人工湿地设计计算模型课件

人工湿地设计计算模式研究09级环境工程人工湿地制作人:邱恩淋

人工湿地设计计算模式研究09级环境工程人工湿地制作人1运行维护简便t处理效果好投资少耗能低......利用基质、植物和微生物三者之间的物理、化学和生物三重协同作用，通过过滤、吸附、离子交换、植物吸收和微生物降解等作用实现对污水的净化人工湿地

技术适合于我国国情，尤其

适合于广大农村，中小城镇的

污水处理之中，在我国具有极

其广阔的应用前景。

运行维护简便t处理效果好投资少耗能低......利用基质、植2人工湿地湿地模型研究发展

湿地模型的目的是帮助人们设计湿地以及评估湿地的处理效果But。。。

人工湿地应用的设计和运行大都是建立在统计数据和经验公式基础上的,这些污水处理技术并不为人们所完全掌握,专家学者和工程人员对人工湿地各种去污机理和途径尚无系统定量化的结论,对人工湿地设计时的预期水质目标和长期的运行效果缺乏准确可靠的预测手段,从而严重地影响了这一污水处理技术的推广与应用。人工湿地湿地模型研究发展湿地模型的目的是帮助人们设计湿地以3

人工湿地处理污水的内在机制缺乏定量化的认识，而且人工湿地系统的影响因素有很多，如HRT，基质，植物，微生物，温度等。计算模式要综合考虑到各个因素是很难的，所以人们对人工湿地的设计计算模式众说不一，包括水力负荷、衰减模式、一级K-C*模型、Monod动力模型、Ergun公式、机理模型和生态动力学模型等。人工湿地处理污水的内在机制缺乏定量化的认识，而且人工4介绍三种典型的人工湿地去污模型一级动力学模型Monod动力学模型生态动力学模型介绍三种典型的人工湿地去污模型一级动力学模型Monod动力学5三种典型模型的差异

动力学模型中,一级动力学模型、零级动力学模型中较少明确提及污染物降解过程中的微生物作用,但Monod模型已开始关注微生物的降解作用,而生态动力学模型则在此基础上进一步考虑了其他降解过程,使得人们能够更加深入了解人工湿地运行过程和内在机制。三种典型模型的差异动力学模型中,一级动力学模型、6人工湿地设计计算模型课件7今后研究方向

一级动力学和Monod动力学的设计方程都是由污染物稳态时的质量平衡得到的,都是湿地床的静态宏观模型,两者都没有考虑到传质效率,即都假定物质从液相迁移到生物膜的过程没有阻力。在今后新的模型研究中应考虑到湿地植被的空间分布,应根据实际的停留时间分布来模拟污染物在湿地中的去除,而不是仅考虑单一的停留时间。另外人工湿地是一个复杂的生态系统,其对污染物的去除是人工湿地各组成部分共同作用的结果,新的模型应充分考虑到各种因素的影响。因此,应对人工湿地污染物去除的机理及其影响因素作更为全面深入的研究。今后研究方向一级动力学和Monod动力学的设计8谢谢！谢谢！9一级动力学模型1.单一参数一级动力学模型

湿地一级动力学方程，主要考虑处理负荷与处理效率间的关系。经常假设模型中的一些参数如速率常数等为常量，该模型假设：

(1)湿地系统处于稳态(即进、出水流量和浓度不随时间变化)；

(2)污染物降解服从一级反应动力学；

(3)水流流态呈理想推流；一级动力学模型1.单一参数一级动力学模型10通常的表达方式如下：式中：Ci—进水浓度(mg/L）；Ce—出水浓度(mg/L)；

kv—体积去除率常数(1/a)；kA—面积去除率常数(m/a)；q—水力负荷(m/a)；τ—水力停留时间(a）。｛KV→湿地所需体积→多用于潜流型人工湿地KA→湿地所需面积→多用于表面流人工湿地通常的表达方式如下：式中：Ci—进水浓度(mg/L）；112.一级k-C*模型

单一参数的一级动力学模型中仅包含一个参数kv或kA。Kadlec和Knight[77]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*：式中，Ce为目标物出水浓度，mg/L；Ci为目标物进水浓度，mg/L；C*为该目标物水质指标的环境背景值，mg/L；K为一级面积速率常数，m/a；q为水力负荷率，m/a。2.一级k-C*模型式中，Ce为目标物出水浓度，mg/L；C12

