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1、S t u d yo nH y d r a u l i cO p t i m a lD e s i g nO f C o n s t r u c t e dW e t l a n d K O N G Q i n g l i n g At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g l n E n v i r o n m e n
2、 t a lE n g i n e e r i n g l n C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fF o r e s t r ya n dT e c h n o l o g y 4 9 8S h a o s h a nS o u t hR o a d ，T i a n x i nD i s t r i c t C h a n g s h aH u n a n4 1 0 0 0 4 ，P R C H I N A S u p e r v i s o r P r o f e s s o rW uX i a o f u ，L iK e l i n
3、M a y ，2 0 1 2 、“ 2 0 9 7 3 0 2 。纩 中南林业科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 砂纭冷 功f 年乡月汹 中南林业科技大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，
4、同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林业科技 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密簖 ( 请您在以上相应方 作者签名：脚 导师 年多月瓣 加夕年 摘要 人工湿地通过基质、微生物、植物的三者的协同作用，使污水得到净化，具 有维护管理容易、建造和运行费用低、污染物去除效果较好的优势。而水力条件 是影响整个系统污染物去除效果的重要因素之一。目前，人工湿地构建设计主要 借助实际工程经验以及
5、传统经验公式，对人工湿地水力条件的理论和实践研究较 少，限制了该技术对污染物去除效率的提高。为此，本文对此进行了探讨，研究 结果可为人工湿地的设计提供水力学参考。 本文分析了水力负荷、水力停留时间、系统的布水集水方式等对潜流型人工 湿地系统污染物去除效果的影响。试验污水采用自配模拟生活污水。在连续运行 的条件下，分别监测了有无挡板、水力负荷为O 1 、0 2 、O 3 、0 4 、0 5m 3 ( m 2 d ) 时，各采样口污染物浓度值，拟合水力负荷与污染物去除率、出水口污染物浓度 与水力停留时间的线性关系。另外，还考察该系统在无挡板的情况下，水力负荷 为0 2 、0 3 、O 4 m 3
6、( m 2 d ) 时，水平式与竖直式布水集水方式对污染物去除效果的 影响，供实际工程参考。通过初步试验研究得出以下结论： ( 1 ) 在有无挡板、不同的水力负荷下，该系统C O D 去除率为6 2 1 , - - - 9 4 4 ， T N 去除率为6 6 8 - - , 8 8 6 ，氨氮去除率为3 0 4 - - - 8 0 O ，T P 去除率为7 8 4 - - 9 7 2 ，溶解性磷酸盐去除率为8 0 5 “ - 9 7 6 ，皆低于镇污水处理厂污染物排 放标准( G B1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中的一级A 标准。在同样的水力负荷的条件下，增加 挡板的人工湿地系统对污
7、染物的去除率明显高于无挡板系统。 ( 2 ) 当水力负荷为O 1 、0 2 m 3 ( m 2 d ) 、挡板存在时，系统容易产生死水区。 随着水力负荷的提高，水流逐渐呈推流状态，床体内死水区域得到改善。无挡板 时，系统污染物浓度在床体内逐步降低，没有观察到明显的死水区域。 ( 3 ) 以k C 一级反应动力学模型模拟C O D 、T N 、氨氮浓度、去除率与水力 负荷的线性关系，试验结果显示，拟合C O D 、T N 、氨氮去除率与水力负荷的线 性关系较好，相关系数良好( 0 9 4 5 8 _ 瓜子片 砾石 钢渣 高炉渣， 对氨氮去除效果的高低顺序为：砂子 煤灰渣 瓜子片 高炉渣 砾石 钢
8、渣。再结合 考虑经济效益和湖南环境条件，选用蛭石、红壤、砾石作为该试验的基质材料。 1 5 构建湿地污染物去除动力学模型 构建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，有时构建湿地甚至还会成为污染源【睡7 0 1 。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。近年来各国对湿地 中污染物的迁移过程和去除机理通过建立模型做了深入的研究，提出了一些构建 湿地的设计模型，并对湿地结构、污染物去除率和水力学参数的选择等方面提供 了一定的帮助。比较典型的湿地去污模型包
9、括衰减模型、一级动力学模型、零级 动力学模型、M o n o d 模型和对流弥散( C D E ) 模型。 1 5 1 衰减模型 衰减模型在综合分析了大量运行数据基础，而建立起的一种“输出输入”统计 响应关系，一般可以人为将实测数据拟合成简单线性方程或幂次方程拟合，其中 多数为线性方程，着重模拟污染物进出水浓度、污染物去除率或负荷之间的关系 1 6 人工湿地水力条件优化设计 【7 1 1 。 只需要污染物进出水浓度或负荷方面的数据，衰减模型就可以建立。资料获 取容易，通过该模型可以迅速预测人工湿地在一定条件下的去污效率，应用方便 简单。但是作为经验公式，同时也限制了衰减模型的适用范围7 2 1
