（环境工程专业论文）新薛河人工湿地污染物净化效果与水质预测应用研究.pdf

c i a 褐币e di n d 似： u d c ： x 8 2 4 d j s s e 怕f i o nf o rl h em a s l e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo na p p l i c a t i o no fx d i 甩r n 僵r c o n s t r u c t i o n 、t l a n df o rp o l l u l 丛n t a n d ，a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o n c a n d i d a t e ： s u p e n r i s o r ： a 翰d e m i cd e g r a p p l i e df o r ： s p e c i a 坶： d a t eo fo m le 飙m i n a t i o n ： u n i v e 倦姆： x i a o h u i 疋m p r o m i a oq u i l m a s t e ro f e n 季n e 甜n g e n v i r o n m e n t a je n 西n e e r i n g j u n e 2 0 1 0 q h 增d a ot e c h n o l o 西c a lu m v e r s 时 硕士学位论文 新薛河人工湿地污染物净化效果 与水质预测应用研究 学位论文答辩日期： 丛缨：丕：2 苫 指导教师签字：乏弓塑 答辩委员会成员签字：科办 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 人工湿地国内外应用研究现状2 1 2 1 人工湿地的国内外发展历史3 1 2 2 人工湿地的国内外研究重点4 1 2 3 人工湿地数学模型5 1 - 3 基于人工神经网络的水质模拟研究进展7 1 3 1 人工神经网络水质模拟预测发展概况8 1 3 2 人工神经网络应用于人工湿地水质预测的可行性9 1 4 论文研究内容、来源及技术路线9 1 4 1 研究内容9 1 4 2 论文研究来源1 0 1 4 3 论文研究技术路线1 l 第2 章人工湿地污水净化原理。1 2 2 1 人工湿地分类1 2 2 1 1 自由表面流人工湿地处理系统1 2 2 1 2 潜流人工湿地处理系统1 3 2 2 人工湿地的主要组成部分及作用1 4 2 2 1 基质。1 4 2 2 2 微生物1 5 2 2 3 植物16 2 3 人工湿地的污染物降解机理。1 6 2 3 1 净化作用机理1 7 2 3 2 污染物去除机理一1 7 第3 章人工湿地试验研究2 0 3 1 试验研究目的2 0 3 2 人工湿地设计概况2 0 3 2 1 人工湿地选址2 0 士学位论文 ：! ( ) 2 2 i ：! z l ：1 4 ：! ! ； ：1 6 ：1 6 ：1 6 ：1 9 ：；1 3 2 j ：；z i ：；i ：；z i ：；! ； 3 1 ； 4 1 4 神经网络的学习方式3 7 4 2b p 神经网络的结构3 7 4 3b p 网络的学习算法3 8 4 3 1 指导思想3 8 4 3 2b p 网络的数学描述一3 8 4 3 3b p 网络学习算法的改进4 2 4 4 神经网络模型的建立。4 4 4 4 1 样本选择与预处理4 4 4 4 2 隐含层节点数的确定方法4 5 4 4 3b p 网络的激活函数一4 6 4 5 应用m a t l a b 软件进行神经网络模型的建立4 7 第5 章新薛河人工湿地系统水质预测模型构建4 8 5 1 人工神经网络进行水质预测的优越性。4 8 5 2 人工湿地水质预测模型的原理4 9 5 3 原始样本的确定4 9 5 4 网络模型拓扑结构的设计。5 2 5 4 1 输入输出层数的确定5 2 5 4 2 隐含层节点数的确定5 2 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 5 4 3 人工湿地模型的拓扑结构5 6 5 5 网络参数的确定5 7 5 5 1 节点转移函数的确定5 7 5 5 2 网络初始值的确定5 7 5 5 3 网络学习算法的确定5 7 5 6 神经网络模型训练检验结果6 0 5 6 1 人工湿地夏季模型6 0 5 6 2 人工湿地冬季模型6 1 5 6 3 神经网络检验结果分析6 3 5 7 神经网络模型的应用6 3 5 7 1 人工湿地进水水质预测6 3 5 7 2 预测结果分析6 4 5 8 本章小结6 4 第6 章结论与建议6 6 6 1 结论6 6 6 2 建议6 7 参考文献6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的科研工作7 5 附件。