人工濕地處理廢水有機物動(dòng)態(tài)模型的研究

摘要：以風(fēng)車(chē)草人工濕地處理豬場(chǎng)廢水，研究人工濕地處理廢水有機物的動(dòng)態(tài)模型。人工濕地一年四季連續運行，秋李和春季濕地以相同進(jìn)水濃度和不同水力停留時(shí)間的方式運行；冬季和夏季以相同水力停留時(shí)間和不同進(jìn)水濃度的方式運行。COD作為有機物降解的建模指標。結果表明，濕地進(jìn)出水COD服從指數方程規律。提出了基于運行溫度和進(jìn)水濃度的濕地出水COD預測模型，預測結果誤差在10％以?xún)取?/P>

關(guān)鍵詞：人工濕地；風(fēng)車(chē)草；廢水處理；有機物；模型

人工濕地已廣泛應用于廢水處理，然而，人工濕地的設計和運行常常缺乏模型的指導。本研究以風(fēng)車(chē)草潛流式人工濕地處理養豬場(chǎng)廢水為研究對象，重點(diǎn)討論在同一廢水來(lái)源、相同的潛流式人工濕地和統一的水力停留時(shí)間下(3 d)，進(jìn)水有機負荷(以COD表示)和氣溫對COD降解常數左的影響，以及基于進(jìn)水有機負荷和氣溫丸值與出水水質(zhì)預測模型。

1、模擬人工濕地的構成

人工濕地的剖面如圖1所示，長(cháng)度為1 m，寬0.5m，高0.8m，由磚和水泥砌成。濕地內填充粒徑3—5cm的碎石60cm厚作為處理床，處理床上種植風(fēng)車(chē)草，試驗在大棚內進(jìn)行。風(fēng)車(chē)草植株根系發(fā)達，分蘗數14-16個(gè)／株，高度135-145sm，每組8株，分兩行栽種。濕地進(jìn)水通過(guò)位于濕地前部的進(jìn)水槽從處理床前端底部分多孔均勻進(jìn)水，從另一端上部多孔均勻出水。

2、COD降解的數學(xué)模型

根據反應器中反應物的流動(dòng)特征和凈化機理，通常把人工濕地看作推流反應器[1-3]。在理想的推流反應器中，反應物濃度隨空間和時(shí)間而變化，并遵循：

      Yt=Yoexp(-kt)

式中：t——反應器物料的理論停留時(shí)間，d；
　    Yt——出口COD的質(zhì)量濃度，mg／L；
　    Yo——進(jìn)口COD的質(zhì)量濃度，mg／L；
　    K——COD降解常數[4]。
在上述方程中，兌反映濕地廢水COD的降解速度，它與廢水性質(zhì)、進(jìn)水特征、廢水處理系統的整體特征以及系統運行的環(huán)境條件等有關(guān)[5]。

3實(shí)驗方法

測試前先運行2個(gè)月，以讓處理床掛膜；運行時(shí)每隔3 d進(jìn)1次廢水，進(jìn)水量90L／室，進(jìn)水濃度低于當季正式測試時(shí)的最低進(jìn)水濃度。
 
為了研究季節性氣溫(水溫)對濕地降解COD的影響，將試驗按4個(gè)不同季節進(jìn)行測試，試驗連續進(jìn)行1 a。其中，秋季和春季運行采用同一個(gè)進(jìn)水濃度范圍，廢水在濕地的停留時(shí)間(HRT)采用5個(gè)方式(5，4，3，2，1 d)，秋季春季試驗平均進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度為736.29土29.63 mg／L，5種停留時(shí)間運行下的水力負荷分別為72，90，120，180和360L／(m2·d)，有機負荷(以COD計)依次為：53.01，66.26，88.35，132.53和265.06 g／(m2·d)。冬季和夏季試驗運行采用同一個(gè)停留時(shí)間(3d)，5個(gè)不同的進(jìn)水濃度范圍(見(jiàn)表1)。 

試驗期間各組每天連續進(jìn)水，進(jìn)水是豬場(chǎng)廢水經(jīng)沉淀和厭氧處理后的出水再按試驗所需用清水調配而成。在同一季節內，試驗不同停留時(shí)間或不同進(jìn)水水質(zhì)的運行和測試均重復3次。

每一個(gè)季節測試結束，將試驗植物沿床面上30cm剪割掉，各組繼續在低濃度下繼續運行。

4、 結果與討論

4.1 進(jìn)水濃度對COD降解系數A的影響

冬、夏季濕地去除COD服從指數方程規律。將風(fēng)車(chē)草濕地夏季、冬季停留時(shí)間等于3 d時(shí)Yo和Yt，的5組測定結果分別代人指數方程Yt=Yo·e(-kθ)，獲得夏季、冬季風(fēng)車(chē)草濕地降解COD的5個(gè)k值，見(jiàn)表1。

根據表1中Yo與k的對應關(guān)系，可以分別求出冬、夏季COD的降解系數k(d-1)與進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度(Yo，mg／L)的回歸方程，分別為：

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 溫度對COD降解系數k的影響

將4個(gè)進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度：490.35,867.07，983.38和1440.20mg／L，依次代入冬季k與Yo的關(guān)系式k=-0.000 02 Yo+0.479 1，可估算出4個(gè)k，依次是：0.469 3，0.461 8，0.459 4和0.450 3 d-1。同理，將上述4個(gè)進(jìn)水COD值代入夏季k與Yo的關(guān)系式k=0.000 3Yo+0.372 7，求出4個(gè)相應的k，依次是：0.519 8，0.632 8，0.721 5和0.725 0d-1。

