（环境科学专业论文）潜流人工湿地水力学模型及污染物去除动力学模拟.pdf

西南大学硕士学位论文 摘要 低的水深对湿地污水的去除效果更佳。 关键词：人工湿地水流模式去除动力学 西南大学硕士学位论文abstract h y d r o d y n a n l i c m o d e la n dm o d e l i z a t i o no f p 0 1 1 u t a n te v o l u t i o ni i ls u bs u r f a c ef l o w c o n s t m c t e dw e t l a n d s 1 上，o s t 霉叮a d u a t em a lo n n gme n v o i 皿e n t a 王s c l e n c e ：u 1jl n 朗a n m e n t o r ：p r o l u a n gy u m i i l g c 0 n s 缸c t e dw e 蛆dw 弱at c c h i q u e 删c hw 舔s e tu pt o a tw 觞t e w a t c rs i n c e1 9 7 0 s r e c y p e o p l ep a y 皿m c ha t t e n 曲nt oc o n s 劬c 刚w e n 姐dd u ct os 咖ea d v 锄t a g e s ，跚c h 舔h i 班 r 曲1 0 v a le 伍c i e n c y0 fp o u u t a n t s ，l i d w e r g y 姐do p 豇a 血gc o s t s ，柚de a s ym a i n t 锄觚c e 髓ee x p 吧幽e n tw 路o p e r 删i ne 蛐tp n o t - s c a l e 咖s 咖c 同w e 蛆d si np a n u e l ( a 1 ，a 2 ，b 1 ， b 2 ，c 1 ，c 2 ，d 1 ，d 2 ) w i 也也es 锄e 眦勰( 1 5 奶，d i 毖咖tl 钮g i h - w i d 也r a 曲s0 f1 ：1 ，1 5 ：1 ，2 ：1 ， 2 5 ：1 ；d i 量f e 鼻钮tw a t e rd c p t l 珞0 fo 7 柚do 5m t h ed i 锄e t e r s0 fs u b s 妇t cm e d i aa 他2 0 柚d1 2 珊吸 r e s e a r c hr e p o r t sm 唧d 0 f f 0 1 l r p a n s 1t h em o d e lo fw a t 盱n o wi n 跚b s i l r 血c en o w 伽幔l s 仃u c t i i dw e t l 姐d ； 2r e a r c ho ft h ed o 鹊i n gi nc o n s t n l c t e dw e t h n d ； 3m o d e l i z a 妇o fp o m i t a n tw 觞t e w a t c re v o l u 妇i nc o n s 细l c t e dw e 缸d s ； 4n e 啦c to fd e s 咖p 猢e t e 玛帆舭姗0 v a le f i c i e n c yo f p o n u t 蛆t s n em a i n 聆s u l t sa 勰f 0 u o 、析n g ： 1t r a c e rt e s t 懈a d o p 蜘t 0c h a r a c 锄 i z et h eh y d r o d y n a n l i c 北s i d 钮c et i i 聆( t ) 粗d 也e s t 锄d a r dv a r i a n c eo ft h et d i s t r i b u t i o n ( s 一n ee x p e 向地n t a lh y d n u h cr e s i d 钮c et i m e 拙劬u 舶n ( r n ) ) 伽ei sm o d e l e db ys o f 研a r cm 加l a bb a d t h ed a t a 缸髓虹a c e ft e s t r e s l l l t sd e m o n s t r a t et h a tl o g - n o m l a lp r o b a b i l i 哆d 钮s i t yf h n c 曲nc 姐b es a t i s 血c t o m yu s e dt om o d e l u l e r t dc i l r v e r i k w a t e r n o w m o d e so f w e t l 姐d 谢t h 岫s a 妣唧c c t r a t i o ms 血d i l a r t h r o u g h 也e p 缸a u e le x p e r i l m n t sa tt h ec i g h tu n i t s f hn ：h e 皿。