人工濕地水力學(xué)特性及有機(jī)污染物的研究

葛偉偉 (臨沂市環(huán)保局產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)服務(wù)中心 山東 臨沂 276000)

人工濕地水力學(xué)特性及有機(jī)污染物的研究

葛偉偉 (臨沂市環(huán)保局產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)服務(wù)中心 山東 臨沂 276000)

人工濕地是目前處理城市污水、工廠(chǎng)廢水的有效方法，本文針對(duì)濕地系統(tǒng)去除有機(jī)污染物特性建立了水體動(dòng)力學(xué)模型，在分析比較了兩種動(dòng)力學(xué)模型之后，指出Monod模型在準(zhǔn)確性方面有了較大的提高，這對(duì)人工濕地系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

人工濕地；動(dòng)力學(xué)模型；Monod模型

人工濕地系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代在國(guó)外興起并取得蓬勃發(fā)展的一種污水處理技術(shù)，廣泛的應(yīng)用于城市生活污水、工業(yè)排放廢水等污水的處理。人工濕地的組成和自然濕地有些相似之處，也是分為基質(zhì)、植物、水體、動(dòng)物、微生物五個(gè)模塊[1]。作為一項(xiàng)技術(shù)含量比較高的污水處理技術(shù)，人工濕地越來(lái)越受到人們的關(guān)注，但是大部分人對(duì)它的認(rèn)識(shí)還停留在表面上，沒(méi)有能深入的理解人工濕地的工作原理和處理機(jī)理，導(dǎo)致后來(lái)的運(yùn)行當(dāng)中，污水的處理往往沒(méi)有達(dá)到國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)就排放出去。本文通過(guò)對(duì)人工濕地水體力學(xué)特性的研究，建立了去除有機(jī)污染物的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)本文的研究，旨在使人們從理論的高度更深入的了解人工濕地凈化處理污水的機(jī)制緣由，使以后人工濕地的設(shè)計(jì)更加合理，同時(shí)也提高人工濕地的處理效率。

一、人工濕地去污一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

1.一級(jí)動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

人工濕地在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有多種動(dòng)力學(xué)模型，目前通常采用的是一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，在建立人工濕地之初可以采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)所建濕地去除有機(jī)物污染物的效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而合理規(guī)劃人工濕地的規(guī)模。人工濕地一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程主要建立在已有的本征動(dòng)力學(xué)研究基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)從宏觀(guān)的角度研究動(dòng)力模型和影響它的主要因素[2]。在眾多的影響因素之中，污染物的是人工濕地污水處理的關(guān)鍵因素，而這些有機(jī)物恰恰又是人工濕地中微生物的能量來(lái)源，因此人工濕地污水處理系統(tǒng)中有機(jī)物的含量是影響降解的重要因素之一。一級(jí)動(dòng)力方程探索的就是處理污染有機(jī)物的效率和處理負(fù)荷之間的關(guān)系。在建模時(shí)通常要進(jìn)行必要合理的簡(jiǎn)化，如認(rèn)為模型中的速率是不隨處理負(fù)荷和污水濃度而變化的，是一個(gè)常量[3]。

一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型用式子表示通常如下所示，

式中：Ci—表示進(jìn)水的濃度；

C0—表示出水的濃度；

kV—表示體積去除速率常數(shù)；

kA—表示去除速率常數(shù)；

t—表示水力停留時(shí)間；

q—表示水力負(fù)荷。

2.一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的局限性

人工濕地一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型目前得到廣泛的應(yīng)用主要原因是處理過(guò)程簡(jiǎn)單，容易讓人理解，建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用較少，但是它確確實(shí)實(shí)存在著一定的局限性。主要包括參數(shù)不夠穩(wěn)定、流動(dòng)特性不夠理想、季節(jié)變化的影響、去污能力的限制和不可預(yù)見(jiàn)事件的影響。在人工濕地一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型中，通常認(rèn)為的速率為常數(shù)，但是實(shí)際生活中它不可能是常數(shù)的，水體的負(fù)荷、進(jìn)水的濃度、雨水量的變化都會(huì)直接改變速率的值。

二、人工濕地去污Monod動(dòng)力學(xué)模型

1.Monod動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前文的研究，人工濕地一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型因計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單應(yīng)用廣泛，同時(shí)自身也存在著不可避免的缺陷，因?yàn)樗睦碚摶A(chǔ)與微生物反應(yīng)的實(shí)際情況存在偏差，當(dāng)人工系統(tǒng)趨于滿(mǎn)負(fù)荷后，即使外界流量繼續(xù)增加，濕地系統(tǒng)的去污能力也不再變化了。因此，為了使人工濕地系統(tǒng)能更好的反應(yīng)微生物去污的規(guī)律，假設(shè)系統(tǒng)的微生物與其他的生物系統(tǒng)微生物是一樣的，建立了更加準(zhǔn)確的Monod動(dòng)力學(xué)模型[4]。具體的模型如下所示，