假設在同一進(jìn)水濃度下，k與溫度成線(xiàn)性關(guān)系，根據上述4種進(jìn)水濃度下，冬、夏季各4個(gè)k值，以及冬、夏季氣溫(分別為17.9℃和27.2℃)，可以分別求出上述4種進(jìn)水濃度下，k隨溫度θ(℃)變化的直線(xiàn)方程，見(jiàn)表2。

根據表2的4種不同進(jìn)水濃度下、k隨溫度θ變化的估算方程，可以計算出秋季(溫度21.4℃)、上述4種進(jìn)水濃度下的COD降解常數&值分別為：0.488 2，0.526 2，0.558 1和0.553 5 d-1。同理，可以計算出春季(溫度23.8℃)、上述4種進(jìn)水濃度下的COD降解常數禿值分別為：0.501 1，0.570 3，0.625 8和0.624 3 d-1。
 
這樣，4種進(jìn)水濃度、4個(gè)季節(溫度)下人工濕地的COD降解常數無(wú)值匯總在表3。

4.3　 COD降解常數k的估算模型

根據表3中進(jìn)水濃度與k的對應數據，可以作出不同溫度下，k與進(jìn)水濃度之間的關(guān)系圖，如圖2所示。圖2表明：冬季低溫環(huán)境下，進(jìn)水濃度提高，k則減小(θ1)；其它高溫季節環(huán)境下，k隨進(jìn)水濃度提高而增大(θ2，θ3和θ4)。

圖2中，不同溫度下，k隨進(jìn)水濃度變化的回歸方程分別為：
 
方程θ1：k=0.4791-(2×10-5)yo，r=1.0000 (3)

方程θ2：k=0.4656+(7×10-5)yo，r=0.8489 (4)

方程θ3，k=0.4563+0.0001yo，　 r=0.8735(5)

方程θ4：k=0.4432+0.0002yo，　 r=0.8856(6)

上述θ1—θ4的4個(gè)方程可用k=a+byo來(lái)表示，方程中a值與溫度關(guān)系見(jiàn)圖3，b值與溫度關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖3、圖4可見(jiàn)，a值隨溫度上升而下降，而b值隨溫度上升而增加，其回歸關(guān)系為：
a=0.5482-0.0039 θ，r=1.000 0(7)

b=0.0004+(2×10-5)θ，r=0.992 4　 (8)

將式(7)和式(8)代人k=a+byo中，則k與進(jìn)水濃度的關(guān)系式變?yōu)椋?/P>

k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10-5)θ-0.0004]yo。 (9)

若式(7)用a= a1θ+a2來(lái)表示，則al=-0.0039，a2=0.5482

同理，若式(8)用b= b1θ+b2來(lái)表示，則b1=2 ×10-5，b2=-0.0004

將k=a+byo代入yt=yoexp(-kt)，

則：yl=yoexp[-(a+byo)t]，再將a= a1θ+a2和b= b1θ+b2代入，

則：y1=yoexp{-[( a1θ+a2)+ (b1θ+b2)yo]t} (10)

式(10)中：yl為出水COD的質(zhì)量濃度mg／L；yo為進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度mg／L；θ為溫度，℃；t為水力停留時(shí)間，d;a1,a2，b1和b2均為系數，a1=-0.0039，a2=0.5482，bl=2×10-5，b2=-0.0004。

這樣，通過(guò)式(10)，也可以預測出不同溫度、進(jìn)水COD濃度和停留時(shí)間下的風(fēng)車(chē)草人工濕地豬場(chǎng)廢水處理的出水COD值。

5 實(shí)測與模擬結果的比較

式(10)是根據人工濕地實(shí)際系統的進(jìn)水濃度和水力停留時(shí)間以及運行溫度環(huán)境，預測出人工濕地的出水水質(zhì)，式中k是關(guān)鍵，其估算模型的精度見(jiàn)表4。

表4中，k來(lái)自表3，k1根據式(9)計算而來(lái)，k1誤差指與左比較的結果。
 
表4表明，按式9估計的k比實(shí)測偏小，誤差約在10％以?xún)�。這說(shuō)明在溫度和進(jìn)水濃度已知的條件下，人工濕地k可用k=(-0.0039θ+0.5842)+[(2×10-5) θ-0.0004]yo來(lái)估計。針對不同水力停留時(shí)間的人工濕地出水水質(zhì)可用yt=yoexp{-[(a1θ+a2)+(blθ+b2)yo]t}來(lái)預測。盡管本研究只采用COD建立風(fēng)車(chē)草人工濕地去除有機物的動(dòng)力學(xué)模型，但其方法同樣適用于其它植被的人工濕地，因為同樣遵從推流反應器原理；此方法也適用于描述服從指數模型的其它污染指標的降解過(guò)程，例如BOD，只是模型參數需要重新調整。

6、結論

人工濕地降解有機物服從指數方程規律，模型可以用Yt=Yo·e(-kt)表達。本研究建立了風(fēng)車(chē)草人工濕地COD降解動(dòng)力學(xué)模型dy／dt=-kt(t為時(shí)間)，研究闡明了溫度和進(jìn)水濃度對COD降解常數兌的影響。在溫度和進(jìn)水濃度已知的條件下，風(fēng)車(chē)草人工濕地COD降解的兌可用k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10-5) θ-0.0004]yo妁來(lái)估計；針對不同水力停留時(shí)間(d)的風(fēng)車(chē)草人工濕地出水COD(yt)可用yt=yoexp{-[(a1θ+a2)+(blθ+b2)yo]t}來(lái)預測。該模型可用于具推流反應器原理的人工濕地有機物的去除過(guò)程，模型參數需針對現場(chǎng)運行條件進(jìn)行調整。

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