人工湿地优化设计研究
人工湿地修复技术研究
人工湿地修复技术研究近年来，人工湿地修复技术受到了越来越多的关注。
人们对水体污染问题的认识不断加深，同时对水资源的保护和利用也变得越来越迫切。
人工湿地修复技术是一种生态修复手段，通过模拟自然湿地，使受污染的水体得以净化。
本文将探讨人工湿地修复技术的原理、分类和应用前景。
一、人工湿地修复技术原理人工湿地修复技术的基本原理是将含有污染物的水通过一定的流动方式引入湿地，并利用湿地生态系统中的微生物、植物和地形地貌特征等因素进行污染物的降解和转化，最终达到净化水体的目的。
人工湿地可以根据不同的污染物种类和浓度进行不同的构建和设计。
二、人工湿地分类人工湿地根据不同的设计目的和构建方式，可分为表层流人工湿地、底部流人工湿地和湿地-池塘系统。
1. 表层流人工湿地表层流人工湿地主要包括水平和垂直流人工湿地。
水平流人工湿地是指水体自然地流经植物根系和沉淀池的过程。
垂直流人工湿地是指水体通过人工构建的土层和植物根系下渗，达到净化水体的目的。
2. 底部流人工湿地底部流人工湿地主要指将水体引入人工湿地底部，通过人工构建的滤层、填料等物质，使水体通过多次循环使污染物得到充分降解和去除。
3. 湿地-池塘系统湿地-池塘系统是将浅水湿地和水池结合起来设计的人工湿地系统，通过将含有污染物的水逐级引入深水池和沉淀池中，从而达到净化水体的目的。
三、人工湿地应用前景人工湿地修复技术在我国的应用已经取得了显著的效果，逐渐成为了城市排水、饮用水净化等领域的理想选择。
人工湿地技术相对于传统的水处理工艺更具有环保、经济、易维护等优点，在未来的应用前景中具备广阔的发展空间。
总之，人工湿地修复技术以其独特的生态环境和环保优势成为了现代城市水体污染治理的一大新型措施。
未来我们可以期待，人工湿地技术将在我国的城市环境净化方面发挥越来越重要的作用。
人工湿地设计综述(仅供学习参考)
人工湿地设计调研综述摘要：人工湿地技术是一项建造和运行费用低、水质净化效果较好的污水资源化生态工程技术，其水力学因素对于系统处理效果的影响较大，而国内对于人工湿地系统内部机理，以及池型设计对湿地处理效果的研究较少。
目前湿地的构建设计往往主要借助传统经验公式和实际工程经验，影响了人工湿地净化功能的有效发挥。
为此本文通过对国内外一些人工湿地的调查对比分析，总结了湿地池型对实际运行效果的影响因素，以及池型优化改进建议。
我国是世界上最贫水的13个国家之一，同时随着我国经济高速增长，城市化水平不断提高，水污染问题日趋严重。
天津市是我国北方水资源极度匾乏的城市，水危机已成为制约天津市社会经济发展的重要因素。
人工湿地作为一种新型水处理技术，可作为深度处理工艺，为水资源的回收改造作出了巨大贡献。
人工湿地的占地面积一直是其经济成本的主要因素，尤其在大中城市土地资源日益紧张，所以对人工湿地池型优化设计是我们研究的重要问题。
本文针对天津滨海新区生态特征水体污染状态，在海河流域典型城市水环境整治技术研究成果和示范工程实现的效益效果上，总结分解国内外人工湿地较好处理效果的各种池型的优点，提出适合天津滨海新区生态及水质处理方法和池型优化设计建议。
综合工程实例实际效果着重从湿地植物对池型的影响、湿地布水方式对池型的影响、湿地填料对池型的影响、湿地冬季越冬对池型的影响、进出水流量水质和停留时间对池型的影响以及人工湿地的堵塞问题等方面分析了池型优化的设计方法。
关键字：经济成本对比分析池型优化实际效果人工湿地的定义及国内外发展情况：人工湿地是由基质、水体、植物、动物和微生物组成的生态系统。
生活在土壤中的微生物（细菌和真菌）在有机物的去除中起主要作用，湿地植物的根系将氧气带入周围的土壤，但远离根部的环境处于厌氧，形成处理环境的变化带，这就加强了人工湿地去除复杂污染物的难处理污染物的能力。