式中：k0.V—表示零級(jí)體積速率常數(shù)；

k0.A—表示零級(jí)面積速率常數(shù)；

K—表示半飽和常數(shù)；

Z—表示濕地床的長(zhǎng)度；

ε—濕地床的孔隙率；

a—濕地的橫截面面積；

Q—流量。

2.Monod動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用

根據(jù)Monod動(dòng)力學(xué)模型分析可知，對(duì)于一個(gè)固定的人工濕地系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的零級(jí)體積速率常數(shù)和系統(tǒng)體積已經(jīng)是固定值，所以即使進(jìn)入系統(tǒng)的負(fù)荷一直增大，水體的去污速率也有一定的上限值，這是因?yàn)槊總€(gè)濕地系統(tǒng)所能夠容納的微生物總量是一定的，所以Monod模型更符合實(shí)際的情況。

為了更好的研究人工濕地系統(tǒng)去污速率，這里令標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷YL為進(jìn)入濕地系統(tǒng)的水體污染物負(fù)荷與最大有可能去除率的比值，同時(shí)令標(biāo)準(zhǔn)去除率YR為人工濕地床污染物去除率和最有可能去除率的比值，而后可以得到下面的關(guān)系式，

在一個(gè)人工濕地系統(tǒng)中，如果進(jìn)水濃度是恒定的值，那么濕地系統(tǒng)開(kāi)始是處于一級(jí)動(dòng)力學(xué)階段的，隨著進(jìn)水流量的不斷增加，人工濕地的去污速率也會(huì)增大，當(dāng)達(dá)到零級(jí)動(dòng)力學(xué)階段的時(shí)候，濕地的去污速率會(huì)達(dá)到最大值。如果進(jìn)入濕地系統(tǒng)的污水濃度變大，去污速率也會(huì)提高，當(dāng)進(jìn)入濕地系統(tǒng)的污水濃度趨近于無(wú)窮大時(shí)，人工濕地的去污性能將會(huì)達(dá)到極限值。

進(jìn)一步分析，如果YL比1小，則人工系統(tǒng)最大的去污率將是一條斜線(xiàn)，與之相應(yīng)的出流濃度變成零。對(duì)于一個(gè)給定的入流濃度來(lái)說(shuō)，如果進(jìn)入濕地系統(tǒng)的流量增加，整個(gè)系統(tǒng)的去污速率也會(huì)相應(yīng)的增加，甚至可以達(dá)到最大的去污速率。如果YL比1大，則在同一個(gè)濃度下，隨著流量的增加，出流的濃度也會(huì)相應(yīng)的增加，這是由于去污率YR已經(jīng)趨于最大值，整個(gè)濕地系統(tǒng)也達(dá)到了滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)。針對(duì)人工濕地系統(tǒng)而言，Monod動(dòng)力學(xué)模型比一級(jí)動(dòng)力學(xué)模更加接近有機(jī)物降解的實(shí)際情況，所以Monod模型更適合以微生物分解為主導(dǎo)的人工濕地系統(tǒng)。

展望

本文針對(duì)人工濕地系統(tǒng)建立了一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Monod動(dòng)力學(xué)模型，而這兩個(gè)模型都是建立在水體中有機(jī)污染物的質(zhì)量平衡基礎(chǔ)之上的，并沒(méi)有過(guò)多的考慮傳質(zhì)效率等動(dòng)態(tài)宏觀(guān)因素的影響，因此后人可以在這方面對(duì)人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究。

[1]于少鵬,王海霞,萬(wàn)忠娟等.人工濕地污水處理技術(shù)及其在我國(guó)發(fā)展的現(xiàn)狀與前景[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2004,23(1):22.

[2]王賢久.白泥坑人工濕池水力學(xué)計(jì)算研究[J].廣東水利水電,1997(6):50-52.

[3]孫廣友.中國(guó)濕地科學(xué)的進(jìn)展與展望.地球科學(xué)進(jìn)展,2000,15(6):666-672.

[4]黃成才,揚(yáng)芳.濕地公園規(guī)劃設(shè)計(jì)的探討[J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2004,23(3):26-29.

葛偉偉 女 漢族 1981.1— 碩士 現(xiàn)任臨沂市環(huán)保局產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)服務(wù)中心工程師