豫，b e d sw i t h ：h d ww a t c rd e p t hs h o wl i g h td o 鹊i n g i ti sf o l m dt h a ts i m i l 缸t o1 0 9 - n o 册a lp r o b a b i l i 【yd e 璐埘f u n c t i ，fp r o b a b i k 哆d e n s i t yf h n c t i i s a 1 p r 0 v c nt 0b e 札i 油kt od e s c r i b et h e 、张t e r 丑o wm o d eb e c a u s et h e y 缸eb o t ht h ep r o b a b i l i t y d 钮s i t yf i l n c t i o n 姐da c c 0 t d 姐c e 、) l ，i 血t h ed i s t r i b u t i 衄c h a r a c t e r i s t i c0 fh y d d ) ，n 锄i cr e s i d e n t i m e m 西南大学硕士学位论文abstract 2i ns u b s m f a n o wc o n s m l c t c dw c 岫d ，t h ei n s o l u b l ep a n i c l l l 缸m a t c r i a l s ：i n 硪e n t w a s t 哪a t e rc a n c l 】咖m a t c 也e 曲s p a o ft h em e d i ab e c 眦辩o ft h ch l l l i t c ds p a 姐dt h e d 1 0 缨；i n go ft h ep l 姐t ，b a c t e r i a 缸ds t l l 缅gm 删a 1 t h i sp h 伽时m e n o n 佗s u l t si ns h o 栅o w 蛆d d e c 托雒e st h ee 伍d e n c yo fc 0 咖c t e dw c a n d 董b rp o u u t 蛆伍姗v a l 3r l i l 协矗d m 也em o d 池d o no fp o n u t a n te v o i 们佃i nc o n s t m c t e dw e n a n d ss h o wt h a t a d d i t i 叽o fm ml i i n i t e dc o n d i t i sc 蛆l e a dt ot h cl 嗍rr 锄o v a le 伍c i 钮c y ，w h i c h 础c a t e st h a l t h es i m p l em o d c lm yi n d u t h ei n f i u 蜘c e so f m ef a c l 0 墙d e c 舱勰i n go rd i s a p p e a i j m g t h 慨i ti s n e c e 豁a r yt 0d e ve ：l o pm o 他p e 栅m o d e l t op 他d i c t 也er 即v a lc 伍c i e n c y 4n es o 觚础；s p s si su s e dt oc v a l u a t et h e 啦c to fd 咖p 锄m t c r 姐m er e 脚v a l e t 丘c i c y t h e 搬m t ss h o wt h a td i f 色佗n td i g np a r 锄e t e 璐c a ni n d u s 呲e 珏b c to n 聆m o v a l d 固：i e 】a c y o v e 穗u ，t h el a r g e r 觞p c c tr a t i o ，t h es m a l ：b b rd i 锄e t 盯0 fm e d i 哪s i z ea n dt h cl 叫咒rw a t e r d e p t l lc a f a v o r i t cp o n l l t a n tr 锄o v a li nt h ec o 璐t f l l c t c dw e t l a n d s k e y w o r d s ：c o n s t r i l c t e dw e n a n d ，w a t 盯n o wm o d e ，m o v a l 由m a m i 璐 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料口与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 、悄l 一 学位论文作者：戒赤酌签字爨期：溉年罗月鑫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阕。本人授权嚣煮大学研究生院可以将学位论文的 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口保 。密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：威导鸟导师签名：。