大部分有机物的去除是靠土壤中的微生物，但某些污染物如重金属、硫、磷等依赖于土壤和植物的作用。
人工湿地研究现状与展望
人工湿地探究现状与展望一、引言人工湿地作为一种生态工程手段，在近几十年得到了广泛的探究和应用。
它不仅可以提供良好的水资源管理、水质净化和生态修复等功能，还能够保卫和增加湿地生物多样性。
本文将对人工湿地的探究现状进行概述，并对将来人工湿地探究的进步进行展望。
二、人工湿地探究现状人工湿地探究主要集中在以下几个方面。
1. 水质净化人工湿地可以通过湿地植物的吸附作用、微生物的降解作用以及湿地土壤的过滤作用，有效去除水中的悬浮固体、溶解性有机物、重金属离子等污染物质。
探究者通过人工湿地的建设和调控，探究了不同植被类型和环境因素对水质净化效果的影响，为水污染治理提供了可行的技术途径。
2. 生态修复人工湿地可以重建受损湿地的生态系统，恢复水域的生态功能。
探究者通过人工湿地的建设和管理，重新建立起营养物质循环系统，并引入湿地特有的植物和动物种群，增进湿地的自然恢复。
在生态修复方面的探究中，人工湿地被广泛应用于湖泊、河流和城市水体等不同类型的水环境中。
3. 湿地生态系统服务功能评估人工湿地作为湿地生态系统的重要组成部分，具有多种生态系统服务功能，如水资源调整、水质改善、生物多样性保卫等。
通过对人工湿地的生态系统服务功能进行评估，可以为湿地保卫和管理提供科学依据。
现有的探究主要集中在湿地功能评估方法和指标体系的建立，以及湿地在生态系统服务中的贡献量化等方面。
三、人工湿地探究展望1. 湿地生态系统微观过程探究目前的人工湿地探究主要关注湿地的整体生态效益以及宏观过程，对于湿地微观过程的熟识还较为有限。
将来的探究可以从湿地内部微环境的观测与分析入手，深度探究湿地中植物、微生物和土壤等微观因素对湿地功能的维持和提升作用。
2. 水污染物去除技术探究虽然人工湿地可以去除水中的污染物质，但对于某些难降解的有机物和重金属离子等污染物，其去除效果还有待进一步提高。
将来的探究可以探究新型湿地材料和微生物技术，提升人工湿地对水污染物的去除效率。
人工湿地研究现状与展望
人工湿地研究现状与展望人工湿地是指通过人工手段建造的湿地，以模拟自然湿地的功能和作用。
它是解决水污染和水资源管理问题的有效途径之一、本文将探讨人工湿地的研究现状和展望。
目前，人工湿地研究主要集中在以下几个方面。
首先，人工湿地的处理效果和机理研究。
通过监测和分析人工湿地中的水体和植被变化，研究人工湿地对水质的改善作用和物质循环机制，为人工湿地的优化设计提供科学依据。
其次，人工湿地的生态环境效应研究。
人工湿地不仅可以净化水体，还能提供栖息地和饲料基地，研究人工湿地的生态功能对于恢复和保护湿地生态系统具有重要意义。
再次，人工湿地的运维管理研究。
人工湿地具有自我调节和恢复能力，但也需要适时的管理和维护。
研究人工湿地的运维策略和管理模式，提高其处理效果和可持续性。
未来，人工湿地研究面临一些挑战和机遇。
首先，完善人工湿地设计原理和方法。
由于自然和人为因素复杂多样，人工湿地的设计需要充分考虑各种因素的影响，并制定相应的设计原则和方法。
其次，优化人工湿地运行管理策略。
人工湿地需要有系统的运维管理，包括植被管理、水体管理和固碳管理等。
通过优化运行管理策略，提高人工湿地的处理效果和可持续性。
再次，探索新型人工湿地技术。
随着科技的发展，新型人工湿地技术如人工湿地微生物电解技术、人工湿地植物逆境耐受性改良等应用于人工湿地研究和实际工程中，并取得一定的成效。
进一步探索和应用新型人工湿地技术，将有助于提高人工湿地的处理效果和适应性。
