人工湿地去污模型的统一结构特征

第27卷第4期2007年4月生态学报ACT A ECOLOGI CA SI N I CA Vol .27,No .4Ap r .,2007

http://www .ecolog i 基金项目:国家重点基础研究规划资助项目(G1999043603)

收稿日期:2006204227;修订日期:2006211228

作者简介:孔令裕(1980～),男,广东省肇庆市人,硕士生,主要从事人工湿地设计优化研究.E 2mail:konglingyu@iee .pku .edu .cn 3通讯作者Corres ponding author .E 2mail:nijinren@iee .pku .edu .cn

Founda ti on ite m :This work was financially supported by State Key Pr oject for Funda mental Research Pr ogramme (No .G1999043603)

Rece i ved da te:2006204227;Accepted da te:2006211228

B i ography:K ONG L ing 2Yu,Master candidate,mainly engaged in op ti m al design of constructed wetlands .E 2mail:konglingyu@iee .pku .edu .cn

人工湿地去污模型的统一结构特征

孔令裕1,倪晋仁2

(1.北京大学深圳研究生院城市与环境学院,深圳　518055;2.北京大学环境工程系水沙科学教育部重点实验室,北京　100871)

摘要:通过对典型人工湿地去污模型的分析比较,提出了基于各模型微分方程而建立的统一去污模型。该模型能够将典型去污模型作为特例而导出,并能很好地解释这些模型之间的过渡关系。以潜流湿地中NH +4和BOD 5的降解为例,对统一去污模型的应用情况进行了简单探讨,表明利用统一去污模型结构有助于深入揭示去污机理,从而提出更为精确的去污模型。关键词:人工湿地;统一去污模型;结构特征

文章编号:100020933(2007)0421428206　中图分类号:Q948　文献标识码:A

Character isti cs of the genera li zed structure of pollut an t rem ova l m odels for con structed wetl ands 　

K ONG L ing 2Yu 1,N I J in 2Ren 2

1the Shenzhen Graduate School of Peking U niversity,School of C ity and Environm ent,Shenzhen 518055,China

2M inistry of Education Key L aboratory for W ater and Sedi m ent Sciences,D epart m ent of Environm ental Engineering,Peking U niversity,B eijing 100871,China

A cta Ecologica S in ica,2007,27(4):1428～1433.

Abstract:Based on the analysis of typ ical existing pollutant removal models for constructed wetlands,this paper p resents a generalized ex p ression of vari ous models in ter m s of differential equations .The p r oposed generalized exp ression can not only embrace most existing models as s pecial cases but als o interp ret the transiti ons from one model to another .Potential app licati on of the generalized exp ression was exemp lified through the case of NH +

4and BOD 5degradation in subsurface flow constructed wetlands .

It was shown that the generalized exp ression is helpful t o reveal the pollutant removal mechanis m,and thus it is good for development of more accurate models .

Key W ords:constructed wetlands;generalized exp ressi on;pollutant removal models;structure characteristics 人工湿地兼有脱氮除磷效率高、投资和运行费用低等优点,因而在城市生活污水、工业废水、雨水处理以及农业非点源污染控制方面得到了广泛应用。目前,人工湿地去污模型多由经验公式具体表述。这些从不同出发点或在不同条件下获得的公式虽然形式各异,但是每个公式都是基于实测数据得到或经过观测资料验证的。那么,这些公式为什么具有不同的结构形式?它们各自的适用范围是什么?它们之间存在什么关系?是否可能存在一个更为一般性的统一模型将现行诸公式都作为特例而概括?本文在系统比较典型人工湿地去污模型的基础上,提出人工湿地的统一去污模型,并就其结构特点和应用效果进行分析,试图部分地给出上述

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问题的答案。

1　统一去污模型的建立

典型的人工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、Monod 模型和生态动力学模型。衰减模型是根据大量运行数据而建立的一种“输出2输入”统计响应关系

[1]

,并不能真正反映湿地系统去

污过程。生态动力学模型因其反应公式众多、参数难以确定而仅用于湿地系统物质循环的研究[2]

。因此,目

前反映湿地系统去污过程的典型模型为一级动力学模型、零级动力学模型和Monod 模型。其中,一级动力学模型因其简单实用,被认为是目前描述湿地系统去污过程最合适的模型,多用于污染物进水浓度较低的情形;当污染物进水浓度逐渐增高时,湿地系统会渐趋饱和而体现零级反应的特点