多纪 签字基期：邋年岁月霹签字鑫期：u 懈厂月i 爵 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 西南大学硕士学位论文 综述部分 1 1 湿地简介 1 1 1 人工湿地的起源 第一部分综述部分 2 0 世纪7 0 年代，随着全世界环境意识的广泛传播，湿地和其他生态系统对环 境的有利方面被大众发现。下水道污水被集中排放以后，自然湿地被用来作为传 统污水排放点。2 0 世纪6 0 和7 0 年代，开始监测有污水流入的湿地水质及生物完整 性。自此，人们意识到湿地净化水质的潜力。1 9 5 2 年欧洲的德国m 觚p l a n c k 研究所 的s e i d e l 和l ( i c k i l t 首次将人工湿地技术引入处理污水的研究当中，于2 0 世纪7 0 年代 在西德广泛流行。2 0 世纪6 0 年代末，荷兰首次建成与实际天然湿地大小一样的人 工湿地。随后，人工湿地技术迅速发展，以其处理废水在欧洲和北美广泛应用。 1 9 7 3 年，在北美首次设计建造了人工湿地处理小试系统。1 9 8 5 年在世界范围内加 快了这项技术的应用。1 9 8 8 年首届人工湿地污水处理大会在美国召开，“c o n s t m c t e d w e t l 觚d ”才逐渐取代其它术语正式成为“人工湿地”的代名词。由于湿地比其他生态 系统有更高的生物活性，它们可以将传统污水中的传统污染物中的大部分转换成 无害的副产品和可以增强生物活性的营养物质，加之其建造及运转费用低、维护 简单、适用面广、对负荷变化的适应能力强等特点，广泛被建立用于污水的二级 和三级处理【卜5 1 。在我国，首次研究的大型人工湿地于1 9 8 7 年在天津建造，自由表 面流人工湿地于1 9 8 9 年建造于北京昌平区l 确】，而潜流人工湿地于1 9 9 0 年建造于广 东省深圳市，这也被认为是人工湿地在中国应用的里程碑【9 。1 叫。近2 0 年来，由研究 人工湿地去除生化需氧量( b o d ) 、化学需氧量( c o d ) 和总悬浮固体c r s s ) 为主【l ，1 1 d 副 转向兼顾对废水中氮和磷等富营养化元素的去除【1 函1 8 1 ，此外人工湿地去除细 菌、重金属和难降解有机物的研究与工程实践也越来越多【1 9 。2 。人工湿地在废水 处理中的广泛应用与日趋严格的水质标准促进了其设计手段的发展和进步僻】。 1 1 2 人工湿地的分类 目前人工湿地污水处理系统的结构设计类型按水位在基质表面以上或以下可 以分为：表面流人工湿地和潜流人工湿地，其中潜流人工湿地分为水平潜流人工 湿地和垂直潜流人工湿地两种水流形式。 1 ) 表面流湿地( s u 血c en o ww 色t l a n d ，简称s f w 型) ：污水在此种湿地表面的 开放渠道以低流速，浅水位流动。湿地植物叶茎、根系、基质上的生物膜完成大 西南大学硕士学位论文 综述部分 部分有机物的降解。这种湿地的不足之处是不能充分利用填料层及丰富的植物根 系；寒冷季节湿地表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇，散发臭味，目前应用并不广泛。 2 ) 水平潜流湿地( s u b s u m c ef 1 0 ww e t l 姐d ，简称s s f w 型) ：污水在湿地床表 面下渗流，充分利用了填料表面及植物根系上生物膜对污水中有机物进行降解， 表层土和填料通过截留过滤机制对污水中的颗粒有机物和悬浮物进行处理，另外 由于水流在地表下流动，卫生条件和保温性好，不易滋生蚊虫，其处理效果受气 候影响较小，尤其适合北方地区冬季气温低的气候特点。欧洲国家大多采用此种 类型，应用比较广泛，缺点是这种类型湿地建设成本较高。 3 ) 垂直潜流湿地m r t i c a lf l o ww b t l 孤d ，简称v 】7 w 型) ：垂直流人工湿地的 水流情况综合了s f w 和s s f w 的特点，具有较高的净化效率和较小的占地面积 等优点，但其建造要求高。垂直流人工湿地根据水流方向又可分为上行流人工湿 地0 下行流人工湿地和潮汐流人工湿地【2 3 2 7 】。 1 1 3 潜流人工湿地的组成部分 组成人工湿地的三个基本要素包括：微生物，基质和植物。 1 ) 微生物 人工湿地水环境为微生物的生长和繁殖提供了适合的场所。这些微生物主要 有细菌和真菌类。它们进入湿地后分解废水中的固体。微生物可以进入废水中溶 解成分并直接完成这些成分的吸收和转化【复眈9 】。上述过程对污染物同化、转化各 种污水中化学成分的再循环起重要作用。 基质 湿地内的基质分为土壤、砂子、砾石。它不但为湿地中的微生物和植物提供 了生长和繁殖的场所，也能够通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物。目前 主要研究各种基质去除磷的效果【3 0 。3 3 1 。 3 ) 植物 植物是大多数湿地的主要组成部分。用于湿地的植物主要有芦苇、菖蒲、美 人蕉和香蒲等。植物对污染物影响很大m ，大多数污染物都在根区发生变化。在 低负荷的人工湿地系统中水生植物对营养物质的吸收占很大的比例，例如，农业 排出废水结合排水沟使用【3 5 。3 6 】。