水平潜流人工湿地模型_闻岳

关键词 人工湿地 衰减方程 一级模型 机理模型 水动力学 文章编号 1001- 9332( 2007) 02- 0456- 07 中图分类号 X703 文献标识码 A
Horizon tal subsurface flow constructed w etland m odels. WEN Yue, ZHOU Q i (S tate K ey Laboratory of P ollu tion Contro l and R esources R euses, T ongji Un iversity, Shanghai 200092, Ch ina ). -Chin. J. App l. E col. , 2007, 18( 2): 456- 462. A bstract: A s a new treatm ent technology, constructed w etland plays an important ro le and has broad prospects in w ater po llution contro l and env ironm ental restoration. Its design ing artifice is ge-t ting progress ow ing its increasing applicat ion in w astew ater treatm ent coupling w ith the increasing ly strict w ater qua lity standards. F rom the aspects o f hydrodynam ics, contam inants degradat ion dynamics and param eters uncertainty, th is paper gave a system atic rev iew on the horizonta l subsurface flow constructed w et land m odels, including load approach, regression equation, firs-t order k - C* mode l
Cou t - C c = ( 1 + [ A/q] ) ( 1+kA /A)
( 2)
C in - C c
ห้องสมุดไป่ตู้
其中,
C c = C*
kA
kA + A
模型中温度因素可用 Arrhen ius公式 ( 式 ( 3 ) )
修正:
kA, T
=
k H(T- 20) A, 20
kV, T
=
k H(T- 20) V, 20
理想推流状态. 这都使得一级动力学方程的使用受 到限制 [ 11] . K adlec[ 10- 11 ] 认为, 反应速率常数 k 会随
着进水浓度、水力负荷和床区水深等因素变化. Stein 等 [ 24] 研究也表明, 依据植物种类和温度, 水平潜流 人工湿地反应速率常数 k 和背景浓度 C* 差异显著, k 和 C* 之间有强烈的依赖关系. 因此, 参数 k 和 C*
水平潜流人工湿地设计的第一代模型有负荷法 和衰减方程, 第二代模型是一级 k - C* 模型及其改 进型模型, 这些模型都是非机理性模型. 最新出现的 第三代 机 理性 模 型 有 W ynn 箱 式 动 力 学 模型 和 CW 2D 模型.
2 非机理性模型
211 负荷法 与废水生物处理相似, 负荷法是基于工程实践
目前对人工湿地系统的监测主要集中在进、出 水水质数据上, 衰减方程在解释和运用这类数据上 具有优势. 其将处理湿地系统视为 / 黑箱 0, 通过对 进、出水浓度或负荷的统计, 依据人为定义的线性或 幂次方程对数据拟合 [ 13 ] , 获得进、出水指标间的关 系. R ousseau等 [ 22 ] 对此做了详细的整理, 本文不再 赘述. 但绝大多数衰减方程把人工湿地如此复杂的 系统仅用 2个参数加以描述, 这显然过于简单化了. 极少数的衰减方程建立了根据进水浓度和水力负荷 率推算出的水浓度方程式, 如 K ad lec 等 [ 12] 依据美 国水平潜流湿地得到的 TP 衰减方程: C ou t = 0123q016 C in 0176 ( 其中, 213< C in < 713; 011< Cou t < 6; 212< q < 44; R 2 = 0160) . 只有同时考虑进水浓度与水力负荷 率的衰减方程才能预测在最大允许水力负荷率下给
应 用 生 态 学 报 2007年 2月 第 18卷 第 2期 Ch inese Journa l of A pp lied E co logy, F eb. 2007, 18( 2): 456- 462
水 平 潜 流 人 工 湿 地 模 型*
闻 岳 周 琪* *
( 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092)
除用于生活污水的处理外, 人工湿地还可用于
* 国家高技术研究发展 计划项目 ( 2002AA 601023) 和上 海市科 委重 大科技攻关资助项目 ( 04dz12029 ) . * * 通讯作者. E-m ai:l zhouq @i m ai.l tong j.i edu. cn 2006-07-12 收稿, 2006-11-18 接受.