[3]

,这一现象为零级动力学模型

所描述;两者之间的过渡状态由Monod 模型表征,该模型假设湿地中的生物过程与其他生物系统一样符合Monod 动力学,应用该模型可避免应用一级模型时尺寸太小和应用零级模型时尺寸太大的问题,但模型参数

值的确定较为困难

[4]

。

尽管不同的学者提出了各种形式的去污模型,但是从典型的去污模型建立的基础出发,可以发现一个有趣的现象,这就是各类去污模型的微分方程具有十分相似的结构形式,只是相关参数有所不同而已(见表1)。

表1　典型去污模型的微分方程

Table 1　D i fferen ti a l equa ti on s of represen t a ti ve pollut an t rem ova l m odels

序号

Serial number

模型

Model

微分方程

D ifferential equati on

参数

Para meter

1一级动力学模型First order model dC

dt =-kC (1)k =k 1,v =k 1,A /(εh )2零级动力学模型Zer o order model

dC

dt

=-k (2)k =k 0,v =k 0,A /(εh )3

Monod 模型Monod model

dC

dt

=-kC /(K +C )(3)

k =k 0,v =k 0,A /(εh )

表1中,k 1,V (量纲:T -1)、k 1,A (L T -1)分别为一级体积、面积速率常数,k 0,V (ML -3T -1)、k 0,A (ML -2T -1

)分别为零级体积、面积速率常数,K 为半饱和常数(ML -3

)。

人工湿地主要通过湿地系统中物理、化学及生物过程的协同作用实现去污[5]

。就生物过程而言,无论是

生长性生物降解还是共代谢生物降解,污染物的降解过程都可用Monod 模型或形式上与之相似的M ichaelis 2

Menten 方程描述

[6]

。即使多种物质共存且相互限制,其降解过程也可用多重Monod 模型描述

[

6]

。研究表明,

废水处理系统中有机物单独组分、NH +

4、NO -3等对应的K 值在同一数量级上[6]

,人工湿地作为一类废水处理

系统也有这一现象。另一方面,除COD 和BOD 5两个综合指标外,人工湿地各污染物进水浓度均在一个数量

级上

[1]

。因此,更普遍的多重Monod 模型可以表示为:

dC d t =-k 1C

K +C

m

(4)

式(4)仅从生物降解角度描述了人工湿地去污过程,相关模型尚需进一步考虑物理、化学过程的影响。湿地系统中的物理过程主要指基质对污染物的吸附作用和离子交换作用。根据吸附理论和离子交换理论,物理过程对污染物降解过程的影响可描述为:

dC d t

=-k 2C p

(5)

湿地系统中的化学过程主要指水解反应、化学沉淀、拮抗和氧化还原反应等。借鉴环境中物质发生化学反应的表征模型,化学过程对污染物降解过程的影响可描述为:

dC d t

=-k 3C q

(6)

综合物理、化学、生物过程的协同作用,人工湿地的统一去污模型可归纳为:

9

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htt p://www .ecol ogica .cn dC d t =-k 1C K +C m ×k 2C p ×k 3C q (7)

令k =k 1×k 2×k 3,n =m +p +q ,,则式(7)变为:

dC d t =-kC n (K +C )m (8)

式中,m 、n 为结构参数;K 为半饱和常数;k 是综合参数(量纲随m 、n 取值而定),K 、k 都与t 或C 无关。将式(8)进行无量纲化处理,可得:

dC ′dz ′=-ΩC ′n (1+C ′)m (9)

式中,Ω=k εαK m +1-n Q =k

τK m +1-n ,表征一定流量或水力停留时间条件下湿地的最大处理能力,ε为湿地空隙

率;α为湿地截面积(L 2);Q 为进水流量(L 3T -1);τ为湿地水力停留时间(T -1);C ′=C /K ,z ′=z /Z ,z 为湿地

沿长某处到进水口的距离(L ),Z 为湿地全长(L )。

2　统一去污模型的表征

统一去污模型在m =n =0时为零级动力学模型,在m =0,n =1时为一级动力学模型,在m =n =1时为Monod 模型。因此,现行典型去污模型都只是统一去污模型中结构参数取特定值时获得的特殊结果。由于这些模型之间本身存在一定的差异,在应用方面也具有不同的适用性,因而可以推断它们之间还可能存在一系列过渡模型,能够更加精确、系统地揭示人工湿地去污机理。

