人工湿地处理废水有机物动态模型的研究.doc

人工湿地处理废水有机物动态模型的研究 人工湿地已广泛应用于废水处理，然而，人工湿地的设计和运行常常缺乏模型的指导。本研究以风车草潜流式人工湿地处理养猪场废水为研究对象，重点讨论在同一废水来源、相同的潜流式人工湿地和统一的水力停留时间下(3 d)，进水有机负荷(以COD表示)和气温对COD降解常数左的影响，以及基于进水有机负荷和气温丸值与出水水质预测模型。 1 模拟人工湿地的构成 人工湿地的剖面如图1所示，长度为1 m，宽0.5m，高0.8m，由砖和水泥砌成。湿地内填充粒径35cm的碎石60cm厚作为处理床，处理床上种植风车草，试验在大棚内进行。风车草植株根系发达，分蘖数14-16个株，高度135-145sm，每组8株，分两行栽种。湿地进水通过位于湿地前部的进水槽从处理床前端底部分多孔均匀进水，从另一端上部多孔均匀出水。 2 COD降解的数学模型 根据反应器中反应物的流动特征和净化机理，通常把人工湿地看作推流反应器1-3。在理想的推流反应器中，反应物浓度随空间和时间而变化，并遵循： Yt=Yoexp(-kt)式中：t反应器物料的理论停留时间，d； Yt出口COD的质量浓度，mgL； Yo进口COD的质量浓度，mgL； KCOD降解常数4。 在上述方程中，兑反映湿地废水COD的降解速度，它与废水性质、进水特征、废水处理系统的整体特征以及系统运行的环境条件等有关5。 3 实验方法 测试前先运行2个月，以让处理床挂膜；运行时每隔3 d进1次废水，进水量90L室，进水浓度低于当季正式测试时的最低进水浓度。 为了研究季节性气温(水温)对湿地降解COD的影响，将试验按4个不同季节进行测试，试验连续进行1 a。其中，秋季和春季运行采用同一个进水浓度范围，废水在湿地的停留时间(HRT)采用5个方式(5，4，3，2，1 d)，秋季春季试验平均进水COD的质量浓度为736.29土29.63 mgL，5种停留时间运行下的水力负荷分别为72，90，120，180和360L(m2d)，有机负荷(以COD计)依次为：53.01，66.26，88.35，132.53和265.06 g(m2d)。冬季和夏季试验运行采用同一个停留时间(3d)，5个不同的进水浓度范围(见表1)。表1 夏季、冬季风车草湿地降解COD的5个k值序号Yo(mgL-1)Yt(mgL-1)K/d-1夏季冬季夏季冬季夏季冬季1 86.26196.3235.0744.930.29990.49152255.13345.6855.2481.210.51010.48293651.38582.44108.58147.720.59720.45734983.38677.15112.90200.920.72150.405051440.181002.82163.67230.390.72500.4903注：停留时间为3d，k按Yt=Yoe(-k)计算；水力负荷为120 L(m2d)，平均有机负荷从低到高依次为：16.95，36.04，74.02，99.63和146.58g(m2d)。 试验期间各组每天连续进水，进水是猪场废水经沉淀和厌氧处理后的出水再按试验所需用清水调配而成。在同一季节内，试验不同停留时间或不同进水水质的运行和测试均重复3次。 每一个季节测试结束，将试验植物沿床面上30cm剪割掉，各组继续在低浓度下继续运行。 4 结果与讨论 4.1 进水浓度对COD降解系数A的影响 冬、夏季湿地去除COD服从指数方程规律。将风车草湿地夏季、冬季停留时间等于3 d时Yo和Yt，的5组测定结果分别代人指数方程Yt=Yoe(-k)，获得夏季、冬季风车草湿地降解COD的5个k值，见表1。 根据表1中Yo与k的对应关系，可以分别求出冬、夏季COD的降解系数k(d-1)与进水COD的质量浓度(Yo，mgL)的回归方程，分别为： 夏季：k=0.0003Yo+0.3727，r=0.9019 (1) 冬季：k=-0.000 02Yo+0.4791，r=0.2083 (2) 4.2 温度对COD降解系数k的影响 将4个进水COD的质量浓度：490.35,867.07，983.38和1440.20mgL，依次代入冬季k与Yo的关系式k=-0.000 02 Yo+0.479 1，可估算出4个k，依次是：0.469 3，0.461 8，0.459 4和0.450 3 d-1。