经 验 的 设 计 方 法, 便 捷 但 粗 糙. K ad lec 等 [ 12] 和 W ood[ 30] 总结了 水平潜 流人 工湿 地的 若干负 荷参 数: 水力停留时间 2~ 7 d; BOD 最大负荷率 75 kg# hm - 2 # d- 1; 水力负荷 012 ~ 30 cm # d- 1. 这些设计 参数是从不同气候和地理位置、处理不同类型废水 的人工湿地的运行数据中获得的, 因此参数范围较 宽, 不确定性大. 采用负荷法设计时, 应谨慎对待, 尽 可能采用类似条件下的工程运行数 据加以分析计 算. 例如, 在欧洲大部分地区, 采用设计参数 5 m2 # PE- 1可直接用于处理分散点源生活污水的水平潜 流人工湿地设计, 但在北欧寒冷地区运用则需更大 的面积. 212 衰减方程
定进水浓度的出水水质. 在衰减方程中, 系统的其它 水动力学条件, 诸如湿地填料的材料和规格、系统的 几何尺寸等因素被忽略, 致使衰减方程具有多种表
达式, 也使得设计中存在大量不确定因素. 湿地处理
效率不仅决定于进水污染物浓度和水力停留时间, 还与系统水流流态相关, 而仅用水力负荷率描述水 流流态太过粗糙. 213 一级 k - C* 模型
景浓度 C* 可解释为: 1) 进水中难降解的有机组分;
2)湿地中微生物的代谢产物及其 死亡分解过程中 产生的难降解有机组分; 3) 湿地中水生植物的代谢 产物及其死亡分解过程中产生的难降解有机组分.
当降雨和蒸腾蒸发效应项对湿地处理性能产生
影响时, 在稳态条件下由式 ( 1) 可推导得出式 ( 2):
度抑制的一级动力学模型. 并将实验结果绘制成计
45 8
应用生态学报
18 卷
算图表, 可用于在不同盐度影响下人工湿地的设计
与预测.
一级动力学模型最致命的缺陷是方程建立在稳
态和理想推流条件下. 在实际工程中, 无论浓度还是 水量变化都产生非稳态问题 [ 1, 10, 29] . 同时, 人工湿地
床区中存在的短流和死区也导致了水流流态处于非
K ey words: constructed w et land; reg ression equation; firs-t o rder m ode;l m echanist ic m ode;l hydrodynam ics.
1引 言
人工湿地是根据自然湿地净化污水的原理, 通 过人工建造和控制来强化其净化能力的处理技术. 在设计和建造人工湿地过程中, 可以在进出水方式、 填料及植物等方面进行选择和搭配, 以优化人工湿 地生态系统中的物理、化学和生物作用, 通过 3个方 面的协同作用来削减污水中的污染物浓度, 使水质 得到净化 [ 13, 28] .
根据对衰减方程的研究, 美国环保署 [ 27 ] 提出了 被广泛接受和使用的人工湿地设计模型: 一级动力 学方程. 该模型假设: 1) 湿地 系统处于稳态 ( 即进、
出水流量和浓度不随时间变化 ) ; 2) 污染物降解服 从一级反应动力学; 3)水流流态呈理想推流. 则
dC dt
=-
kV C
由初始条件: C = C in ( t = 0); C = Cout ( t = S)
物过程, 因 此其模 型要比 常规 污水 生物 处理更 复 杂 [ 17] . 在水平潜流人工湿地的设计中, 简单模型和
2期
闻 岳等: 水平潜流人工湿地模型
4 57
复杂模型都各有优、缺点. 本文除了强调各类模型的 适用范围及其参数的不确定性外, 还着重讨论了水 动力模型在水平潜流人工湿地设计中的重要性.
and its reform ed fo rm s, and dynam ic m echan istic m ode ls. B ased on the com parison of the assum ptions and m ethodo log ies o f the m ode ls, the intrinsic relat ionships in the developm ent o f horizonta l subsurface flow constructed w et land m ode ls w ere analyzed, and the m a in issues o f the ir app lication in constructed w etland design w ere indicated, w ith the perspectives in this f ie ld d iscussed.