此外，湿地中的植物还可以去除重金属等有毒有 害物质m ，这些物质被转移到土壤上层或下层的植物部分，并进入植物组织直到 这部分植物组织死亡，从而可能被释放，或者被未分解的碎石掩埋，形成新的土 壤。植物根系还能输送氧气到根区，提供根区微生物生长、繁殖和降解过程中对氧 的需求1 3 8 】。 2 西南大学硕士学位论文综述部分 1 2 人工湿地中普遍存在的水力学行为 潜流人工湿地中的水力学行为包括降水，蒸发和湿地中水流在基质中流动。 设计人工湿地必须做足够的工作来预测湿地水力学，基本途径就是内部水量平衡。 由于已有构建的粘土密封或衬垫，流入和流出的水在设计时可以控制和测量。水 量平衡中不能控制的要素是降水和蒸发。此时可利用气候记录作为降水数据的基 础。 1 ) 降水 在总降水量的范围内，骤雨能够增大水深，但是实际水深并不能增大很多， 还要考虑降雨持续时间。例如，4 8 小时内降雨量为1 0 c m ，拟合结果显示降雨结 束时平均水深最大增加了8 5 锄，降雨期间出口水流变大，使大约1 5 雨水流走。 增大的水深会以很慢的速度消失，降雨停止2 天后水深仍高出1 c 扛l 。 2 ) 蒸发 湿地中的水损失包括水体、土壤蒸发和植物蒸腾作用。这两个过程结合起来 就是土壤水分蒸发蒸腾损失总量( e d 。植物的存在会抑制蒸发作用，其原因包括 植物遮蔽水面，湿地表面附近湿度增大，以及通风减小，枯草层的覆盖作用，减 少程度大约为5 0 。湿地内e t 约等于湖水蒸发，但是季节影响会暂时使这个普 遍研究结果不成立。e t 的季节变化反映出热辐射类型和植物类型变化的影响， e t 的季节变化类型与热辐射的变化类型相似，随着一年中湿地反射系数变化，蒸 发作用也会变大或变小，并且枯草层的覆盖作用也随之波动。计算农业水量损失 时农作物作用即为植物的影响，它被认为是除热辐射、风、相对湿度和温度影响 外，湿地e t 损失水量多于湖水蒸发的部分。湿地面积越小受周围微环境影响越 大。人工湿地面积普遍较小，因此有必要深入研究e t 对其影响程度。植物种类 对水量损失的影响是次要因素。由于e t 由太阳辐射引起，水损失就有明显的日 循环。湿地中的水位记录仪能够显示白天水位降低。如果从其他来源的水力负荷 较低，可以用下降的水位推断湿地e t 。但是当负荷变大或者控制出口结构时，这 种推断方法就不准确了。 3 ) 湿地水流在基质中流动行为 水流在基质中的行为研究及其进展已经有很长的历史，自1 8 5 6 年利用达西定 律来描述水流现象以来，最完整的基质中水流模型解释了三维空间的瞬间行为和 流动。 根据达西定律( 1 8 5 6 ) ，通过基质的水流与此处的压力差有关： - 口= 一七vj l 此处h = 此处压位差，m 3 ( 1 1 ) 疆鬻大学磺圭学位论文综述部分 k = 水力传导率，州 ，方程( 羔。熏) 在整个垂直水流方向都普遍适用。至于暴露在大气中的上表面，则 适用d 1 l p u i t f 0 r c l l e i m e r 方程： 堕兰，兰f 勰婴1 + 兰f 煅罢1 + p 一嚣 ( 1 萄 以 缸觑7 砂砂j 、7 此处至雷= 土壤水分蒸发蒸腾损失总量，藏瓣 p = 降水，州 h = 表面水高度，m x = 纵向距离，m y 糕横向距离，m e = 由水填充形成的多孔性 此方程假设水面倾斜度是流动的推动力。从湿地设计目的出发，该理论的简 化形式已经很多，暴前利用一维水流模型已经足以描述大多数情况。 虽然湿地中的植物和垃圾只占整个容积的很小一部分，大约2 _ 1 0 。却导 致湿地中没有真正的稳定流存在。而如果考虑长期运行结果，水流变化并不明显， 可用长期平均值代替定期董t 和和随机降水，此时水量随时问的变化即可忽略。 因此，能够推出一维稳定流方程的简化形式： 掣。警丝妒一殿) ( 1 3 ) 此处q = 体积速率，m = 强 w 鬻湿地宽度，m 由于p e t 不是空间的函数，很容易整理方程( 1 3 ) 为： 既一玩+ 尹一嚣) 规 ( 1 。4 ) 此处q m n = 出口体积流速，m 3 d q i l i = 入口体积流速，矗w 当水流经湿地时，方程( 1 。4 ) 表明降水可以增加体积流速而e t 则使其降低， 键此方程没有考虑水深的影响，因此有必要徽进一步的研究。体积流速在几何学 上和线性流速相关： q ；嚣强像一矿瓢 ( 1 5 ) 此处v 嚣实际水流速度，础 水深是水面高度减去床体底部剖面厚度： 日= b + ( 1 6 ) 此处b 裟基线以上床体底都厚度，怒 4 西南大学硕士学位论文综述部分 此外，最简单的水流摩擦关系为表面流速和水面倾斜度成正比： m 。一七之l ( 1 7 ) m i 一七一 i 上，j 此处h = 水面高度，m k = 水力传导率，m d 实际水流达西定律的一维表达式又受到层状水流模式的限制： 一婴；昙“+ w 比2 ( 1 8 ) 一一日一“+ w 比 1 1 芍) 出七 、 此处w = 扰动因子，d 2 j m 2 然而，当雷诺数小于1 o 时扰动作用甜可以忽略，当雷诺数大于1 0 并且误 差也很小时也可以忽略，雷诺数定义为： n 考赘 力 此处d = 基质颗粒粒径，m p = 水密度，州 = 水粘性，k 删 层状边界处多为沙状介质，但在分层和扰动层的过渡层之间多出现岩石介质， 此处扰动层起重要作用。 