人工濕地處理廢水有機物動態模型的研究
摘要：以風車草人工濕地處理豬場廢水，研究人工濕地處理廢水有機物的動態模型。人工濕地一年四季連續運行，秋李和春季濕地以相同進水濃度和不同水力停留時間的方式運行；冬季和夏季以相同水力停留時間和不同進水濃度的方式運行。COD作為有機物降解的建模指標。結果表明，濕地進出水COD服從指數方程規律。提出了基于運行溫度和進水濃度的濕地出水COD預測模型，預測結果誤差在10％以內。
關鍵詞：人工濕地；風車草；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。本研究以風車草潛流式人工濕地處理養豬場廢水為研究對象，重點討論在同一廢水來源、相同的潛流式人工濕地和統一的水力停留時間下(3 d)，進水有機負荷(以COD表示)和氣溫對COD降解常數左的影響，以及基于進水有機負荷和氣溫丸值與出水水質預測模型。
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，處理床上種植風車草，試驗在大棚內進行。風車草植株根系發達，分蘗數14-16個／株，高度135-145sm，每組8株，分兩行栽種。濕地進水通過位于濕地前部的進水槽從處理床前端底部分多孔均勻進水，從另一端上部多孔均勻出水。
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2、COD降解的數學模型
根據反應器中反應物的流動特征和凈化機理，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間而變化，并遵循：
Yt=Yoexp(-kt)
式中：t——反應器物料的理論停留時間，d；
Yt——出口COD的質量濃度，mg／L；
Yo——進口COD的質量濃度，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、進水特征、廢水處理系統的整體特征以及系統運行的環境條件等有關[5]。
3實驗方法
測試前先運行2個月，以讓處理床掛膜；運行時每隔3 d進1次廢水，進水量90L／室，進水濃度低于當季正式測試時的最低進水濃度。
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個不同季節進行測試，試驗連續進行1 a。其中，秋季和春季運行采用同一個進水濃度范圍，廢水在濕地的停留時間(HRT)采用5個方式(5，4，3，2，1 d)，秋季春季試驗平均進水COD的質量濃度為736.29土29.63 mg／L，5種停留時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停留時間(3d)，5個不同的進水濃度范圍(見表1)。
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試驗期間各組每天連續進水，進水是豬場廢水經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，試驗不同停留時間或不同進水水質的運行和測試均重復3次。
每一個季節測試結束，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。將風車草濕地夏季、冬季停留時間等于3 d時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、冬季風車草濕地降解COD的5個k值，見表1。
根據表1中Yo與k的對應關系，可以分別求出冬、夏季COD的降解系數k(d-1)與進水COD的質量濃度(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個進水COD的質量濃度：490.35,867.07，983.38和1440.20mg／L，依次代入冬季k與Yo的關系式k=-0.000 02 Yo+0.479 1，可估算出4個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個進水COD值代入夏季k與Yo的關系式k=0.000 3Yo+0.372 7，求出4個相應的k，依次是：0.519 8，0.632 8，0.721 5和0.725 0d-1。
假設在同一進水濃度下，k與溫度成線性關系，根據上述4種進水濃度下，冬、夏季各4個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種進水濃度下，k隨溫度θ(℃)變化的直線方程，見表2。
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根據表2的4種不同進水濃度下、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種進水濃度、4個季節(溫度)下人工濕地的COD降解常數無值匯總在表3。
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4.3 COD降解常數k的估算模型
根據表3中進水濃度與k的對應數據，可以作出不同溫度下，k與進水濃度之間的關系圖，如圖2所示。圖2表明：冬季低溫環境下，進水濃度提高，k則減小(θ1)；其它高溫季節環境下，k隨進水濃度提高而增大(θ2，θ3和θ4)。
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圖2中，不同溫度下，k隨進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個方程可用k=a+byo來表示，方程中a值與溫度關系見圖3，b值與溫度關系見圖4。
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圖3、圖4可見，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與進水濃度的關系式變為：
k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10-5)θ-0.0004]yo。 (9)
若式(7)用a= a1θ+a2來表示，則al=-0.0039，a2=0.5482
同理，若式(8)用b= b1θ+b2來表示，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的質量濃度mg／L；yo為進水COD的質量濃度mg／L；θ為溫度，℃；t為水力停留時間，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，通過式(10)，也可以預測出不同溫度、進水COD濃度和停留時間下的風車草人工濕地豬場廢水處理的出水COD值。
5 實測與模擬結果的比較
式(10)是根據人工濕地實際系統的進水濃度和水力停留時間以及運行溫度環境，預測出人工濕地的出水水質，式中k是關鍵，其估算模型的精度見表4。
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表4中，k來自表3，k1根據式(9)計算而來，k1誤差指與左比較的結果。
表4表明，按式9估計的k比實測偏小，誤差約在10％以內。這說明在溫度和進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來估計。針對不同水力停留時間的人工濕地出水水質可用yt=yoexp{-[(a1θ+a2)+(blθ+b2)yo]t}來預測。盡管本研究只采用COD建立風車草人工濕地去除有機物的動力學模型，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。本研究建立了風車草人工濕地COD降解動力學模型dy／dt=-kt(t為時間)，研究闡明了溫度和進水濃度對COD降解常數兌的影響。在溫度和進水濃度已知的條件下，風車草人工濕地COD降解的兌可用k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10-5) θ-0.0004]yo妁來估計；針對不同水力停留時間(d)的風車草人工濕地出水COD(yt)可用yt=yoexp{-[(a1θ+a2)+(blθ+b2)yo]t}來預測。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程，模型參數需針對現場運行條件進行調整。
參考文獻：
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[3]諸惠昌，胡紀萃，新型廢水處理工藝一人工濕地的設計方法[J].環境科學，1993，14(2)：39—43.
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[5]胡康萍.人工濕地設計中的水力學問題研究[J].環境科學研究，1991，4(5)；11—16.
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