7 7 i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 水质预测是水污染防治工作的重要内容，其预测结果可以为环保部门提供重 研究依据。目前水质预测模型仍局限于机理模型，然而水环境污染过程的非 性和高度非线性性，使得机理模型难以精确模拟污染物降解的复杂过程。人 经网络属于复杂非线性科学和人工智能科学的前沿，进行复杂非线性系统模 以取得较好的预测效果，但其在水质预测方面的应用研究，在国内外尚处于 阶段。本课题组在前期的工作中应用人工神经网络进行了南四湖、墨水河水 型和水质预测的研究，结果表明应用人工神经网络可以取得较好的预测结果， 文的研究积累了成功的学习经验。 本文以南四湖新薛河人工湿地为研究对象，首先通过试验监测了人工湿地进 主要污染物浓度，研究了人工湿地对污染河水的净化效果，为人工湿地水质 模型的建立提供了数据基础。然后，从系统理论的角度出发，进行了基于b p 网络的人工湿地水质模型的研究，并应用模型预测在地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 类标准约束条件下新薛河人工湿地的最大进水负荷，水质预 测结果的研究为水质水量调度方案的研究奠定了坚实的基础。本文获得的主要研 究成果如下： ( 1 ) 通过在新薛河人工湿地进行试验研究，监测了人工湿地导流渠进水 c o d c r 、氨氮、t n 和t p 等污染物指标，以及各处理单元出水c o d c r 和氨氮浓度 等，研究了人工湿地的污染物去除效果，得到了污染物净化负荷与有机负荷之间的 关系。研究表明，人工湿地具有良好的污染物净化能力，人工湿地的建设大大改进 了新薛河的河水水质。 ( 2 ) 在充分研究神经网络机理和国内外研究现状的基础上，建立了基于b p 神经网络的人工湿地水质预测模型。模型建立过程中，为了增强网络的泛化能力， 提高训练效率和精度，进行了一系列的优化设计。然后通过不断试算，分析不同 隐含层节点数和不同训练方法时网络模型的性能，从而选择合理的网络结构及训 练方法。最终确定网络的拓扑结构为：一个输入层、一个隐含层、一个输出层的 三层神经网络。夏季模型隐含层节点数为9 ，网络训练函数采用量化共轭梯度法 讹c g 函数，冬季模型隐含层节点数为1 4 ，网络训练采用有自适应l r 的梯度下 青岛理工大学工学硕士学位论文 降法缸面n g d a 函数。 ( 3 ) 训练参数确定后，分别将人工湿地夏季和冬季样本数据中的前1 1 组数 据作为训练样本对网络进行训练，将第1 2 组数据作为检验样本对网络进行验证。 验证结果表明，夏季模型c o d c r 、氨氮、t n 、t p 的预测相对误差分别为1 5 、 2 4 、7 7 、8 3 ，冬季模型c o d c f 、氨氮、t n 、t p 的预测相对误差分别为1 1 7 、 3 0 6 、3 3 、2 7 3 。经查阅文献可知，预测误差在可接受范围内，表明网络的 训练是成功的，可以取得满意的预测结果，网络性能可以满足实际应用的要求。 ( 4 ) 将建立的人工湿地水质预测模型进行应用，经预测可知，在保证新薛河 人工湿地出水达到地表水i i i 类水质标准要求时，人工湿地夏季进水负荷为：c o d c r 浓度9 8 8m g l 、氨氮浓度q 2 3m g l ，冬季进水负荷为：c o d c ，浓度翌6 1 n 吼、 氨氮浓度s 1 1 7 m g l 。 关键词新薛河人工湿地；污染物净化；b p 神经网络；水质模拟预测 本研究得到国家重大水专项淮河项目“南四湖退化湿地生态修复及水质改善 技术与示范课题 ( 编号2 0 0 9 z x 0 7 2 1 0 0 0 9 ) 的子专题“地表i i i 类水约束条件下 的水质水量调度方案研究 的资助。 i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w r a t e r q 砌i 够p r e d i c t i o ni s t h ei n 驴r t a i l _ tc o n t e n to fw a l e rp o l l u t i o nc o m m l t e c l l l l o l o g y t h ep r e d i c t i o nr e s u l t sc a np r o v i d ei n l p o r 觚b 嬲i sf o re n v i r 0 衄朗t a l p r o t e c t i o nd 印耐m e n t a tp r e s e n t ，m o s ts t u d yi ss t i ul i m i t e