对( 1 8 ) 重新整理后得到的简化形式为： “。一t 掣 ( 1 1 0 ) “。一亿z l 上上w 此处k e = 有效水力传导率，m d 方程( 1 8 ) 和( 1 9 ) 比较后得到： 丢。昙+ 删 ( 1 1 1 )一皇一+ m w i 工1 上， 屯 七 、7 当流速越过分层边界时，有效水力传导率将随流速变化。对于颗粒介质，水 力传导率和扰动因子受介质的特性影响，即平均颗粒直径，颗粒尺寸分布方差， 颗粒形状，床体的多孔性和颗粒排列形式。在这些特性中，颗粒尺寸和多孔性的 影响已经被量化为方程形式。比如，对于均一层中任意填料e 强m 方程被广泛接 受： 扭1 5 0 ( 1 一s ) 2 肛 出 p g 占3 d 2 此处g = 重力加速度，删d 2 与方程( 1 8 ) 比较得到： 5 ( 1 1 2 ) 西南大学硕士学位论文综述部分 昙；訾 ( 1 1 3 ) 一暑一 l- - k p g 3 d l 、。 w 。等掣 ( 1 1 4 ) w l i z 二( 1 1 4 ) g 3 d 、 。 i d e l c h j k 给出了一个相关性，预测到压碎后有角的材料传导率比相同尺寸的圆 形材料低三倍： 与：箸擎冬 ( 1 1 5 )1 1 2 7 5 ( 1 一) p 、7 此处k 1 = 均一尺寸基质中水力传导率，m d 大多数基质尺寸是不均匀的，这会降低水力传导率，因为具有大比表面的小 颗粒会引起水体滞留，而且小颗粒可以进入大颗粒间的孔隙。由于使用堆砌和填 平以外的任何技术都是不现实且没有必要的，大多数湿地都包括可以引起颗粒重 排的过程。从而湿地内水力传导率很容易随床体颗粒的排列变化而改变。 1 床体堵塞 湿地中堵塞层的形成是有机固体在填料内部颗粒间隙的沉积，植物根系、填 料间隙间生物量生长和分解以及填料本身所含物质的化学沉淀反应等作用产生的 p 州。早期研究者把堵塞过程可分为下面三个阶段：第一个阶段是渗透速率接近 系统开始运行时的渗透速率，但呈现逐渐下降趋势；其次是一个实质性的平稳下 降阶段；最后是间歇的系统堵塞阶段直至持续堵塞发生。根据方程( 1 1 5 ) ，如果孔 隙空间的1 3 被阻塞，水力传导率将降低一个数量级。 2 生物膜作用 水一沉积固体界面污染物的迁移是整个去除机制的第一步，那些表面即为可 引起微生物过程，并为吸附过程提供场所的生物膜。可溶物质从大部分水体转移 至固体表面附近，然后通过停滞水流区扩散到表面，最后渗透到生物膜中并发生 化学变化。质量迁移在生物膜上和大量水相中发生。 1 3 潜流人工湿地中水动力学模型 对潜流人工湿地中水流状况研究的常规方法是示踪实验。目前有关水动力学 模型的研究多采用理想推流模型描述湿地内部的水流状况【4 1 垅】，在该模型中假设 示踪剂到达出口瞬间，其浓度达到最大，没有横向扩散和混合。也有采用完全混 合流模型来模拟人工湿地中水流状况的研究【4 3 】，在该模型中，假设示踪剂进入湿 地的瞬间即混合均匀，而且在流向出口的过程中其浓度保持不变。由于湿地内部 6 话南大学硬士学位论文综述部分 结构及植物根系的复杂性、外部降水和蒸发作用等因素对水流状态也有影响【律倒， 加上“短流”现象的存在，使得实际得到的示踪实验浓度一时问凿线中，示踪剂浓度 达到峰值之后会有一个“拖尾，因此，纯粹理想推流或者完全混合流模型都不能全 面地模拟实际锝到的不对称的示踪剂浓度时闻曲线。 1 3 1 理论背景 有关湿地水文学的许多文献都定义了一个名义停留时间，即湿地中的水的总 量与体积流量的比值： 吒。+ ( 1 1 回 水力停留时闯分布表示水在湿地中停留的不同时间所占的比例，通常情况下， 水力停留时间分布为湿地内停留时闯的概率密度函数。这个时间函数定义为： 胁时间t 到t + t 时间内流入湿地的水停留的分数。 逶常剩用示踪实验计算水力停留时闯分布函数，表达式为： ，( f ) 。掣。# 垃( 1 1 7 ) l 铋蝴f 蠡j uu 水力停留时闻分布函数的矩被用来定义表征湿地的两个主要参数：实际停留 时间和浓度脉冲的扩散。第n 个矩定义为： 坂= p “，擘冲 ( 1 1 8 ) 第一个完全矩即为示踪剂的停留时间，表示示踪剂颗粒在漫地中停留的平均 时间，这个平均时间也成为实际停留时间( t ) ： 阿o 渺一百 ( 1 1 9 ) 备 。第二个可以鸯接由停留时闻分布函数确定的参数是方差，用子描述示踪剂浓 度的响应曲线相对于分布平均值的分散范围。即为第二中心矩： 膨一百) 2 ，# 净一2 ( 王2 0 ) 飞 同时孳| 入无量缨的标准方差，即为： d 口2 了， 7 西南大学硕士学位论文综述部分 1 3 2 水动力学模型基本分类 潜流人工湿地中的水动力学可由目前较普遍应用的以下两种模型进行模拟： 考虑延迟的串联完全混合反应器模型；考虑轴向扩散的理想推流模型。 考虑延迟的串联完全混合反应器模型 潜流人工湿地并不能很好地用串联完全混合反应器模型表示，大多数潜流人 工湿地示踪实验反映了一个时间延迟，即没有示踪剂到达湿地床体出口处，这种 延迟可以通过在水流网络中加入推流反应器组分。假设延迟时间为t d 因此水力停 留时间分布函数有以下两种表达形式： ，o ) 一o( 1 2 2 ) m 志f 掣卜一毕。