综上所述，人工湿地研究已取得一定的进展，但仍存在一些问题和挑战。
未来应加强人工湿地设计原理和方法的研究，优化运行管理策略，探索新型人工湿地技术，以提高人工湿地的处理效果和可持续性。
只有不断创新和完善，才能更好地应对水污染和水资源管理的挑战。
人工湿地设计研究进展
设计要素
1、底部结构
底部结构是人工湿地的基础，其功能包括承载介质、保护底部防渗等作用。底 部结构的设计应考虑使用年限、承载能力、防渗漏等因素，同时要保证施工方 便、经济实用。
2、植物种类
植物是人工湿地的重要组成部分，对于维持湿地生态功能具有关键作用。植物 种类的选择应考虑地域特点、气候条件、水质等因素，同时要保证植物的成活 率、生长速度和生态功能。
人工湿地设计原则
地形设计：人工湿地地形设计应根据实际情况进行，一般包括进水渠道、植物 池、沉淀池等部分。设计过程中应考虑到地形变化、水流量等因素，以实现湿 地的最佳净化效果。
植物选择：植物在人工湿地中起着举足轻重的作用，不仅可以提供食物和栖息 地给湿地生物，还能通过吸收、过滤、分解等过程净化水质。因此，在植物选 择上应优先考虑具有较强去污能力、适应力强的水生植物。
3、人工湿地基质选择及改良：探索不同类型和粒径的介质对人工湿地净化效 果的影响，并进行基质改良，以进一步提高其净化能力。
4、人工湿地运行管理及监控：研究更加科学合理的运行管理模式，对人工湿 地水质进行实时监控，确保其稳定运行并充分发挥净化作用。
5、人工湿地生态功能拓展：如何通过人工湿地设计进一步拓展其生态功能， 如增加碳汇、提高生物多样性等方面，使其在保护生态环境方面发挥更大作用。
未来展望
尽管人工湿地设计已经在实践和应用中展现出巨大的潜力，但未来的研究方向 还有很多。以下是需要进一步探讨的问题和研究方向：
1、人工湿地设计的优化：针对不地域、不同污染物的实际情况，如何对人 工湿地设计进行优化，以提高其净化效果和稳定性。
2、人工湿地植物筛选及配置：针对不同污染物的特点，筛选出具有更强去污 能力的植物种类，并进行合理配置，以提高人工湿地的净化效率。
人工湿地研究现状与展望
人工湿地研究现状与展望人工湿地是一种重要的生态工程，通过模拟湿地的自然过程，以人工手段修复、建设湿地生态系统。
近年来，人工湿地的研究与应用得到了广泛关注，取得了显著的成果。
本文将从人工湿地的定义与分类、构建方法以及生态功能三个方面来介绍人工湿地的研究现状，并对未来的发展进行展望。
人工湿地是指通过人为的工程手段，模拟湿地的生物和生态过程，修复、建设湿地生态系统。
根据湿地的特点和功能，人工湿地可以分为湿地增强型、湿地修复型和湿地建设型。
湿地增强型以增强原有湿地功能为目的，一般在现有湿地的基础上进行改造和扩建；湿地修复型则是在原本不存在湿地的地区进行湿地的恢复和建设；湿地建设型则是在原有湿地的基础上进行扩展和加强功能。
不同类型的人工湿地在构建方法、设计理念和生态功能方面存在差异。
人工湿地的构建方法主要包括填埋法、亲和培养法、土壤改良法和植被繁育法等。
填埋法通过倾倒土石料或垃圾进行填充，增加湿地的高度和面积；亲和培养法是指通过种植湿地植物来净化水质、增强湿地的生态功能；土壤改良法则是改良湿地土壤的物理性质和化学性质，提高土壤水分保持能力和供氧能力；植被繁育法则是通过人为的移植和培育湿地植被，促进湿地生态系统的建设。
这些方法可以根据不同的湿地特点和修复目标进行选择和组合，以达到最佳的修复效果。
人工湿地的生态功能涵盖了水处理、生态修复、保持生物多样性等多个方面。
在水处理方面，人工湿地可以通过湿地植物和微生物的作用，去除水中的污染物，净化水质。
研究表明，人工湿地对水中的悬浮颗粒物、有机物、重金属等有较好的去除效果。
