人工湿地去除污染物模型的研究进展
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[ 17]
。对水平流潜流人工湿
[ 12]
地, 用 CSTR 模型也较推流模型更适用
。
根据一级反应动力学假设, 无论是浓度还是流速变化, 只要质量负荷增加 , 去除率不存在理论限制。但情况并非如 此。 L iehr等研究表明, 利用自由水面人工湿地和水平流人 工湿地处理垃圾渗率液, 出水总 N 浓度远小于一级反应动力 学模型预测值
- 1 2 3 * - kt [ 10]
NH 4 -N 去除反应还可用微分表示 : v NH 4 d NH 4 = k + K + NH 4 dz
+ +
+
式中, v 为渗透速率 (m /d); z 为沿流动方向的距离 ( m ); k 和 K 为回归系数。 经回归分 析, k 和 K 分别 为 - 7 . 8 m g/ ( L # d) 和 5. 5 2 m g/L( r = 0. 94) 。 3 讨论 一些研究 者对 只考 虑层 流传 输 的推 流模 型提 出 质 疑
基金项目 作者简介 收稿日期 建设部研究开发项目 ( 04 -2-067) 。 朱岩 ( 1977- ) , 男 , 吉林长春人 , 工程师 , 从事水和污水处理 工程研究 。 * 通讯作者 , 硕士 , 工程师 。 2010-02 -20
[ 9]
图 2 F ig .2
湿地中的 N 循环 N cycle in w etland
图3 Fig .3 湿地中的 P 循环 P cycle in wetland
C e = C0 ( 0. 105 8+ 0 . 001 1 HLR ) 式中, Ce 为出水 TSS( m g/L); C0 为进水 TSS ( mg /L); HLR 为 水力负荷率 ( c m / d) 。 利用潜流人工湿地去除 BOD、 TSS和 N, 设计时一般分 2 级单元。第 1级主要用于去除 BOD, 第 2级主要用于去除 N。资料表明, 用于去除 BOD 的湿地单元, 水力停留时间仅 为 12~ 24 h。 NH4 -N 的去除发生在第 2单元 , 但总 N 在第 1 单元去除了 1 /3。因此, 合理的设计方法是考虑 NH 4 -N 的去 除量来确定第 2单元的大小。 推流式反应器中, 微生物对 NH4 -N 的去除遵循一级反 应动力学: + + ( -K H ) NH 4e = NH 4i e 式中, NH 4 i 为进水 NH4 -N 浓度 ( mg /L); NH 4e为出水 NH4 -N 浓度 ( mg /L ); K 为动力学速率常数 ( 0. 497d , r = 0 . 86 ); H 为 HRT ( d) 。
[ 15- 17]
。理想的推流式运行即进水进入湿地后 , 在整个湿
地中的运行呈均匀的层流, 分配均匀, 流速均匀。设计建议 使用较大的长宽比, 沿长度从一端进水, 另一端出水, 以保证 水流的推流式运行。但实际上 , 一些因素可以导致这种均匀 性的失败。这些因素包括 : 局部隔水层和地形变化, 水流长 距离传输形成的沟流通道以及散落层和横向扩散对水流的 影响等。因此, 自由水面人工湿地水流呈推流 + 扩散模式, 类似于连续搅拌反应器 ( CSTR )
38卷 15 期
朱 岩等
人工湿地去除污染物模型的研究进展
8139
最大 粒径 8 mm, 占 10 % ) 。 BOD 负荷 率应 该在 80 ~ 110 kg/ ( hm # d) 以下。 水力停留时间:
2
HRT =
A @d @ U L 或 HRT = Q K S @S
3 2
式中, L 为床体长度; KS 为水力传导率 [ m / ( m # d) ]; S 为 床体坡度 ( m /m ) 。 经回归分析, 潜流人工湿地中 TSS 的去除率与水力负荷 率呈正比:
安徽农业科学, Jou r n al ofAnhu iAgr.i Sc. i 2010 , 38( 15): 8138 - 8140
责任编辑
姜丽
责任校对
卢瑶
人工湿地去除污染物模型的研究进展
朱 岩 , 李桂星
1 1 *
, 杨悦新
2
(1 . 中国市政工程东北设计研究院, 辽宁大连 116600 ; 2 . 大连民族学院环境工程系, 辽宁大连 116605)
[ 4Байду номын сангаас 8]
图1
湿地水力学概念模型
F ig . 1 Conceptualmodel of wetland hydraulics
念模型 (图 2、 3)
[ 10]
。
。但人工湿地构
成复杂, 包括不同的介质材料、 水、 微生物和植物, 而且反应 机理多样, 包括物理、 化学和生物反应。因此, 建立人工湿地 模型相对困难, 造成不同条件下模型差异很大 , 缺乏通用性。 人工湿地模型化方法有定量化方法和定性化方法, 定量化方 法有经验模型和统计模型 , 定性化方法有概念模型。笔者对 此进行了介绍 , 以期为人工湿地在实际中的应用提供指导。 1 概念模型 人工湿地的概念模型定性刻画了湿地系统的行为, 在模 型建立初期形成。 Dueve 建立了人工湿地水力学概念模型 ( 图 1) 。该模型包含了主要的系统构成及其相互关系。 其中, 降雨量可从气象资料中获取 , 蒸发和蒸发蒸腾量可通 过气象资料用经验或半经验公式获得, 地下水流的影响忽略 不计。 Jorgensen总结并建立了人工湿地中 N 和 P 转化概
