人工湿地水力学特性及有机污染物的研究

2022-09-11

人工湿地系统是20世纪60年代在国外兴起并取得蓬勃发展的一种污水处理技术, 广泛的应用于城市生活污水、工业排放废水等污水的处理。人工湿地的组成和自然湿地有些相似之处, 也是分为基质、植物、水体、动物、微生物五个模块[1]。作为一项技术含量比较高的污水处理技术, 人工湿地越来越受到人们的关注, 但是大部分人对它的认识还停留在表面上, 没有能深入的理解人工湿地的工作原理和处理机理, 导致后来的运行当中, 污水的处理往往没有达到国家的标准就排放出去。本文通过对人工湿地水体力学特性的研究, 建立了去除有机污染物的动力学模型, 通过本文的研究, 旨在使人们从理论的高度更深入的了解人工湿地净化处理污水的机制缘由, 使以后人工湿地的设计更加合理, 同时也提高人工湿地的处理效率。

一、人工湿地去污一级动力学模型

1. 一级动力数学模型

人工湿地在进行设计时有多种动力学模型, 目前通常采用的是一级动力学模型, 在建立人工湿地之初可以采用一级动力学模型对所建湿地去除有机物污染物的效果进行预测, 将预测结果与现实调研结果进行对比分析, 从而合理规划人工湿地的规模。人工湿地一级动力学方程主要建立在已有的本征动力学研究基础之上, 重点从宏观的角度研究动力模型和影响它的主要因素[2]。在众多的影响因素之中, 污染物的是人工湿地污水处理的关键因素, 而这些有机物恰恰又是人工湿地中微生物的能量来源, 因此人工湿地污水处理系统中有机物的含量是影响降解的重要因素之一。一级动力方程探索的就是处理污染有机物的效率和处理负荷之间的关系。在建模时通常要进行必要合理的简化, 如认为模型中的速率是不随处理负荷和污水浓度而变化的, 是一个常量[3]。

一级动力学模型用式子表示通常如下所示,

式中:Ci—表示进水的浓度;

C0—表示出水的浓度;

kV—表示体积去除速率常数;

kA—表示去除速率常数;

t—表示水力停留时间;

q—表示水力负荷。

2. 一级动力学模型的局限性

人工湿地一级动力学模型目前得到广泛的应用主要原因是处理过程简单, 容易让人理解, 建设和维护费用较少, 但是它确确实实存在着一定的局限性。主要包括参数不够稳定、流动特性不够理想、季节变化的影响、去污能力的限制和不可预见事件的影响。在人工湿地一级动力学模型中, 通常认为的速率为常数, 但是实际生活中它不可能是常数的, 水体的负荷、进水的浓度、雨水量的变化都会直接改变速率的值。

二、人工湿地去污Monod动力学模型

1. Monod动力数学模型

根据前文的研究, 人工湿地一级动力学模型因计算相对简单应用广泛, 同时自身也存在着不可避免的缺陷, 因为它的理论基础与微生物反应的实际情况存在偏差, 当人工系统趋于满负荷后, 即使外界流量继续增加, 湿地系统的去污能力也不再变化了。因此, 为了使人工湿地系统能更好的反应微生物去污的规律, 假设系统的微生物与其他的生物系统微生物是一样的, 建立了更加准确的Monod动力学模型[4]。具体的模型如下所示,

式中:k0.V—表示零级体积速率常数;

k0.A—表示零级面积速率常数;

K—表示半饱和常数;

Z—表示湿地床的长度;

ε—湿地床的孔隙率;

a—湿地的横截面面积;

Q—流量。

2. Monod动力学模型的应用

根据Monod动力学模型分析可知, 对于一个固定的人工湿地系统来说, 它的零级体积速率常数和系统体积已经是固定值, 所以即使进入系统的负荷一直增大, 水体的去污速率也有一定的上限值, 这是因为每个湿地系统所能够容纳的微生物总量是一定的, 所以Monod模型更符合实际的情况。

为了更好的研究人工湿地系统去污速率, 这里令标准负荷YL为进入湿地系统的水体污染物负荷与最大有可能去除率的比值, 同时令标准去除率YR为人工湿地床污染物去除率和最有可能去除率的比值, 而后可以得到下面的关系式,

在一个人工湿地系统中, 如果进水浓度是恒定的值, 那么湿地系统开始是处于一级动力学阶段的, 随着进水流量的不断增加, 人工湿地的去污速率也会增大, 当达到零级动力学阶段的时候, 湿地的去污速率会达到最大值。如果进入湿地系统的污水浓度变大, 去污速率也会提高, 当进入湿地系统的污水浓度趋近于无穷大时, 人工湿地的去污性能将会达到极限值。

进一步分析, 如果YL比1小, 则人工系统最大的去污率将是一条斜线, 与之相应的出流浓度变成零。对于一个给定的入流浓度来说, 如果进入湿地系统的流量增加, 整个系统的去污速率也会相应的增加, 甚至可以达到最大的去污速率。如果YL比1大, 则在同一个浓度下, 随着流量的增加, 出流的浓度也会相应的增加, 这是由于去污率YR已经趋于最大值, 整个湿地系统也达到了满负荷状态。针对人工湿地系统而言, Monod动力学模型比一级动力学模更加接近有机物降解的实际情况, 所以Monod模型更适合以微生物分解为主导的人工湿地系统。