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构建湿地水力学参数最优化设计研究 摘要 构建湿地是应用于生活污水和工业废水净化处理的新型技术。它 通过人工建立的半自然湿地生态系统中基质、湿地植物和基质内微生 物三者的共同作用达到净化污水的目的，显示出了较好的净化效果。 其水力学因素对于系统处理效果的影响较大。国内对于构建湿地系统 的内部机理，特别是对水力学方面的研究较少，成为限制污水净化效 果显著提高的主要原因。相对于构建湿地污水处理技术较成熟的国 家，我国目前构建湿地的设计主要借助于传统的经验公式和实际工程 经验，只有少数工作对湿地运行中和建造设计时的水力学问题有所关 注，且尚未得到规律性结论。为此本文对构建湿地系统的重要水力学 问题以及水力学参数的优化设计进行了较全面地研究，并提出了最优 化的设计模型。 本文分析了水力学因素包括水力负荷、水力停留时间、系统水深 等对湿地系统处理效果的影响。然后，引入了三个重要的构建湿地系 统的设计模型，即基于达西流影响下的一级动力学模型、m o n o d 反应 动力学模型以及对流一弥散模型。进而通过实验确定了反应动力学模 型的一些重要参数即去除速率常数氏、达西定律中的水力渗透系数k 以及对流一弥散模型中的水动力弥散系数d 的值。最后研究了应用上 述三种计算模型在构建湿地系统设计计算过程中的具体水力学优化 i v 方法。并应用新型的人工神经网络预测模型对构建湿地去除效果进行 模拟。重点介绍了对流一弥散模型在构建湿地系统设计方法上的应 用。 根据国内外构建湿地研究的大量文献调研，垂直流构建湿地系统 相对于其他类型的构建湿地系统在污水处理效果、卫生条件和占地面 积等方面具有优越性。因此，通过构建垂直流湿地小试系统来验证各 种模型的预测效果，并对比分析不同设计模型之优缺点，从中找出最 优化的水力学参数设计模型，即对流一弥散模型。研究表明对流一弥 散模型在垂直流构建湿地系统中具有良好的预测性和可行性。为我国 目前构建湿地设计中主要依靠经验，缺乏技术理论依据的情况提供一 些参考。 以上研究可为构建湿地优化设计和高效运行提供参考，有助于构 建湿地技术在污水处理实践中得到合理、有效地运用和不断地发展。 关键词：垂直流构建湿地，水力学参数，优化设计，m o n o d 模型， 对流一弥散模型 v t h eo p t i m a ld e s i g no ft h eh y d r a u l i c s p a r a m 匣t e r si nc o n s t r u c t e d 慢t l a n d s a b s t r a c t c o n s t r u c t e dw e t l a n d si san e wt e c h n o l o g yw h i c hi sw i d e l yu s e di n d o m e s t i cw a s t e w a t e ra n di n d u s t r yw a s t e w a t e rp u r i f y i n gt r e a t m e n t i tc a n p u r i f yw a s t e w a t e rb yt h em u l t i p l ee f f e c t so fs u b s t r a t e s ，w e t l a n dp l a n t s a n dm i c r o b ei nc o n s t r u c t e dw e t l a n da n ds h o w sw e l le f f e c t i v e t h ef a c t o r a b o u th y d r a u l i c sh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h es y s t e m st r e a t m e n te f f e c t h o w e v e r ，n o w a d a y si no u rc o u n t r y ，t h e r ea r ef e wr e s e a r c h e so nt h e i n t e r i o rm e c h a n i s mo ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e m ，e s p e c i a l l yt h eo n e s r e l e v a n tt ot h eh y d r a u l i c s c o m p a r ew i t ht h e s ec o u n t r i e sw i t hm a t u r e c o n s t r u c t e dw e t l a n dt e c h n o l o g y ，w eu s u a l l yd e s i g nc o n s t r u c t e dw e t l a n d b a s eo nt r a d i t i o ne x p e r i e n c ef o r m u l aa n dp r o je c tp r