毛 ( 1 捌 考虑扩散的理想推流模型 对潜流人工湿地水流模型的第二种优化方式是在推流模型中加入扩散过程。 假设混合遵守扩散方程。此时的示踪剂质量守恒方程包括空间和时间变量： d 驾一型；堕 缸a x 出 ( 1 2 4 ) 其他几种水动力学模型 d e 锄s 和l 刖i c h 等人m 提出了在多孔介质中模拟水流的模型，这个模型包括 一系列连续搅拌反应池( c s t r s ) ，它们与相毗邻的“死的”c s b 交换水和溶质。 勋d l e c 【4 8 】提出在湿地中利用一系列平行的网络结构模型来模拟水流状况。c o a t e s 和s m i t h 【4 9 】在他们提出的“微分电容”模型中把平流扩散方程和完全混合存储区域 结合起来，以便更好地模拟多孔介质中的水流流动。w 色m e r 和融d l e c 【5 0 】提出了不 完全混合区域模型( z d m ) 来描述湿地中的水流状况，z d m 模型包含了无数多个推 流反应器，每个都和紧邻的c s t r s 进行质量交换，为了使模型更加准确地模拟实 际的水流状况，他们在垂直于流体运动方向的基础上考虑径向扩散，得到的模型 非常类似于“微分电容”模型和“二元区域”模型。 上述模型都对湿地内部进行了分区，但是由于典型的“黑箱效应”，很难判断 对湿地内部的分区的准确性，所以迫切需要一种方法能够排除这些外部因素对水 流的影响而直接根据示踪实验的数据量化湿地内部水流状况。 1 4 去除动力学模拟 水平潜流人工湿地内污染物去除模型经历了由简单到复杂，再由经验数据到 8 西南大学硕士学位论文综述部分 假设前提下的去除方程的过程，目前已发展到从更细节的方面研究湿地内具体去 除机理的动态机理模型。但是由于湿地设计参数以及运行参数的不确定性，很难 确定由某一个方程可以表示所有湿地内的去除动力学。 1 4 1 简单的经验公式 1 仅凭经验值法 仅凭经验值法是基于工程实践经验的设计方法，便捷但粗糙。勋d l e c 等和 w b o d 陶分别总结了水平潜流人工湿地的若干负荷参数，其中l m e c 等【2 j 总结的 数据为：水力停留时间2 7 d ；b o d 最大负荷率7 5 k g h m 一d 一；水力负荷0 2 3 0 c m d ，面积大小o 0 0 1 o 0 0 7 h 锄。3 d 。这些设计参数是来自于不同气候、地理 位置以及处理不同类型废水的多个人工湿地的运行数据，因此参数范围很难在一 个小的范围内适用，不具普遍性。 2 衰减方程 考虑到对处理湿地的研究大多数都是集中在入口一出口数据而不是内部过程 数据这个事实，因此衰减方程似乎是解释和应用于这些入口出口数据的有用工具。 多数研究对人工湿地系统的采样点主要分布在湿地进、出口，衰减方程将处理湿 地系统视为“黑箱”，通过对进、出水浓度或负荷的统计，依据人为定义的线性或幂 次方程对数据拟合，获得进、出水指标两者的关系。r 0 u s s e 肌等【捌对此做了详细 的整理，本文不再赘述。但此类衰减方程仅用2 个或3 个参数描述如此复杂的人工 湿地系统，简化了模型，但是不够准确。气候，床体材料，床体尺寸等重要因素 都被忽略，导致了衰减方程广泛的变化和设计很大程度上的不确定性。 1 4 2 一级k - c 模型 根据对衰减方程的研究，美国环保署提出了被广泛接受和使用的人工湿地设 计模型：一级动力学方程【5 1 1 。这个模型假设不变的条件( 进口浓度，流量等) 和理想 推流行为来预测入口和出口的指数变化图： 若初始条件：c = c i n ( t = 0 ) ；c = c t ( t = t ) ，且k a - k v c d ；q = q f a ；a = q t = a d e 鲁一叩_ ( 学卜叫嚣卜训 n 四 其中，勋d l c c 等1 1 】基于污染物在湿地中呈现指数衰减至恒值但不为零的现象，引 入了背景浓度c ，背景浓度c 可解释为进水中难降解的有机组分、湿地中微生 物和水生植物的代谢产物及其死亡分解中产生的难降解有机组分i 当降雨和蒸腾蒸发作用对湿地处理性能产生影响时，在稳态条件下由上式推 9 嚣商大学硕士学位论文练述部分 导得出式( 2 6 ) ： ( 嚣) - ( 1 + m 扩确 ( 1 2 6 ) 其中c * c 【翔 + a 模型中温度因素可用a h e 撕u s 公式修正： 匕r l ，口仃一柳 ( 1 2 7 ) 知? 一知瑟喇 l 。2 黔 磁d l e c 等网指出：湿地系统中b o d 、t s s 和开的去除与温度无关( 即9 = 1 ) ， 而氮的去除速率与温度呈正相关( e 驾1 0 5 ) 。 。 n i t i s o r a v u t 等【5 2 】研究了处理城市污水时，水力停留时间和盐度分布为1 2 薹2 0 h 及4 3 2 m s c m 1 条件下b o d 的降解速率，建立了盐度抑制的一级动力学模 型。、 墨t 等c 薹一8 罐f ) 矽喝砖 ( 王。2 9 ) 一级动力学模型假设流量、浓度不变和理想推流。在实际工程中，无论浓度 还是水量变纯都会发生变化1 乎3 绷，并且入王湿地床区中存在的t t 短游和；死区也 使理想推流的假设远远不能实现。