同理，将上述4个进水COD值代入夏季k与Yo的关系式k=0.000 3Yo+0.372 7，求出4个相应的k，依次是：0.519 8，0.632 8，0.721 5和0.725 0d-1。 假设在同一进水浓度下，k与温度成线性关系，根据上述4种进水浓度下，冬、夏季各4个k值，以及冬、夏季气温(分别为17.9和27.2)，可以分别求出上述4种进水浓度下，k随温度()变化的直线方程，见表2。表2 A随温度日变化的估算方程Yo/（mgL-1）1/K1/d-12/K2/d-1估算方程490.3517.90.469327.20.5198K=0.0054+0.3726867.0717.90.461827.20.6328K=0.0184+0.1324983.3817.90.459427.20.7125K=0.0282-0.04541440.2017.90.450327.20.7250K=0.0295-0.0778 根据表2的4种不同进水浓度下、k随温度变化的估算方程，可以计算出秋季(温度21.4)、上述4种进水浓度下的COD降解常数&值分别为：0.488 2，0.526 2，0.558 1和0.553 5 d-1。同理，可以计算出春季(温度23.8)、上述4种进水浓度下的COD降解常数秃值分别为：0.501 1，0.570 3，0.625 8和0.624 3 d-1。 这样，4种进水浓度、4个季节(温度)下人工湿地的COD降解常数无值汇总在表3。表3 不同温度(9)风车草人工湿地的COD降解常数进水(COD)(mg.L-1) 不同温度COD降解常数k/d-1 冬季(17.9)秋季(21.4)春季(23.8)夏季(27.2)0.46930.48820.50110.5198867.070.46180.52620.57030.6328983.380.45940.55810.62580.72151440.200.45030.55350.62430.7250 4.3 COD降解常数k的估算模型 根据表3中进水浓度与k的对应数据，可以作出不同温度下，k与进水浓度之间的关系图，如图2所示。图2表明：冬季低温环境下，进水浓度提高，k则减小(1)；其它高温季节环境下，k随进水浓度提高而增大(2，3和4)。 图2中，不同温度下，k随进水浓度变化的回归方程分别为： 方程1：k=0.4791-(210-5)yo，r=1.0000 (3) 方程2：k=0.4656+(710-5)yo，r=0.8489 (4) 方程3，k=0.4563+0.0001yo， r=0.8735(5) 方程4：k=0.4432+0.0002yo， r=0.8856(6) 上述14的4个方程可用k=a+byo来表示，方程中a值与温度关系见图3，b值与温度关系见图4。 图3、图4可见，a值随温度上升而下降，而b值随温度上升而增加，其回归关系为：a=0.5482-0.0039 ，r=1.000 0(7) b=0.0004+(210-5)，r=0.992 4 (8) 将式(7)和式(8)代人k=a+byo中，则k与进水浓度的关系式变为： k=(-0.0039+0.5482)+(210-5)-0.0004yo。 (9) 若式(7)用a= a1+a2来表示，则al=-0.0039，a2=0.5482 同理，若式(8)用b= b1+b2来表示，则b1=2 10-5，b2=-0.0004 将k=a+byo代入yt=yoexp(-kt)， 则：yl=yoexp-(a+byo)t，再将a= a1+a2和b= b1+b2代入， 则：y1=yoexp-( a1+a2)+ (b1+b2)yot (10) 式(10)中：yl为出水COD的质量浓度mgL；yo为进水COD的质量浓度mgL；为温度，；t为水力停留时间，d;a1,a2，b1和b2均为系数，a1=-0.0039，a2=0.5482，bl=210-5，b2=-0.0004。 