不同布水方式下水平潜流人工湿地水动力学机制研究

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1、水利学报2010年7月SHUILIXUEBAO第41卷第7期文章编号：0559-9350（2010）07-0818-08不同布水方式下水平潜流人工湿地水动力学机制研究1211宋新山，严登华，陈燕，张涛（1.东华大学环境科学与工程学院，上海201620；2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100044）摘要：通过6种布水方式（一般推流、多向入流、部分回流、波流、对角流、多点进水），进行了水平潜流人工湿地的脉冲示踪剂试验研究，获得其水力停留时间概率分布密度曲线。分别用4种不同概率分布函数（正态分布、对数正态

2、分布、卡方分布、瑞利分布）对其水力停留时间的概率分布密度进行拟合分析，结果表明：对数正态分布的拟合效果最好。将对流扩散模型和连续反应器模型用于示踪剂的迁移过程模拟，结果表明：连续反应器模型比较适合模拟部分回流式布水方式，对流扩散模型则能够较好模拟其他5种布水方式。考虑多向入流和多点进水的示踪剂浓度叠加作用，进一步利用基于对流扩散机制的叠加模型进行示踪剂迁移过程模拟，结果表明：基于对流扩散机制的叠加模型能够较好模拟多向入流、多点进水类型的水平潜流人工湿地。关键词：水平潜流人工湿地;示踪剂试验；水力停留时间分布；对

3、流扩散模型；连续反应器模型中图分类号：X143文献标示码：A1研究背景水动力过程是人工湿地设计和运行管理的关键机制之一。这是因为人工湿地所依靠的基质、微［1-2］［3-4］生物、植物根系之间的物理、化学和生物学过程的协同作用是在随水流动过程中发生的。水流过程可用水力停留时间分布函数（Hydraulicretentiontimedistributionfunction，RTD）、流体反应器动力学模型（对流扩散模型（Dispersionandplugflowmodel，DPFM）和连续反应器模型（Completel

4、ystirred［4-5］tankreactormodel，CSTRM））表征。潜流人工湿地（Subsurfaceflowconstructedwetlands，SSFCWs）中水流在基质层内流动，一般不出现明显的表面水流，其中的水平潜流人工湿地（Horizontalsubsurfaceflowconstructedwetlands，HSSFCWs）是指水流整体上呈现水平状态。20世纪90年代以前，人们对潜流人工湿地的研究集中在污染物去除的生化降解影响因素和其动力学过程上，未见有水动力学方面的研究报道。20世纪

5、90年代至21世纪初期，传统污水处理中的水动力学推流理论被引入人工湿地研究，但多集中于表面流人工湿地。近几年，人工湿地水动力学方面的研究开始明显增多。目前，关于SSFCWs水动力学研究集中于：理想［4-8］推流模型（Plugflowmodel，PFM）、连续完全混合反应器模型（CSTRM）和对流扩散模型（DPFM）。［4］Werner等则提出非完全混合区域模型，该模型在流路上构建多个推流反应器，每个都和紧邻的CSTR反应器进行物质交换，在垂直于流体运动方向上考虑径向扩散。目前，关于水平潜流人工湿地（HSSFCW

6、s）水动力学机制的研究不足主要表现为：（1）虽已发现RTD曲线是区别于正态分布的后端脱尾曲线，但很少有关于HSSFCWs的RTD函数的专门报道。这使得不能将RTD定量耦合到一些生化动力学模型中；（2）目前在关于HSSFCWs的水动力学研究中，一［6］般认为，PFM应用于表面流人工湿地具有一定可行性，应用于HSSFCWs则是无效的，但哪种流体收稿日期：2009-04-21基金项目：国家自然科学基金创新群体研究基金（50721006）；国家水专项（2008ZX07207-006-004）；国家重点基础研究发展计划9

7、73计划专题（2006CB403402-3）；上海市重点学科项目（B604）；上海市自然科学基金（10ZR1400300）作者简介：宋新山（1972-），男，河南叶县人，副教授，博士，主要从事水环境和环境数学模拟研究。E-mail：newmountain@dhu.edu.cn—818—反应器动力学模型更适合HSSFCWs，尚无定论。这使得对HSSFCWs的去除效率设计缺乏依据；（3）基于水动力驱动机制，一些研究试图通过改变SSFCWs的进出口水分布和水流流态（布水方式）提高除污效果，如多点进水、出水回流或多向入

8、流尝试补充碳源和氧气，提高硝化-反硝化效果；波流式试图延长流路，充分利用有限容积增加停留时间。相对于一般推流或对角流，这些布水方式对污染物去除效果明显增强。但这种新型布水工艺的水动力学机制尚不清楚。这使得难以从理论上进行定量化设计改进。本文通过对不同布水方式下HSSFCWs的脉冲示踪剂试验RTD曲线的分析和拟合，以期发现最适合HSSFCWs的水力停留时间分布函数模型；通过将DPFM和C