经过重新整理和单位转换后，得出处理某一指定污染物所需的湿地面积为式中，A为所需要湿地面积，hm2；Q为进水流量，m3/d。经过重新整理和单位转换后，得出处理某一指定污染物13

不论单参数还是2参数模型,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3个参数,提出了3参数模型。加入描述水力负荷变化对k值影响的参数m,对k值进行修正:

kv=kv'qm

研究表明参数m的引入可以提高数据与模型的吻合程度,但并不能消除水力负荷对表观背景浓度的影响不论单参数还是2参数模型,在运行和设计条件改变时,都14一级动力学模型的优点：

参数的求解及计算过程都很简单一级动力学模型存在的缺陷：

实际情况人工湿地水流为非稳态流;由于短流和死区导致非理想推流流态;反应速率常数会随进水浓度、水力负荷和水深等因素变化而变化;K-C*模型计算值比实验值；一直偏大植物种类和温度对反应速率常数和背景浓度影响显著等等。

但是当湿地系统在类似气候、进水水质、基质材料和植物种类时，这些模型参数用于指导设计是可行的。一级k-C*模型仍是目前最实用、最可靠的设计工具。一级动力学模型的优点：15Monod动力学模型

按照一级动力学,污染物的去除速率为:

r1=QCi[1-exp(-k1,vt)]

=QCi[1-exp(-k1,A/q)]

r0=k0,VV=k0,AA

式中,r0为零阶去除率;r1为1阶去除率。实际上,当入流的浓度增加,降解率将由1阶向零阶过渡即动力学模型达到饱和,这在传统的污水处理设施和生物接触氧化法系统中都能见到。所以,既然人工湿地中包含相似的生物降解过程,上述过程也应存在。零阶去除率常数r0对于一个特定的系统来说是定值,且与入流浓度及流量无关。在人工湿地的运行中,表现为去除率随入流负荷增加,直到最大值。但只有零阶模型并不能完全描述湿地的实际情况,需要一个将1阶和零阶结合的模型来描述,即Monod模型。

简而言之：由一级动力学模型可求出一阶去除率，去除率随入流负荷增加而提高，直到最大值（也就是零阶去除率，为定值，与入流流量和浓度无关）。Monod模型就是将一阶和零阶结合起来的模型。Monod动力学模型按照一级动力学,污染物的去除速率为:16根据Monod模型,可以得出湿地床体内污染物的物料平衡:式中Z—湿地床的长度(L)；a—湿地纵段面面积（L2）；V—地体积（L3);K—饱和常数（M.L-3);k0,V—零阶体积去除率常数(L.T-1)；k0,A—零阶面积去除率常数(L.T-1)；ε—湿地床的孔隙率(L3.L-3)

对各个系统进行比较需要将其参数规范化,将污染物浓度C除以饱和常数K,得到规范化浓度C(即C=C/K);将沿床体的距离z除以湿地总长Z,得到规范化长度z(即z=z/Z)。则方程(11)经规范化后变成:根据Monod模型,可以得出湿地床体内污染物的物料平衡:式中17上式定义了一个新的无量纲参数Ω—湿地去除效率因子,代表了湿地床体的相对效果。实际上,Ω是给定水力停留时间或流量下的最大可能去除量,除以Monod饱和常数,而得出的规范化参数。Ω数值高就表示相对于流量而言降解速率快,从而带来好的处理效果。

Monod模型是个一级和零级动力学模型的结合体，在低浓度营养物的情况下(即C<<K)，营养物浓度是降解的控制因素，整个降解过程遵循一级反应；在高浓度营养物的情况下(C>>K)，湿地床体中所能承载的最大微生物量转而成为降解反应的控制因素，降解速率达到最大值。上式定义了一个新的无量纲参数Ω—湿地去除效率因子,代表了湿地18

虽然Monod动力学模型从微生物反应规律来说更符合实际情况,但在具体应用计算成本方面,涉及到生化反应动力学方面的一些参数的确定,使计算过程较难实现。与一级动力学模型相比,Monod动力学模型更符合微生物处理的实际情况,更为合理,因此,它更适用于那些微生物起主导作用的污染物降解过程。虽然Monod动力学模型从微生物反应规律来说更符合实19生态动力学模型