摘要 在人工湿地广泛应用于污水以及面源污染治理中 , 人工湿地去除污染物模型是指导设计和保障处理效果的基础和关键。简要地 介绍了人工湿地定性模型和定量模型 , 前者包括水力学概念模型、 人工湿地中 N 和 P 转化概念模型, 后者包括污染物去除经验模型 ( 包 括有机物 、 总悬浮物和氨氮去除模型 ), 以期指导人工湿地在实际中的应用。 关键词 人工湿地 ; 模型; 污水处理 中图分类号 X 703 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2010) 15- 08138- 03 R esearch Progress of ConstructedW etland R e m oval PollutantsM odel ZHU Y an et al ( China N ortheastM unic ipa lEng ineering D esign and R esearch Institute , D alian, L iaoning 116600) A bstract In the w ide spread application of constructed wetlands for po int and non -po int pollutionm anage m en, t constructing wetland pollutant re m ovalm odels are the basic and key factors for directing design and ensuring treat m ent effic iency . The study briefly introduced qua lita tive and quantita tive constructed we tlandsm ode ls . The for m er includes hydraulic concept m ode l and N and P transfor m ation conceptm ode; l and the latter co m prises po llutant re m ova l e m p iricalm odels includ ing organicm atter , tota l suspended so lid and n itrogenm odels , so as to guide the ap p lication of constructed land in practice . K ey w ords Constructed w etland ; M ode; l W astewater treat m ent
- 1 2 + + + + + + +
式中, K d 为速率常数, 取决于温度; K dm 为半饱和常数。但按 传统方法, 反硝化速率常用一级反应动力学公式表达。降雨 中的 N 通过雨水中的含 N 量和降雨量求得。固 N 部分因较 少而忽略。根系吸收 N 可用下式表达: KC nit ra te RN m ax - RN uptake(N ) = B io m ass( root) Km + Cnit ra te RN max - RN m in 式中, K 为取决于温度的速率常数; Km 为半饱和常数; Cni trate 为硝酸盐浓度 ; RN m ax为根系 N 浓度的高限 ; RN m in 为根系 N 浓度的低限; RN 为根系的硝酸盐浓度。 Jorgensen认为, 从根 系传输到植物中的 N 可忽略不计 。 在 P 转化过程中, 有机 P 的矿化与有机 N 的矿化类似 , 但反应速率不同。在湿地系统中, 除 P 过程可以用除 N 过程 方程表达, 只是参数值不同而已。 2 经验模型 目前, 一般认为, 人工湿地属于附着生长生物膜反应器 , 水流呈推流式水动力学特征, 污染物降解符合一级反应动力 [ 11- 14] 学 。一级反应动力学常数通过实际资料回归分析求 得。经验模型如下: C = C0 e 式中, C 为水中污染物浓度 ( m g /L); C0 为进水污染物浓度 (m g /L); k 为一级反应动力学参数 ( 1 / d); t 为水在湿地中的 停留时间 ( d) 。 K ad lec和 Kn ight 用一级反应速率参数和背景值, 对上述 模型进行修正 : * Co ut - C - k. / H LR * = e C in - C 式中, Co ut为 出水污染物浓度 (m g /L) ; C 为污染物背景值浓 度 ( mg /L) ; C in为进水污染物浓度 ( m g/L) ; k . 为一级反应速 率参数 ( m / d) ; H LR 为水力负荷率 ( m / d) 。 BOD 去除率是在推流式一级反应动力学基础上推导出 来的。 Q ( lnC0 - lnCe ) A= KT @ d @ U 式中, A 为湿地面积 ( m ) ; Q 为流量 ( m /d); C0 为进水 BOD (m g /L); Ce 为 出水 BOD ( m g/L ); K T 为级 反 应速 率常 数 ( d ); d 为床体深度 ( m ); U 为床体孔隙度 ; T 为温度 ( e ) 。