a c t i c e f e wo ft h e s e w o r k sf o c u so nh y d r a u l i c sp r o b l e mi nw e t l a n dd e s i g n i n ga n do p e r a t i o n a n dn or u l e so rc o n c l u s i o no b t a i n e d t h ea u t h o rw o r kc o m p r e h e n s i v e l y o nt h ei m p o r t a n tp r o b l e m so nh y d r a u l i c sa n dp a r a m e t e ro p t i m a ld e s i g no f c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，t h e nd e v e l o pt h eo p t i m a ld e s i g nm o d e l t h i sp a p e ra l s oa n a l y z et h ee f f e c t so nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，w h i c h c a u s e b y t h ef a c t o ro fh y d r a u l i c s i n c l u d i n gh y d r a u l i cl o a d i n gr a t e ， v i h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ea n ds y s t e md e p t h e t c f u r t h e rm o r e ，i n t r o d u c e s t h r e ei m p o r t a n tc o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e mc a l c u l a t i n gm o d e l o n ei s f i r s tr e a c t i o nk i n e t i c sm o d e lu n d e rd a r c yf l o wi m p a c t t h es e c o n di s m o n o dr e a c t i o nk i n e t i cm o d e l ，w h i c hi sf e wb e e ns t u d i e da n dt h eo t h e ri s c o n v e c t i o n d i s p e r s i o ne q u a t i o n sm o d e l t h e n ，t h e s er e s e a r c h e sg e tt h e v a l u eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e rr a t e s u c ha sc o n s t a n t c v o ff i r s t r e a c t i o nk i n e t i c sm o d e l ，c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y w o fd a r c y sl a w a n dh y d r o d y n a m i cd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t o fc o n v e c t i o n - d i s p e r s i o n e q u a t i o n s f i n a l l y ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h e s et h r e ec a l c u l a t i n gm o d e l s i n o p t i m a ld e s i g n c o n s t r u c t e dw e t l a n ds y s t e ma n df o c u s o nt h e a p p l i c a t i o no fc o n v e c t i o n d i s p e r s i o nm o d e l i nt h ed e s i g no fc o n s t r u c t e d w e t l a n ds y s t e m a tt h es a m et i m e ，i tp u tf o r w a r d s al a t e m o d e l a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sm o d e l t h e n ，t h ea u t h o rv a l i d a t e st h e s ek i n d s o fm o d e