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人工湿地水动力过程研究进展—Research Advances on Hydrodynamics of Constructed Wetlands 东华大学 环境学院 报告内容 研究背景—为什么要研究CWs水动力学？ 国内外研究进展—研究到了什么程度？ 目前不足之处—需从哪些方面继续研究？ 可能的研究思路—今后如何研究？ 最终目标—研究结果有什么用？ 一个研究CWs水动力学机制的例子 一、研究背景 CWs的发源、发展 人工湿地（Constructed Wetlands，CWs）作为一种环境友好的污水净化技术在全球范围内广泛用于处理多种废水。 国际：从其最初的发源地德国，到英国、法国、瑞典、荷兰、美国、加拿大、澳大利亚等都有大量的人工湿地工程在运行。 中国：从20世纪90年代，人工湿地污水净化技术被引入中国后，逐渐成为污水净化技术领域的研究热点。 处理污水种类：人工湿地从最初用于处理生活污水，发展到目前的单独或和其他技术联用处理分散式生活污水、农业非点源径流和农田回归水、净化河水、重建水景观系统、处理矿山重金属废水、含油污水、造纸废水等。 一、研究背景 CWs的发源、发展 形式：在人工湿地的设计形式方面，从最初的芦苇床系统发展为表面流系统、垂直潜流系统（上行流、下行流）、水平潜流系统、以及表面流和潜流结合的复合系统等。 在各种用途和形式的人工湿地中，用于处理含易降解有机污染物污水（如BOD、植物营养物氮/磷等）的水平潜流人工湿地（HSSFCWs）目前应用最为广泛。 一、研究背景 CWs中污染物净化的水驱动机制 污染物在CWs中的去除和转化综合了物理、化学和生物学过程，包括过滤、吸附、沉淀、挥发、生化降解、植物吸收等，潜流人工湿地中这种过程主要发生在填充基质和植物根系的表面（接触反应面）。 由于污染物在HSSFCWs中的去除和转化是在随水流动过程中发生的，其水动力过程决定了废水（包括其中的污染物）和介质表面的接触程度及反应时间，并决定了水质净化效果。 在一定程度上，可以说水动力过程在人工湿地污水净化过程中扮演着“驱动者”的角色。 一、研究背景 CWs中污染物净化的水驱动机制 水动力过程对水质净化过程的影响体现在三方面： 其一是通过流速和流态的变化直接改变湿地的物理化学性质，例如流速慢易于沉淀和吸附，快速流和湍流易于充氧，改变其氧化还原状况； 其二是通过水力停留时间（HRT）的变化决定废水中污染物和基质生物膜的生化反应时间和植物吸收时间； 其三是决定了废水中污染物和基质生物膜的连续有效接触反应面的多少，如果潜流湿地中存在大量的“短路流”或“滞水区”（“死区”），都会造成有效接触反应面的减少，即HSSFCWs有效体积的减少（水力效率的降低），最终造成去除效果的下降。 因此，HSSFCWs的水质净化，实际是污染物在水流驱动下在均一/非均一的多孔介质中迁移转化的过程。 一、研究背景 影响CWs中污染物净化的因素 宏观方面，分为四个因素 其一是外部自然环境条件，包括温度、光照、降水、蒸发等； 其二是外部进水水质条件，包括是否经过预处理、碳源/氮源等营养成分的比例、污染物浓度含量等； 其三是人工湿地的植物类型，植物通过根系吸收、根区输氧、改变系统空隙率和水流通道等影响水质净化； 其四是水动力条件，包括基质填充方式、布水方式、水力负荷（HLR）等。 上述四个方面的因素相互作用，影响HSSFCWs中的溶解氧（DO）、pH、碳源、温度、HRT、水力效率等物理化学条件，由此促成了污染物的生化降解/转化、植物吸收、挥发、吸附沉淀等去除过程。 一、研究背景 影响CWs中污染物净化的因素 上述四因素中： 外部环境条件属于不可控因素，进水水质条件可以通过前期预处理加以改善，植物系统属于辅助因素 水动力条件是和HSSFCWs的水质净化过程关系最为密切，并且在设计和运行管理中可以通过改变水动力条件来迎合前三个方面的因素，由此改善HSSFCWs的水质净化的物理化学条件。 如可以通过降低HLR，增加HRT，适应低温环境条件和高浓度进水水质；通过部分出水回流进行前置反硝化，以改善碳源不足；通过改变布水方式，提高水力效率，增加有效反应生物膜体积，改善处理效果等。 并且，从基质填充/布水方式、水力负荷等水动力条件控制HSSFCWs相对方便，能够避开在HSSFCWs设计和运行管理中的难题。比如，由于氮在多相环境介质中具有形态的多样性和转化的复杂性，如果直接从氮素转化的生化动力学影响因素方面控制脱氮效率，其工艺不但十分复杂，而且需要消耗更多的能源，更主要的是在人工湿地相对开放的环境条件下，这种控制不具有可操作性。 一、研究背景 为什么要研究CWs水动力学？ 通过实现HSSFCWs的水动力过程模拟并对HSSFCWs进行水力效率评价有助于从机理上揭示其水流过程的“黑箱