果表明增大水深有助于提高水力效率。

3．2 基質(zhì)

基質(zhì)種類(lèi)、尺寸以及填充方式對潛流人工濕地水力特征均有影響。William等研究了粗礫、豆礫以及砂三種填料的蘆葦潛流人工濕地水力傳導性，實(shí)驗結果表明豆礫是潛流人工濕地填料較好的選擇，其水力傳導性較好，不易堵塞。Alcocer等通過(guò)示蹤劑實(shí)驗研究了基質(zhì)粒徑等對潛流人工濕地水力學(xué)性能的影響，結果表明，較小的粒徑可以增加水力停留時(shí)間，減少短流，但會(huì )降低活塞流比例。Suliman等研究了基質(zhì)裝填方式對潛流人工濕地水力學(xué)性能的影響，結果顯示填料分層裝填可以提高濕地除污效率。

3．3 濕地植物

King等研究了植物根部結構和微生物膜對人工濕地水體流態(tài)的影響，結果顯示單一因素并不能完全表征其對人工濕地水流的影響。Grismer等通過(guò)示蹤劑實(shí)驗研究了植物對潛流人工濕地水流彌散的影響，認為植物加深了水流彌散程度。Eva等研究了植物根區對潛流人工濕地水流運動(dòng)的影響，認為植物的蒸發(fā)作用對水流運動(dòng)有著(zhù)較大影響。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3．4 運行方式

Suliman等研究了進(jìn)出水位置對潛流人工濕地水力學(xué)性能的影響，結果顯示不同進(jìn)出水方式使得水力停留時(shí)間不同，導致濕地處理效果迥異。宋新山等研究了不同布水方式對水平潛流人工濕地水力效率的影響，發(fā)現對流擴散模型能夠較好模擬一般推流、波流、對角流，基于對流擴散機制的疊加模型能夠較好模擬多向入流、多點(diǎn)進(jìn)水類(lèi)型的人工濕地。

4 存在的問(wèn)題

目前，潛流人工濕地水力學(xué)特性的研究中普遍采用示蹤劑模擬實(shí)驗方法分析水流規律，但是該方法存在一定缺陷，涉及到示蹤劑及其注入方法的選擇等諸多問(wèn)題，有必要利用更先進(jìn)的研究方法來(lái)探討潛流人工濕地水力學(xué)特性。

潛流人工濕地水力學(xué)性能影響因素，如濕地構造、基質(zhì)類(lèi)型及尺寸、濕地植物和運行方式等對水力停留時(shí)間的影響，是目前主要的研究?jì)热�，但大部分研究都停留在觀(guān)測分析各因素對水力停留時(shí)間分布（RTD）曲線(xiàn)形狀的影響方面，鮮有根據RTD擬合模型進(jìn)行模擬計算。此外，在人工濕地實(shí)際工程應用中，濕地基質(zhì)堵塞是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題，而上述水力因素與基質(zhì)堵塞之間的關(guān)系也鮮有研究。