lb ye x p e r i m e n td a t ao fs m a l ls c a l et e s t a f t e rs u m m a r i z e sd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e so fw e t l a n d ，t h e r e s e a r c h e si n d i c a t et h a tc o m p a r ew i t ho t h e rs t y l e so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d ， v e r t i c a l f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d ( v f c w ) s y s t e mh a ss u p e r i o r i t i e so n s e w a g em a n a g e m e n t ，s a n i t a t i o nc o n d i t i o n a n do c c u p i e dl a n da r e aa sw e l l s o ，t h i st h e s i sc o n s t r u c t e dav e r t i c a l f l o ww e t l a n ds y s t e ma n d v a l i d a t et h e s i m u l a t i o ne f f e c t b y a n a l y z i n g a n dc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e o fd i f f e r e n tm o d e l ，t h ea u t h o r f i n d so u t t h a t c o n v e c t i o n d i s p e r s i o ne q u a t i o n s m o d e li st h e o p t i m a lh y d r a u l i c s v i i p a r a m e t e rd e s i g n m o d e l t h er e s e a r c h e si n d i c a t ew ec a ng e tw e l l p r e d i c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yb yu s i n gc o n v e c t i o nd i s p e r s i o ne q u a t i o n s m o d e li nv c w s y s t e m 。i ts h o u l dp r o v i d es o m ei n f o r m a t i o n t ot h o s ew h o d e p e n d o ne x p e r i e n c ea n dl a c ko fs c i e n t i f i cb a s i si nd e s i g n i n go f c o n s t r u c t e dw e t l a n d t h r o u g hs t u d i e sa b o v e ，t h e a u t h o r e x p e c t s t o p r o v i d e u s e f u l i n f o r m a t i o nf o rt h eo p t i m a ld e s i g na n de f f e c t i v eo p e r a t i o no fc o n s t r u c t e d w e t l a n da n dp r o m o t et h ea p p l i c a n ta n dd e v e l o p m e n to ft h ec o n s t r u c t e d w e t l a n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y w u y i n g l i n g ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rs o n gx i n s h a n k e yw o r d s ：v e r t i c a lc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，h y d r a u l i c sp a r a m e t e r ， o p t i m a ld e s i g n ，m o n o dm o d e l ，c o n v e c t i o nd i s p e r s i o n m o d e l ( c d e ) v i i i 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 l l 学位论文作者签名：欠么爸 日期：妒年j 月1 0e t 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 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 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密d 。 