人工濕地污染物去除動力學(xué)模擬研究

范英宏

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所,北京 100081)

人工濕地通過基質(zhì)、植物和微生物之間的物理、化學(xué)和生物協(xié)同作用實現(xiàn)對污水的凈化，作為一種新型生態(tài)污水處理技術(shù)，由于具有投資和運行費用低、抗沖擊負(fù)荷、處理效果穩(wěn)定、出水水質(zhì)好等諸多優(yōu)點而日益廣泛地用于污水處理中[1-4]。當(dāng)前人工濕地設(shè)計運行多是建立在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對濕地運行過程中污染物的去除過程缺乏定量化的計算。當(dāng)前有關(guān)人工濕地的定量模擬的方法主要有一級動力學(xué)模型[5-9]、衰減方程[10]和生態(tài)動力學(xué)模型[11-13]及Monod 模型[14]。衰減方程簡單明了、容易獲得、方便易用，運行數(shù)據(jù)僅采用進(jìn)、出水濃度，但該模型不能準(zhǔn)確描述復(fù)雜多變的因素給處理效果帶來的各種影響，造成設(shè)計目標(biāo)和預(yù)測結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)之間誤差很大。生態(tài)動力學(xué)模型將濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的主要過程進(jìn)行動力學(xué)描述和建立質(zhì)量平衡方程[15-17]。但模型中涉及植物、微生物的生長、死亡，物質(zhì)的運移等多個學(xué)科的交叉，這一復(fù)雜性也導(dǎo)致模型中采用了一些經(jīng)驗公式而非機(jī)理公式，再加上模型實驗方法仍未完全成熟，致使大量的模型參數(shù)中有些難以實驗測定或不得不采用估算值和類似的文獻(xiàn)值，從而限制了其使用。一級動力學(xué)污染物降解模型主要考慮處理效率與處理負(fù)荷之間的關(guān)系，模型假設(shè)濕地中的水流流態(tài)為理想推流，一些參數(shù)如速率常數(shù)等為常量。這種模型屬灰箱模型，在實質(zhì)上是非機(jī)理模型，但可以很好的描述系統(tǒng)的一些變化條件。本研究采用一級動力學(xué)模型對濕地中污染物的去除動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估計，探討不同濕地對污染降解的效果，并可用于指導(dǎo)人工濕地設(shè)計。

1 一級動力學(xué)模型原理

最簡化的一級動力學(xué)模型不考慮降雨和蒸發(fā)，假定濕地水流形態(tài)為理想的推流狀態(tài)，且為穩(wěn)態(tài)即進(jìn)水流量和水質(zhì)都不變。

(1)

式中：C0—進(jìn)水污染物平均濃度，mg/L；C—出水污染物平均濃度，mg/L；kA—一階面積速率常數(shù)，m/d；q—平均水力負(fù)荷率，m/d。

為了使模型更好的擬合實測數(shù)據(jù)，考慮進(jìn)水中不可降解的污染物濃度或由大氣、地下水引起或由于化學(xué)以及生物地理化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生以及植物和微生物代謝及其死亡分解產(chǎn)生的難降解有機(jī)物形成的背景值，引入背景濃度C*參數(shù)，即k-C*模型。

(2)

2 濕地中污染物去除模型參數(shù)估計及數(shù)值模擬

本文通過實測進(jìn)水溫度10 ℃～15 ℃，水力負(fù)荷0.04 m/d～0.22 m/d條件下水平潛流和復(fù)合垂直流濕地進(jìn)出水污染物濃度，然后采用公式(2)兩邊取對數(shù)，通過線性擬合曲線，估計模型的參數(shù)，從而構(gòu)建濕地系統(tǒng)COD、氨氮、總氮和總磷等污染物的降解動力學(xué)模型。其中模型參數(shù)估計采用線性擬合曲線與實際觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性最大的原則進(jìn)行估計。

2.1 COD 降解動力學(xué)模擬

2.1.1 模型參數(shù)估計

濕地系統(tǒng)COD降解面積速率常數(shù)擬合結(jié)果見圖1，R2分別為0.982 4和0.992 6。由公式(2)可推出水平潛流和復(fù)合垂直流濕地COD去除面積速率常數(shù)kA的分別為0.101 5 m/d和0.137 6 m/d，COD背景值C*為11 mg/L?？芍獜?fù)合垂直流濕地COD去除面積速率常數(shù)高于水平潛流濕地。