dt 0m e c h 越s mi n o d e l ，血e n o n - d e t e n i l i i l i s t i c趾d h i g t l l y n 0 i l l i i 圮a ro fw a t e rp o l l u t i o n p r o c c s sm a l 【e s m e m e c h a i l i s mm o d e lc 趾ta c c u r a t e l ys i n l u l a t et l l e 咖q u a l 毋c o 曲瑚【i n 觚t sc o m p l 驭 p r o c e s s a n ni s 廿1 e 舶m i e ro fc o m p l e xn o n - l i n e a rs c i e n c e 锄da n i f i c i a li n t e l l i g e n c e s c i e n c e ，i t ss i i i l u l a t i o no fc o m p l e xn o i l l i n e a rs y s t e mc a no b t 撕ng o o dp r e d i c t i o nr e 跚l t s b u ti t sa p p l i e dr e s e a r c hi i lw a ：t e rq 吼l 埘f o r e c 枷n gi ss t i ui ni t s 碰孤y o l 】rg r o u pi n p r e v i o u sw o r kl l s e d 肘小t or e s e a r c hw a t e rq u 2 l l 时p r e d i c t i o ni n o d e lo f n a i l s il a k e 锄d m o s h u i 硒v 吐屺r e s m t ss h o w e dt h a ta n nc 趾o b t a i l lb e t t e rf 0 r e c a s t i n gr e s u l t s 1 1 l i sp 印e rt a k e d ) ( i 1 1 ) 【u e 鼬v e rc o i l s 仃i l c t e dw e t l a i l do fn a i l s il a k e 舔t h ea r e af o r 咖d y i i l g f i r s t ，m em a i ni l l n u e n ta n de f n u e n tp o l l u t a mc o n c e n t r a t i o no f 也e c o n s t r i j c t e dw e t l a n d 、v e r em o m t o r e da i l dr e s e a r c h e dt h ew e t l 锄dp u r i f i c a t i o ne 丘i e c tt 0 t h er i v e r ，赳l dp r o v i d e dd a t ab a s ef o r 廿l ee s t a b l i s l l i i l e n to fw e t l 觚dw a t e rq u a l i 锣m o d e l t h e n ，f 如mt l l ep e r 印e c t i v eo fs y s t e m st h e o r y ，r e s e a r c h e dm ew e t l a n dw a t e rq 砌埘 m o d e lb a s e do nb pn e u m ln e 觚o r k ，a n da p p l y e dn l em o d e lt op r e d i c tn l el a 唱e s t i n n u e n tl o 锄抵1 1 1 1 d e rm er e 曲隐i 姒迅c o n d i t i o n so ft h e s t m d a r do f “s u r f k ew a t e r e n v i r o 呦e n tq u a l 毋s t 锄d 棚”1 1 1 ew a t e rq u a l 时p r e d i c t i o nr e s u l t sf o m e dm eb a s i s o ft t l er e s e a r c ho fw a t e rq u a l 时a n dq 啪t i t ys c h e d u l i n gs c h e m e t h em a i l lf m d i n g s 、e r ea sf o l l o w s ： 1 ) b ym a l 【i n gr e s e a r c ho nx i m 