学位论文作者签名：关互砼 日期：九一年f 月阳日 i i 指导教师签名：晒专 日期：沙g 年1 月l j 日 东华大学硕士学位论文 1 1 我国水处理状况 1 绪论 我国是一个水资源短缺的国家，水资源时空分布不均。我国水资源总量虽然 达到2 8 万亿m 3 ，但人均淡水资源量仅有2 3 0 0m 3 ，只相当于世界人均的四分之 一。而且，近年来我国连续遭受严重干旱，旱灾发生的频率和影响范围扩大，持 续时问和遭受的损失增加。目前全国6 0 0 多个城市中，4 0 0 多个缺水，其中1 0 0 多个严重缺水，而北京、天津等大城市目前的供水已经到了最严峻时刻。 与此同时，随着国民经济的飞速发展，人民生活水平的提高，水资源也普遍 受到了污染。特别是近年来随着工业化和城市化的提高，工业污水和城市生活污 水的排放量不断增加。据估计，我国每年排放污水量达数百亿吨，但只有2 4 的 工业污水和4 的生活污水经过处理，8 0 的饮用水源遭到污染。在不少城市出 现了严重的水污染，若不尽快控制与治理，将危及人们的身体健康，势必阻滞国 民经济的发展，甚至威胁人类生存。 我国污水处理事业的历史始于1 9 2 1 年，到改革开放的近二十年来取得了迅速 的发展，但仍然滞后于城市发展的需要。其原因可以归结为以下三个方面： ( 1 ) 污水处理技术落后。长期以来，我国的污水处理技术都是沿袭了欧美 国家近百年来的路线和处理技术，但与同期国外的技术水平相比依然很落后，始 终存在效率低、能耗高、维修率高、自动化程度低等缺点。 ( 2 ) 资金短缺，投资力度不够。我国经济水平相对于发达国家还比较落后， 用于水污染治理的资金还很紧缺，不可能完全照搬国外的技术和模式，依靠大规 模建设城市污水处理厂来改善水环境在现阶段实现的可能性不大。 ( 3 ) 管理水平低。传统的处理技术较复杂，我国目前操作人员的技术素质 及管理水平不能适应，这样就造成了即使已建成的污水厂也不能正常运行，严重 制约了已建成污水厂的正常运行。 其中城市污水处理能力增长缓慢和污水处理效率低是造成我国水环境污染 的主要原因，由此导致了水环境的持续恶化。 因此，积极创新技术、寻求适合我国国情的防治水污染的新模式就显得日益 东华大学硕士学位论文 紧迫，构建湿地正是顺应这一要求而发展起来的一种简便有效的生态工程污水处 理技术【1 1 。 1 2 构建湿地污水处理技术概述 1 2 1 构建湿地技术及其发展状况 湿地是地球表层最独特的生态系统和过渡性景观，是地球表层系统最重要的 “物种基因库 ，又是人类重要的经济、文化、科学和生活资源库。世界自然保 护大纲将湿地与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统。湿地在调解气候、涵 养水源、蓄洪防旱、控制土壤侵蚀、促淤造陆、净化环境、维持生物多样性和生 态平衡等方面具有十分重要的作用，有“自然之肾”之称f 2 3 1 。2 0 世纪7 0 年代以 来，随着人口的急剧增加，对湿地的不合理开发利用导致全球范围内天然湿地面 积日夜减少，直接威胁到区域、国家乃至全球的可持续发展。 基于天然湿地的净化机理，构建湿地污水处理技术在2 0 世纪5 0 年代诞生于 德国。世界上第一个完整的构建湿地试验始于1 9 7 4 年，是在德国的o t h f r e n s e n 进行的。早期的构建湿地主要用于处理城市生活污水或二级污水处理厂出水，近 十年来，英国、美国、德国、法国、澳大利亚、巴西和荷兰等国构建湿地发展迅 速，它不仅处理中小城镇的生活污水，而且也广泛应用于农业、畜牧业、食品和 矿山等工农业废水的处理。目前已被国内外许多学者和工程技术人员经过工艺改 造或者与其他系统组合后用于农业面源污染、城市或公路径流等非点源污染的治 理，还有将其推广应用于垃圾场渗出液的处理。目前，欧洲已有数以百计的构建 湿地在运行之中，其处理规模有大有小，规模最小的仅处理一家一户废水，规模 大的占地达5 0 0 0 m 2 ，用以处理入口在1 0 0 0 人以上的村镇排放的生活污水。据统 计，1 9 9 0 年，美国亚利桑那州仅有4 座构建湿地处理生活污水，到1 9 9 7 年，数 量增加到5 0 座，可见构建湿地在污水处理中的应用潜力【2 】。 我国进行构建湿地处理系统研究较晚，“七五期间才开始进行构建湿地的 研究。首例采用构建湿地处理污水的研究工作始于1 9 8 7 年，由天津市环境保护 研究所建成占地6 0 0 0 0 m 2 、处理规模为1 4 0 0 m 3 d 的芦苇湿地工程。1 9 8 9 年建成 了北京昌平自由水面构建湿地，处理量为5 0 0 m 3 d 的生活污水和工艺废水，处理 效果良好，优于传统的二级处理工艺。2 0 世纪9 0 年代又在深圳建成白泥坑构建 2 东华大学硕士学位论文 湿地示范工程【2 4 1 。