圖1 濕地系統(tǒng)COD去除的k-C*模型擬合曲線

2.1.2 數(shù)值模擬

根據(jù)估計的模型參數(shù)，分別計算出不同類型濕地出水COD濃度(圖2)。在水力負(fù)荷為0.04 m/d條件下模型計算結(jié)果低于實測數(shù)據(jù)，而在水力負(fù)荷為0.11 m/d條件下模型計算結(jié)果普遍高于實測結(jié)果。因為試驗運行階段，高負(fù)荷情況下氣溫比較高，而到低負(fù)荷情況下氣溫特別低，可見濕地中COD的去除率受氣溫影響，但影響不顯著。尤其是對于復(fù)合垂直流濕地受溫度影響比水平潛流濕地小。

圖2 濕地系統(tǒng)實測出水COD濃度與模型計算出水COD濃度

2.2 氨氮降解動力學(xué)模擬

2.2.1 模型參數(shù)估計

選定水力負(fù)荷為0.04 m/d～0.11 m/d的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)擬合，結(jié)果見圖3，R2分別為0.984 6和0.997 5。水平潛流和復(fù)合垂直流濕地氨氮去除面積速率常數(shù)kA分別為0.029 03 m/d和0.061 73 m/d，背景值C*為10 mg/L?？梢?，復(fù)合垂直流濕地氨氮去除面積速率常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水平潛流人工濕地。

2.2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)模型分別計算出不同進(jìn)水情況下不同濕地出水氨氮濃度(圖4)?？芍?，對于水力負(fù)荷為0.04 m/d和0.11 m/d條件下模擬結(jié)果不好，在低負(fù)荷情況下實測數(shù)據(jù)高于模型計算結(jié)果，而在高負(fù)荷條件下實測數(shù)據(jù)普遍低于模型計算結(jié)果，因為試驗運行階段，高負(fù)荷情況下氣溫比較高，而到低負(fù)荷情況下氣溫特別低，可見氨氮去除率受氣溫影響比COD要敏感。

圖3 濕地系統(tǒng)氨氮去除的k-C*模型擬合曲線

圖4 濕地系統(tǒng)實測出水氨氮濃度與模型計算出水氨氮濃度

2.3 總氮降解動力學(xué)模擬

2.3.1 模型參數(shù)估計

濕地系統(tǒng)總氮去除模型參數(shù)擬合結(jié)果見圖5，R2分別為0.994 3和0.977 2。水平潛流和復(fù)合垂直流濕地總氮去除面積速率常數(shù)kA分別為0.020 51 m/d和0.038 88 m/d，C*估計值為15 mg/L。復(fù)合垂直濕地總氮去除面積速率常數(shù)同樣高于水平潛流人工濕地。

2.3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)模型分別計算出不同進(jìn)水濃度條件下出水總氮濃度(圖6)?？芍?，對于水力負(fù)荷為0.11 m/d條件下濕地系統(tǒng)模型計算數(shù)據(jù)普遍高于實測數(shù)據(jù)，可能原因是在該段運行期間，氣溫比較高，系統(tǒng)氮的去除速率高于模型計算出的反應(yīng)速率。但水平潛流濕地的誤差大于復(fù)合垂直流濕地，這可能是由于垂直流濕地由于保溫效果比較好，溫度變化不大的情況下對總氮去除影響不大。

圖5 濕地系統(tǒng)總氮去除的k-C*模型擬合曲線

圖6 濕地系統(tǒng)實測出水總氮(TN)濃度與模型計算出水總氮(TN)濃度

2.4 總磷(TP)降解動力學(xué)模擬

2.4.1 模型參數(shù)估計

采用總磷濃度在2 mg/L左右的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖7，R2分別為0.967 6和0.965 6。推出水平潛流和復(fù)合垂直流濕地總磷去除面積速率常數(shù)kA分別為0.121 4 m/d和0.197 3 m/d，濕地系統(tǒng)總磷背景值C*為0.06 mg/L。同樣，復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)總磷去除面積速率常數(shù)高于水平潛流人工濕地。

圖7 濕地系統(tǒng)總磷去除的k-C*模型擬合曲線

2.4.2 數(shù)值模擬

根據(jù)模型分別計算出不同水力負(fù)荷條件下出水總磷濃度(圖8)?？芍谕瑯舆M(jìn)水條件下，復(fù)合垂直流濕地出水TP濃度低于水平潛流濕地。在水力負(fù)荷為0.11 m/d條件下，模型計算數(shù)據(jù)普遍高于實測數(shù)值，而在水力負(fù)荷為0.04 m/d條件下，模型計算數(shù)據(jù)普遍低于實測數(shù)值。由于濕地系統(tǒng)運行是按水力負(fù)荷從高到低的順序進(jìn)行的，在0.11 m/d條件運行時，基質(zhì)中磷污染物濃度比較低，基質(zhì)吸附磷的過程比較快，反應(yīng)速率高于平均反應(yīng)速率，而到0.04 m/d條件時，由于基質(zhì)中磷日漸增多，反應(yīng)速率低于平均速率，故模擬數(shù)據(jù)低于實測數(shù)據(jù)。

