人工湿地处理废水有机物动态模型的研究

1、    人工湿地处理废水有机物动态模型的研究            作者：廖新弟;骆世明;吴银时间：2007-11-24 19:26:00                     论文作者：廖新弟;骆世明;吴银宝;汪植三摘要：以风车草人工湿

2、地处理猪场废水，研究人工湿地处理废水有机物的动态模型。人工湿地一年四季连续运行，秋李和春季湿地以相同进水浓度和不同水力停留时间的方式运行；冬季和夏季以相同水力停留时间和不同进水浓度的方式运行。COD作为有机物降解的建模指标。结果表明，湿地进出水COD服从指数方程规律。提出了基于运行温度和进水浓度的湿地出水COD预测模型，预测结果误差在10以内。 关键词：人工湿地 风车草 废水处理 有机物 模型   人工湿地已广泛应用于废水处理，然而，人工湿地的设计和运行常常缺乏模型的指导。本研究以风车草潜流式人工湿地处理养猪场废水为研究对象，重点讨论在同一废水来源、相同的潜流式人工湿地和统一的水力停

3、留时间下(3 d)，进水有机负荷(以COD表示)和气温对COD降解常数左的影响，以及基于进水有机负荷和气温丸值与出水水质预测模型。 1 模拟人工湿地的构成 人工湿地的剖面如图1所示，长度为1 m，宽0.5m，高0.8m，由砖和水泥砌成。湿地内填充粒径35cm的碎石60cm厚作为处理床，处理床上种植风车草，试验在大棚内进行。风车草植株根系发达，分蘖数14-16个株，高度135-145sm，每组8株，分两行栽种。湿地进水通过位于湿地前部的进水槽从处理床前端底部分多孔均匀进水，从另一端上部多孔均匀出水。 2 COD降解的数学模型 根据反应器中反应物的流动特征和净化机理，通常把人工湿地看作推流反应器1

4、-3。在理想的推流反应器中，反应物浓度随空间和时间而变化，并遵循： Yt=Yoexp(-kt)式中：t反应器物料的理论停留时间，d； Yt出口COD的质量浓度，mgL； Yo进口COD的质量浓度，mgL； KCOD降解常数4。 在上述方程中，兑反映湿地废水COD的降解速度，它与废水性质、进水特征、废水处理系统的整体特征以及系统运行的环境条件等有关5。 3 实验方法 测试前先运行2个月，以让处理床挂膜；运行时每隔3 d进1次废水，进水量90L室，进水浓度低于当季正式测试时的最低进水浓度。22·d)。冬季和夏季试验运行采用同一个停留时间(3d)，5个不同的进水浓度范围(见表1)。表1 夏

5、季、冬季风车草湿地降解COD的5个k值序号Yo(mg·L-1)Yt(mg·L-1)K/d-1夏季冬季夏季冬季夏季冬季1 86.26196.3235.0744.930.29990.49152255.13345.6855.2481.210.51010.48293651.38582.44108.58147.720.59720.45734983.38677.15112.90200.920.72150.405051440.181002.82163.67230.390.72500.4903注：停留时间为3d，k按Yt=Yo·e(-k)计算；水力负荷为120 L(m2·

6、;d)，平均有机负荷从低到高依次为：16.95，36.04，74.02，99.63和146.58g(m2·d)。 试验期间各组每天连续进水，进水是猪场废水经沉淀和厌氧处理后的出水再按试验所需用清水调配而成。在同一季节内，试验不同停留时间或不同进水水质的运行和测试均重复3次。 每一个季节测试结束，将试验植物沿床面上30cm剪割掉，各组继续在低浓度下继续运行。 4 结果与讨论 4.1 进水浓度对COD降解系数A的影响 冬、夏季湿地去除COD服从指数方程规律。将风车草湿地夏季、冬季停留时间等于3 d时Yo和Yt，的5组测定结果分别代人指数方程Yt=Yo·e(-k)，获得夏季、冬季

7、风车草湿地降解COD的5个k值，见表1。 根据表1中Yo与k的对应关系，可以分别求出冬、夏季COD的降解系数k(d-1)与进水COD的质量浓度(Yo，mgL)的回归方程，分别为： 夏季：k=0.0003Yo+0.3727，r=0.9019 (1) 冬季：k=-0.000 02Yo+0.4791，r=0.2083 (2) 4.2 温度对COD降解系数k的影响o的关系式k=-0.000 02 Yo+0.479 1，可估算出4个k，依次是：0.469 3，0.461 8，0.459 4和0.450 3 d-1。同理，将上述4个进水COD值代入夏季k与Yo的关系式k=0.000 3Yo+0.372 7