此后，国家环境保护总局与中国科学院各单位相继采用构建湿 地技术进行过一系列处理污水试验，如内蒙古赤峰、沈阳满堂河构建湿地工程， 对构建湿地的构建与净化功能进行了研究。2 0 世纪末建成的成都活水公园更展 示了构建湿地污水处理新工艺“绿叶鲜花装饰大地，把清水活鱼送还自然”的魅 力。 1 2 2 构建湿地技术的净化机理 构建湿地净化废水的机理十分复杂，迄今其机理研究还方兴未艾。一种观点 认为，污水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤可以很快从废水中截留下来， 被微小生物加以利用；可溶性有机物则可通过生物膜的吸附及微生物的代谢过程 被去除【2 5 1 。另外一种观点认为构建湿地成熟以后，填料表面吸附了许多微生物形 成的大量生物膜，植物根系分布于构建湿地中，在构建湿地这样的自然生态系统 中通过物理、化学及生化反应三重作用协同净化污水。这两种观点虽然有些差异， 但其净化污水的实质基本相同，即应用湿地中物理、化学、生物的协同作用来消 除污染。 物理作用，即当污水进入湿地，经过基质层及密集的植物茎叶和根系，使污 水中的悬浮物固体得到过滤，截留住污水中的悬浮物，并沉积在基质中。这一过 程也有人称之为物理沉积。 化学反应，是指由于植物、土壤一无机胶体复合体、土壤微生物区系及酶的 多样性，构建湿地污水中的污染物可以通过各种化学反应如化学沉淀、吸附、离 子交换、氧化还原等过程得以去除。这些化学反应主要取决于所选择的基质类型。 例如，含c a c 0 3 较多的石灰石有助于磷的去除；含有机物丰富的土壤有助于吸附 各种污染物。 一般地，去除有机污染物主要是依赖系统中微生物代谢过程的生化反应。德 国学者k i c k u t h 于1 9 7 7 年提出的根区法理论认为，由于生长在湿地中的挺水植物 对氧的运输、释放、扩散作用，能将空气中的氧气转运到根部，再经过植物根部 的扩散，在植物根须周围微环境中就会有大量好氧微生物将有机物分解，提高对 生物难降解有机物的去除效果。另一方面，在根须较少达到的地方将形成兼氧区 和厌氧区，有利于硝化、反硝化反应和微生物对磷的过量积累作用，从而达到去 除磷、氮的效果【1 1 。 东华大学硕士学位论文 1 2 3 构建湿地的分类及特点 目前世界上的构建湿地技术主要有表面流构建湿地和潜流构建湿地，其中潜 流构建湿地又分为水平潜流构建湿地、单一垂直流构建湿地和复合垂直流构建湿 地。 ( 1 ) 表面流构建湿地 它与天然湿地相类似，其土壤被水体覆盖，因而它与污水接触的面积较大。 这类湿地全年中的大多数时间都有表面水存在，对悬浮物、有机物的去除效果较 好。然而，表面流构建湿地只是利用了植物的茎和秆，没有充分利用它的基质以 及植物根系表面所形成的生物膜，从而使净化效果不是很理想。同时，这类湿地 系统的卫生条件较差，易在夏季滋生蚊蝇，产生臭味而影响湿地周围的环境，在 冬季或北方地区表面易结冰，系统的处理效果受温差变化影响较大，因而在实际 工程中应用较少，但这种湿地系统具有投资低的优点。 ( 2 ) 水平潜流构建湿地 水平潜流构建湿地水面维持在基质床的表面下，这类湿地的基质通常由矿石 和粗砂组成，从而能提供较多的孔隙以使污水能迅速渗漏到整个基质床。因为水 流在地表下流动，所以充分利用了填料表面生长的生物膜和丰富的植物根系；处 理效果受气候影响小，不易滋生蚊虫。同时，表层土和填料截留的作用可以延长 水流的停留时间，提高了处理效果和能力。然而在水平潜流构建湿地系统中，氧 主要来源于植物根系，而这种能力是非常有限的，这就妨碍了任何流经该水域水 流中氨的硝化作用。这种湿地的造价比表面流构建湿地高，控制相对复杂。 ( 3 ) 单一垂直流构建湿地 单一垂直流构建湿地的水流结合了表面流和潜流湿地的特性，水流通过填料 上部的布水管进入填料，在填料床中由于受到重力作用，基本呈由上向下的垂直 流，水流经床体后被铺设在出水端底部的集水管收集而排除。 在垂直流构建湿地中，污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，当床体处于 不饱和状态时，氧可以通过大气扩散和植物传输进入该湿地系统，这类湿地的硝 化能力高于水平潜流构建湿地，因此可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是 对有机物的去除能力不如水平潜流构建湿地系统，落干、淹水时间较长，控制相 对复杂，投资较大。 4 东华大学硕士学位论文 ( 4 )复合垂直流构建湿地 它是近年来兴起的一种新型技术，由下行流池和上行流池组成，其中下行池 比上行池略高。两池之间设隔墙，池底相通。污水经布水管首先进入下行池形成 下行流，通过池底进入上行池形成上行流，最后进入上行池集水管排出。多了一 个比上行流池略高的下行流池，不仅使污水在湿地中的停留时间延长，处理得更 充分，复氧更迅速，而且通过植物作用增加了氧的供给，有利于根区好氧微生物 的活动，加强了硝化作用。但是复合垂直流有堵塞问题，堵塞后由于填料渗透系 数减小，水渗透速度下降，会延长水停留时间，致使下行流池表面形成积水层， 阻碍了空气中的氧进入基质层，使得复合垂直流中的好氧微生物活性下降，并且 由于积水层的存在，使得蚊蝇更容易滋生，卫生条件恶化，功能下降。