这都限制了一级动力学方程的使用【5 5 j 。因此 勤d l e c 认为【5 6 】，反应速率常数k 会随着很多因素变化。s t e i 珏等研究也表明，植物种 类和温度这些因素也导致水平潜流人工湿地反应速率常数k 和c 有显著差异，k 和 c 之间有强烈的依赖关系。，因此，参数k 和c 不仅是湿地系统中物理、化学和生 物综合作用的结果，也受到了外在因素的影响，因此不同地域及其他条件不同情 况下的湿地中的如，如，c 荣翱。值相差很大。由于这些不能实现的理想假设的存在， 必须黠一绷t 弋萦模型酶形式进行改进方能得到比较满意的模型。 1 4 3 菲理想假设条件下的模型 1 ) 非稳态假设下的模型 主z q 等【1 8 】在研究充填页岩麓承平潜流人工湿缝和空自床蘑对露一c 藏模型做如 下修正：用与如( 分别表示填料和植物系统的反应速率常数) 之和代替七。其研究结 果表明：氨氮的是= o 。0 6 5 撒d 一，磊= o 。4m d - l ：正磷的七= o 0 8 缸l d 1 ，恕= 0 0 6 9 m d - l 。说明了填料对正磷的去除起主要作用，并且更进一步地证实了反应速率常 数不恒定的研究结果。 1 0 醒南大学颈士学毽论文练述繇分 m i t c h e l l 【5 刀等证实了另一个一阶模型的物理可能性j 即去除率随着增加的负荷 率增燕麓事实。嚣既，殛溉蝶推荐使尾繇鳓b 踌墅，露在相对低浓度条侔下反 应动力为一级，而在高浓度下呈零级。依然设定水流流态为理想推流，则模型表 达式为： ， 毛y 赢 ( 1 3 0 ) 此处爰炉甄醴； q = 滁c 泼w 囝 v = 趔；( c a ) m 0 n 耐模型哿对背景浓度c 辩作曲新解释：根据式( 王3 回，当浓度酶至接近d 时，反应速率也将非常低，因此在给定的水力停留时间内，污染物将无法完全分 解。 。 这个模型的一个其他的有趣的特征是本底浓度的选择性解释。实际上，如果 浓度降低戮零辫近的话，m 陇荫方程预测了一个菲棠低懿反应率，可能会骑止给定 的水力停龆时间下污染物整个的分解。 脚嗍等使用了一个魄较模型来裹示一个实验用处理生潘污水的水平潜流 人工湿地对氨氮的去除。他们以粕v 为7 8 m 驴卜l - 1 d 矗和k 为5 5m g - n l 1 为基础。可 决系数r 2 的值表明m o n o d 模型比一阶模型更好地描述数据的可变性。 雠耐等箨9 】用参数砀和务取代背景浓度c 渗数，推导出蜀一b 模型。假设去除效 率随时间减小，由于可生物降解的物质优先并且快速地被去除，则被生物降解成 分交少并且符合去除动力学的溶液浓度降低，废水中嗣掭组分戆持续变纯霜露变 一级降解速率参数老表征，公式如下； 知二南 ( 1 3 p 由于考虑随着处理时间的增加c i 是有规煲遗减少两不是不变静，所戬认 为人工处理湿地延迟模型更加合适。当分析来自处理酿酒废水实验用潜流人工湿 地的数据游，模型的标准化值硒为9 到1 2 d 一，b 的值从2 到嬲一。与热c 蔚模型 比较，随_ 陲寸问变化的延迟模型对不网深度和不同负荷的c 去除数据得到更一 致的参数。 2 毒摹理想攉流假设下的模型 非理想推流假设的情况为即为水动力学模型部分的分析结果，此处不褥重复。 g 裱蕊e 一6 霹等确认了水平潜流a 工湿她中死送存在的主要部位，并发现系统中存在 曼维流态，主要是水平对流扩散，但在轴向存在的水流扩散现象。结合七c 躺模 型和晒一参模型，根据模型及其参数的多变性和湿地系统中菲均匀流的程度综合 嚣南大学硕士学位论文 综述部分 考察系统的处理效果和水力学特征，最终得出流态的非均匀性对处理效果不稳定 的影响要大于参数不确定性影响的结论【锄。结合文献煳，g 矗s 掇娌的结论不仅是 m a r s i h 建立模型的依据你还是模型模拟取得理想效果的实验基础。但限于一级模 型自身的结构性闯题，g 矗s m c f 只能将研究结果分情形列表依次讨论，来能给出 改进模型的统一数学表达。 王a 4 动态祝理模型 l 岫动态箱式模型 2 1 年，w y 觏和“e o 蜊提出了水平潜流人工湿遗的区域机理模型，这个 模型包括6 个联结的子模型，代表着碳循环、氮循环、水和氧的平衡、囱养和异 养细菌代谢过程。由于磷和悬浮物的去除都是依赖于物理过程面不是生物过程， 所以没有模拟磷和悬浮物的去除。经过连续池方法来模拟水力行为的混合模式， 并且通过d 鲮c y 方程来模拟多孔介质中的水流。模型采用s 豫la 软件实现。磷 和悬浮固体的去除主要依据物化而非生物作用。因此没有将其纳入到模型中，模 型的重要假设之一是基于湿地出水的悬浮物近乎为零，规定悬浮物的去除率为 1 0 0 ，即出水中没有颗粒性物质。模型输入参数有温度、对闯、降雨萤、流速、 进水b o d 、n h 4 + 蠛、n 0 3 。一n 、有机氮及溶解氧。模型输出参数有流速、出水 b o d 、舻- n 、套的3 - n 、有机氮及溶解氧。，w y n 珏模拟水平潜流人工漫地2 周一 次的1 年一次测量的动态变化表明，季节变化包括在模型中。r o u s s e 甜等模拟了 每天3 次动态变化也符合模型。 