人工湿地动力学模型的建立_secret

1、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。关键字：人工湿地 动力学模型 水处理Progress of Development of Kinetic Models for Pollutants Removal with Constructed WetlandsAbstract：Constr

2、ucted wetlands provide an economical and effective method for wastewater treatment. Usualkinetic models for pollutants removal in the treatment of wastewater with constructed wetlands include firststage kinetic models and Monod models，both of which are based on the mass balance of pollutants in stab

3、le status.Infuture，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

4、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

5、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=Ciex

6、p（kvt） （1）C0=Ciexp(-kA/q)式中：Ci进水浓度，ML3；C0出水浓度，ML3；kv体积去除速率常数，1T；kA面积去除速率常数，LT；t水力停留时间，T；q水力负荷，LT。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，同时内源自养过程积累并将含碳有机物释放回湿地中，也会形成110 mgL

7、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*： （coc*）（cic*）exp（kvt）（3）（coc*）（cic*）exp（kAq）（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：kvkvqm （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

8、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： （coc*） cic*）4 bEXP（Pe2）（1b）2exp（bPe2）（16）2 exp（bPe2）b(7)(1+4Da/Pe)0.5 （8） 式中：PePeclet数（Pe=uLD），u流速，L/T；D扩散系数，L2T； DaDamkohler数（Dakvt）。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

9、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，而是有个范围。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

10、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 季节的影响为了验证一级动力学模型是否适用于人工湿地对重金属的去除，Richard R.Goulet等进行研究，结果表明是否符合一级动力学模型与季节有关。溶解性Zn的去除在春、夏、秋季符合一级动力学，在冬季不符合；而溶解性的Fe、Mn与总Fe、总Mn只在春季符合一级动力学模型19。对于那些处理酸矿废水的湿地，由于金属负荷高，Fe、Mn还原作用对去除效果的影响不大，所以仍很好的满足一级动力学模拟4，20-21。1.4.4 去除能力的限制按照一级动力学，污染物的去除速率rMT-1为：r=Q.Cin(1-exp(-kv.t) (8)r

11、=Q.Cin(1exp（-kAq） (9)由上式可知，去除速率随流量和进水浓度乘积（即进水污染物负荷）的增大而增大，这样在理论上不存在去除速率的界限。只要进水污染物负荷增加，去除速率可以无限增大，湿地似乎具有无限的去除能力，这显然与实际情况不符。1.4.5 随机事件的影响一些不可预见的随机事件会对系统产生很大的影响，例如进水流量及浓度的波动、气候、生物活动和其它生态因素。另外降雨和蒸发在湿地中形成了第二水力负荷，这种附加的负荷有很多方面的影响，例如改变了水力停留时间，混合、扩散、短流以及其它流动特性也因此而发生变化。 2 Monod动力学模型 在传统的污水处理设施和附着型生物处理系统中，可以观

12、察到随着进水浓度的增加，反应动力学会从零级变为一级22。所以假设湿地中的生物过程与其他的生物系统一样，符合Monod动力学 23：dcdtk0.vcKc）（10）dcdz=-k0.va/Qc（K+c）=k0.A(q.z）cK+c）（11）式中： k0，v零级体积速率常数，ML3T-1；k0，A零级面积速率常数，ML-2T-1K半饱和常数，ML3；Z湿地床的长度，L；湿地床的孔隙率，L3L-3；a湿地的横截面面积，L2；Q流量，L3T-1。对于某一湿地床，其k0，v和床体积V一定，其所能承受的微生物的最大数量也是一 定的，所以其最大去除速率也存在一个上限值，即k0，vV。 定义了标准化负荷RL（

