景观型与蔬菜型水平潜流湿地除磷动力学模型

1、景观型与蔬菜型水平潜流湿地除磷动力学模型殷志平;吴义锋;吕锡武【摘要】Thestudiesontotalphosphorus(TP)removalinlandscapetypeandvegetabletypehorizontalsubsurfaceflowwetlandswereconducted.Therawwaterwasdomesticsewagewhichhasbeentreatedbybiochemicaltreatmentprocesses.TheTPremovalefficiencyofdifferentwetlandunitswerecomparedandanalysed.To

2、optimizethedesignofwetlands,thefirstorderreactionkineticsmodelandtheMonodmodelwereusedtosimulatetheTPremovalresultsandtheiraccuracywerecompared.Meanwhile,therelationshipbetweenwatertemperature,hydraulicloadingrate(q)andthereactioncoefficientswerediscussed.Theresultsshowedthatinlandscapetypewetlands,

3、theorderofTPremovalcapacitywascannaunitthaliadealbataunitiristectorumunit,whileitwaswaterspinachunitzizaniaunittomatounitinvegetabletypewetlandunits,whichwasattributedtothebiomassdifferenceofdifferentplants.Thecomparativeevaluationbetweenthefirstorderkineticsmodel(ME:0.530.72)andtheMonodmodel(ME:0.7

4、60.86)showedthattheMonodmodelhadhigheraccuracyinpredictingtheTPremovalresults.DecreasedvaluesofarealremovalefficiencyofTPwereobservedatlowerwatertemperature.TheKmaxofcanna(?=1.006),thaliadealbata(?=1.008)andwaterspinachunits(?=1.006)wereinsensitivetothechangeofwatertemperature.Thewatertemperaturehad

5、agreatinfluenceonTPremovalefficiencyofiristectorum(?=1.015)andzizania(?=1.014)units.TheincreasedvaluesofKmax20wereobservedathigherqvalues.Thepowerequations(R2:0.657;0.805)canwellreflectedtherelationshipbetweenKmax20andq.TheconstructedMonodmodel,whichhadconsideredtheinfluenceofwatertemperatureandqonK

6、max,gaveacertainaccuracyinpredictingTPremovalofexperimentalwetlands.%利用景观型和蔬菜型水平潜流湿地净化经生化处理后的生活污水尾水,进行湿地除磷动力学模型研究.对比分析不同湿地单元的除磷效率.为优化湿地除磷设计,采用一级动力学模型和Monod模型模拟除磷效果，对比模拟准确性，讨论水温、水力负荷与模型反应速率常数间关系,并建立湿地除磷模型构建式.结果表明,景观型湿地除磷能力顺序:美人蕉单元再力花单元鸢尾单元,蔬菜型湿地:空心菜单元茭白单元番茄单元，除磷效果差异归因于不同类植物的生物量区别.Monod模型(模型效率值ME:0.76

7、0.86)对湿地除磷的预测较一级动力学模型(ME:0.530.72)具有更高准确性总磷面积去除率随水温的降低而减小,Arrhenius拟合结果表明，美人蕉(?=1.006)、再力花(?=1.008)和空心菜(?=1.006)单元Kmax对水温变化不敏感，水温对鸢尾(?=1.015)和茭白(?=1.014)单元除磷效率有较大影响Kmax20与水力负荷间存在显著正相关性，两者符合乘幕方程(R2:0.657;0.805)关系考虑了水温和水力负荷因素的Monod模型构建式,对试验湿地除磷预测具备准确性.【期刊名称】化工学报【年(卷),期】2016(005)005【总页数】8页(P2048-2055)【

8、关键词】景观型、蔬菜型水平潜流湿地;总磷;动力学模型;Monod模型构建式;优化设计作者】殷志平;吴义锋;吕锡武【作者单位】东南大学能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源与环境学院,江苏南京210096;东南大学能源与环境学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】X171DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151445人工湿地作为一种环境友好型生态技术，其低投资、低能耗和维护管理简便的特点使其在工农业废水、小城镇及农村生活污水处理和水环境修复中具有独特优势1-2。目前，人工湿地已成功应用于生活污水、暴雨径流和工农业废水等的处理净化3-4。各类