2.1　零级动力学模型与Monod 模型之间的过渡模型

现行去污模型研究简单地假定人工湿地的去污过程或遵循零级动力学模型或遵循Monod 模型,非此则彼,并未探讨两者之间的过渡模型,因此常常需要调整模型的参数值来拟合污染物的实际降解曲线,使得模型参数的稳定性差。

研究表明,人工湿地去除BOD 5的k 0,A 与其最大负荷相当[7]。以80kg/(hm 2

?d )为潜流湿地去除BOD 5的最大负荷,结合潜流湿地的典型水深(0.6～1.0m )和典型空隙率(0.3～0.4)[1],可求得k 为44mg/(L ?d )。K

值的动力学分析较为复杂,可参考活性污泥工艺去除生活污水中有机物的典型K 值,取60mg/L 。由此出发,可得零级动力学模型和Monod 模型之间的一系列过渡模型。由图1(a )可见,各过渡模型表征曲线的m /n 相等,随着m 减小,n -m 逐渐减小,各曲线逐渐趋向于Monod 模型表征曲线。图1(b )中各过渡模型表征曲线的n -m 相等,随着m 增大,m /n 逐渐增大,各曲线逐渐趋向于Monod 模型表征曲线。n -m 逐渐减小或m /n 逐渐增大的过程就是生物作用所作贡献逐渐增大的过程,当仅考虑生物作用时可用Monod 模型表征污染物降解过程,这与Monod 模型的理论基础相符。因此,应用零级动力学模型与Monod 模型之间的过渡模型,可避免现行去污模型稳定性差的不足,更精确地揭示人工湿地去污机理。

2.2　Monod 模型与一级动力学模型之间的过渡模型

一般认为,一级动力学模型是Monod 模型的特例。当C <<K 时,Monod 模型变为:

dC d t =-k 0,V K C (10)

此时,k 0,V /K 与一级动力学模型的k 1,V 理应相等。然而,针对同一个湿地的研究表明,两者并不相等

[8]。

因此,可推断一级动力学模型与Monod 模型之间有一系列过渡模型。由图2(a )可见,随着m /n 或n -m 的增大,各过渡模型表征曲线逐渐趋向于Monod 模型表征曲线。这是因为,BOD 5的降解主要是在湿地系统的好氧层内进行,在污水流量和BOD 5进水浓度一定时,好氧层的厚度是一定的[6]。当BOD 5进水浓度逐渐增大时,好氧层的厚度将增大,生物过程在BOD 5降解过程中的作用也随之增大。以A rcata 湿地第8单元的BOD 5降解为例,当BOD 5进水浓度不同时,其降解曲线的特点各有不同(见图2(b ))。单一地采用一级动力学模型或Monod

模型均难以把这些特点予以反映。用统一去污模型拟合图

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cn 图1

　零级动力学模型与Monod 模型之间的过渡模型

Fig .1　The transiti on models bet w een zer o 2order model and Monod

model

图2　过渡模型对BOD 5实际降解过程的表征

Fig .2　The exp ressi on of BOD 5degradati on p r ocess by the transiti onal models

2(b )中各曲线能很好地反映其特点并揭示其中去污机理。统一去污模型在m =2.5、n =3.0时适用于表征BOD 5进水浓度在140mg/L 时BOD 5的降解过程,在m =2.0、n =2.45时适用于表征BOD 5进水浓度在60mg/L 时BOD 5的降解过程,在m =2.0、n =2.4时和在m =1.5、n =2.0时也分别对应于BOD 5进水浓度为40、20mg/L 时BOD 5的降解过程。m /n 或n -m 的变化能够很好地反映由BOD 5进水浓度不同所导致的好氧层厚度

1

341　4期　　　孔令裕　等:人工湿地去污模型的统一结构特征

htt p://www .ecol ogica .cn 的变化情况。3　统一去污模型的应用

由于潜流湿地的应用较多,本文以潜流湿地为例探讨统一去污模型的应用。图3a 曲线为现行去污模型所表征的潜流湿地中NH +

4的典型降解曲线。经计算,统一去污模型在m =n =0、m =n =1分别对应于零级动力学模型、Monod 模型,在m =n =1.2、m =n =2.7时适用于表征k 1,V =0.52和k 1,V =0.23的一级动力学模型对应的降解曲线。0.23、0.52是k 1,A 取全球平均值和典型空隙率、水深求算而得的典型值,当其在[0123,0.52]中取值时,一级动力学模型描述的NH +4的降解过程都可统一去污模型表征