13、即进水污染物负荷与最大可能去除率的比值）和标准化去除率RR（即湿地床污染物去除率与最大可能去除率的比值）：RL=ciQ(k0，vV）（12）RR（Cic0）Qk0。vV） （13） 标准化负荷与标准化去除率的关系如图1所示。对于某一固定的进水浓度，开始系统处于一级动力学段，随着流量的增加其去除速率按相应比例增加；直到进入零级动力学段，这时湿地去除速率达到最大（相对于这一进水浓度），流量再增加，去除速率保持不变，出水浓度会增加。提高进水浓度，可以提高其去除速率，同时与之相对应的最大去除速率也就越大。当进水浓度相对于K趋近于无穷大时，湿地达到了其性能的极限。如果标准负荷R凡1，湿地的去除效率为10

14、0，即出水污染物的浓度为零。随着流量的增大，其去除速率按相应比例增大，与图中斜率为1 的100去除效率 直线相对应；当标准负荷RL1，湿地的处理能力达到极限，处于饱和状态，其去除速率等于最大去除速率同时也是湿地的最大可能去除速率，标准化去除率为1，对应于图中的绝对最大去除率直线。与一级动力学模型相比，Monod动力学模型更 符合微生物处理的实际情况，更为合理，所以更 适用于那些微生物起主导作用的污染物降解过程。 3 今后研究的方向 一级动力学和Monod动力学的设计方程都是由污染物稳态时的质量平衡得到的，都是湿地床的静态宏观模型，两者都没有考虑到传质效率，即都假定物质从液相迁移到生物膜的过程没

15、有阻力。新的模型应考虑到湿地植被的空间分布，应根据实际的停留时间分布来模拟污染物在湿地中的去除，而不是仅考虑单一的停留时间t。另外人工湿地是一个复杂的生态系统，其对污染物的去除是人工湿地各组成部分共同作用的结果，新的模型应充分考虑到各种因素的影响，因此应对人工湿地污染物去除的机理及其影响因素作深入全面的研究。 目前我国湖泊治理面临的一个难点是面源污染难以控制，农田施用化肥后地表径流将大量富营养化的污水带入湖泊。另外，城镇污水处理的最主要渠道-污水处理厂由于截污管网不完善，运转费用高昂等原因，大多时开时停，那些被遗忘的生活污水于是也汇入河道，流进湖泊。调查显示，湖泊中大约有70以上的污染物是通过

16、河道进入的。将人工湿地选择建设在河道的入湖口处，就是为了解决这种面源污染的问题。更引人注意的是，相对污水处理厂而言，人工湿地建设和运转费用低廉。每吨污水治理费仅为处理厂的二十分之一，而处理量是其3倍多。建设费用仅为几百万元，远远低于污水处理厂所需。抚仙湖项目的监测数据表明，污水处理后的总氮量、总磷量去除率分别为50和40。 甘坑人工湿地系统工程建在龙岗区布吉镇甘坑村排污口，日处理污水量达1.6万吨，它可以处理甘坑村的全部生活污水以及一部分的工业污水。人工湿地污水处理技术是一项新的污水生态处理技术，它是将污水投放到人工建造的类似于沼泽地的湿地上，通过植物、微生物、土壤的共同作用净化污水。水质决定

17、污水在湿地停留的时间，少的23天，多的1020天。用人工湿地来处理生活污水和工业有机废水，效果很好，一般出水的COD能达到30毫克升以下，BOD能达到10毫克升以下，远远优于国家排放标准，可以达到地面水三级标准。据了解，发达国家从20世纪90年代起广泛采用人工湿地来处理污水。如美国有1万多座人工湿地污水处理系统，丹麦有800多座。处理的废水除了生活污水之外，还有垃圾填埋场的渗沥液、某些工业废水如炼油厂的废水等等，此外，还能处理城市污水处理厂的污泥。 人工湿地是一个形式丰富多样的污水处理系统，主要分为天然湿地、自由水面湿地（地表流式）、地下水流湿地（潜流式）和渗滤湿地四大类。当今广泛应用的有两大

