人工湿地动力学模型地建立

人工湿地动力学模型的建立

摘要：人工湿地作为一种较新的水处理技术，对其处理机理的理解还不够充分，对其影响因素的认识还不够全面，因此经常由于设计不当使得出水达不到设计要求或者不能达标排放，有时人工湿地甚至还会成为污染源。因此对湿地污染物去除动力学的研究可以为湿地的设计提供进一步的理论支持。本文概要地介绍了人工湿地污水处理的污染物去除动力学模型的研究进展。

关键词：人工湿地动力学模型水处理

Progress of Development of Kinetic Models for Pollutants Removal with Constructed Wetlands

Abstract：Constructed wetlands provide an economical and effective method for wastewater treatment. Usual kinetic models for pollutants removal in the treatment of wastewater with constructed wetlands include first －stage kinetic models and Monod models，both of which are based on the mass balance of pollutants in stable status.In future，it is also necessary to take into consideration the effects of space distribution of vegitation and actual residence time in improving and developing the mathematic models.

Key words：constucted wetlands；kinetic model；wastewater treatment 自西德1974年首次建造人工湿地以来，由于其具有投资低、出水水质好、操作简单、维护运行费用低等特点，被广泛用于生活污水、矿山酸性废水[3-4]、纺织工业[5]和石油工业[6-7]等工业废水的处理。

人工湿地作为一种较新的水处理技术，对其处理机理的理解还不够充分，对其影响因素的认识还不够全面，因此经常由于设计不当使得出水达不到设计要求或者不能

达标排放，有时人工湿地甚至还会成为污染源“”。因此对湿地污染物去除动力学的研究可以为湿地的设计提供进一步的理论支持。

本文概要地介绍了人工湿地污水处理的污染物去除动力学模型的研究进展。

1、一级动力学模型

1.1 一级动力学模型简介

湿地设计通常采用的是一级动力学模型，其基本设计方程被澳大利亚、欧洲、美国广泛应用于湿地的设计和对湿地污染物去除效果的预测。虽然有许多局限性，但由于其参数的求解及计算过程都很简单，因此目前仍把它作为描述湿地中污染物去除的最合适的方程，广泛应用于BOD、营养物、SS和细菌以及金属离子的去除计算。

用于湿地的一级动力学方程，主要考虑处理负荷与处理效率之间的关系，模型的推导以基质的降解服从一级反应动力学为基础。经常设模型中的一些参数如速率常数等为常量与水力负荷或进水浓度无关，以及湿地中的水流形态为稳定的柱塞流等。这些一级动力学模型有的采用体积速率常数kv来确定湿地所需的体积，有的采用面积速率常数k.来确定湿地所需的面积，kv多用于潜流型人工湿地，而kA则在表面流入工湿地中应用更多。

这些一级动力学模型通常的表达方式为C0=Ciexp（－kv.t）（1）

C0=Ciexp（-kA/q）

式中：Ci——进水浓度，[M／L3]；

C0——出水浓度，［M／L3］；

kv——体积去除速率常数，［1／T］；

kA——面积去除速率常数，［L／T]；

t——水力停留时间，[T]；

q——水力负荷，［L／T］。

1.2 二参数一级动力学模型

上述的一级动力学模型中只包含一个参数kv或k……在Eckenfelder模型中，如果污染物中存在不可生物降解部分，则需在方程中加人不可生物降解物质浓度项。在湿地中，即使没有不可降解的污染物，大气或地下水的贡献、化学作用以及生物地理化学循环也会产生背景浓度。即使是BOD，由于植物枯叶或其它有机物分解生成BOD，同时源自养过程积累并将含碳有机物释放回湿地中，也会形成1-10mg／L背景BOD.于是Kadlec和Knight建议引入背景浓度，低于背景浓度的污染物不能被降解，并在一级反应动力学方程中加入背景浓度项C*：（co—c*）／（ci—c*）＝exp（—kv.t）（3）

（co—c*）／（ci—c*）＝exp（—kA／q）（4）

1.3 三参数一级动力学模型

不论单参数还是二参数模型，在运行和设计条件改变时，都不能保持参数的稳定性，于是研究者又在模型中加人了第三个参数，提出了三参数模型。

1.3.1 加入描述水力负荷变化对k值影响的参数m，对k值进行修正：

kv＝kv′。qm （5）

研究表明参数m的引入可以提高数据与模型的吻合程度，但并不能消除水力负荷对表观背景浓度的影响。

1.3.2 加入表征扩散特性的参数

湿地示踪实验结果与考虑扩散的二维速度场相类似，所以在方程中加入扩散参数，得到：（co－c*）／ci－c*）＝［4 bEXP（Pe／2）］／

［（1＋b）2exp（bPe／2）－（1－6）2 exp（－bPe／2）］b （7）

＝（1+4Da/Pe）0.5 （8）

式中：Pe—Peclet数（Pe=uL／D），

u——流速，[L/T]；

D——扩散系数，［L2／T］；

Da—Damkohler数（Da＝kv.t）。

扩散参数的加入只能对流动非理性特性中的扩散引起的偏差进行修正，但是对于短流等的影响却没有在方程中得到反映。

1.4 一级动力学模型的局限性

1.4.1 参数的不稳定性

一个好的模型其所含的参数不应随操作条件的改变而变化，但单、二、三参数模型都不能满足对参数稳定性的要求。

通常认为速率常数和背景浓度为常数，但实际上它们与湿地的特征及操作条件有关，其值受自由水深、水力负荷、进水浓度。扩散、降雨和蒸发等各种因素的影响[9，18].另外一级动力学模型假设速率常数和背景浓度在时间和空间上保持不变，但是由于湿地植被及湿地中微生物的空间分布不均匀，所以必然造成速率常数和背景浓度的空间分布；并且由于一天中气温等条件的变化，它们的取值在一天当中也是变化的。所以即使对同一个湿地而言，一组参数也只适用于一组数据，而对另一组数据可能就无效，模型参数不是某个固定的值，而是有个围。

1.4.2 非理想流动特性的影响

风、生物扰动作用、速度梯度、短流以及水流受到湿地植被阻挡的绕流都使湿地中的流动形态偏离了模型最初的柱塞流假设。

1.4.3 季节的影响