9、湿地中，景观型和蔬菜型潜流湿地具备良好水质净化功能的同时，可产生一定的景观效益与经济价值，是实现污水中营养盐去除与资源化利用的重要途径。在营养盐中，磷是湖泊、水库等水体富营养化的主要限制因子5，控制磷污染物进入水体是防治水体富营养化的主要途径6。国内外大量研究表明，景观型和蔬菜型人工湿地均表现出良好的除磷效果7-11。但同时进行两类湿地除磷研究的相关报道较少。人工湿地的广泛应用和愈发严格的水质标准对湿地设计方法提出了更高的要求12。目前，人工湿地的设计通常基于经验公式，如负荷法等。采用经验方法得到的湿地面积通常比一级动力学模型的计算结果高出10%30%13。增加了工程造价，削弱了湿地的低成本优

10、势。对此国内外进行了不同的湿地动力学模型研究，但多集中于有机物的去除14-18，对营养盐去除模型的研究较少，景观型和蔬菜型湿地除磷模型的研究也鲜有报道。建立合适的湿地除磷模型可增强对复杂湿地系统除磷动力学和功能的理解，提高湿地设计的合理性，实现除磷效率的最大化和湿地尺寸、造价的最小化。同时，Roussea口等12指出需特别关注模型中参数的不确定性。模型中的速率常数常假定为恒定常数，而实际研究表明其受水力负荷、进水浓度、温度等因素影响17，19-21。而国内对湿地除磷速率常数的影响研究关注较少。本文通过构建景观型和蔬菜型水平潜流湿地两类湿地，开展湿地系统的除磷效果和动力学研究。采用一级动力学模型

11、和Monod模型模拟除磷效果，并对比模拟准确性。在模型速率常数的影响因素上，研究水温、水力负荷与速率常数间的关系，并建立湿地除磷模型构建式。为湿地除磷模型的选择、模型参数的完善和湿地系统的优化设计提供理论依据。1.1试验材料与方法试验于东南大学无锡太湖水环境工程研究中心实验室进行。试验装置(图1)由6组平行的水平潜流人工湿地单元构成，其中3组为景观型湿地，分别种植美人蕉(canna)、再力花(thaliadealbata)和常绿鸢尾(iristectorum)，另外3组为蔬菜型湿地，分别种植空心菜(waterspinach)、茭白(zizania)和番茄(tomato)。景观型湿地栽植密度为2

12、0株m-2，蔬菜型湿地栽植密度为26株m-2，试验期间植物长势良好。单元尺寸：长L=2.0m;宽B=0.30m;高H=0.6m;长宽比=6.67;水深H=0.40m;基质高度=0.45m;单元表面积=0.60m2，单元长度方向上间隔0.5m设置一取样口。单元内折流板构造形式：水流下行板距池底15cm，水流上行板距基质表面15cm。单元床体内由下至上填料配置：10cm粗砾石(粒径30-50mm),25cm陶粒(粒径1015mm),10cm细砾石(粒径10-20mm)。基质平均孔隙率约40%。开展本试验之前，各组湿地已稳定运行1年，湿地微生态系统趋于稳定。系统进水为经水解池+好氧接触氧化池处理后的

13、宿舍区生活污水，进水水质见表1。控制湿地进水水力负荷于0.18-0.30m3m-2d-1间，进行湿地除磷性能研究及动力学模型研究。2014年8月11月期间，每次取样时间间隔为3d，每个单元的取样点：进水、出水及长度方向上的3个中间取样点（0.5m，1.0m，1.5m）。测试指标包括:水温、pH、ORP和总磷（TP）等。1.2除磷动力学模型采用两种方法描述湿地除磷动力学，一是假定湿地除磷遵循一级反应动力学，二是假定湿地除磷遵循Monod反应动力学。在湿地动力学模型中，一级动力学模型是应用最广泛的模型。对于Monod模型，Saeed等22指出Monod模型可用于构造更真实的湿地预测模型，McNev

14、in等18提倡将Monod模型用于湿地的设计。水平潜流湿地系统中，污水主要以水平流动方式流经基质。Sun等23通过对比平推流和完全混合流两种假设下的水平潜流湿地模拟结果，指出平推流更符合实际结果。本文将试验湿地单元内的水流流态视为理想推流。研究表明，考虑污染物背景浓度C*可增强动力学模型预测的准确性。对磷而言，C*接近于零值19。本文中C*取0mgL-1。1.2.1基于推流的一级动力学模型理想推流一级动力学模型（考虑C*）-KC*模型式如下式中，Cout为出水TP浓度，mgL-1;Cin为进水TP浓度，mgL-1;C*为TP背景浓度，0mgL-1;K为一级反应速率常数，d-1;t为水力停留时间