在生态修复方面，人工湿地可以恢复湿地的生态系统结构和功能，提供良好的栖息地和食物源，促进湿地生物的繁衍和生长。
同时，人工湿地的建设还可以增加湿地的面积，改善水文环境，提供洪水调蓄和减缓径流的功能。
此外，人工湿地还具有美化环境、促进生态旅游和社会教育的作用。
展望未来，人工湿地在科学研究与实践应用上还存在一些挑战与机遇。
人工湿地研究现状与展望
人工湿地研究现状与展望人工湿地研究现状与展望人工湿地是指人类通过人工手段修建、管理和维护的具有湿地特征的生态系统。
自20世纪80年代以来，人工湿地作为一种生态修复和水资源管理的手段，引起了广泛的关注和研究。
本文将围绕人工湿地的研究现状和未来展望展开讨论。
一、人工湿地的研究现状1.生态修复功能：人工湿地具有较强的生态修复能力，可以有效降解污水中的污染物，并提供适宜的生境条件，促进植物和动物的生长。
研究者通过对各种湿地植物的筛选和培植技术的改进，提高了人工湿地的生态修复效果。
2.水资源管理功能：人工湿地可以储蓄和净化水资源，提高水的质量。
研究者通过优化湿地的设计和运营管理，提高人工湿地对水资源的利用效率。
3.碳循环功能：人工湿地是碳循环的重要组成部分，可以通过湿地植被的光合作用和有机质的分解，促进碳的固定和循环。
研究者通过探索湿地植被的种植和管理措施，提高人工湿地的碳固定能力。
二、人工湿地研究的局限性1. 样本选择和数据采集：人工湿地的研究往往需要大量的样本和数据支持，但实际上获取样本和数据是一项难度较大的工作。
研究者需要在现有资源的基础上寻找合适的研究对象，并通过科学的方法进行数据采集和分析。
2. 社会经济因素的考量：人工湿地的建设和管理涉及多方面的社会经济因素，如投资成本、土地利用、政策支持等。
研究者需要考虑到这些因素，并寻找可行的解决方案，以实现人工湿地的可持续发展。
三、人工湿地研究的未来展望1. 技术创新与应用：随着科技的不断发展，新的材料和技术将为人工湿地的建设和管理提供新的支持和手段。
例如，利用生态工程技术和智能控制系统改进人工湿地的运行效率和治理效果等。
2. 多学科交叉研究：人工湿地的研究涉及生态学、地理学、环境科学、工程学等多个学科的知识和方法。
未来的研究需要加强学科之间的交流与合作，形成跨学科的科研团队，提升人工湿地研究的综合能力。
3. 社会参与与政策支持：人工湿地的建设和管理需要社会各界的共同参与和政府的政策支持。
我国人工湿地的研究与应用进展及未来发展建议
我国人工湿地的研究与应用进展及未来发展建议我国人工湿地的研究与应用进展及未来发展建议人工湿地是指采用人工手段构筑的模拟自然湿地环境，通过模拟湿地生态系统，有效地生物修复，水资源调蓄和净化，研究和保护湿地生态环境等一系列水利工程技术。
近年来，我国人工湿地研究与应用取得了显著进展，同时也面临一些挑战。
本文将从研究进展、应用场景和未来发展建议等方面进行探讨。
一、研究进展在人工湿地的研究方面，以往主要集中在湿地植被、水质净化和生态系统功能等方面。
不仅在湿地植被研究中不断发现新的湿地植物种类，还对湿地植物的养护、繁殖和栽培等技术进行了深入研究，以提高湿地植物的生存率和繁殖效果。
同时，人工湿地在水质净化方面有着广泛的应用。
通过湿地植物的吸附作用，可以有效地去除水中的悬浮物、有机物和重金属等，从而达到水资源调蓄和净化的目的。
此外，人工湿地还能够提供生态系统服务功能，如保持水质稳定、调节水量等，对生态环境的维护有着重要作用。
二、应用场景人工湿地的应用场景多种多样，主要包括城市内的污水处理、污染水体修复和自然湿地的保护等方面。
在城市内，由于人口增加和工业发展的需求，城市污水处理越来越成为一个亟待解决的问题。