此外，对 复合垂直流湿地系统基建的要求较高【2 l 。 1 3 构建湿地水力学参数研究 在构建湿地污水处理系统的设计和运行中，已有大量的研究对构建湿地的污 水净化机制、工艺设计、湿地建造、湿地植物及微生物的生长及其对污水净化效 果的影响等等方面进行的详尽的探索及分析1 2 6 - 2 9 1 。但由于湿地的“黑箱现象( 所 谓“黑箱现象”，是指那些既不能打开，又不能从外部直接观察其系统内部状态 的现象) ，尤其是垂直流构建湿地中污水在湿地内部流动，对污水进入湿地系统 后的流动转移过程，即水力学特点难以直接了解，这成为了限制污水净化效果显 著提高的主要原因。目前只有少数工作对湿地建造设计和运行中的水力学问题有 所注意，且尚未得到规律性结论。对这一方面研究上的欠缺使得净化效果的提高 及该技术的推广应用受到限制。因此，如何优化水力学参数以获得最佳的处理效 果是非常重要的。 根据构建湿地污水处理系统水力学参数之间的相互关系，可以把它们分为三 类水力学参数。( 1 ) 构建湿地几何尺寸参数，主要包括湿地面积似) 、湿地长宽 比犯j 叨、处理床体深( 朋。这些参数是构建湿地土建施工的基础参数，受到处理 污水流量以及床体内部结构参数的影响。( 2 ) 与构建湿地床体内部结构特征有 关的参数，包括床体底面坡度( 固、导水率( 、水头损失( 4 劢、p e l e c t 数以及水 动力弥散系数( 切。这些参数影响到构建湿地水流运动的水力学特性，从而影响 东华大学硕士学位论文 到构建湿地污水处理功能的发挥。( 3 ) 构建湿地污水处理负荷方面的水力学参 数，包括水力表观停留时间h r t ( t ) 、污水流量( 9 、水力负荷h l r ( q ) 。这类参 数中污水流量q 一般根据处理要求，在设计前已经确定下来，由此根据进、出 水水质要求以及前两类参数和一些生化特征参数( 如污染物降解速率常数) ，可 以确定h r t 和h l r 。或者也可以根据第三类参数以及一些生化特征参数确定前 两类参数。 上述参数之间不是独立的，相互之间存在密切的联系，因此在构建湿地水力 学参数设计过程中，只要根据相关的理论模型确定出一些关键参数后，其余参数 可以根据理论推导或者经验公式获得。 1 3 1 湿地水深及水位控制 在湿地系统中，水深不仅与水力负荷、容积负荷、水力停留时间密切相关， 还直接影响植物的生长和系统的处理效果。特别是在填料分层的湿地系统中，水 深的控制尤其重要。对于垂直流构建湿地，水深即为系统的建造深度h 【2 2 j 。 国外某些学者通过示踪剂实验发现，在同样的湿地面积下，填料深度为0 4 5 m 的湿地系统的b o d 去除效果比深度为0 3 m 的去除效果稍好【3 9 】。目前，在确 定潜流湿地水深时，主要考虑湿地植物根系所能达到的深度【3 7 1 。一方面要尽量加 大接触面积，让污水充分通过湿地，利于净化功能的实现，另方面不能设计太 深，以免植物的根系不能到达底部【6 5 - 6 7 1 。按照国内外实践的经验，对芦苇等高大 植物，一般设计深度在o 6 0m 左右，对某些根系不发达的植物，深度应适当减 少。有人建议o 5m 厚的卵石层上铺o 1m 厚粗天然砂土，总深度为0 6m 。相当 于芦苇根部能够抵达的深度【6 8 】。美国环保局在关于构建湿地处理市政废水的手册 中【3 8 】认为潜流湿地进水区域水深一般为0 4m ，基质深度应比水深深0 1m ，即 系统总体深度为0 5m 。影响基质深度的因素还有基质的价格、植物根伸展的深 度、停留时间和气候等。 湿地的水位，即表面的水淹程度，影响着湿地内部的氧含量并进而影响到湿 地植物和微生物的生长情况与污染物质的净化降解效果，是制约湿地系统污水净 化效果的一个重要因素。典型的湿地植物会显示出对水位线变化的明显的相应变 化，特别是对于缺氧的不同敏感性，在水浸条件下敏感物种能够生存仅仅是因为 它们占有排水良好的微地貌生态位或者通过浅层延伸的根系进入有氧土壤层，因 6 东华大学硕士学位论文 此干湿交替的水周期变化是十分必要的。 对水位的控制，一般要考虑到三方面的情况【l l 】：( 1 ) 在系统接纳最大设计流 量( 最大水力负荷) 时，湿地进水端不出现雍水，以防止发生表面流；( 2 ) 在系 统接纳最小水力负荷时，出水端不能出现雍水现象：( 3 ) 为了利于湿地植物的 生长，湿地水位浸没根系的深度应尽量均匀，尽量使水面坡度与底坡坡度相一致。 要控制水面线，必须对湿地中的水流状况有所了解。湿地水流一般属于渗流， 其水流的运动大致可以用达西定律来描述【3 8 】： q = k a s = k w h ( d h d l )( 1 - 1 ) 或者，当湿地长度一定时， d h = q l k w h( 1 - 2 ) 式中：q 一一系统进水流量 k 一一渗透系数 彳一一湿地床过流断面面积 肛一湿地床宽度 何一一湿地水深 三一一湿地床长度 砌一一水头损失 s 一一水力坡度 虽然有很多学者在其它介质或湍流情况下在对这个定律进行了修正，但是， 这个没有经过修正的普通公式已经足够用来估计潜流湿地的水面线。 1 3 2 水力负荷 水力负荷指的是单位时间单位面积的进水体积。有时侯也用单位时间单位面 积上某一污染指标的大小来衡量。