【u e 砒v e rc o i l s l t 九丑c t e dw e t l 锄d ，m o 血o r e d 也e d i v e r s i o nc l 瑚m e li n n u e mc o d c r ，a m m o i l i 巩t na n dt pc o n c e 劬斌i o n ，a sw e l l 弱t 1 1 e p r o c e s s i i l gu n i te m u e mc o d c ra n da m m o l l i ac o n c e n t r a t i o n 1 1 l ep o l l l l 切n tr e m o v a l e 彘c tw e r e 咖d i e d 锄do b 蛐e dm er e l a t i o l l s h i po fp o l l l l t a n t s 咖航n gl o a d i n g 锄d o r g ；l i l i cp o l l u t i n gl o a d i n g r e s e 砌s h o w e d廿1 a tw e t l a l l dh a dg o o dp o l l 毗m t s p u r i & a t i o nc a p a c 以t h ec o n s | c m 以o no f 、e t l a n d sg r e a t l yi i i l p r 0 v e dn 圮w a i t e rq u a l i 够 o fx i i l x u ei u v e r 2 ) b 鹊e d0 n 伽l ys m d ym e c h a i l i s mo fa n na i l dr e s e a r c h 嘲t u s ，e s 协b l i s h e d i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 p r e d i c t i o nm o d e lf o rw e t l 锄dw a t e rq l l a l i 够b a s e do nb pn e u r a l 咖r k i n 也ep r o c e s s o fm o d e lb u i l d i i l g ，i i lo r d e rt 0 幽c en l en e t 、o r kg e n e r a l i z a t i o na b i l i 锣a n di n l p r o v e 仃a i n i n ge m c i e n c ya n dp r e c i s i o n ，m a d eas 耐e so f 叩t 妇md e s i 弘t h 吼b yc o n t i l l u o u s 缸面lc a l c u l a t i o n ，a 1 1 a l y z c l ep e r f o m 觚c eo ft h en 咖o r km o d e l 试t l ld i 妇f e r e i l tl l i d d e n i l o d e sa l l dd i 丘e r e n t 缸；l i l 血l gm c t h o d st 0s e l e c tar e 雒o na _ b l en e i t w o r ks 眦t i l 化a n d 砌l l i n gm “h o d s f i n 2 l l l yt h en c 帆旧r kt o p o l o g ys 饥j c t u r ew 嬲d e t e m l i l l e d 嬲f o l l o w s ： 伍em r e en e r v en e 钿，o r km o d e lo fo n e i n p i u tl 町，e r ，o n e1 1 i d d e nl a y e r o i l eo u ：t p u tl a y e r t h el l i d d e nn o d e so fs u 叫n e rm o d e l 、舔9 ，t r a i l l i n gf i m c t i o n 、a s 缸蛐晒c g 1 h eh i d d e n n o d e so f 丽n t c rm o d e lw 嬲1 4 锄di t s 昀i m n g 矗m c t i o nw 硒恤i n g d a 3 ) a r e rn ：屺m o d e lw 弱e 曲曲l i s h e d ，s e l e c t e dt l l ef i r s t1 1s c t so fd a ：t a 鹤n a i l l i i l g s a m p l e sr e s p e c t i v e l yi nw e t l 