。图3　潜流湿地中NH +4和BOD 5的典型降解曲线

Fig .3　Typ ical curves for NH +4and BOD 5degradati on in Subsurface fl ow constructed wetlands

图3b 曲线为现行去污模型所表征的潜流湿地中BOD 5的典型降解曲线[4]。由于潜流湿地去除BOD 5的Monod 模型和零级动力学模型多数仅是理论探讨,模型参数值没有明确,所以此处仅通过一级动力学模型来获取潜流湿地去除BOD 5的典型降解过程。0.17、6.11分别为目前见诸文献的k 1,V 的最小值和最大值,对应的一级动力学模型表征的BOD 5的解过程可分别用统一去污模型在m =n =2.0时和m =0.4,n =1.0时描述。统一去污模型在m =1.0,n =1.4时对应于k 1,V =0.84时的一级动力学模型。由于k 1,V 的大部分文献值

比0.84大,因此相应的一级动力学模型所表征曲线大多趋向于折线,此时一般m ≤1。

潜流湿地去除BOD 、NH +4的机理各不相同,其去除能力也大不一样。现行去污模型多通过改变模型参数值加以区分,但由于参数值稳定性差,在应用上存在许多困难。统一去污模型不仅可以通过调整结构参数获得各种模型的对应结构,而且能够更精确、系统地反映不同的去污机理。从统一去污模型的角度来看,NH +4主要通过自养细菌好氧作用去除,而自养细菌对溶解氧浓度更敏感,其氧气K 值比一般的溶解氧浓度高很多,所以通常考虑氧气的限制作用而采用双营养物制约的模式

[6],即统一去污模型中取m =n =2。另外,有机化合物对硝化细菌有毒性作用,而亚硝化菌作为硝化过程链最薄弱的环节,比硝化菌更容易受到有机抑制剂的影响。这些抑制影响大多以非竞争性方式进行[6],因而双营养物制约的模式也是必要的。当需要同时考虑氧气和有机物的抑制作用时(这在实际中相当普遍),则要引入三重Monod 模型,对应于统一去污模型取m =n =3时的情形。用统一公式表征潜流湿地NH +

4的实际降解曲线时,一般m >1,且多数情况下m =n ,表明氧气或有机物的限制作用是经常存在的。由于各人工湿地系统中氧气和有机物浓度以及它们的抑制作用有

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htt p://www .ecol ogica .cn 所不同,导致m 、n 取值不局限于整数。BOD 5主要通过异养细菌好氧作用去除,氧气有可能成为速率限制因子。研究表明,只有溶解氧浓度非常低时,才可能对异养细菌生长造成严重影响,这一影响可通过选择氧气的K 值为0.2mg/L [6]

适当反映。由于这低于人工湿地里一般的溶解氧浓度,因而氧气的限制作用较小。再者,BOD 5降解过程中不易受NH +4和其他污染物的抑制影响,所以用统一去污模型表征潜流湿地BOD 5实际降解曲线时,大部分曲线对应统一去污模型在m ≤1的情形。

由上可见,与现行去污模型相比,统一去污模型在模拟污染物降解过程的同时能很好地反映污染物降解机理,从而把去污模型和去污机理的研究有机结合起来。通过调整结构参数拟合各类污染物降解的实测数据,可对人工湿地的去污机理尤其是物理、化学、生物过程各自所起作用作合理的判断;对人工湿地去污机理的深入理解,尤其是对物理、化学、生物过程各自作用的掌握,也有助于我们提出更为精确的去污模型。4　结论在系统比较典型人工湿地去污模型的基础上,提出了现行人工湿地去污模型的统一模型为

dC dt =-kC n

(K +C )m 该模型能很好地将现行去污模型作为特例而导出,有助于理解现行各类去污模型之间的关系。对潜流湿地系统中BOD 5和NH +

4的实际降解过程的分析表明,统一去污模型能够针对不同污染物的降解特点而作具体深入的分析,从而为进一步深入探讨不同类型湿地系统中污染物去除模型的特点及其复杂反应机理奠定基础。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/psn1.html