圖8 濕地系統(tǒng)實測出水氨氮濃度與模型計算出水氨氮濃度

3 結(jié)論

模型計算結(jié)果表明，水平潛流濕地COD、氨氮、總氮和總磷的面積速率常數(shù)分別為0.101 5 m/d、0.029 03 m/d、0.020 51 m/d和0.121 4 m/d；而復(fù)合垂直流濕地各污染物的面積速率常數(shù)分別為0.137 6 m/d、0.061 73 m/d、0.038 88 m/d和0.197 3 m/d?？梢姀?fù)合垂直流人工濕地污染物去除面積速率常數(shù)都高于水平潛流人工濕地，尤其是對于氨氮的去除速率常數(shù)，復(fù)合垂直流人工濕地是水平潛流濕地2倍還多；總氮速率常數(shù)也比水平流高近1倍。模型模擬和試驗結(jié)果表明，復(fù)合垂直流濕地對污染物的去除效率比水平潛流濕地要高，尤其是對氮磷的去除效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于水平流濕地。模型計算結(jié)果表明，濕地中污染物氮的去除效果受溫度影響較COD明顯，但復(fù)合垂直流濕地中污染物去除效果受溫度影響較水平潛流濕地小。

[1] Green W M. Suitability of macrophytes for nutrient removal from surface flow constructed wetlands receiving secondary treated sewage effluent in Queensland, Australia[J]. Water Science and Technology, 2003, 48(2):121-128.

[2] Cheng S, Grosse W, Karrenbrock F, et al. Efficiency of constructed wetlands in deconta mination of water polluted by heavy metals[J].Ecological Engineering, 2001, 18(3):317-325.

[3] 劉紅, 代明利, 歐陽威, 等. 潛流人工濕地改善官廳水庫水質(zhì)試驗研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2003, 23(5):462-466.

[4] 修春海, 于水利, 李玲. 不同人工濕地對微污染原水處理效果的研究[J]. 中國給水排水, 2008, 24(23):64-71.

[5] 劉灝, 王勇,張寶莉,等. 垂直流人工濕地中基質(zhì)組合對污水的處理效果及模型模擬[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2016, 10(6):2940-2946.

[6] 史云鵬，周琪.人工濕地污染物去除動力學(xué)模型研究進(jìn)展[J].工業(yè)用水與廢水，2002，33(6) : 12-15.

[7] IWA.Constructed Wetlands for Pollution Control: Processes，Performance，Design and Operation.Scientific and Technical Report No.8.IWA Publishing，London，UK，2000.

[8] 趙蓉, 陳東宇, 周少奇,等.k-C*模型的人工濕地模擬研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2012, 6(1):163-167.

[9] Saeed T，Sun G Z.Kinetic modelling of nitrogen and organics removal in vertical and horizontal flow wetlands.Water Research，2011，45(10) : 3137-3152.

[10] Kadlec R H. Overview: Surface flow constructed wetlands[J]. Water Science & Technology, 1995, 32(3):1-12.

[11] 劉曉娜, 丁愛中, 程莉蓉, 等. 潛流人工濕地除氮的生態(tài)動力學(xué)模擬[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2011,30(1):166-170.

[12] Wang N M, William J M. A detailed ecosystem model of phosphorus dynamics in created riparian wetlands[J]. Ecology Engineering, 2000, 126:101-113.

[13] 張軍, 周琪.表面流人工濕地磷循環(huán)生態(tài)動力學(xué)模型及實現(xiàn)方法[J]. 四川環(huán)境, 2004, 23(1)：88-91.

[14] 吳英海, 韓蕊, 林必桂,等.復(fù)合人工濕地中低濃度有機(jī)物的去除及Monod模型模擬[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2013, 7(6):2139-2146.

[15] Liu W. Subsurface flow constructed wetlands performance evaluation, modeling, and statistical analysis[D]. Lincoln：University of Nebraska, 2002.

[16] Mayo A W, Bigambo T. Nitrogen transformation in horizontal subsurface flow constructed wetlands I: Model development[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2005, 30(11-16)：658-667.

[17] Wang Yanhua, Zhang Jixiang, Kong Hainan, et al. A simulation model of nitrogen transformation in reed constructed wetlands[J]. Desalination, 2009,235(1-3)：93-101.