人工濕地水力學特性及有機污染物的研究

葛偉偉 (臨沂市環保局產業開發服務中心 山東 臨沂 276000)

人工濕地水力學特性及有機污染物的研究

葛偉偉 (臨沂市環保局產業開發服務中心 山東 臨沂 276000)

人工濕地是目前處理城市污水、工廠廢水的有效方法，本文針對濕地系統去除有機污染物特性建立了水體動力學模型，在分析比較了兩種動力學模型之后，指出Monod模型在準確性方面有了較大的提高，這對人工濕地系統的建設具有一定的指導意義。

人工濕地；動力學模型；Monod模型

人工濕地系統是20世紀60年代在國外興起并取得蓬勃發展的一種污水處理技術，廣泛的應用于城市生活污水、工業排放廢水等污水的處理。人工濕地的組成和自然濕地有些相似之處，也是分為基質、植物、水體、動物、微生物五個模塊[1]。作為一項技術含量比較高的污水處理技術，人工濕地越來越受到人們的關注，但是大部分人對它的認識還停留在表面上，沒有能深入的理解人工濕地的工作原理和處理機理，導致后來的運行當中，污水的處理往往沒有達到國家的標準就排放出去。本文通過對人工濕地水體力學特性的研究，建立了去除有機污染物的動力學模型，通過本文的研究，旨在使人們從理論的高度更深入的了解人工濕地凈化處理污水的機制緣由，使以后人工濕地的設計更加合理，同時也提高人工濕地的處理效率。

一、人工濕地去污一級動力學模型

1.一級動力數學模型

人工濕地在進行設計時有多種動力學模型，目前通常采用的是一級動力學模型，在建立人工濕地之初可以采用一級動力學模型對所建濕地去除有機物污染物的效果進行預測，將預測結果與現實調研結果進行對比分析，從而合理規劃人工濕地的規模。人工濕地一級動力學方程主要建立在已有的本征動力學研究基礎之上，重點從宏觀的角度研究動力模型和影響它的主要因素[2]。在眾多的影響因素之中，污染物的是人工濕地污水處理的關鍵因素，而這些有機物恰恰又是人工濕地中微生物的能量來源，因此人工濕地污水處理系統中有機物的含量是影響降解的重要因素之一。一級動力方程探索的就是處理污染有機物的效率和處理負荷之間的關系。在建模時通常要進行必要合理的簡化，如認為模型中的速率是不隨處理負荷和污水濃度而變化的，是一個常量[3]。

一級動力學模型用式子表示通常如下所示，

式中：Ci—表示進水的濃度；

C0—表示出水的濃度；

kV—表示體積去除速率常數；

kA—表示去除速率常數；

t—表示水力停留時間；

q—表示水力負荷。

2.一級動力學模型的局限性

人工濕地一級動力學模型目前得到廣泛的應用主要原因是處理過程簡單，容易讓人理解，建設和維護費用較少，但是它確確實實存在著一定的局限性。主要包括參數不夠穩定、流動特性不夠理想、季節變化的影響、去污能力的限制和不可預見事件的影響。在人工濕地一級動力學模型中，通常認為的速率為常數，但是實際生活中它不可能是常數的，水體的負荷、進水的濃度、雨水量的變化都會直接改變速率的值。

二、人工濕地去污Monod動力學模型

1.Monod動力數學模型

根據前文的研究，人工濕地一級動力學模型因計算相對簡單應用廣泛，同時自身也存在著不可避免的缺陷，因為它的理論基礎與微生物反應的實際情況存在偏差，當人工系統趨于滿負荷后，即使外界流量繼續增加，濕地系統的去污能力也不再變化了。因此，為了使人工濕地系統能更好的反應微生物去污的規律，假設系統的微生物與其他的生物系統微生物是一樣的，建立了更加準確的Monod動力學模型[4]。具體的模型如下所示，

式中：k0.V—表示零級體積速率常數；

k0.A—表示零級面積速率常數；

K—表示半飽和常數；

Z—表示濕地床的長度；

ε—濕地床的孔隙率；

a—濕地的橫截面面積；

Q—流量。

2.Monod動力學模型的應用

根據Monod動力學模型分析可知，對于一個固定的人工濕地系統來說，它的零級體積速率常數和系統體積已經是固定值，所以即使進入系統的負荷一直增大，水體的去污速率也有一定的上限值，這是因為每個濕地系統所能夠容納的微生物總量是一定的，所以Monod模型更符合實際的情況。

為了更好的研究人工濕地系統去污速率，這里令標準負荷YL為進入濕地系統的水體污染物負荷與最大有可能去除率的比值，同時令標準去除率YR為人工濕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關系式，

在一個人工濕地系統中，如果進水濃度是恒定的值，那么濕地系統開始是處于一級動力學階段的，隨著進水流量的不斷增加，人工濕地的去污速率也會增大，當達到零級動力學階段的時候，濕地的去污速率會達到最大值。如果進入濕地系統的污水濃度變大，去污速率也會提高，當進入濕地系統的污水濃度趨近于無窮大時，人工濕地的去污性能將會達到極限值。

進一步分析，如果YL比1小，則人工系統最大的去污率將是一條斜線，與之相應的出流濃度變成零。對于一個給定的入流濃度來說，如果進入濕地系統的流量增加，整個系統的去污速率也會相應的增加，甚至可以達到最大的去污速率。如果YL比1大，則在同一個濃度下，隨著流量的增加，出流的濃度也會相應的增加，這是由于去污率YR已經趨于最大值，整個濕地系統也達到了滿負荷狀態。針對人工濕地系統而言，Monod動力學模型比一級動力學模更加接近有機物降解的實際情況，所以Monod模型更適合以微生物分解為主導的人工濕地系統。

展望

本文針對人工濕地系統建立了一級動力學模型和Monod動力學模型，而這兩個模型都是建立在水體中有機污染物的質量平衡基礎之上的，并沒有過多的考慮傳質效率等動態宏觀因素的影響，因此后人可以在這方面對人工濕地系統進行更加系統的研究。

[1]于少鵬,王海霞,萬忠娟等.人工濕地污水處理技術及其在我國發展的現狀與前景[J].地理科學進展,2004,23(1):22.

[2]王賢久.白泥坑人工濕池水力學計算研究[J].廣東水利水電,1997(6):50-52.

[3]孫廣友.中國濕地科學的進展與展望.地球科學進展,2000,15(6):666-672.

[4]黃成才,揚芳.濕地公園規劃設計的探討[J].中南林業調查規劃,2004,23(3):26-29.

葛偉偉 女 漢族 1981.1— 碩士 現任臨沂市環保局產業開發服務中心工程師