18、类。一类是地表流式，有点类似于稻田，污水流进湿地停留若干天后排出，这一工艺的优点是造价低。每吨污水150300元，缺点是占地面积很大，污水可能会散发出臭味，此外冬天会结冰，影响处理效果，不太适合特别寒冷的地区。另一类是潜流式，将污水通过管道输送到人工土壤介质中，表面种植植物，类似于微灌、滴灌，优点是占地面积很小、污染物去除率高、冬季不影响运行，且没有臭味，缺点是相对于地表流造价大一些，每吨污水800元左右。目前发达国家的人工湿地污水处理系统主要为潜流式，占90以上。 人工湿地污水处理技术与传统的污水二级处理工艺“活性污泥法”相比较，具有许多优越性。一是因为它不需要曝气充氧和投加化学药剂、能源消

19、耗和管理费用低，所以处理成本非常低廉，一般为0.10.2元吨污水，而“活性污泥法”为0.51元吨污水。二是因为它需要的构筑物和设备很少，所以造价也低，一般为150800元吨污水，而“活性污泥法”为1500元吨。三是脱氮脱磷效果好，能够解决水体富营养化的问题。湿地植物能够大量吸收污水的含氮含磷化合物，实践表明，生活污水经过湿地处理后，总氮和总磷的去除率分别可达到70和90以上，而“活性污泥法”只能达到30。四是不产生污泥。“活性污泥法”在处理污水的过程中要产生大量的污泥，一般处理1000吨污水要产生1吨污泥。污泥的处理对污水处理厂来说是个棘手的问题，通常采用脱水、干化、填埋来处理，费用比较高。五

20、是可以把不毛之地改造成绿洲、把污水处理厂建设成生态景观，既美化了环境，又为野生动物提供了栖息地。六是人工湿地生长的芦苇等植物可以作为工业原料，具有经济效益。人工湿地水处理技术开发水资源是人类社会赖以生存的自然资源，然而水资源短缺与水体污染日趋严重是我国目前的现状，加之社会进步、人民生活水平提高对废水排放和饮用水质制定提出了更严格的标准，发展运用经济的处理方法处理有机污染和N、P等营养物问题、有效经济地去除水中有害污染物是一个极富挑战性的课题。1996年Kathe Seidel提出利用高等植物的生化作用去除污染物的思想，通过芦苇等植物的根区产生微生物活性区域作为生化反应器来转化降解以至最终去除污

21、染物。德国、英国分别进行了实验，利用河砾和河砂作为植物生长基质构建了高分散度的废水处理设施并获得成功。目前，人工湿地处理系统成为英国小城镇污废水处理系统的重要组成部分，其在欧盟各国及美国的应用也较广泛，处理后的水可以按质进行回用，实现了资源的再利用。我国科学家在70年代对包含湿地处理在内的土地处理技术进行研究，但研究侧重于植物对污染物的富集作用，在实际应用中存在较严重的二次污染问题，收获的植物茎叶无法妥善处置，而且工程占地面积大，效率偏低，植物不耐寒，从而阻碍了人工湿地处理系统的推广应用。本课题组经过研究，已经解决了上述问题，该技术可以应用在下列领域：1、在小城镇污水处理中的应用人工湿地可以接

22、受大规模的生活污水和低浓度的工业废水混合进水，具有高效低耗简单实用的特点；在控制有毒有机物和重金属的基础上，对来水进行初步和二级处理，出水可以用于行道树喷洒、林木农田灌溉以及生活用水等。人工湿地工程还可作为地区一个旅游景观。2、对农村污水无害化处理和利用对N、P等营养物质的去除是人工湿地处理系统的一大特点，植物和微生物的吸收同化作用可以使出水一次性营养物指标达标，且不存在二次污染，植物体可用作饲料、肥料等，具有显著经济效益。另外强化的人工湿地还有彻底降解矿化有机污染物、消灭有害病原体的作用，因此它适用于对农村污水（包括畜禽养殖污水、生活污水等）进行无害化处理、实现水资源再利用。3、有毒无害污染