生态动力学模型是以“箱式”模型理论为基础,将系统中污染物的各种生物、物理、化学降解去除途径划分成许多独立的“箱子”和反应过程,然后分别对每个“箱子”即反应过程进行定义,确定其具体的质量平衡方程、反应公式(一般为动力学方程)和相关的动力学参数，并通过实验测定、文献查找、模型自拟合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。生态动力学模型 生态动力学模型是以“箱式”模型理论为基20黑箱清水污水物理降解生物降解化学降解氮循环模型磷循环模型......对每个箱子进行定义,确定其具体的质量平衡方程、反应公式和相关的动力学参数黑箱清水污水物理降解生物降解化学降解氮循环模型对每个箱子进行21

生态动力学模型是建立在对污染物在人工湿地中各种形态变化、循环和定量平衡等的系统深入研究基础之上的。由于在模型中污染物形态的划分细致,多介质、多途径、去除和释放过程并存,协调和拮抗作用同时发生,对人工湿地的各个降解去除过程都单独模块化,都有相对独立的参数和方程进行描述,较一级动力学模型更为详细准确。生态动力学模型是建立在对污染物在人工湿地中各种形态变22

人工湿地设计计算模式研究09级环境工程人工湿地制作人:邱恩淋

人工湿地设计计算模式研究09级环境工程人工湿地制作人23运行维护简便t处理效果好投资少耗能低......利用基质、植物和微生物三者之间的物理、化学和生物三重协同作用，通过过滤、吸附、离子交换、植物吸收和微生物降解等作用实现对污水的净化人工湿地

技术适合于我国国情，尤其

适合于广大农村，中小城镇的

污水处理之中，在我国具有极

其广阔的应用前景。

运行维护简便t处理效果好投资少耗能低......利用基质、植24人工湿地湿地模型研究发展

湿地模型的目的是帮助人们设计湿地以及评估湿地的处理效果But。。。

人工湿地应用的设计和运行大都是建立在统计数据和经验公式基础上的,这些污水处理技术并不为人们所完全掌握,专家学者和工程人员对人工湿地各种去污机理和途径尚无系统定量化的结论,对人工湿地设计时的预期水质目标和长期的运行效果缺乏准确可靠的预测手段,从而严重地影响了这一污水处理技术的推广与应用。人工湿地湿地模型研究发展湿地模型的目的是帮助人们设计湿地以25

人工湿地处理污水的内在机制缺乏定量化的认识，而且人工湿地系统的影响因素有很多，如HRT，基质，植物，微生物，温度等。计算模式要综合考虑到各个因素是很难的，所以人们对人工湿地的设计计算模式众说不一，包括水力负荷、衰减模式、一级K-C*模型、Monod动力模型、Ergun公式、机理模型和生态动力学模型等。人工湿地处理污水的内在机制缺乏定量化的认识，而且人工26介绍三种典型的人工湿地去污模型一级动力学模型Monod动力学模型生态动力学模型介绍三种典型的人工湿地去污模型一级动力学模型Monod动力学27三种典型模型的差异

动力学模型中,一级动力学模型、零级动力学模型中较少明确提及污染物降解过程中的微生物作用,但Monod模型已开始关注微生物的降解作用,而生态动力学模型则在此基础上进一步考虑了其他降解过程,使得人们能够更加深入了解人工湿地运行过程和内在机制。三种典型模型的差异动力学模型中,一级动力学模型、28人工湿地设计计算模型课件29今后研究方向

一级动力学和Monod动力学的设计方程都是由污染物稳态时的质量平衡得到的,都是湿地床的静态宏观模型,两者都没有考虑到传质效率,即都假定物质从液相迁移到生物膜的过程没有阻力。在今后新的模型研究中应考虑到湿地植被的空间分布,应根据实际的停留时间分布来模拟污染物在湿地中的去除,而不是仅考虑单一的停留时间。另外人工湿地是一个复杂的生态系统,其对污染物的去除是人工湿地各组成部分共同作用的结果,新的模型应充分考虑到各种因素的影响。因此,应对人工湿地污染物去除的机理及其影响因素作更为全面深入的研究。今后研究方向一级动力学和Monod动力学的设计30谢谢！谢谢！31一级动力学模型1.单一参数一级动力学模型