10、 ，绝大多数衰减 模型都不能应用于设计污染物降解所需的人工湿地面积等，仅有少数含反映流量 的影响因子( 如水力负荷) 的衰减模型。衰减模型仅将构建的人工湿地视为一个“黑 箱”，无法反映出湿地系统中污染物沿程降解机理和具体情况。 1 5 2 一级动力学模型 目前一级动力学模型经被欧美、澳大利亚等国家广泛应用于湿地的设计和对 湿地污染物去除效果的预测。尽管模型存在许多不足和局限性，但由于参数少、 求解及计算过程都很简单，因此其仍是描述人工湿污染物去除情况最合适的方程 7 3 1 ，广泛应用于计算B O D 、营养物和细菌以及金属离子的去除率。 一级动力学模型的推导以污染物的降解反应动力学为基础，主
11、要考虑水力负 荷与污染物去除效果之间的关系。通常假设模型中的一些参数如速率常数等为常 量，例如体积速率常数k v 多用于潜流型人工湿地，来确定湿地所需的体积7 4 1 ，k A 多用于表流人工湿地来确定湿地所需的面积 7 5 - 7 6 】。 这些一级动力学模型通常的表达方式为： e = C o e x p ( 一K v q ) C e = C o e x p ( 一K A 式中，G 进水浓度( m g 1 ) C 一出水浓度( m e , 1 ) ； K 。二面积去除速率常数( d - 1 ) ； 如一体积去除速率常数( d 。1 ) ； q _ 水力负荷( m 3 m 2 d ) 上述的一
12、级动力学模型中只包含一个参数。在E c k e n f e l d e r 模型中，考虑到污 染物中存在不可被生物降解部分，即使没有不可降解的污染物，自然环境原本存 在的污染物，如植物的腐烂、大气中降尘、动物排泄物等对环境中释放的污染物 质，也存在一定的背景浓度，比如由于植物枯叶或其它有机物分解生成B O D 。在 人工或者自然的湿地中，微生物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l l O m g l 背景B O D 。于是K e d l e c 和K n i g h t 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 B ： 1
13、 7 中南林业科技大学硕士学位论文 ( e - C 口) = ( C o - C B ) e x p ( - K AI q ) ( C 。- C 口) = ( C o C B ) e x p ( - K 矿q ) 在实际工程应用中，模型中提出的速率常数与设计建造的湿地特征及运行 式相关，湿地有效水深、进水浓度、水流状态、水力负荷、降雨蒸发等各种因 质结构 间分布 会有些 工湿地 简化地 例如在 反算求得 为活塞流 流，也可 与停滞、 符合。又 负荷关系 根系生长 、气候变 率常数取 加，污染 按照这个 的工程应 ，我们可 零级过渡 多类似之 定的系统 地的运行 人工湿地水力条件优化设计 过程中
14、，污染物去除率随水力负荷不断增加，直至最大值( 也就是零级去除率) 。 但湿地的实际情况复杂多变，零级模型并不能完全对其进行描述，因此需要一个 将一级和零级结合的模型来描述，即M o n o d 模型。 在认为人工湿地内部水流为活塞流的前提下，学者提出M o n e d 模型。假设湿 地中的生物过程与其他生化污水处理系统一样符合M o n e d 动力学，其表达式为： d C k o ，爿 C ， C d t2 一言K s + C2 一吒，V K s + C砌 q 式中，h 为系统深度，为填料孔隙率；K s 为半饱和常数，包广屯分别于 为零级面积速率常和零级体积速率常数数，其值完全取决于污染物
15、和微生物。从 微生物角度看，K s 值随着微生物种类的变化而变化。从污染物角度看，K s 值越 高，污染物越难以被生物降解；反之，K s 值越低，污染物生物降解越快速。 1 6 课题来源 为实现中国经济社会又好又快发展，调整经济结构，转变经济增长方式，缓 解我国能源、资源和环境的瓶颈制约，2 0 0 8 年国家环保部规划了水体污染控制与 治理科技重大专项( 简称水专项) ，选择典型流域开展水污染控制与水环境保护 的综合示范和专项治理。湘江纵贯湖南省南北，集生活饮用、生产用水、航运、 发电、纳污等诸多功能于一体。近年来河水水质下降、水中溶解氧下降、营养物 质增加、水生生物减少，重金属污染严重，在
16、水环境恶化的同时，生态环境也遭 到严重破坏，自我净化及自我恢复能力降低乃至丧失。湘江水污染治理被列入国 家重点的典型流域水污染防治试点研究。人工湿地技术凭借其自身的优势，可以 作为湘江水污染治理和生态恢复的重要途径之一。 本课题为国家环保公益项目长株潭矿区污染控制与生态修复技术研究( 2 0 0 9 0 9 0 6 6 ) 的部分研究内容。 1 7 课题研究的目的、意义及研究内容 人工湿地水力学特性对于揭示湿地处理污水的机理是至关重要的。目前，相 对于人工湿地除污机理的研究，国内关于人工湿地水力学特性方面研究较少。这 在很大程度上影响到人工湿地在国内更广泛地应用。人工湿地水力学特性方面是 当前的研究热点之。 目前湿地的构建设计往往主要借助传统经验公式和实际工程经验。在实际运 用中，影响了人工湿地净化功能的有效发挥。因此开展人工湿地水力条件方面的 1 9 中南林业科技大学硕士学位论文 研究，提供工