23、的无害化在已有理论研究的基础上，合理选择水生植物和微生物种类，实现重金属的固定化和有机污染物的减毒转化和彻底的矿化、对垃圾填埋渗滤和污泥的资源化。目前，许多城市污水处理能力还不能满足截污需要，应当运用人工湿地污水处理技术进行治理。一、从生物净化原理看，人工湿地是一项新型的污水处理技术，人工湿地生态系统水质净化技术的基本原理是：在一定的填料上种美人蕉、富贵竹、芦苇等特定的植物，将污水投放到人工建造的类似于沼泽的湿地上。当富营养化水流过人工湿地时，经沙石、土壤过滤，植物根际的多种微生物活动，使水质得到净化。像造纸废水等不含有毒物质，只是有机物浓度较高，排到河里危害极大，但用来浇灌水生植物是一种很好

24、的优质肥料。二、从许多地方经验看，人工湿地已产生良好的环境治理效应 深圳与欧盟合作研究的人工湿地技术，经多年实践已取得明显的生态和经济效益。它们的人工湿地系统水质净化工程，就是芦苇、美人蕉等五六种热带植物和亚热带植物按一定比例配置，再栽种到由沙子、细石等填料构成的水池里，原本臭不可闻的污水经池里流出后，马上变得清澈见底，达到国家地表水标准。三、从建设投入成本看，人工湿地可解决资金的明显不足问题人工湿地处理污水的运行成本非常低廉，一般为每吨污水0.10.2元，它是传统二级处理的11015。此外，基建投资也少得多，通常为每吨污水150800元，是传统二级污水处理厂的1512。同时，湿地植物还可以作

25、为工业原料和生活资源。如江苏省盐城市双灯纸业有限公司利用沿湖滩涂种植了3.4万亩芦苇，用造纸废水进行灌溉，每年可收割大量的芦苇，有效地解决了造纸原料供应问题。四、从自然调节作用看，人工湿地还具有强大的生态修复功能有资料表明，人工湿地不仅在提供水资源、调节气候、涵养水源，均化洪水、促淤造陆、降解污染物、保护生物多样性和为人类提供生产、生活资源方面发挥了重要作用。此外，它还能吸收二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等，增加氧气、净化空气、消除城市热岛效应、光污染和吸收噪声等，并对保护野生动物和提高局部地区景观的美学价值也有很大的益处。如盐城市的芦苇湿地建成后，鸟类的数量比原来增加了一倍以上，茂密的芦苇不仅

26、销纳大量的城市污水，又成了鸟类的乐园，吸引了大批丹顶鹤前来栖息。因此，又具有强大环境调节功能和生态效益，既给城市污水找到了出路，同时还造就了一片绿洲，形成一个令人赏心悦目的生态景观和旅游景点，进而美化净化环境，克服了传统污水处理后有污泥产生等不足，达到了保护自然生态的效应。 生活资源方面发挥了重要作用。此外，它还能吸收二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳等，增加氧气、净化空气、消除城市热岛效应、光污染和吸收噪声等，并对保护野生动物和提高局部地区景观的美学价值也有很大的益处。如盐城市的芦苇湿地建成后，鸟类的数量比原来增加了一倍以上，茂密的芦苇不仅销纳大量的城市污水，又成了鸟类的乐园，吸引了大批丹顶鹤前来

27、栖息。因此，又具有强大环境调节功能和生态效益，既给城市污水找到了出路，同时还造就了一片绿洲，形成一个令人赏心悦目的生态景观和旅游景点，进而美化净化环境，克服了传统污水处理后有污泥产生等不足，达到了保护自然生态的效应。 “人工湿地概念是，由人工建造和监督控制，充分利用湿地系统净化污水能力的特点，利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化”，俞教授介绍说。 人工湿地主要由五部分组成，一是具有各种透水性的基质，如土壤、砂、砾石；二是适于在饱和水和厌氧基质中生长的植物，如芦苇等；三是水体(在基质表面上或下流动的水)；四是无