15、，d。一级反应速率常数公式1.2.2基于推流的Monod模型Monod模型式如下式中，Cout为出水TP浓度，mgL-1;Chalf为TP半饱和速率常数，mgL-1,取0.2mgL-124;Kmax为TP最大体积去除速率常数，gm-3d-1。基于理想推流，式（3）在边界条件下t=0（C=Cin;t=t,C=Cout）的积分形式由式（4）得，最大体积去除速率常数公式K和Kmax的求解满足误差平方和最小（误差二出水测量值-出水预测值）。Tanner等25提出了Arrhenius方程，用以表示温度对反应速率常数的影响，公式如下式（6）等价线性公式式中，KT为T（C）下的反应速率常数，d-1;K20为

16、20工下的反应速率常数，d-1；e为量纲1温度系数；T为水温，C。式（7）的斜率与截距用以计算式（6）的参数。模型预测的准确性通过模型效率（ME）比较，ME反映实测值与预测值间的整体偏差。ME数值范围-81，数值越高表明预测值与实测值间越接近,ME公式式中，为Yi的平均值；Yi为实测值；丫八i为预测值。景观型和蔬菜型湿地的除磷效率景观型湿地TP平均面积去除率顺序：美人蕉单元0.286gm-2d-1再力花单元0.270gm-2d-1常绿鸢尾单元0.177gm-2d-1。蔬菜型湿地：空心菜单元0.265gm-2d-1茭白单元0.221gm-2d-1番茄单元0.165gm-2d-1。6组单元顺序为美

17、人蕉单元再力花单元空心菜单元茭白单元常绿鸢尾单元番茄单元。试验湿地未填加强化除磷基质，植物与微生物的耦合作用是湿地除磷的主要途径之一26。有研究指出，不同植物的除磷效果差异较大27-28。本试验湿地除磷效果的差异归因于植物种类的区别，美人蕉、再力花和空心菜湿地较大的植物生物量获得了较好除磷效果。Jing等9通过对不同植物类型潜流湿地的研究，指出茭白、芦苇和千屈菜湿地TP平均面积去除率分别为0.253、0.297和0.248gm-2d-1。不同月份TP面积去除率存有差异（图2）。8月11月间，6组单元总体表现为8月面积去除率最大，随着温度降低，面积去除率逐渐减小，在11月份出现最低值。植物同化磷

18、存有季节差异，与植物的生长周期性相关29-30。张岩等31-32指出水平潜流湿地的TP面积去除率随月份（温度）变化。湿地除磷动力学分析由表2得，水力负荷0.24m3m-2d-1条件下，景观型和蔬菜型湿地单元K、Kmax值顺序结果与2.1节中一致。表2中，K值范围：0.831.87d-1,Kmax值范围：1.20-2.07gm-3d-1。Ngo等33指出，潜流湿地TP级面积速率常数k为0.112-0.230md-1,本试验结果为0.133-0.299md-1。除番茄单元外，Monod模型ME值（0.760-0.860）均较一级动力学模型ME值（0.530-0.718）更接近1,Monod模型在预

19、测试验湿地出水TP浓度上具有更高的准确性。下文中，温度和水力负荷对除磷速率常数的影响分析均以Monod模型为基础。Kmax随水温变化特征图3和表3中R2（0.625-0.904）结果表明，以Arrhenius方程拟合温度与Kmax间关系是适宜的。表3中e结果指出，6组单元Kmax随水温的降低而减小，归因于植物吸收磷存有季节差异29，6种试验植物在低温下磷吸收速率降低。其中，美人蕉（=1.006）、再力花（e=1.008）和空心菜（e=1.006）单兀Kmax受水温影响不敏感，水温对鸢尾（e=1.015）和茭白（e=1.014）单元的Kmax存在较大影响。2.4水力负荷对Kmax20的影响水力负

20、荷（q）控制为0.18,0.24和0.30m3m-2d-1。Kmax20依据2.3节中Arrhenius方程计算。图4表明，Kmax20与q间存有明显正相关性，Kmax20随q值增大而增大，与Kadlec19和Rousseau等12的研究发现一致。需指出，Kmax20随q值变化有否阈值及阈值的大小需进一步研究。选取乘幕方程19和指数方程17拟合Kmax20与q间关系，利用乘幕回归与指数回归获得最适方程参数式中，q为水力负荷，m3m-2d-1；m和n为量纲1负荷系数。乘幂回归拟合结果式（11）、式（12）分别对应再力花和空心菜湿地指数回归拟合结果式（13）、式（14）分别对应再力花和空心菜湿地其