这样，通过式(10)，也可以预测出不同温度、进水COD浓度和停留时间下的风车草人工湿地猪场废水处理的出水COD值。 5 实测与模拟结果的比较式(10)是根据人工湿地实际系统的进水浓度和水力停留时间以及运行温度环境，预测出人工湿地的出水水质，式中k是关键，其估算模型的精度见表4。表4 k式的准确性检验系统运行条件kK1K1误差/%进水（COD）=490.35mgL-117.90.46930.4578-2.4521.40.48820.4785-1.9923.80.50110.4927-1.6827.20.51980.5127-1.37进水（COD）=867.07mgL-117.90.46180.4419-4.3121.40.52620.4890-7.0723.80.57030.5213-8.5927.20.63280.5669-10.41进水（COD）=983.38mgL-117.90.45940.4317-4.8521.40.55810.4923-11.7923.80.62580.5301-15.2927.20.72150.5837-19.09进水（COD）=1440.20mgL-117.90.45030.4179-7.1921.40.55350.5051-8.7423.80.62430.5648-9.5327.20.72500.6495-10.41 表4中，k来自表3，k1根据式(9)计算而来，k1误差指与左比较的结果。 表4表明，按式9估计的k比实测偏小，误差约在10以内。这说明在温度和进水浓度已知的条件下，人工湿地k可用k=(-0.0039+0.5842)+(210-5) -0.0004yo来估计。针对不同水力停留时间的人工湿地出水水质可用yt=yoexp-(a1+a2)+(bl+b2)yot来预测。尽管本研究只采用COD建立风车草人工湿地去除有机物的动力学模型，但其方法同样适用于其它植被的人工湿地，因为同样遵从推流反应器原理；此方法也适用于描述服从指数模型的其它污染指标的降解过程，例如BOD，只是模型参数需要重新调整。 6 结论人工湿地降解有机物服从指数方程规律，模型可以用Yt=Yoe(-kt)表达。本研究建立了风车草人工湿地COD降解动力学模型dydt=-kt(t为时间)，研究阐明了温度和进水浓度对COD降解常数兑的影响。在温度和进水浓度已知的条件下，风车草人工湿地COD降解的兑可用 k=(-0.0039+0.5482)+(210-5) -0.0004yo 来估计；针对不同水力停留时间(d)的风车草人工湿地出水COD(yt)可用yt=yoexp-(a1+a2)+(bl+b2)yot来预测。该模型可用于具推流反应器原理的人工湿地有机物的去除过程，模型参数需针对现场运行条件进行调整。人工湿地技术的应用与发展1 、前言 随着工业的发展，水污染的加剧，同时淡水资源短缺与人民生活水平提高之间的矛盾日益加剧，水环境保护的任务也越来越艰巨。近年来，环境科学研究在迅速发展，正在积极探索水环境污染全球效应问题，各种水处理污染的方法层出不穷，其中生态处理技术人工湿地技术由于其低投资，出水水质好，抗冲击力强，操作简单，建造和运行费用低(仅为传统二级污水处理厂的1/10-1/2),维护方便，氨氮去除率高，同时可使污水处理与环境生态建设有机结合，在处理污水同时创造城市生态景观等特点逐步被越来越多的国家接受，并广泛应用。2、人工湿地的定义及分类2.1 人工湿地的定义用人工湿地(Constructed wetland)来处理城市污水是发达国家近十年来才兴起的生态处理法,它是为处理污水而人为地在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料(如砾石等)混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中流动或在床体表面流动，并在床体表面种植具有性能好，成活率高，抗水性强，生长周期长，美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇，蒲草等)形成一个独特的动植物生态体系。