锄ds r a n d 、) l ，i n t e rs a l l l p l ed a _ a n d 廿l e1 2s e t so f d a ：t a 嬲t e s ts 锄叩l e s t e s tr e s u h ss h o w e dn l a tt l l er e l a t i v ep r e ( 1 i c t i o ne n 0 ro fc o d c r ， 硼：u i l 0 i l i t n ，t pi n 鲫m m e rm o d e lw e r e1 5 ，2 4 ，7 7 ，8 3 ，r e s p e c t i v e l y a n d i nw i i l t e rm o d e lt h e yw e r e11 7 ，3 0 6 ，3 3 ，2 7 3 ，r e s p e c t i v e l y 1 1 l e 咖r k p r e d i c t i o ne 玎c i rw 弱1 】l l d e ra l l o w e db a i l d ，t h en e 觚o r k 仃a i l l i n gi s & l c c e s s 舢谢m s a t i s f 如t o r yp r e d i c t i o n ，i t sp e r f o m a n c ec o u l dm e e tt l l er e q u i r e m e n t so fp f a c t i c a l a p p l i c a t i o n 4 ) n 圮e s t a b l i s h e dw e t l 锄d 撇l t e r 小l a l 埘p r e d i c t i o nm o d e lh a d b e e na p p l i e d b yt l 圮 p r e d i c t i o nw ec o u l ds e e ，i n 也e 鹪s u r a l l c et l l a tu 1 ce m u 朋to fx i i u e 础v e rw e t l 觚dm c t m e s 咖：l d a r do f “s l l r ：f a c ew a t e re n v i r o l l i l l e n tq u a l 时s t a l l d a r d ”，a l ep r e d i c t i v e v a l u eo fc o n s m 】c t e dw e t l 锄ds u i 衄e rm o d e lo fc o d c ra i l da m m o i l i as t l o u l db el e s s n 1 觚4 8 8m g la i l d2 2 3m g lr e s p e c t i v e l y a r l d 也ew i n t e rm o d e ls h o u l db el e s st l m 2 6 1 m g l 觚d1 1 7 m g lr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：x i i l x u em 、，e rc o n s m l c t e dw e t l a i l d ；p l l r i 轴gp o l l l l t 锄t s ；b p 鹏u r a l n 蜘r k ；w a t e r 删i 够s i m u l a t i o np r e d i c t i o n t i l i st o p i ci ss p o n s o r e db ym es u b p 删e c t “r e s e a r c ho fw a t e rq 砌i 够a 1 1 dq l 姗t i 够 s c h e d u l i i 唱s c h e m eu i l d e rn 圮r e 咖j 玎e dc o n d i t i o n so fm e s t 孤d a r d ”o f “s u r f 如e w a t e re n v 曲n m e n tq u a l 时s 伽m a r d ”o fn a t i o n a lm 匈o rw a t c rp r o j e c t n a 璐il a k e d e g r a d e dw e t l a n de c o l o 西c a lr e s t o r a t i o n 褫dw a t e rq u a l 毋i i l l p r 0 v e m e mt e c h i l o l o g y a 1 1 dd e m o n s t r a t i o nt o p i c s ”( n o 2 0 0 9 z x 0 7 21o - 0 0 9 ) 输水工程水质保障任务，南四湖良性湿地生态系统亟待建立。 