在环境工程领域, 湿地改善水质的潜在价值一直受到世 界范围内业内人士的广泛关注。尽管部分天然湿地用于污 水处理已经进行了 100多年
[ 1]
, 但出于对天然湿地保护以及
防止渗漏污染地下水考虑 , 一直存在是否利用天然湿地处理 污水的强烈争论 , 并因此诞生了人工湿地污水处理技术 [ 2] 。 应用人工湿地进行污水处理起源于欧洲。早在 20 世纪 50 年代, 德国植物学家 Seidel将植物从天然环境中移植到人工 环境中, 其研究激发了人工湿地的研究和开发。 20多年后 , [ 3] 第一个应用型人工湿地诞生于德国的 O thfresen 。自此, 人 工湿地在世界范围内得到研究和应用。如在美国, 研究始于 20世纪六七十年代大量研究, 在我国的研究起步较晚, 较早 的研究开始于 90年代初。 为了描述人工湿地去除污染物的行为, 预测处理效果 , 优化设计和运行, 从 20世纪 70年代中期开始, 一些研究者 进行了建立人工湿地模型的研究工作
N 转化过程中, 矿化过程一般用一级反应动力学表达, 反应速率常数取决于温度和湿度。硝化过程用一级反应动 力学表达。吸附过程用兰茂尔 ( Lang m u ir) 公式表述, 吸附常 数视介质类型而定。挥发也用一级反应动力学表达, 挥发速 率取决于水分含量、 pH 值和温度。反硝化发生在缺氧区, 反 硝化速率常用 M ichaelisM en ten建立的方程表达: r= kd [NO 3 - N ] kdm + [NO 3 - N ]
。对水平流潜流人工湿
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地, 用 CSTR 模型也较推流模型更适用
。
根据一级反应动力学假设, 无论是浓度还是流速变化, 只要质量负荷增加 , 去除率不存在理论限制。但情况并非如 此。 L iehr等研究表明, 利用自由水面人工湿地和水平流人 工湿地处理垃圾渗率液, 出水总 N 浓度远小于一级反应动力 学模型预测值
- 1 2 3 * - kt [ 10]
NH 4 -N 去除反应还可用微分表示 : v NH 4 d NH 4 = k + K + NH 4 dz
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式中, v 为渗透速率 (m /d); z 为沿流动方向的距离 ( m ); k 和 K 为回归系数。 经回归分 析, k 和 K 分别 为 - 7 . 8 m g/ ( L # d) 和 5. 5 2 m g/L( r = 0. 94) 。 3 讨论 一些研究 者对 只考 虑层 流传 输 的推 流模 型提 出 质 疑
基金项目 作者简介 收稿日期 建设部研究开发项目 ( 04 -2-067) 。 朱岩 ( 1977- ) , 男 , 吉林长春人 , 工程师 , 从事水和污水处理 工程研究 。 * 通讯作者 , 硕士 , 工程师 。 2010-02 -20
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图 2 F ig .2
湿地中的 N 循环 N cycle in w etland
图3 Fig .3 湿地中的 P 循环 P cycle in wetland
C e = C0 ( 0. 105 8+ 0 . 001 1 HLR ) 式中, Ce 为出水 TSS( m g/L); C0 为进水 TSS ( mg /L); HLR 为 水力负荷率 ( c m / d) 。 利用潜流人工湿地去除 BOD、 TSS和 N, 设计时一般分 2 级单元。第 1级主要用于去除 BOD, 第 2级主要用于去除 N。资料表明, 用于去除 BOD 的湿地单元, 水力停留时间仅 为 12~ 24 h。 NH4 -N 的去除发生在第 2单元 , 但总 N 在第 1 单元去除了 1 /3。因此, 合理的设计方法是考虑 NH 4 -N 的去 除量来确定第 2单元的大小。 推流式反应器中, 微生物对 NH4 -N 的去除遵循一级反 应动力学: + + ( -K H ) NH 4e = NH 4i e 式中, NH 4 i 为进水 NH4 -N 浓度 ( mg /L); NH 4e为出水 NH4 -N 浓度 ( mg /L ); K 为动力学速率常数 ( 0. 497d , r = 0 . 86 ); H 为 HRT ( d) 。
