水动力对垂直流人工湿地生物堵塞的影响机制研究

Clogging is the most significant challenge limiting the application of constructed wetlands to improve water environment, and the bioclogging is the key issue of it. Bioclogging has close relationship with the formation, movement of the biofilm, which is significantly affected by the hydrodynamic condition. This study, focusing on the bioclogging phenomena, will investigate how clogging (the reduction of the effective porosity) occurs as a result of the growth and decay of the biofilm, the attachment and detachment of matured biofilm, the transport, runoff and accumulation of the detached biofilm within the porous medium subjected to water flow at different rates in a constructed wetland. Furthermore, the response relationships among the bioclogging process, internal pore structure (the flow pattern, physical and chemical variation) and the clogging severity will be investigated. Based on these relationships, a numerical bioclogging model of constructed wetland will be developed to provide quantitative assessment of biological clogging dynamics and derive quantitative indicators for biological clogging forecast and early-warning. The outcomes would provide a theoretical basis and technical support for solving the clogging problem.

堵塞是人工湿地改善水环境技术应用的主要瓶颈，生物堵塞又是湿地堵塞的关键性问题。生物堵塞与湿地系统内生物膜的形成、运移有着密切关系，其中水动力是对其影响最显著的因素之一。本项目将以"人工湿地生物堵塞造成的基质有效孔隙率减小"为切入点，针对湿地生物堵塞的动态特征，采用理论分析、室内实验和数值模拟相结合的手段，分析不同水动力条件下有机营养物进入湿地系统后形成的生物膜在孔隙中生长、衰败、附着、脱落、运移和累积并最终导致堵塞的过程，揭示生物堵塞发生过程中湿地系统中水动力变化-生物膜变化-堵塞程度变化的互相响应关系，量化生物堵塞过程，建立湿地生物堵塞模型。研究成果可为人工湿地水力参数优化提供理论依据，为人工湿地生物堵塞的预测与预警提供量化指标，因此对于完善人工湿地设计理论与管理具有重要的理论意义和应用价值。

人工湿地系统作为一种简便高效的污水生态处理技术，堵塞尤其是生物堵塞问题已成为制约其推广应用的重要因素之一。堵塞与湿地系统内悬浮颗粒的累积、运移有着密切关系，其中水动力是对其影响最显著的因素。探讨了人工湿地堵塞现象，深入了解了堵塞过程中基质内部的物理、化学、生物特性变化是构建运行人工湿地的关键。本项目在实验室尺度范围内，构建垂直流人工湿地单元模型，探究了不同水动力条件下湿地堵塞过程行为变化，以及这种变化对基质内部微生物群落结构的影响，最后建立了耦合水动力的垂直流人工湿地生物堵塞模型，量化堵塞过程。主要研究结果如下：.（1）相同水力负荷不同运行时期堵塞速度不同，具体表现为运行前期＜运行中期＜运行后期；不同水力负荷条件堵塞速率也有所不同，水力负荷越大，堵塞速率越快。通过示踪实验对整个堵塞进行监测，发现运行后期拖尾及波动现象较严重，水力停留时间延长，延长率在5%-20%左右，但反应单元数小于堵塞前期，水力效率也有所减弱。水力负荷为0.5m3/m2·d的水力效率高于1.0m3/m2·d。通过COMSOL对示踪过程的数值模拟，对比分析示踪试验的现象和过程，发现吻合程度较好。.（2）通过高通量测序手段分析堵塞过程基质内部微生物群落结构，发现不同堵塞程度的基质内部均存在丰富的微生物群落，并存在共有的微生物群落。主要表现为在门水平的分类中占主导地位的菌群均为变形菌门、拟杆菌门和放线菌门（丰度80%以上）；在垂向方向上，沿不同深度位置处湿地系统内部均存在一定数量的优势菌群。上下层多样性指数有差异，上层保持在6.9~7.5之间，下层保持在5~7.5之间。.（3）建立了耦合水动力的生物堵塞模型，动态描述了整个生物堵塞的过程，定量预测了不同时间内累积在空隙中的生物膜量，为生物堵塞的预测提供了依据。通过对实测值和计算值的对比分析，发现实测值和计算值有较好的吻合，说明建立的模型是合理的。