水力负荷是衡量特定构建湿地污水净化能力的 一个重要水力学指标。在比较大的水力负荷情况下，水质的改善和沉积物的滞留 将可能变低，而过小的水力负荷没有充分利用湿地的净化潜能，造成浪费。因此 控制水力负荷需要深入研究和精心设计。 目前国外许多已投入运行的构建湿地的水力负荷值在0 0 0 8 0 0 6 2r r d d 之间， 这是对单个湿地单元而言的。w a t s o n 等人对城市污水的净化研究表明：废水表面 流湿地的负荷应该在0 0 1 4 0 2 2 0m d 之间；b r o w n 认为水力负荷在o 0 2 2m d 左 7 东华大学硕士学位论文 右较为合适；美国环境保护局将水力负荷规定在0 0 0 7m d 以下，v e c c h i e t 、j o d i c e 和m a h d i 等人认为低水力负荷一般具有较好的净化效果【3 0 。1 1 。国外构建湿地所采 用的水力负荷较低，原因是湿地处理的污水浓度较低，在美国、澳大利亚，构建 湿地被广泛用来进行生活污水三级处理，在欧洲尤其被用于出水的深度净化，以 便满足排入自然环境中所需达到的日益严格的水质要求，尽管近年来构建湿地在 对低污染废水的治理运用日益增加，例如在荷兰，普遍采用构建湿地处理新建住 宅和公路雨水溢流，但也仅限于净化处理过的污水【6 引。可见西方国家对水力负荷 要求很低，这也是他们对水质要求很高所决定的。 我国在运用构建湿地技术时，要使其成为二级处理的革新替代技术，就必须 提高构建湿地的水力负荷、污染负荷，使构建湿地技术进一步发展成为自己的技 术。由于我国对水质的要求相对较低，水力负荷一般都远大于国外的数据，大多 都达到了0 5 0 0m d 左右。在此方面华南环境科学研究所开展了有益的尝试，在深 圳白泥坑建设的构建湿地的水力负荷达到1 删【6 9 1 ，云南滇池流域非点源污染控 制入湖河口检测数据f 3 2 】说明，水力负荷为0 3 0 0m d 时，湿地可能运行效果最佳。 目前，计算构建湿地水力负荷的常用方法是以水量除以表面积，实为表面负 荷。而有人也采用水量除以过流断面面积的方法。作者认为可能后者更能反应水 力负荷的真正含义，也更切合构建湿地的特点。在本研究中将就此进行试验，以 寻求垂直流构建湿地的适宜水力负荷，并相应地确定系统较佳的停留时间。 1 3 3 水力停留时间 停留时间是一次进水至全部流出湿地系统的时间，是与污水净化效果密切相 关的一个重要水力学指标。w a t s o n 和h o b s o n 用t n = t l w h q 计算水力停留时 间。其中，是填料孔隙率，三为湿地长度，陧湿地宽度，日是平均水深，q 为 平均流量。根据他们的计算结果，停留时间在5 1 4 d 为最理想停留时间【7 】。 c o n l e y 也应用公式t n = v t q ( 哟湿地系统体积，其余含义与上式中相同) 来 计算停留时间。基本思路与w a t s o n 和h o b s o n 相同【1 8 】。 根据已有研究，构建湿地的一些水力学特性的经验值见下表： 8 东华大学硕士学位论文 表1 1 构建湿地水力学特性的参考值 t a b 1 1l i t e r a t u r ev a l u e sf o rh y d r a u l i c sp a r a m e t e r so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 停留时间的这种计算方法虽然简单、方便，但准确性不高，仅仅只能作为湿 地系统的停留时间的“理论值 。尤其是由于植物根系以及不同的填料的影响使 得湿地孔隙率发生极大变化，常常造成停留时间的较大变化。但有关研究提出， 可以通过示踪剂法来测量特定湿地的停留时间，获得准确的停留时间测量值。为 湿地的运行、管理及污水的持续高效净化提供重要依据【3 3 1 。 湿地系统的处理效果与水力停留时间的关系密切。停留时间过短，生化反应 不充分，停留时间过长，易引起污水滞留和厌氧区扩大，影响处理效果。北京昌 平构建湿地的运行结果表明【3 5 j ，停留时间宜在4 - - 6 d 。王世和等 3 6 1 认为，停留时 间在5 7 d 时，各种污染物的处理效果最佳。 1 4 构建湿地污染物去除动力学模型 构建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，有时构建湿地甚至还会成为污染源【4 0 4 1 】。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。近年来各国对湿地 中污染物的迁移过程和去除机理通过建立模型做了深入的研究，提出了一些构建 湿地的设计模型，并对湿地结构、污染物去除率和水力学参数的选择等方面提供 了一定的帮助。比较典型的湿地去污模型包括衰减模型、一级动力学模型、零级 动力学模型、m o n o d 模型和对流一弥散( c d e ) 模型。 1 4 1 衰减模型 衰减模型是根据大量运行数据而建立的一种“输出一输入 统计响应关系， 一般通过人为定义的简单线性方程或幂次方程拟合实测数据而得，其中以线性方 程居多，主要侧重于表征污染物进出水浓度或负荷之间的关系【4 2 】。 