湿地既是资源宝库，又与森林、海洋并列为全球三大生态系统，被称为“地 球之肾 。南四湖湿地水生动植物资源丰富，品种繁多，是生物多样性的代表地区。 其中，微山湖已被列为国家第一批重点保护湿地，整个南四湖湖区也于1 9 9 9 年被 列为国家重点保护湿地。随着区域社会经济发展和湖区开发利用强度的增大，入 湖水质污染、旺盛的淤积作用、湿地不合理的开发等人类活动，正在破坏南四湖 湿地的质量，减少湿地的数量，自然界气候干旱化和短时间的洪水灾害也在威胁 着南四湖湿地的生存和功能的发挥。 本课题来源于国家水体污染控制与治理科技重大专项淮河项目“南四湖退化 湿地生态修复及水质改善技术与示范课题 ( 编号2 0 0 9 z x 0 7 2 1 0 0 0 9 ) 。该课题通 过在南四湖建立河口多级串联人工湿地水质改善技术以及规模化退耕还湿与生态 修复技术，可以恢复南四湖湖滨带湿地生态系统的结构和功能，强化湖滨湿地的 水体净化和生物资源化功能，减轻湖泊富营养化程度，改善南四湖水质，增加南 四湖的环境容量，提高南四湖湿地生态系统的自然、社会和经济可持续性。 新薛河是国家南水北调东线治污规划薛城小沙河控制单元内的三条主要 青岛理工大学工学硕士学位论文 河流之一，为了探索南四湖流域人工湿地的实际运行效果和技术参数，为人工湿 地的持久性运行积累实践经验，2 0 0 5 年初，山东省环保局联合济宁市政府和微山 县政府，建设了占地面积约5 0 0 亩的新薛河人工湿地示范工程。新薛河人工湿地 示范工程的建设和运行，为南四湖流域人工湿地的大规模建设奠定了可靠的技术 基础，积累了丰富的运行和管理实践经验。 合理调度进入湿地系统的污水浓度，与人工湿地污水处理系统相衔接，是湿 地长期有效运行的关键，本课题的子专题之一是进行地表i i i 类水约束条件下的水 质水量调度方案的研究，即在确保人工湿地出水达标的情况下，确定进入人工湿 地的水质水量状况。因此，为保证人工湿地系统的稳定运行，确保其出水水质达 到地表m 类水质标准，需要控制人工湿地进水水质，即在保证湿地出水达标的情 况下，需对进水水质进行合理的预测。 人工神经网络是近年来发展起来的一种水质预测方法，它可以模拟人类的神 经系统，并在不同程度和层次上模仿大脑的信息处理机理，从而揭示样本数据中 蕴含的非线性关系，大量处理非线性自适应动态系统，具有良好的自适应性、自 组织性，以及强大的学习、联想、容错和抗干扰能力，可灵活方便地对多成因的 复杂非线性系统进行建模。人工神经网络在一定程度上可以弥补传统机理型模型 的不足，尤其是对问题的机理不太了解或不能用数学模型表示的系统，运用人工 神经网络可以对非线性的复杂动力学系统进行模型预测，其数值稳定性和精确度 较确定性的机理模型有大幅度提高。 因此，可以将人工神经网络应用到新薛河人工湿地的水质预测研究过程中， 构建基于b p 神经网络的水质模拟预测模型，从而预测在地表类水质标准约束 条件下人工湿地的进水水质状况，同时对河道水质水量调度方案的研究提供重要 的科学依据。 1 2 人工湿地国内外应用研究现状 湿地是由陆地系统和水体系统相互作用形成的自然综合体，具有地表积水或 土壤饱和、淹没土壤、适应湿生环境的动物等不同于水体系统的本质特征。湿地 同时具有水文功能、生物地球化学功能和生态功能【1 1 。人工湿地污水净化技术是 在长期应用天然湿地净化功能的基础上于2 0 世纪7 0 8 0 年代发展起来的一种污 水净化资源化生态工程技术【2 】，其特点是投资省、处理效果好、运行维护简单方 2 与d r c k u ：c l l 合作并由飚c k u m 于1 9 7 2 年提出著名的“根区理论 ( i 沁o t z o n e m e t h o d ) 之后开始的1 5 】，该系统由一种种植芦苇的矩形池子组成，池子底部的土 壤内含有钙、铁、铝等添加剂，以改善土壤结构和对p 的沉淀性能，水通过地下 潜流的方式水平流过芦苇根，污水流过芦苇床时，有机物被降解、n 被硝化与反 硝化、p 与c a 、f e 、触共沉积累于土壤中，水面保持在与地面水平，并在池子进 口、出口进行布水和收集出水。该理论极大地促进了人工湿地的研究与应用，标 志着人工湿地作为一种新型污水处理技术正式进入水污染控制领域。 根据d r s e i d e l 的思路，荷兰于1 9 6 7 年开发了一种现称为l e l y s 切d 工艺的大 规模处理系统，该系统是一个占地1 公顷的星形自由水面流人工湿地，其水深约 0 4 m ，随后荷兰开始大量建成这种人工湿地。北美在2 0 世纪7 0 年代开始对不同 设计的人工湿地进行试验，1 9 7 3 年北美第一个中试规模的人工湿地系统建在 b r o o l ( 1 塌v e n 国家试验中心，该系统由湿地、池塘和草地构成，称为草地湿地池 塘处理系统。 