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。理想的推流式运行即进水进入湿地后 , 在整个湿
地中的运行呈均匀的层流, 分配均匀, 流速均匀。设计建议 使用较大的长宽比, 沿长度从一端进水, 另一端出水, 以保证 水流的推流式运行。但实际上 , 一些因素可以导致这种均匀 性的失败。这些因素包括 : 局部隔水层和地形变化, 水流长 距离传输形成的沟流通道以及散落层和横向扩散对水流的 影响等。因此, 自由水面人工湿地水流呈推流 + 扩散模式, 类似于连续搅拌反应器 ( CSTR )
38卷 15 期
朱 岩等
人工湿地去除污染物模型的研究进展
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最大 粒径 8 mm, 占 10 % ) 。 BOD 负荷 率应 该在 80 ~ 110 kg/ ( hm # d) 以下。 水力停留时间:
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HRT =
A @d @ U L 或 HRT = Q K S @S
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式中, L 为床体长度; KS 为水力传导率 [ m / ( m # d) ]; S 为 床体坡度 ( m /m ) 。 经回归分析, 潜流人工湿地中 TSS 的去除率与水力负荷 率呈正比:
安徽农业科学, Jou r n al ofAnhu iAgr.i Sc. i 2010 , 38( 15): 8138 - 8140
责任编辑
姜丽
责任校对
卢瑶
人工湿地去除污染物模型的研究进展
朱 岩 , 李桂星
1 1 *
, 杨悦新
2
(1 . 中国市政工程东北设计研究院, 辽宁大连 116600 ; 2 . 大连民族学院环境工程系, 辽宁大连 116605)
[ 4Байду номын сангаас 8]
图1
湿地水力学概念模型
F ig . 1 Conceptualmodel of wetland hydraulics
念模型 (图 2、 3)
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。
。但人工湿地构
成复杂, 包括不同的介质材料、 水、 微生物和植物, 而且反应 机理多样, 包括物理、 化学和生物反应。因此, 建立人工湿地 模型相对困难, 造成不同条件下模型差异很大 , 缺乏通用性。 人工湿地模型化方法有定量化方法和定性化方法, 定量化方 法有经验模型和统计模型 , 定性化方法有概念模型。笔者对 此进行了介绍 , 以期为人工湿地在实际中的应用提供指导。 1 概念模型 人工湿地的概念模型定性刻画了湿地系统的行为, 在模 型建立初期形成。 Dueve 建立了人工湿地水力学概念模型 ( 图 1) 。该模型包含了主要的系统构成及其相互关系。 其中, 降雨量可从气象资料中获取 , 蒸发和蒸发蒸腾量可通 过气象资料用经验或半经验公式获得, 地下水流的影响忽略 不计。 Jorgensen总结并建立了人工湿地中 N 和 P 转化概
摘要 在人工湿地广泛应用于污水以及面源污染治理中 , 人工湿地去除污染物模型是指导设计和保障处理效果的基础和关键。简要地 介绍了人工湿地定性模型和定量模型 , 前者包括水力学概念模型、 人工湿地中 N 和 P 转化概念模型, 后者包括污染物去除经验模型 ( 包 括有机物 、 总悬浮物和氨氮去除模型 ), 以期指导人工湿地在实际中的应用。 关键词 人工湿地 ; 模型; 污水处理 中图分类号 X 703 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2010) 15- 08138- 03 R esearch Progress of ConstructedW etland R e m oval PollutantsM odel ZHU Y an et al ( China N ortheastM unic ipa lEng ineering D esign and R esearch Institute , D alian, L iaoning 116600) A bstract In the w ide spread application of constructed wetlands for po int and non -po int pollutionm anage m en, t constructing wetland pollutant re m ovalm odels are the basic and key factors for directing design and ensuring treat m ent effic iency . The study briefly introduced qua lita tive and quantita tive constructed we tlandsm