h g e 呼a b e r 酬借鉴了h 如z e 等提出的活性污泥模型对生化反应的描述，提出 基于将污染物多组分划分，涉及不同组分传质、降解多项过程的c w 2 d 模型，模型 包括1 2 个组分、9 个过程和4 6 个参数，可完整地反应入工湿地系统对c 、n 、p 酶迁 移、转化。模型详尽地给出了在人工湿地中废水主要组分的传质与反应动力学。 其中，其传质动力学涵盖了污染物在系统中分散和扩散、传导、吸附刀辞吸和植物 对水分的吸收等过程，还引入了h y d r u s 2 d 模型的源代码，用r i c h 莉方程描述填 料中水流的状态。嘞模型对室内小试湿地系统的运行数据模拟取得了非常理想 的效果。 2 结论 由于处理不同类型的废水洚蜘以及不同尺寸网、填料f 6 9 7 0 】等，要找到普遍适 用的水动力学模型和污染物去除动力学模型都是很难的，这就迫切要求找到一个 普遍适用的数据分析方法，来尽量准确的拟合水平潜流人工湿地系统中得到的所 有有用数据来更好的描述该系统中的规律，目前水动力学模型越来越多的应用建 1 2 西鬻大学硕士学位论文综述部分 模软件( 如m 衄a b 、s 唧j a 、m o d e l m 眦等) 来获得水动力学模型，而用统 计方法和统计软件( 如s p s s 、s y 鼹腊) 来得到去除动力学模型。因此有关工具软 件的应用将成为环境分析和预测韵有用工具。 盖5 本论文研究的意义及内容 1 5 。l 研究意义 目前潜流人工湿地普遍被用于处理生活污水，由于其较高的处理效率，较低 的运行和维护成本，成为人们关注的热点，所以对于人工漫地对污水处理效率的 改进也进入了一个新的阶段。尤其是湿地内部水流模式，直接影响湿地对污水的 处理效果，因此，有必要对水流模式进行研究。 1 5 2 研究内容 潜流人工湿地作为一种复杂的系统，一直被认为是一个靠黑箱打来研究，因 此内部的水流很难被具体化，所以研究这些水流的模式对于了解湿地内运行效率 很有必要。此外，预测人工湿地对于污染物豹去除效果也是人们研究的热点，为 此，本文研究内容如下： 王、利用数学软件m 触a b 模拟湿地内水流模式并评价湿地内的阻塞状况； 2 、模拟不同限制条件下湿地中污染物的去除率； 3 、设计参数对污染物去除的影响。 参考文献 【1 】勋l d l c cr h 蹦g h tr l 1 9 9 6 。t r e a 圭m e n tw c t l 勰d s 。k w 主s ：b o c ar o t a n ，c r cp r e s s 【2 】b u c h b e 珞e rs g ，s h a wg b a na p p r o a c ht a w a r dr a t i o n a ld c s i 印0 fc o n s 妞i c t e d w e t l 勰d sf o rw 嬲t c w a t e r 觇a 衄e n t 【j 】e c 0 1 融g ，1 9 9 5 ，4 ：2 4 9 - 2 7 5 嘲丑 a b e r lr c o 蜮斑如dw e t l 娥l s ：ac l 粼t os o l v ew a s 耄c w a t c rp 曲l e m s 讯 d e v e l o p i n gc o u n t r i e s 【j 】w - a t c r s c i t | 眺n 0 1 ，1 9 9 9 ，4 0 ( 3 ) ：11 1 7 阳薹囟a i s i 碰! 纛ep o t c 曩l 泌萎菠c o n s 姗c t 甜w 甜蹯d s 蠡眶w 鑫s t e w 鑫主e r 骶茬妇e n 毫绻d r e u s ei l ld c v e l o p i n gc o u n 诚陷：ar e v i e w e 幻1 e n g ，2 0 0 1 ，1 6 ：5 4 5 - 5 6 0 龄】s d a n 0m l s o d a n op ，c i 渤m p c o n s 雠e l c dw e 娃a n d s 弱as u s 幽a b 薹8s o l u l i o n f b rw 弱t 粥，a t e r 骶a t m e n ti ns m a l lv i n a g e s 川b i o s y s t e n g ，2 0 0 4 ，8 7 ( 1 ) ：1 0 9 - 1 1 8 【6 】龚清字，王林超。从策略到措施的水环境生态规划以北京通州星潮王业区为 蘸薄大学硕士学毽论文综述部分 例【j 】城市规划，2 0 0 5 ，2 9 ( 6 ) ：2 5 3 2 闭王全金。芦苇人工湿地在环境保护中的瘦用闭。环境污染治理技术与设备， 2 0 0 5 ，6 ( 8 ) ：1 _ 5 【8 】项学敏，宋晨，周集体等。人工湿地水处理技术研究进展存在随题与改进 川环境科学与技术，2 0 0 6 ，2 9 ( 1 0 ) ：1 0 1 1 0 2 ，1 1 4 【9 】y 跹gy ，x uz c ，h ukw 勰gj s ，e ta 1 r 锄o v a le 丘c i e n c yo f 也e0 0 n s t m c t e d w 甜勰dw a s t e w 擞溉a t 穗继s 筘t 锄a t 熬峨强跚蛔童 刚。w 糖。s c i t e c h l l 0 1 ，1 9 9 5 ，3 2 ( 3