9 东华大学硕士学位论文 建立衰减模型只需要污染物进出水浓度或负荷方面的数据，资料获取容易。 由该模型可快速获知构建湿地在一定条件下的去污效率，应用上也比较方便。但 作为经验公式，衰减模型的适用范围有限( 4 3 1 ，除少数含反映流量的影响因子( 如 水力负荷) 的衰减模型外，其余绝大多数衰减模型都不能计算去污所需的湿地面 积【4 2 】。衰减模型仅将构建湿地视为个“黑箱 ，并不能反映湿地系统中污染物 的沿程降解过程。 1 4 2 一级动力学模型 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 4 4 1 ，广泛应用- ：b o d 、营养物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 型的推导以污染物的降解反应动力学为基础。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，以及湿地中的水流形态为稳定的活 塞流等【4 1 。 这些一级动力学模型有的采用体积速率常数来确定湿地所需的体积【4 5 1 。有 的采用面积速率常数霸来确定湿地所需的面积【4 8 1 ，多用于潜流型构建湿地中， 而舷则在表面流构建湿地中应用更多。 这些一级动力学模型通常的表达方式为t 4 6 1 ： e = c oe x p ( 一d )( 1 3 ) e = c oe x p ( 一丸q )( 1 4 ) 式中：c o - 一进水浓度( m g l ) ； e 一出水浓度( m g l ) , 一体积去除速率常数( d 。1 ) ； 锄一面积去除速率常数( d 。1 ) ； r 一水力停留时间( d ) ； q 一水力负荷( i n 3 m ：d ) ； 1 0 东华大学硕士学位论文 上述的一级动力学模型中只包含一个参数或白。在e c k e n f e l d e r 模型中，如 果污染物中存在不可生物降解部分，则需在方程中加入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、化学作用等 也会产生背景浓度。比如b o d ，由于植物枯叶或其它有机物分解生成b o d ，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 - 1 0 m e , l 背景 b o d 州。于是k a d l e c 和k n i g h t 4 6 】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 s ( e g ) = ( c o g ) e x p ( 一氏d )( 1 5 ) ( e g ) = ( c o g ) e x p ( 一九q ) ( 1 6 ) 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入了第三个参数，提出了三参数模型。 加入描述水力负荷变化对岛值影响的参数m 对值进行修正： 也= k ，功” 研究表明参数m 的引入可以提高数据与模型的吻合程度【4 9 1 。 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 4 1 , 4 9 。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，模型参数不是某个固定的值，而是处于某个范 围内。 作为一种“灰箱”模型，一级反应动力学模型将各种去污途径笼统地看作简 单的一级反应，因此存在许多不足之处。如该模型假定构建湿地内流态为活塞流 【5 0 1 ，但水流的扩散、短路及滞留都有可能使构建湿地与活塞流反应器相差甚远。 研究发现，湿地系统中的流态可能是完全混合流【5 1 】，也可能是介于活塞流和完全 东华大学硕士学位论文 混合流之f - j t 4 3 域为两向流f 5 2 】。又如一级动力学模型中的速率常数需要通过污染 物进出水浓度反算求得，未考虑水量平衡、湿地内传质速率等，其参数易随操作 条件改变而改变。即使对于同一湿地而言，参数的确定也不容易4 4 1 ，因此，k a d l e c 和k n i g h t l 4 2 1 建议一级反应速率常数取全球平均值。 1 4 - 3 零级动力学模型 根据一级动力学模型，q 一定时，污染物去除率( 力随进水污染物浓度增大而 不断提高： 厂= q ( e e ) = q c , ( 1 一g - k l a q ) ( 1 7 ) 但事实上，湿地系统随进水污染物浓度增高而渐趋饱和，体现零级反应的特点， 这在传统污水处理及其他生物膜处理系统中得到证型5 3 1 。由此出发，m i t c h e l l 5 4 】 建立了构建湿地的零级动力学模型： 筹一一等( 1 - 8 ) 式中，硒。、一分别为零级体积速率常数和零级面积速率常数。理论上，k o , ，、爿 只与温度、微生物种类、生物量以及污染物类型相关，而与进水污染物浓度和流 量无关【5 4 】。 零级动力学模型可有效避免应用一级动力学模型预测去除率时无上限的不 足，但它也只是给出一个参考阈值，对阈值以下运行的湿地系统无法预测污染物 实际去除速率。 1 4 4m o n o d 动力学模型 一级