21、中，乘幕方程（R2:0.657;0.805）较指数方程（R2:0.639;0.787）的相关性更高。2.5Monod模型构建式基于2.3和2.4节，Kmax是温度的函数，符合Arrhenius方程，同时Kmax20与水力负荷相关。结合式（3）、式（6）和式（9）构建式（15）式中，H为湿地内水深,m；8为基质孔隙率，。式（15）用于水力负荷已知时的出水浓度预测，或出水浓度限制值下的水力负荷计算。Monod模型构建式式（16）、式（17）分别对应再力花和空心菜湿地利用式（16）和式（17）分别计算8月11月的再力花和空心菜湿地出水TP浓度，与实测值比较。表4中偏差结果（0.74%11.18%）表

22、明，式（16）和式（17）对试验湿地出水TP浓度的预测具备一定准确性。与除磷速率常数为定量的模型相比，Monod模型构建式将水温和水力负荷因素拟合进除磷速率常数中，提高了模型的准确性和适用性。（1）景观型湿地除磷能力顺序为美人蕉单元（面积去除率：0.286gm-2d-1;Kmax20:2.083gm-3d-1）再力花单元（0.270gm-2d-1;1.972gm-3d-1）鸢尾单元（0.177gm-2d-1;1.283gm-3d-1）。蔬菜型湿地：空心菜单元（0.265gm-2d-1;2.042gm-3d-1）茭白单元（0.221gm-2d-1;1.659gm-3d-1）番茄单元（0.165g

23、m-2d-1;1.209gm-3d-1）。美人蕉、再力花、空心菜和茭白单元具备较强的除磷能力。（2）除番茄单元外，Monod模型ME值（0.760-0.860）均较一级动力学模型ME值(0.530-0.718)更趋近1。Monod模型对试验湿地除磷效果的预测具备更高的准确性。(3)8月11月间，湿地TP面积去除率随温度下降而降低。Arrhenius拟合结果指出，美人蕉(e=1.006)、再力花(e=1.008)和空心菜(e=1.006)单元Kmax受水温影响不敏感，水温对鸢尾(e=1.015)和茭白(e=1.014)单兀除磷有较大影响。Kmax20随水力负荷的提高而增大。较指数方程(R2:0.

24、639;0.787)，乘幕方程(R2:0.657;0.805)对Kmax20与水力负荷关系的拟合度更高。Monod模型构建式可提升模型的准确性和适用性。ReferencesJOUCJ，LEECL，FUYTV，etal.SimulationofalongnarrowtypeconstructedwetlandusingthestreammodelQUAL2KJ.Sustain.Environ.Res.，2012，22(4):255-260.NZABUHERAHEZAFD，KATIMAJHY，NJAUKN，etal.WastewatertreatmentforpollutioncontrolJ.R

25、wandaJ.HealthSci.，2012，1(1):1-7.ALVAREZJA，RUIZI，SOTOM.AnaerobicdigestersasapretreatmentforconstructedwetlandsJ.EcologicalEngineering，2008，33(1):54-67.GUNESK，TUNCSIPERB，AYAZS，etal.Theabilityoffreewatersurfaceconstructedwetlandsystemtotreathighstrengthdomesticwastewater:acasestudyfortheMediterraneanJ.

26、EcologicalEngineering，2012，44(2):278-284.SCHINDLERDW，HECKYRE，FINDLAYDL，etal.Eutrophicationoflakescannotbecontrolledbyreducingnitrogeninput:resultsofa37-yearwhole-ecosystemexperimentJ.PNAS，2008，105（32）：11254-11258.MCCOMASC，MCKINLEYD.Reductionofphosphorusandotherpollutantsfromindustrialdischargersusin

27、gpollutionpreventionJ.JournalofCleanerProduction，2008，16（6）：727-733.DZAKPASUM，SCHOLZM，MCCARTHYV，etal.PhosphorusretentionandmassbalanceinanintegratedconstructedwetlandtreatingdomesticwastewaterJ.WaterandEnvironmentJournal，2015，29（2）：298-306.于君宝，侯小凯，韩广轩，等.多介质人工湿地对生活污水中氮和磷的去除效率研究J.湿地科学，2013，11（2）：233-2

28、39.YUJB，HOUXK，HANGX，etal.Removalefficiencyofmulti-mediumconstructedwetlandsonnitrogenandphosphorusindomesticsewageJ.WetlandScience，2013，11（2）：233-239.JINGDB，HUHY.Chemicaloxygendemand，nitrogen，andphosphorusremovalbyvegetationofdifferentspeciesinpilot-scalesubsurfacewetlandsJ.EnvironmentalEngineeringS