人工湿地凭借其技术成熟、经济可行和环境友好的特点，成为城市污水处理的重要手段。
通过构筑人工湿地，将城市污水引入湿地，经过湿地植物的吸附、降解作用，使水中的有机物和污染物得到有效去除，清洁的水资源再次返回水体中，实现了城市污水的处理和回收利用。
此外，对于一些污染的水体，如重金属污染、有机污染等，人工湿地也能够发挥重要的修复作用。
通过湿地植物的吸附和微生物的降解作用，将污染物转化为无害物质，从而实现水体的修复和健康。
三、未来发展建议尽管我国人工湿地在研究与应用方面取得了显著进展，但仍存在一些问题和挑战。
首先，人工湿地建设成本较高，需要大量的土地和资金支持。
因此，需要加大财政投入和政策支持，推动人工湿地建设。
其次，目前人工湿地的设计和运行还存在一定问题。
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【水资源】人工湿地优化设计研究夏宏生1,蔡 明2,向 欣1(1.广东水利电力职业技术学院,广东广州510635;2.黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003)摘 要:从水力学角度系统地分析了人工湿地的表面积、潜流湿地的横截面面积、长宽比、深度和水力停留时间等设计参数,从水力学、微生物学和生态学角度推导了人工湿地一级反应动力学模型、水流流动数学模型和生态动力学模型。
关 键 词:人工湿地;一级反应动力学模型;水流流动数学模型;生态动力学模型中图分类号:S156.8 文献标识码:A 文章编号:100021379(2008)0720054203 人工湿地是一项极具应用前景的水处理技术,但其推广使用中存在着一些问题,一是人工湿地净化机理仍未完全理清,特别是微生态环境下的净化机理,二是在人工湿地的工艺设计和运行中还没有形成完整的数学模型等。
因此,对人工湿地的优化设计开展相关的研究十分必要。
研究的关键在于正确掌握相关的水力学、生物学和化学过程,推导和分析人工湿地一级反应动力学模型、水流流动数学模型和生态动力学模型,而不是将人工湿地仅作为黑箱模型来对待。
1 人工湿地水力学问题研究在实用型人工湿地污水处理系统的设计中,水力学条件是建立和维持湿地类型与湿地过程的最重要的决定因子,其直接关系到污水在系统中的流速、流态、停留时间以及与作物生长关系密切的水面线控制等。
一个水力条件适宜的设计,将会节约土地,减少投资,缩短施工时间,使工程效益最佳。
为了使有限的面积达到最大的处理效果,取得最高的去除率,需要对人工湿地水力学问题进行更进一步的研究。
1.1 湿地面积与传统的水处理工艺相比,人工湿地水处理系统占地面积往往比较大,从建造的经济性和维护管理等方面来说,都是重要的考虑因素。
(1)潜流人工湿地面积。
目前,潜流人工湿地面积大多采用Kikuth推荐的设计公式,根据BOD5降解量来进行计算和预测建造面积[1]:A s=5.2Q(ln C0-ln C1)(1)式中:As 为湿地表面积,m2;Q为污水的设计流量,m3/d;C为进水BOD5浓度,mg/L;C1为出水BOD5浓度,mg/L。
(2)表流人工湿地面积。
方程为[2]ln[(C e-C3)/(C i-C3)]=-k/q(2)式中:Ce 为出水污染物浓度,mg/L;Ci为某污染物进水浓度,mg/L;C3为背景污染物浓度,mg/L;k为反应常数,m/a;q为水力负荷,m/a。
对某一特定污染物,其所需湿地面积可由下式确定: A′=(0.0365Q/k)ln[(C i-C3)/(C e-C3)](3)式中:A′为所需湿地面积,hm2;Q为处理水量,m3/d。
根据各污染物确定多组人工湿地面积,取其最大者为人工湿地建设面积。
(3)植物供氧能力。