8、，求出4个相应的k，依次是：0.519 8，0.632 8，0.721 5和0.725 0d-1。 假设在同一进水浓度下，k与温度成线性关系，根据上述4种进水浓度下，冬、夏季各4个k值，以及冬、夏季气温(分别为17.9和27.2)，可以分别求出上述4种进水浓度下，k随温度()变化的直线方程，见表2。表2 A随温度日变化的估算方程Yo/（mg·L-1）1/K1/d-12/K2/d-1估算方程490.3517.90.469327.20.5198K=0.0054+0.3726867.0717.90.461827.20.6328K=0.0184+0.1324983.3817.90.45942

9、7.20.7125K=0.0282-0.04541440.2017.90.450327.20.7250K=0.0295-0.0778 根据表2的4种不同进水浓度下、k随温度变化的估算方程，可以计算出秋季(温度21.4)、上述4种进水浓度下的COD降解常数&值分别为：0.488 2，0.526 2，0.558 1和0.553 5 d-1。同理，可以计算出春季(温度23.8)、上述4种进水浓度下的COD降解常数秃值分别为：0.501 1，0.570 3，0.625 8和0.624 3 d-1。 这样，4种进水浓度、4个季节(温度)下人工湿地的COD降解常数无值汇总在表3。表3 不同温度(9

10、)风车草人工湿地的COD降解常数进水(COD)(mg.L-1) 不同温度COD降解常数k/d-1 冬季(17.9)秋季(21.4)春季(23.8)夏季(27.2) 0.46930.48820.50110.5198867.070.46180.52620.57030.6328983.380.45940.55810.62580.72151440.200.45030.55350.62430.7250 4.3 COD降解常数k的估算模型 根据表3中进水浓度与k的对应数据，可以作出不同温度下，k与进水浓度之间的关系图，如图2所示。图2表明：冬季低温环境下，进水浓度提高，k则减小(1)；其它高温季

11、节环境下，k随进水浓度提高而增大(2，3和4)。 图2中，不同温度下，k随进水浓度变化的回归方程分别为： 方程1：k=0.4791-(2×10-5)yo，r=1.0000 (3) 方程2：k=0.4656+(7×10-5)yo，r=0.8489 (4) 方程3，k=0.4563+0.0001yo， r=0.8735(5) 方程4：k=0.4432+0.0002yo， r=0.8856(6) 上述14的4个方程可用k=a+byo来表示，方程中a值与温度关系见图3，b值与温度关系见图4。 图3、图4可见，a值随温度上升而下降，而b值随温度上升而增加，其回归关系为：a=0.548

12、2-0.0039 ，r=1.000 0(7) b=0.0004+(2×10-5)，r=0.    992 4 (8) 将式(7)和式(8)代人k=a+byo中，则k与进水浓度的关系式变为： k=(-0.0039+0.5482)+(2×10-5)-0.0004yo。 (9) 若式(7)用a= a1+a2来表示，则al=-0.0039，a2=0.5482 同理，若式(8)用b= b1+b2来表示，则b1=2 ×10-5，b2=-0.0004 将k=a+byo代入yt=yoexp(-kt)， 则：yl=yoexp-(a+byo)t

13、，再将a= a1+a2和b= b1+b2代入， 则：y1=yoexp-( a1+a2)+ (b1+b2)yot (10) 式(10)中：yl为出水COD的质量浓度mgL；yo为进水COD的质量浓度mgL；为温度，；t为水力停留时间，d;a1,a2，b1和b2均为系数，a1=-0.0039，a2=0.5482，bl=2×10-5，b2=-0.0004。 这样，通过式(10)，也可以预测出不同温度、进水COD浓度和停留时间下的风车草人工湿地猪场废水处理的出水COD值。 5 实测与模拟结果的比较 式(10)是根据人工湿地实际系统的进水浓度和水力停留时间以及运行温度环境，预测出人工湿地的出水水质，式中k是关键，其估算模型的精度见表4。表4 k式的准确性检验系统运行条件kK1K1误差/%进水（COD）=490.35mg·L-1