29、cience，2010，27（3）：247-253.唐晶，吕锡武，吴琦平，等.生物、生态组合技术处理农村生活污水研究J.中国给水排水，2008,24（17）:1-4.TANGJ,LUXW,WUQP,etal.Studyonbio-ecologicalcombinedprocessfortreatmentofruraldomesticsewageJ.ChinaWater&Wastewater，2008，24（17）:1-4.金秋，吴琦平，施勇，等.水生蔬菜型人工湿地技术净化农村生活污水的试验研究J.环境科技，2009,22(6):17-20.JINQ,WUQP,SHIY，etal.Researc

30、honpurificationofruralsewageinaquaticvegetablewetlandJ.EnvironmentalScienceandTechnology，2009，22(6):17-20.ROUSSEAUDPL，VANROLLEGHEMPA，PAUWND.Modelbaseddesignofhorizontalsubsurfaceflowconstructedtreatmentwetlands:areviewJ.WaterResearch，2004，38(6):1484-1493.13闻岳，周琪.水平潜流人工湿地模型J.应用生态学报，2007,18(2):456-462

31、.WENY，ZHOUQ.HorizontalsubsurfaceflowconstructedwetlandmodelsJ.ChineseJournalofAppliedEcology，2007，18(2):456-462.VONSPERLINGM，DEPAOLIAC.First-orderCODdecaycoefficientsassociatedwithdifferenthydraulicmodelsappliedtoplantedandunplantedhorizontalsubsurface-flowconstructedwetlandsJ.EcologicalEngineering，

32、2013，57:205-209.STEINOR，BIEDERMANJA，HOOKPB，etal.Plantspeciesandtemperatureeffectsonthe-kCfirst-ordermodelforCODremovalinbatch-loadedSSFwetlandsJ.EcologicalEngineering，2006，26(2):100-112.吴英海，韩蕊，林必桂，等.复合人工湿地中低浓度有机物的去除及Monod模型模拟J.环境工程学报，2013,7(6):2139-2146.WUYH，HANR，LINBG，etal.Removaleffectoflow-concen

33、trationorganicpollutantsandsimulatingwithMonodmodelinhybridconstructedwetlandJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering，2013，7（6）：2139-2146.LIOLIOSKA，MOUTSOPOULOSKN，TSIHRINTZISVA.ModelingofflowandBODfateinhorizontalsubsurfaceflowconstructedwetlandsJ.ChemicalEngineeringJournal，2012，200：681-693.MITCHE

34、LLC，MCNEVIND.AlternativeanalysisofBODremovalinsubsurfaceflowconstructedwetlandsemployingMonodkineticsJ.WaterResearch，2001，35（5）：1295-1303.KADLECRH.Theinadequacyoffirst-ordertreatmentwetlandmodelsJ.EcologicalEngineering，2000，15（1/2）：105-119.ANDERSENJH，MURRAYC，KAARTOKALLIOH，etal.Asimplemethodforconfid

35、enceratingofeutrophicationstatusclassificationsJ.MarinePollutionBulletin，2010，60（6）：919-924.LIUZR，CHENXS，ZHOULM，etal.Developmentofafirst-orderkinetics-basedmodelfortheadsorptionofnickelontopeatJ.MiningScienceandTechnology（China），2009，19（2）：230-234.SAEEDT，SUNG.Kineticmodellingofnitrogenandorganicsrem

36、ovalinverticalandhorizontalflowwetlandsJ.WaterResearch，2011，45（10）：3137-3152.SUNG，SAEEDT.Kineticmodellingoforganicmatterremovalin80horizontalflowreedbedsfordomesticsewagetreatmentJ.ProcessBiochemistry，2009，44（7）：717-722.HENZEM，GUJERW，MINOT，etal.ActivatedsludgemodelNo.2R.IAWQScientificandTechnicalRep

37、orts，1995.TANNERCS，CLAYTONJS，UPSDELLMP.Effectofloadingrate68.andplantingontreatmentofdairyfarmwastewatersinconstructedwetlands(I):Removalofoxygendemand,suspendedsolidsandfaecalcoliformsJ.WaterResearch，1995，29(1)：17-26.李晓东，孙铁珩，李海波，等.人工湿地除磷研究进展J.生态学报，2007，27(3)：1226-1232.LIXD，ZHANGTH，LIHB，etal.Current

38、researchesandprospectsofphosphorusremovalinconstructedwetlandJ.ActaEcologicaSinica，2007，27(3)：1226-1232.FRASERLH，CARTYSM，STEERD.AtestoffourplantspeciestoreducetotalnitrogenandtotalphosphorusfromsoilleachateinsubsurfacewetlandmicrocosmsJ.BioresourceTechnology，2004，94(2)：185-192.HUETTDO，MORRISSG，SMITHG，eta