新型渗透式模块化人工湿地水力条件优化研究及其污染物去除效能提升

为解决人工湿地(CWs)因水质水量波动导致的处理效率下降问题，济南大学团队创新性地将开槽挡板与模块化植物单元结合，构建渗透式模块化人工湿地(PMCW)。通过NaCl示踪实验和数值模拟，发现低密度水平开槽挡板组合能显著延长水力停留时间(HRT)、改善流速分布，使PMCW兼具优异水力性能与污染物去除能力，为生态污水处理技术升级提供新思路。

　　

随着全球对生态安全关注度的提升，污水处理排放标准日益严格，人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）作为三级处理的主流技术面临重大挑战。传统CWs在实际运行中常因水质水量波动、基质堵塞等问题，导致水力性能下降、处理能力衰减。更棘手的是，基质中物理化学和微生物作用产生的副产物积累，会引发短流（short-circuiting）、水力停留时间（Hydraulic Retention Time, HRT）缩短等现象，这些问题都与内部水力性能变化密切相关。研究表明，良好的水力性能不仅是CWs长期稳定运行的关键，更是持续去除污染物的基础——水流状态直接影响污染物与基质的接触效率，而均匀的流场分布对固体颗粒截留和功能微生物群落空间分布至关重要。

为突破这些技术瓶颈，济南大学水利与环境学院的研究团队开展了一项创新性研究，成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。该研究首次将挡板配置与植物种植策略相结合，构建了新型渗透式模块化人工湿地（Permeable Modular Constructed Wetland, PMCW），通过系统优化水力条件显著提升了污染物去除效能。

研究采用多学科交叉方法：首先通过透明模型湿地（Transparent Model Wetland, TMW）进行NaCl和染料示踪实验，直观观测不同开槽挡板组合下的水流路径；结合计算流体动力学数值模拟，定量分析挡板开槽密度、方向对水力参数的影响；最终将最优挡板组合应用于PMCW生物单元，评估其实际污水处理效果。

Transparent model wetland (TMW) and slotted baffles design
研究团队设计长0.6m×宽0.2m×高0.2m的透明丙烯酸TMW，通过对比无挡板对照组，系统测试了垂直/水平开槽方向、高/低开槽密度等变量组合的水力性能。

Baffle slot density
示踪实验表明：开槽密度对水力性能的影响显著强于开槽方向。低密度开槽挡板相比高密度能更有效延长HRT并改善流速分布；RTD曲线显示，垂直开槽时峰值时间延迟更明显，但水平开槽能更好消除低速区。

Baffle slot direction
水平开槽挡板通过确保均匀布水、减少低速区，展现出优于垂直开槽的水力性能。数值模拟证实，异型挡板组合会导致复杂流路限制水力性能，而同型挡板组合中低密度水平开槽方案表现最佳。

Conclusions
研究得出三大创新结论：一是首次证实低密度水平开槽挡板组合能最大化改善CWs水力性能；二是模块化植物生长与优化挡板产生协同效应，使PMCW兼具优异的水力性能和污染物去除能力；三是为生态污水处理系统提供了可推广的模块化设计范式。这些发现不仅解决了CWs应对水质水量波动的适应性难题，更为实现高效、稳定的生态污水处理提供了关键技术支撑。

该研究的突破性在于将工程优化（挡板开槽）与生态策略（模块化植物）创新结合，通过多尺度实验验证，为人工湿地技术升级开辟了新路径。研究团队特别指出，PMCW的模块化设计使其具备灵活调整优势，可针对不同污水处理需求快速优化配置，这对推动污水处理技术的标准化、规模化应用具有重要实践意义。