(1)人工湿地去除的污染物范围广泛，包括N , P , SS , 有机物，微量元素，病原体等。有关研究结果表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对BOD5的去除率可达8595，COD去除率可达80以上，处理出水中BOD5的浓度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。(2)废水中大部分有机物作为异样微生物的有机养分，最终被转化为微生物体及CO2 , H2O。人工湿地面积可视情况而言，可在市郊结合部，也可在污水处理厂出水的附近建造。一些人工湿地属预处理型，在那些目前还不具备建造污水处理厂的城乡结合部建造人工湿地，将生活污水排入，利用所种植物对其进行处理，然后再排入自然水系，保护水体；还有些湿地属于加强型，在污水处理厂附近建造人工湿地，将污水处理厂处理过的水引入，再经过人工湿地的加强处理，提高其水质，然后排入自然水系，作为其补充水源。2.2 人工湿地的分类根据湿地中主要植物形式人工湿地可分为：1、浮游植物系统; 2、挺水植物系统；3、沉水植物系统。其中沉水植物系统还处于实验室研究阶段，其主要应用领域在于初级处理和二级处理后的精处理。浮游植物主要用于N , P去除和提高传统稳定塘效率。目前一般所指人工湿地系统都是指挺水植物系统。挺水植物系统根据废水流经的方式，可分为表面流湿地(SFW)、潜流湿地(SSFW)、立式流湿地(VFW)。(3)表面流湿地和立式流湿地因环境条件差(易孳生蚊虫)，处理效果受气温影响较大以及对基建要求较高，现多不再采用。故人工湿地大部分采用潜流式湿地系统。3、人工湿地在国外研究应用发展自西德1974年首次建造人工湿地以来，各种不同的湿地在世界各地已被用来处理大量不同的废水。1996年9月在奥地利维也纳召开的第四次国际研讨会，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型废水处理技术已经正式进入水污染控制领域。自由表面流湿地在欧洲发展缓慢。瑞典1994年在Wittgren建一座处理6500PE，占地22公顷的自由表面流湿地。在北美约200座湿地处理系统有2/3是自由表面流湿地，其中一半又是自然湿地。自然湿地的大小从11000公顷，其中一半在10100公顷。人工自然表面流湿地通常较小，60小于10公顷。自然湿地水力负荷小于人工湿地。系统水深范围590cm，3040cm较普及。最常用的预处理是兼性或好氧塘，表明许多湿地系统用于现行塘系统的精处理。(4)地下潜流系统在欧洲应用较多，有几百座。在丹麦，德国，英国等国家都至少有200个系统在运行。此技术还在快速发展，特别是在一些东欧国家。绝大多数系统种植有芦苇，也有种植其它湿地植物的。在德国大多数系统介质是土壤，人们认为根的生长和芦苇根区会增加和稳定导水性，但几乎所有土壤系统都遇到表面断流问题。为保证潜流，英国和北美绝大多数采用砾石床。虽有些砾石床也堵塞，但主要是由于预处理不足。在欧洲此类系统趋向对近1000PE的乡村级社区进行二级处理；北美则趋向更多人口的高级处理。在澳大利亚和南非则用于处理各类废水。美国EPA目前正在开发北美人工湿地数据库，地方数据库在其它国家已存在，为减少重复劳动和改良经验湿地设计方法，所有这些湿地都应通过公共数据库使世界各地的工程师和科技人员能够获得。这样的数据库可减少建设低效湿地的风险。两种湿地的设计指南现已出版，但改良工作仍然需要，有必要更细致的研究不同地区特征和运行数据以便在将来的建设中提供更合理的参数。竖流湿地在欧洲许多地方投入运行已有几十年。竖流系统至今未广泛使用是因为其需要更细致的建设和介质选择。最近国际会议上有几篇文章对竖流系统评价很高，目前世界上科技工作者正投入大量精力以改良人工湿地技术。潜流系统的处理效率可通过选择竖流系统，采用间歇负荷和合理选择介质而获得提高，还可引入一些传统处理技术的理论，如回流。此外，不仅对竖流系统，对所有人工湿地系统都需深入研究以改良优化工程设计参数，还需对系统的长期运行能力和管理问题进行研究。