ode ls . The for m er includes hydraulic concept m ode l and N and P transfor m ation conceptm ode; l and the latter co m prises po llutant re m ova l e m p iricalm odels includ ing organicm atter , tota l suspended so lid and n itrogenm odels , so as to guide the ap p lication of constructed land in practice . K ey w ords Constructed w etland ; M ode; l W astewater treat m ent
- 1 2 + + + + + + +
式中, K d 为速率常数, 取决于温度; K dm 为半饱和常数。但按 传统方法, 反硝化速率常用一级反应动力学公式表达。降雨 中的 N 通过雨水中的含 N 量和降雨量求得。固 N 部分因较 少而忽略。根系吸收 N 可用下式表达: KC nit ra te RN m ax - RN uptake(N ) = B io m ass( root) Km + Cnit ra te RN max - RN m in 式中, K 为取决于温度的速率常数; Km 为半饱和常数; Cni trate 为硝酸盐浓度 ; RN m ax为根系 N 浓度的高限 ; RN m in 为根系 N 浓度的低限; RN 为根系的硝酸盐浓度。 Jorgensen认为, 从根 系传输到植物中的 N 可忽略不计 。 在 P 转化过程中, 有机 P 的矿化与有机 N 的矿化类似 , 但反应速率不同。在湿地系统中, 除 P 过程可以用除 N 过程 方程表达, 只是参数值不同而已。 2 经验模型 目前, 一般认为, 人工湿地属于附着生长生物膜反应器 , 水流呈推流式水动力学特征, 污染物降解符合一级反应动力 [ 11- 14] 学 。一级反应动力学常数通过实际资料回归分析求 得。经验模型如下: C = C0 e 式中, C 为水中污染物浓度 ( m g /L); C0 为进水污染物浓度 (m g /L); k 为一级反应动力学参数 ( 1 / d); t 为水在湿地中的 停留时间 ( d) 。 K ad lec和 Kn ight 用一级反应速率参数和背景值, 对上述 模型进行修正 : * Co ut - C - k. / H LR * = e C in - C 式中, Co ut为 出水污染物浓度 (m g /L) ; C 为污染物背景值浓 度 ( mg /L) ; C in为进水污染物浓度 ( m g/L) ; k . 为一级反应速 率参数 ( m / d) ; H LR 为水力负荷率 ( m / d) 。 BOD 去除率是在推流式一级反应动力学基础上推导出 来的。 Q ( lnC0 - lnCe ) A= KT @ d @ U 式中, A 为湿地面积 ( m ) ; Q 为流量 ( m /d); C0 为进水 BOD (m g /L); Ce 为 出水 BOD ( m g/L ); K T 为级 反 应速 率常 数 ( d ); d 为床体深度 ( m ); U 为床体孔隙度 ; T 为温度 ( e ) 。
在环境工程领域, 湿地改善水质的潜在价值一直受到世 界范围内业内人士的广泛关注。尽管部分天然湿地用于污 水处理已经进行了 100多年
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, 但出于对天然湿地保护以及
防止渗漏污染地下水考虑 , 一直存在是否利用天然湿地处理 污水的强烈争论 , 并因此诞生了人工湿地污水处理技术 [ 2] 。 应用人工湿地进行污水处理起源于欧洲。早在 20 世纪 50 年代, 德国植物学家 Seidel将植物从天然环境中移植到人工 环境中, 其研究激发了人工湿地的研究和开发。 20多年后 , [ 3] 第一个应用型人工湿地诞生于德国的 O thfresen 。自此, 人 工湿地在世界范围内得到研究和应用。如在美国, 研究始于 20世纪六七十年代大量研究, 在我国的研究起步较晚, 较早 的研究开始于 90年代初。 为了描述人工湿地去除污染物的行为, 预测处理效果 , 优化设计和运行, 从 20世纪 70年代中期开始, 一些研究者 进行了建立人工湿地模型的研究工作
N 转化过程中, 矿化过程一般用一级反应动力学表达, 反应速率常数取决于温度和湿度。硝化过程用一级反应动 力学表达。吸附过程用兰茂尔 ( Lang m u ir) 公式表述, 吸附常 数视介质类型而定。挥发也用一级反应动力学表达, 挥发速 率取决于水分含量、 pH 值和温度。反硝化发生在缺氧区, 反 硝化速率常用 M ichaelisM en ten建立的方程表达: r= kd [NO 3 - N ] kdm + [NO 3 - N ]