28、脊椎或脊椎动物；五是好氧或厌氧微生物种群。湿地植物在湿地系统中具有三个间接的重要作用：一是显著增加微生物的附着(植物的根、茎、叶)；二是湿地植物可将大气氧传输至根部，使根在厌氧环境中生长；三是增加或稳定土壤的透水性。 人工湿地处理系统的特点是：建造和运行费用便宜；易于维护，技术含量低；可进行有效可靠的废水处理；可缓冲对水力和污染负荷的冲击；可产生效益,如水产、畜产、造纸原料、建材、绿化、野生动植物栖息、娱乐和教育。不足之处是：占地面积大；不精确的设计运行参数；生物和水力复杂性及对重要工艺动力学理解的缺乏；易受病虫害影响。人工湿地不仅可以用于城市和各种工业废水的二级处理，还可用于高级处理的精处理

29、和对农田径流的处理，在有些情况下，人工湿地可能是唯一的适用技术。 湿地生态系统的成败关键是水。规划的园区水系统包括6部分：(1)园区内各建筑组团产生的生活和实验室污水收集系统，位于地下；(2)位于园区西北的生活污水污水处理温室，收集的污水在这里进行2级处理；(3)环绕园区的线状湿地系统，经过初步处理的污水缓慢绕园一周后成为干净水源进入；(4)以湖泊水面、挺水植物群落为主的中央湿地；(5)屋顶和园内绿地在降雨情况下形成的径流直接进入湿地系统，在绿地需要灌溉季节，可以直接从湿地系统取水；(6)园区和外界的水交换系统，建园初期，中央湿地系统土壤渗漏量大，需要从园区外引进一定数量水用于维护湿地和绿地系

30、统，冬季湿地生物活动低，处理的污水数量减少，需要向园区外的城市污水收集系统输出一定数量的污水。 事实上，通过收集园内产生的生活废水和利用降雨，可以基本保持园内水量平衡。建园初期，由于湿地的湖、沟土壤渗漏较大，实际水量平衡偏差可能会比较大。为了减少渗漏，可以考虑用黏土等处理湖、沟底部。经过多年自然淤塞，土壤渗漏将逐渐降低并稳定在一定水平，通过园区湿地处理后节余一定数量的干净水是完全可能的。人工湿地（CWConstructedWetland)污水处理技术是70年代末发展起来的一种污水处理新技术。它具有处理效果好、氮磷去除能力强，运转维护管理方便、工程基建和运转费用低以及对负荷变化适应能力强等特点，

31、比较适合于技术管理水平不很高，规模较小的城镇或乡村的污水处理。 人工湿地的净化机理：人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的三种作用。湿地系统成熟后，填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时，大量的SS被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去，最后湿地系统更换填料或收割栽种植物将污染物最终除去。湿地处理系统的设计 1 选址 考察地质、地貌、水文、自然

32、资源、人文资源、有关法律及公众意见。应因地制宜，尽量选择有一定自然坡度的洼地或经济价值不高的荒地，一方面减少土石方工程、利于排水、降低投资，另一方面防止对周围环境产生影响。 2 确定系统组合形式 根据场地特征、处理要求和所处理污水的性质来确定。单一式、并联式、串联式、综合式。 3 确定水力负荷 根据文献或经验而定。 4 选择植物 根据湿地植物的耐污性能、生长能力、根系的发达程度以及经济价值和美观等因素来确定。一般有芦苇、席草、大米草、水葫芦、水花生等，最为常用的是芦苇，插植密度为13株/m。 5 计算表面积 As=Q/a：As表面积；Q进水流量；a水力负荷。 6 确定长宽比 1）表面流湿地：长宽比10：1或更大，根据地形来考虑，底坡降0%1%。2）潜流湿地：根据达西定律Q=Ks*A*S S水力坡度；A湿地床横截面积；Ks潜流渗透系数。或厄刚公式As=5.2QLN（So-Se），So进水BOD浓度；Se出水BOD浓度；As湿地床表面积。 7 结构设计（1）进出水系统的布置：湿