人工湿地污染物去除动力学模拟研究

范英宏

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所,北京 100081)

人工湿地通过基质、植物和微生物之间的物理、化学和生物协同作用实现对污水的净化，作为一种新型生态污水处理技术，由于具有投资和运行费用低、抗冲击负荷、处理效果稳定、出水水质好等诸多优点而日益广泛地用于污水处理中[1-4]。当前人工湿地设计运行多是建立在经验的基础上，对湿地运行过程中污染物的去除过程缺乏定量化的计算。当前有关人工湿地的定量模拟的方法主要有一级动力学模型[5-9]、衰减方程[10]和生态动力学模型[11-13]及Monod 模型[14]。衰减方程简单明了、容易获得、方便易用，运行数据仅采用进、出水浓度，但该模型不能准确描述复杂多变的因素给处理效果带来的各种影响，造成设计目标和预测结果与实际观测数据之间误差很大。生态动力学模型将湿地生态系统内发生的主要过程进行动力学描述和建立质量平衡方程[15-17]。但模型中涉及植物、微生物的生长、死亡，物质的运移等多个学科的交叉，这一复杂性也导致模型中采用了一些经验公式而非机理公式，再加上模型实验方法仍未完全成熟，致使大量的模型参数中有些难以实验测定或不得不采用估算值和类似的文献值，从而限制了其使用。一级动力学污染物降解模型主要考虑处理效率与处理负荷之间的关系，模型假设湿地中的水流流态为理想推流，一些参数如速率常数等为常量。这种模型属灰箱模型，在实质上是非机理模型，但可以很好的描述系统的一些变化条件。本研究采用一级动力学模型对湿地中污染物的去除动力学参数进行估计，探讨不同湿地对污染降解的效果，并可用于指导人工湿地设计。

1 一级动力学模型原理

最简化的一级动力学模型不考虑降雨和蒸发，假定湿地水流形态为理想的推流状态，且为稳态即进水流量和水质都不变。

(1)

式中：C0—进水污染物平均浓度，mg/L；C—出水污染物平均浓度，mg/L；kA—一阶面积速率常数，m/d；q—平均水力负荷率，m/d。

为了使模型更好的拟合实测数据，考虑进水中不可降解的污染物浓度或由大气、地下水引起或由于化学以及生物地理化学循环产生以及植物和微生物代谢及其死亡分解产生的难降解有机物形成的背景值，引入背景浓度C*参数，即k-C*模型。

(2)

2 湿地中污染物去除模型参数估计及数值模拟

本文通过实测进水温度10 ℃～15 ℃，水力负荷0.04 m/d～0.22 m/d条件下水平潜流和复合垂直流湿地进出水污染物浓度，然后采用公式(2)两边取对数，通过线性拟合曲线，估计模型的参数，从而构建湿地系统COD、氨氮、总氮和总磷等污染物的降解动力学模型。其中模型参数估计采用线性拟合曲线与实际观测数据相关性最大的原则进行估计。

2.1 COD 降解动力学模拟

2.1.1 模型参数估计

湿地系统COD降解面积速率常数拟合结果见图1，R2分别为0.982 4和0.992 6。由公式(2)可推出水平潜流和复合垂直流湿地COD去除面积速率常数kA的分别为0.101 5 m/d和0.137 6 m/d，COD背景值C*为11 mg/L。可知复合垂直流湿地COD去除面积速率常数高于水平潜流湿地。

图1 湿地系统COD去除的k-C*模型拟合曲线

2.1.2 数值模拟

根据估计的模型参数，分别计算出不同类型湿地出水COD浓度(图2)。在水力负荷为0.04 m/d条件下模型计算结果低于实测数据，而在水力负荷为0.11 m/d条件下模型计算结果普遍高于实测结果。因为试验运行阶段，高负荷情况下气温比较高，而到低负荷情况下气温特别低，可见湿地中COD的去除率受气温影响，但影响不显著。尤其是对于复合垂直流湿地受温度影响比水平潜流湿地小。

图2 湿地系统实测出水COD浓度与模型计算出水COD浓度

2.2 氨氮降解动力学模拟

2.2.1 模型参数估计

选定水力负荷为0.04 m/d～0.11 m/d的数据进行模型参数拟合，结果见图3，R2分别为0.984 6和0.997 5。水平潜流和复合垂直流湿地氨氮去除面积速率常数kA分别为0.029 03 m/d和0.061 73 m/d，背景值C*为10 mg/L。可见，复合垂直流湿地氨氮去除面积速率常数远远高于水平潜流人工湿地。