湿地一级动力学方程，主要考虑处理负荷与处理效率间的关系。经常假设模型中的一些参数如速率常数等为常量，该模型假设：

(1)湿地系统处于稳态(即进、出水流量和浓度不随时间变化)；

(2)污染物降解服从一级反应动力学；

(3)水流流态呈理想推流；一级动力学模型1.单一参数一级动力学模型32通常的表达方式如下：式中：Ci—进水浓度(mg/L）；Ce—出水浓度(mg/L)；

kv—体积去除率常数(1/a)；kA—面积去除率常数(m/a)；q—水力负荷(m/a)；τ—水力停留时间(a）。｛KV→湿地所需体积→多用于潜流型人工湿地KA→湿地所需面积→多用于表面流人工湿地通常的表达方式如下：式中：Ci—进水浓度(mg/L）；332.一级k-C*模型

单一参数的一级动力学模型中仅包含一个参数kv或kA。Kadlec和Knight[77]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*：式中，Ce为目标物出水浓度，mg/L；Ci为目标物进水浓度，mg/L；C*为该目标物水质指标的环境背景值，mg/L；K为一级面积速率常数，m/a；q为水力负荷率，m/a。2.一级k-C*模型式中，Ce为目标物出水浓度，mg/L；C34

经过重新整理和单位转换后，得出处理某一指定污染物所需的湿地面积为式中，A为所需要湿地面积，hm2；Q为进水流量，m3/d。经过重新整理和单位转换后，得出处理某一指定污染物35

不论单参数还是2参数模型,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3个参数,提出了3参数模型。加入描述水力负荷变化对k值影响的参数m,对k值进行修正:

kv=kv'qm

研究表明参数m的引入可以提高数据与模型的吻合程度,但并不能消除水力负荷对表观背景浓度的影响不论单参数还是2参数模型,在运行和设计条件改变时,都36一级动力学模型的优点：

参数的求解及计算过程都很简单一级动力学模型存在的缺陷：

实际情况人工湿地水流为非稳态流;由于短流和死区导致非理想推流流态;反应速率常数会随进水浓度、水力负荷和水深等因素变化而变化;K-C*模型计算值比实验值；一直偏大植物种类和温度对反应速率常数和背景浓度影响显著等等。

但是当湿地系统在类似气候、进水水质、基质材料和植物种类时，这些模型参数用于指导设计是可行的。一级k-C*模型仍是目前最实用、最可靠的设计工具。一级动力学模型的优点：37Monod动力学模型

按照一级动力学,污染物的去除速率为:

r1=QCi[1-exp(-k1,vt)]

=QCi[1-exp(-k1,A/q)]

r0=k0,VV=k0,AA

式中,r0为零阶去除率;r1为1阶去除率。实际上,当入流的浓度增加,降解率将由1阶向零阶过渡即动力学模型达到饱和,这在传统的污水处理设施和生物接触氧化法系统中都能见到。所以,既然人工湿地中包含相似的生物降解过程,上述过程也应存在。零阶去除率常数r0对于一个特定的系统来说是定值,且与入流浓度及流量无关。在人工湿地的运行中,表现为去除率随入流负荷增加,直到最大值。但只有零阶模型并不能完全描述湿地的实际情况,需要一个将1阶和零阶结合的模型来描述,即Monod模型。

简而言之：由一级动力学模型可求出一阶去除率，去除率随入流负荷增加而提高，直到最大值（也就是零阶去除率，为定值，与入流流量和浓度无关）。Monod模型就是将一阶和零阶结合起来的模型。Monod动力学模型按照一级动力学,污染物的去除速率为:38根据Monod模型,可以得出湿地床体内污染物的物料平衡:式中Z—湿地床的长度(L)；a—湿地纵段面面积（L2）；V—地体积（L3);K—饱和常数（M.L-3);k0,V—零阶体积去除率常数(L.T-1)；k0,A—零阶面积去除率常数(L.T-1)；ε—湿地床的孔隙率(L3.L-3)

对各个系统进行比较需要将其参数规范化,将污染物浓度C除以饱和常数K,得到规范化浓度C(即C=C/K);将沿床体的距离z除以湿地总长Z,得到规范化长度z(即z=z/Z)。则方程(11)经规范化后变成:根据Monod模型,可以得出湿地床体内污染物的物料平衡:式中39上式定义了一个新的无量纲参数Ω—湿地去除效率因子,代表了湿地床体的相对效果。实际上,Ω是给定水力停留时间或流量下的最大可能去除量,除以Monod饱和常数,而得出的规范化参数。Ω数值高就表示相对于流量而言降解速率快,从而带来好的处理效果。

Monod模型是个一级和零级动力学模型的结合体，在低浓度营养物