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1、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。关键词： 人工湿地 动力学模型 水处理 Progress of Development of Kinetic Models for Pollutants Removal with Constructed WetlandsAbstr
2、act： 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 firststage kinetic models and Monod models，both of which are based on the mass balance of pollut
3、ants 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 2model；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
4、、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
5、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3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
6、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，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
7、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 1-10mgL 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（kv.t）（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：kvkv。qm （5）研究表明
8、参数4m 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： （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（Dakv.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
9、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
10、是某个固定的值，而是有个范围。1.4.2 非理想流动特性5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，
11、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=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
12、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，可以观察到随着进6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/Q.c（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
13、.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，v.V.定义了标准化负荷 RL（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，v.V）（12）RR（Cic0）Qk0.v.V） （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
14、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 100，即出水污染物的浓度为零。7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 RL 1，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
15、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
16、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8是通过河道进入的。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