我国在“七五 期间开始人工湿地的研究，1 9 9 0 年在北京昌平建成首例人工 湿地处理污水系统，该系统为自由表面流人工湿地，处理能力为5 0 蝴的生活污 水和工业废水，占地2 公顷，水力负荷为4 7 c i i 以，h l 玎为4 3 d ，b o d 负荷为 5 9 b o d 5 ( h a d ) ，处理水质主要是水解池出水或原污水【6 1 。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 9 9 0 年，国家环保局华南环境科学研究所与深圳东深供水局在深圳白泥坑建 立实验基地，占地8 4 0 0 l n 2 ，处理能力为31 0 0 抛的城镇综合污水【7 1 。 1 9 8 9 1 9 9 0 年，天津环境保护科学研究所建立了1 1 个实验单元研究芦苇湿地 对城市污水的处理能力，并对水力负荷、有机负荷、停留时间及季节等污水中主 要污染物间规律进行探索，结果表明人工湿地出水优于二级处理标准【8 】。 中国环境科研院刘文祥【9 】在1 9 9 4 1 9 9 5 年，建立了由漂浮植物、沉水植物、 挺水植物及草滤带组成的人工湿地，并采用该湿地对控制农田径流污染进行了研 究，该湿地由低洼弃耕地改造而成，具有投资少、运行管理方便等优点。 中科院南京植物所【1 0 】采用人工湿地系统处理酸性铁矿废水，该系统面积约 1 3 0i n 2 ，流量为o 5m 3 m ，运行结果表明：该废水p h 由2 6 上升至6 1 ，铜离子去 除率为9 9 7 、铁离子去除率为9 9 8 、锰离子去除率为7 0 9 。 1 2 2 人工湿地的国内外研究重点 目前，对人工湿地的研究热点主要集中在三个方面：人工湿地处理效果的研 究、净化机理的研究以及污染物去除数学模型的研究等。 1 处理效果的研究 最初，人工湿地主要用于处理生活污水和矿山酸性废水，如今人工湿地不仅 可以用于城市污水和各种工业废水的二级处理，还可用于高级处理中的精处理和 对农田径流的处理等。其中，矿山酸性废水中金属离子主要是通过共沉淀、化学 吸收和植物吸收得到有效净化的，对工业废水的处理主要集中在淀粉工业废水、 制糖工业废水、炼油废水、造纸废水和食品加工废水等。 目前我国人工湿地技术的研究还停留在处理小规模的生活污水，而发达国家 已将工作重点转移到处理特殊工业废水的研究上，如富集、净化重金属、有毒物 质、石油化工废水等方面【l 。近年来国内外学者已对传统的人工湿地系统进行了 改进或者与其他系统联合使用后，用于农业面源污染【1 2 1 、城市与道路非点源污染 的治理【1 3 】等。廖新悌等【1 q 利用以香根草和风车草为植被的人工湿地处理猪场废 水，研究其对猪场废水有机物的净化功能及其随季节、进水浓度及水力停留时间 变化的规律，结果表明，4 个季节香根草或风车草人工湿地对c o d 和b o d 均有 较稳定的去除效果，两湿地均具有较强的抗有机负荷冲击能力。s c h 龃f s m 氐 j e n m f e r a 1 1 5 】等利用表面流人工湿地对美国马里兰州的一个奶牛场排泄物进行了 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 研究，该系统为了克服表面流人工湿地系统的不足，在湿地出口处设置了一个可 以拦截和吸收养分的过滤带，污水经过植物过滤带时，能大大削减污水中污染物的 含量。 2 净化机理的研究 人工湿地处理污水的机理非常复杂，涉及的范围也很广，各国学者对人工湿 地净化机理研究一直很活跃，虽然有些机理研究已经得到初步的认可，但仍有很 多问题尚未达成共识。 从大量的文献资料中可以看出1 6 1 ，对人工湿地净化机理的研究，主要包括两 种研究方向：第一种是以湿地的组成部分为研究对象，即研究基质、植物和微生 物等在处理水污染物中所起的作用；第二种是以污染物为研究对象，即研究污水 中的c o d c r 、b o d 5 、s s 、氮磷以及重金属等污染物在湿地中的迁移转化规律。 3 污染物去除数学模型的研究 目前大多数人工湿地的设计和运行都是建立在统计数据和经验公式基础上 的，各种污染物的去除反应动力学模型仍未完整地建立起来，对人工湿地的各种 去污机理和途径尚未深入系统的研究，对人工湿地的预期水质状况和长效运行效 果缺乏准确的预测手段。国内外对人工湿地污染物去除数学模型的研究非常活跃， 有关研究发现，整个湿地系统可用稳态的一级反应动力学方程来描述【1 7 1 ，一些国 家广泛应用一级反应动力学方程进行湿地的设计和对污染物去除效果的预测。 1 2 3 人工湿地数学模型 人工湿地数学模型主要是基于统计学原理、一级反应动力学理论及生态动力 学理论来进行模拟【1 8 】。