非稳态条件下人工湿地的水动力学特征及其与除污反应动力学模型的耦合研究

Study on pollutant removal mechanism of constructed wetland(CW) with unsteady flow becomes emergent for the increasingly widely use of CW in non-point source pollution control such as management of agriculture and urban runoff. However, traditional wastewater treatment theories are generally based on steady flow condition. The theories and study methods are now inadequate on wastewater treatment in unsteady condition of which the flow rate is time dependent. In this study, The residence time distributions of unsteady flow CW will be investigated by conservative tracer tests based on time series to creat a dynamic model simulating the hydraulics of CW with unsteady flow. After that, the effect of unsteady flow hydraulics on pollutant removal will be analyzed, and experiments will be conducted to determine the impacts of unsteady flow hydraulics on pollutant removal in CW. Finally,the dynamic hydraulic model will be combined with pollutant removal reaction kinetics model to simulate the variation of outflow pollutant concentrations in CW with unsteady flow. It is of great significance to carry on this research and discover the characteristics of hydraulics and its effect on pollutant removal kinetics in unsteady flow CW. Meanwhile, This study would be very helpful in exploring new research and experiment method on unsteady flow wastewater treament.The results of this study would be widely applicable and are expected to aid theoretically the efforts of analysing the performace, optimizing the design and operating of CW with unsteady flow such as CW treating urban or agriculture runoff.

人工湿地在农业或城市径流处理等面源污染控制领域的大量应用使非稳态条件下人工湿地除污机制的研究任务日益紧迫。然而，传统污水处理理论通常都建立在稳态条件的基础上，非稳态（进、出水流量随时间变化）下的污水处理往往缺乏成熟的理论及试验分析方法。项目将通过基于时间轴的多点示踪剂试验，分析非稳态过程中人工湿地内水力停留时间分布特征及其变化规律，建立非稳态下人工湿地水动力学模型；在此基础上，分析非稳态下水动力学特征对除污反应动力学的影响机制，进行除污效能影响试验，将水动力学特征与除污反应动力学模型耦合，实现非稳态下人工湿地污染物出水浓度变化过程的模拟。项目对揭示非稳态下人工湿地的水动力学特征及其对除污反应动力学的影响具有重要意义；同时也是非稳态污水处理领域新试验、研究方法的探索和尝试。研究成果可为农业或城市径流处理等非稳态人工湿地的除污效能分析以及优化设计和运行提供理论支持，具有广阔的应用前景。

人工湿地在农业或城市径流处理等面源污染控制领域的大量应用使非稳态条件下人工湿地除污机制的研究任务日益紧迫。然而，传统污水处理理论通常都建立在稳态条件的基础上，非稳态（进、出水流量随时间变化）下的污水处理往往缺乏成熟的理论及试验分析方法。项目模拟实际降雨径流处理人工湿地的非稳态进水水质、水量过程，通过基于时间轴的多点示踪剂试验，分析了非稳态下人工湿地内水力停留时间分布特征及其变化规律，建立非稳态下人工湿地水动力学模型；在此基础上，分析非稳态水动力学特征对除污反应动力学的影响机制，进行除污效能试验，将水动力学特征与除污反应动力学耦合，实现了非稳态下人工湿地污染物出水浓度变化过程的模拟。项目研究取得的主要研究进展和成果包括：①基于时间轴的多点示踪剂试验表明，非稳态进水流量波动影响了人工湿地RTD的唯一性，与稳态相比，非稳态下入流液体的平均停留时间缩短，出流峰值提前，湿地内部纵向混合效应减弱，这一影响在水量冲击负荷发生时和开始前影响显著，冲击负荷结束后迅速减小。②用基于出水流量的无量纲时间变量ϕ归一化处理后的RTD在非稳态过程中相对稳定，体现出人工湿地自身存在的、独立于流量变化之外的稳定特征水流规律。非稳态湿地的水动力学特征可用归一化RTD及其统计学参数进行描述。归一化平均水力停留时间tmean’可代替传统水力停留时间HRT作为降雨径流处理等非稳态人工湿地的设计参数。③CSTRs+PFD并联模型可良好地模拟稳态及非稳态下人工湿地的归一化RTD，应用该模型能够对非稳态任一时刻入流液体的示踪剂响应进行预测，并能够对不同类型人工湿地的水动力学特征和水力效率进行比较。④将水动力学与除污反应动力学耦合建立的非稳态人工湿地除污模型可用于预测非稳态下人工湿地的出水污染物浓度过程。模型数学概念为人工湿地出水浓度随时间变化的列向量C(t)等于停留时间分布矩阵X与一级反应动力学列向量F(t)的乘积。模型在城市径流处理人工湿地的实际运行效果模拟中效果良好。项目的研究成果对揭示非稳态下人工湿地的水动力学特征及其对除污反应动力学的影响具有重要意义；基于时间轴的多点示踪剂试验法是非稳态污水处理领域新研究方法的探索和尝试。研究所建立的模型在城市径流处理人工湿地的实际运行模拟中效果良好，可为农业或城市径流处理等非稳态人工湿地的除污效能分析以及优化设计和运行管理提供理论支持，具有广阔的应用前景。