2.2.2 数值模拟

根据模型分别计算出不同进水情况下不同湿地出水氨氮浓度(图4)。可知，对于水力负荷为0.04 m/d和0.11 m/d条件下模拟结果不好，在低负荷情况下实测数据高于模型计算结果，而在高负荷条件下实测数据普遍低于模型计算结果，因为试验运行阶段，高负荷情况下气温比较高，而到低负荷情况下气温特别低，可见氨氮去除率受气温影响比COD要敏感。

图3 湿地系统氨氮去除的k-C*模型拟合曲线

图4 湿地系统实测出水氨氮浓度与模型计算出水氨氮浓度

2.3 总氮降解动力学模拟

2.3.1 模型参数估计

湿地系统总氮去除模型参数拟合结果见图5，R2分别为0.994 3和0.977 2。水平潜流和复合垂直流湿地总氮去除面积速率常数kA分别为0.020 51 m/d和0.038 88 m/d，C*估计值为15 mg/L。复合垂直湿地总氮去除面积速率常数同样高于水平潜流人工湿地。

2.3.2 数值模拟

根据模型分别计算出不同进水浓度条件下出水总氮浓度(图6)。可知，对于水力负荷为0.11 m/d条件下湿地系统模型计算数据普遍高于实测数据，可能原因是在该段运行期间，气温比较高，系统氮的去除速率高于模型计算出的反应速率。但水平潜流湿地的误差大于复合垂直流湿地，这可能是由于垂直流湿地由于保温效果比较好，温度变化不大的情况下对总氮去除影响不大。

图5 湿地系统总氮去除的k-C*模型拟合曲线

图6 湿地系统实测出水总氮(TN)浓度与模型计算出水总氮(TN)浓度

2.4 总磷(TP)降解动力学模拟

2.4.1 模型参数估计

采用总磷浓度在2 mg/L左右的数据进行拟合，结果见图7，R2分别为0.967 6和0.965 6。推出水平潜流和复合垂直流湿地总磷去除面积速率常数kA分别为0.121 4 m/d和0.197 3 m/d，湿地系统总磷背景值C*为0.06 mg/L。同样，复合垂直流湿地系统总磷去除面积速率常数高于水平潜流人工湿地。

图7 湿地系统总磷去除的k-C*模型拟合曲线

2.4.2 数值模拟

根据模型分别计算出不同水力负荷条件下出水总磷浓度(图8)。可知，在同样进水条件下，复合垂直流湿地出水TP浓度低于水平潜流湿地。在水力负荷为0.11 m/d条件下，模型计算数据普遍高于实测数值，而在水力负荷为0.04 m/d条件下，模型计算数据普遍低于实测数值。由于湿地系统运行是按水力负荷从高到低的顺序进行的，在0.11 m/d条件运行时，基质中磷污染物浓度比较低，基质吸附磷的过程比较快，反应速率高于平均反应速率，而到0.04 m/d条件时，由于基质中磷日渐增多，反应速率低于平均速率，故模拟数据低于实测数据。

图8 湿地系统实测出水氨氮浓度与模型计算出水氨氮浓度

3 结论

模型计算结果表明，水平潜流湿地COD、氨氮、总氮和总磷的面积速率常数分别为0.101 5 m/d、0.029 03 m/d、0.020 51 m/d和0.121 4 m/d；而复合垂直流湿地各污染物的面积速率常数分别为0.137 6 m/d、0.061 73 m/d、0.038 88 m/d和0.197 3 m/d。可见复合垂直流人工湿地污染物去除面积速率常数都高于水平潜流人工湿地，尤其是对于氨氮的去除速率常数，复合垂直流人工湿地是水平潜流湿地2倍还多；总氮速率常数也比水平流高近1倍。模型模拟和试验结果表明，复合垂直流湿地对污染物的去除效率比水平潜流湿地要高，尤其是对氮磷的去除效果远远好于水平流湿地。模型计算结果表明，湿地中污染物氮的去除效果受温度影响较COD明显，但复合垂直流湿地中污染物去除效果受温度影响较水平潜流湿地小。

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