通常人工湿地表面植物的输氧能力T r 为5～45g/(m2・d),一般取20g/(m2・d)。
废水需氧量可按下式估算[3]:R o=1.5L0(4)式中:Ro为废水需氧量,kg/d;L为每日需要去除的BOD5量, kg/d。
植物供氧能力R′o为R′o=T r A s/1000(5) 由式(5)即可计算出人工湿地表面积。
为安全起见,求出的面积应乘以一个安全系数(一般采用2.0)。
(4)潜流人工湿地横截面面积。
对于由土壤、砾石等基质组成的潜流人工湿地处理床,在废水充满缝隙处于饱和状态,当水流流速低、水力特性为层流状态时,其横截面面积可以由达西定律表达[3]:Q′=K s AS(6)式中:Q′为渗流量,m3/d;Ks为渗透系数,m3/(m2・d);A为处理床横截面面积,m2;S为水力坡度。
建设人工湿地追求一定的处理水量,因而设计时往往采用粒径较大的砾石作为湿地基质,以追求较大水力负荷。
粒径大对水流的扰动也大,人工湿地中雷诺数也较大。
当雷诺数>1时,可以采用Ergun公式表示水头损失与水流流速的关系,进而求出人工湿地横截面面积[4-5]: ρgS=150μV(1-ε)2/Dpε2+1.75μV2(1-ε)/Dpε(7)A=Q/(V3ε)(8) 收稿日期:2007212226 作者简介:夏宏生(1970—),男,湖北红安人,讲师,主要从事给排水及水污染控制的科研与教学工作。
E2mail:gzxiahs@第30卷第7期 人 民 黄 河 Vol.30,No.7 2008年7月 YE LLOW R I V ER Jul.,2008 式中:ρ为水的密度;g为重力加速度;S取0～2%;μ为黏滞系数;V为孔隙流速;Dp为滤料平均粒径;ε为湿地孔隙率。
1.2 湿地深度人工湿地深度是人工湿地污水处理系统设计、运行和维护的重要参数,水深调节是湿地运行维护、调节湿地处理性能的可用手段之一。
为了在最小单位面积湿地内最有效地处理污水,在要求的水力停留时间条件下,湿地处理深度在理论上应该是越深越好。
然而,在潜流湿地的植物根区传导性较高的介质中,存在着优势水流,为了减少这样的水流流动则要求湿地深度不能太大[6],一般需要根据湿地所栽种植物的种类及根系的生长深度确定,以保证湿地单元中必要的好氧条件。
不同学者建议的深度为40～60c m,太深了会导致根系无法输氧到底部,同时也容易造成死水区。
对于芦苇湿地,美国采用床深为60～76c m,德国采用床深为60c m。
在欧洲,用于处理高浓度工业废水时,深度一般为30～40c m[3]。
为了保证床深的有效使用,在运行初期应将运行水位降低,以促使植物根系向深度方向发展。
1.3 湿地长宽及其比例由式(6)确定湿地横截面面积和湿地深度,即可得到湿地的宽度W:W=A/h(9)式中:h为湿地深度,m。
湿地长度L为L=A s/W(10) 经验表明[7],人工湿地污水处理单元长度通常定为20～50 m,过长易造成湿地床中的死水区,且使水位难以调节,不利于植物的栽培。
潜流湿地处理单元绝大部分的BOD和悬浮物的去除发生在进水区几米的区域,因此也有一些学者建议,潜流湿地处理单元长度应控制在12～30m,以防止短路情况的发生。
Kollaard和Tousignant建议[8],潜流湿地处理单元长度最小取15m。
人工湿地污水处理单元长宽比从1∶1到90∶1不等。
早期的湿地研究者如Geartheart等认为,较大的长宽比有利于减少水流短路,使得湿地水流更趋近于推流。
不过,实践经验表明,一些表面流湿地的推流状况与长宽比无关。
对于长宽比较大的湿地系统,必须考虑水头损失及水力坡度等的影响,以防止进水区域的水流溢出。
王薇等建议[7],湿地长宽比应控制在3∶1以下,常采用1∶1;对于以土壤为主的系统,长宽比应小于1∶1。