常用的人工湿地数学模型有：回归方程模型、一级动力学 模型、m o n o d 模型和生态动力学模型，其原理各不相同，复杂程度和数据需求量 也有差别【1 9 1 。 1 回归方程模型 该类数学模型建立在大量运行监测数据基础上，通过对监测数据进行回归分 析，建立主要变量之间的相关方程。它将人工湿地系统视为“黑箱”，依据进出水 污染物浓度，还可能加入流量、温度、停留时间等因素的影响，通过人为定义的 简单线性方程或幂次方程对监测数据进行拟合，建立输出对输入的统计相应关系。 该模型公式简单明了，方便易用，但由于运行数据仅采用进出水浓度，数据 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 类别单一，方程构造形式较简单，使之不能准确描述复杂多变的人工湿地条件、 水质条件和气候条件等因素给处理效果带来的各种影响，造成其设计目标和预测 结果与实际观测数据之间误差较大。 2 一级动力学模型 人工湿地一级动力学方程是目前研究最多、应用最广泛的一类人工湿地数学 模型【2 0 1 。该类模型主要考虑处理负荷与处理效率间的关系，模型的推导以污染物 的降解服从一级反应动力学为基础。经常假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，一级湿地中的水流形态为稳定的柱塞流等。 一级动力学模型表达式为【2 1 】： c = c i e x p ( 一k v ty ) c = c i e x p ( 一1 0 0 k a m 踯 式中：c i 进水浓度，m l 3 ； c 出水浓度，m l 3 ； k v 体积去除速率常数，1 t ； k a 面积去除速率常数，l 厂r ； t 水力停留时间，t ； q 水力负荷，； x 湿地内某点距进口处的距离，m ； l 湿地总长度，m 。 3 m o n o d 模型 由于人工湿地污染物的去除主要与其发生的物理及生物降解过程有关，且去 除速率通常随进水浓度的增加由一级向零级过渡，达到“饱和 。因此，可以假设 人工湿地系统中微生物降解污染物的过程符合m o n o d 动力学模型瞄】。m o n o d 动 力学模型的表达式为： 厂咆，矿南吨_ 么南 式中：，生物降解速率，m g d ； 屯，零级体积速率常数，m g ( m 3 d ) ； k 饱和常数，m g l ； 6 作用和控制影响因素，对每个“箱子 及反应过程进行定义，确定其具体的质量 平衡方程、反应公式和相关动力学参数，并通过实验测定、文献查找等方法获得 各种相关生态动力学参数，然后运用各种建模软件对概念模型进行实现，并以人 工湿地系统的运行数据对各个参数和过程定义进行分析、演算、校验和修正，最 终得到一个统一完整的生态动力学模型【2 4 】。 目前生态动力学模型由于模型公式、模型参数的不同，以及实验手段没有建 立和完善等原因，对人工湿地的设计和预测还仅限于考察和研究其物质循环，对 各个污染物降解去除途径的动力学方程的认识仍未统一。但随着实验手段的不断 完善和研究工作的不断深入，人工湿地生态动力学模型将会不断完善。 1 3 基于人工神经网络的水质模拟研究进展 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简记作趾叮n ) 是根据人们对生物神 经网络研究成果设计出来的，由一系列神经元及其相应联接构成的数学模型，是 对人类大脑系统一阶特性的描述。它属于黑箱模型，可以实现n 维空间到m 维空 间的有高度非线性映射，通过对训练样本的学习，将研究系统的特征记忆存储到 网络权值中，可实现对系统的精确模拟【2 5 1 。人工神经网络的学习具有自组织、自 适应、容错性等特征【2 6 】。水环境系统是一个多层次、多变量、多介质、多目标的 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 复杂系统，同时也是一种开放而又难于界定的非线性动态系统，其时间和空间尺 度都很大，系统中各因素的相互作用也难以精确描述【2 7 】。因此，对这种复杂的系 统作定量化研究，可以借助人工神经网络这种高科技数学手段和信息技术。 1 3 1 人工神经网络水质模拟预测发展概况 人工神经网络自1 9 4 3 年由心理学家m c c u l l o c h 与数学家p i t t s 提出神经元生 物学模型以来，至今已有5 0 多年发展历史【2 8 1 ，并开发出了3 0 多种神经网络模型， 且神经网络理论的应用已渗透到了各个领域。 目前，很多学者致力于用神经网络模拟和控制污水处理过程的研究，并取得 了一些成果。1 9 9 0 年n u g ) ，i l e 和谢d o r 、) i r 首先提出用人工神经网络来仿真过程，开 创了人工神经网络在控制理论中的应用。随着人们对神经网络的进一步研究，神 经网络在水质模拟预测方面得到应用，b h a