人工湿地不仅可用于城市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。在有些情况下，人工湿地可能是唯一使用的技术。(3)4、人工湿地在我国的应用与发展4.1 深圳白泥坑人工湿地处理系统我国自“七五”开始对人工湿地的研究，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程白泥坑人工湿地处理系统。白泥坑人工湿地污水处理系统位于深圳市宝安县百泥坑村南500m处。水系沿山角流向海湾属海洋性气候。占地面积189亩，日处理量3100m3/d废水。其处理流程见图1:(2)图1 深圳百泥坑人工湿地处人工湿地及氧化塘系统各单元的设计参数见表1：(2)表1 深圳百泥坑人工湿地系统各单元的设计参数项目单元数长(m)宽(m)碎石粒径(mm)碎石层厚(cm)池底坡度 (%)水力负荷(m3/m2.d)第一级第二级第三级第四级3233424730311112.518.51919105010305104010050120150(水深)60-1001,1.5,2.02.0,3.000.5,1.0,1.095.495.4(停留一天)100.7经过近两年的试验运转,出水效果较好。除氨氮指标效果不明显外;其余指标均能达到国家规定的二级处理排放标准。该工程无动力消耗,管理较方便,除每月作一次水质监测外,平时无需其它管理。从外观看,进水水质略显浑浊,但无色无臭,是一个村镇排出的生活污水及少量村办企业的废水汇合而成。其运行费用为0.02元/m3仅为传统活性污泥法的10。深圳百泥坑人工湿地处理系统与其它污水处理厂的比较见表2：(2)表2 深圳人工湿地系统与其它污水处理厂的经济比较工程名称总投资(万元)单位污水投资额(元/m3)年运行费用(万元)吨水处理成本(元/m3)单位污水用地(m2/m3)深圳某厂蛇口某厂珠海某厂海南某厂白泥坑3300150054742.966083357413810010010036.5约2.00.200.200.200.200.022.671.201.202.79从表2可以看出，人工湿地的工程总投资，处理单位污水的投资额，年运行费用及单位污水的处理费用均比其它传统方法的费用低得多。4.2 山东胶南市污水处理厂胶南市位于山东半岛西南部，其市区三面环山，一面临海。其排水系统多采用雨污分流制，工业废水与生活污水量之比为1：4，工业废水主要来源于造纸，化工，印染，纺织，食品加工，酿造，橡胶，热电等企业。以处理污水量61x104m3/d计，在建造污水处理厂前对各种处理流程进行了经济技术比较，见表3(5)表35种污水处理工艺技术经济比较工程名称特点工程投资(亿元)运行费用(万元/a)处理成本(元/m3)耗电量(kw.h)/m3占地面积(hm2) AB法可有效去除有机物，对N,P去除率高0.738760.40.3614氧化沟可有效去除有机物，对N,P去除率高0.587000.320.3322传统活性污泥法可有效去除有机物，对N,P去除率低0.667880.360.4014一级处理排海法0.822960.140.258芦苇湿地法可有效去除有机物，对N,P去除效果较好，占地面积大 0.211640.08 0.1580由表3可以看出,芦苇湿地处理工艺具有投资省、运行费用低和便于管理等特点,而胶南市风河下游北岸的大片盐碱荒滩恰好可满足该工艺占地面积大这一要求,因此芦苇湿地处理工艺成为最终选择。建成的胶南污水处理厂设计处理规模为61043/,总投资为3000万元,占地面积为76.72,全部为盐碱荒滩。工艺流程见图2(5)图2污水处理厂工艺流程所采用的人工湿地为地表流芦苇湿地，该湿地系统的湿地有效占地为44.33hm2，水力负荷为13.5cm/d，由99小块芦苇湿地田组成，每小块长为140m，宽为32m，并联运行。人工湿地的运行效果，该厂污水处理量为(0.71.4)10/,进水中的为10002000/、5为450700/、为7001500/。污水经过预处理后去除率达70%以上,去除率达25%以上,5去除率达20%以上,这大大减小了湿地田的负荷。湿地田进、出水指标见表4(5)表4预处理后芦苇湿地田进