对于长宽比小于1∶1的潜流湿地,必须慎重考虑在湿地整个宽度上均匀布水和集水的问题。
1.4 水力停留时间水力停留时间是人工湿地污水处理系统重要的设计参数之一,可定义为湿地容积与平均水量的比值,即t=V′ε/Q(11)式中:t为水力停留时间,d;V′为湿地容积,m3。
从设计的角度出发,理论水力停留时间可以利用平均流量、系统几何形状、操作水位、初始孔隙率等来估算。
潜流湿地的孔隙变化大,其孔隙损失随时间变化而变化,处理系统的水力停留时间很难准确确定。
实践表明[9],实际水力停留时间通常为理论值的40%～80%。
2 人工湿地污水处理系统模型研究人工湿地处理系统净化机理涉及到物理、化学及生化反应等复杂过程,在人工湿地功能设计中,往往采用经验或半经验的方法。
这些设计方法带有一定的盲目性,难以经济合理地设计湿地处理系统。
近年来,以微生物降解污染物为基础,研究人工湿地水处理系统的数学模型越来越受到各国学者的重视,它有助于进一步理解人工湿地处理系统净化机理,便于指导人工湿地的设计和运行管理。
2.1 反应动力学模型(1)Eckenfelder模型。
该模型是Eckenfelder对间歇试验反应器微生物的生长情况进行观察后于1955年提出的微生物降解模型[10],主要考虑了处理负荷与处理结果之间的关系,模型推导以污染物降解服从一级反应为基础。
人工湿地系统遵循一级动力学反应关系:C=C o exp(-kX t)(12)式中:Co为进水污染物浓度;C为出水污染物浓度;k为微生物减速增长速度常数;X为t时微生物浓度。
在人工湿地处理系统中,考虑到污染物中存在有不可生物降解部分,以及大气沉降或地下水的贡献等产生的背景浓度,需在模型中加入不可生物降解物质浓度项,引入背景浓度。
低于背景浓度的污染物不能被降解,在一级反应动力学方程中加入背景浓度项C3,从而得到:C-C3=(C o-C3)exp(-kX t)(13) (2)Monod动力学模型。
从人工湿地处理系统的净化机制可以看出,系统对各种污染组分净化功能的发挥,主要是靠微生物生长、繁殖、代谢等过程中产生的各种作用来完成。
根据生化反应动力学,微生物细胞的增长符合莫诺特关系式[10]:μ′=μ′maxS′/(K′s+S′)(14)式中:μ′为微生物比增长速度,即单位微生物量的增长速度d X/d t/X,X为微生物浓度;μ′max为饱和浓度中微生物最大比增长速度;K′s为饱和常数,其值为μ′=0.5μ′max时污染物浓度;S′为污染物浓度。
由微生物生长和污染物降解关系可得:d X/d t/X=-y0d S′/d t/X(15)V1=-d S′/d t/X(16)式中:y为微生物表观产率,即微生物质量与污染物质量之比, y0=d X/d S′;V1为污染物去除速率。
代入式(13)得V1=V1max S′/(K′s+S′)(17)考虑不可生物降解污染物浓度Sn,得V1=V1max(S′-S′n)/(K′s+S′-S′n)(18) 在人工湿地处理系统中,污染物的去除是首要任务,而微生物的增长只是污染物去除的结果,所以式(17)和式(18)更有意义。
Monod动力学模型以微生物生理学为基础推导而得,所以它能更深入地说明微生物增长与污染物降解之间的关系。
・55・ 第7期 夏宏生等:人工湿地优化设计研究Monod方程是根据纯菌种对单纯化合物做间歇培养试验结果得出的,因此该模型较适用于含单一基质的废水处理系统。
2.2 水流流动模型Eckenfelder模型和Monod动力学模型中的人工湿地均假设是理想反应池,水流在理想的人工湿地系统内部按推流方式运行,这样也更容易达到最佳的运行处理效果。
但实际上,人工湿地系统内部水流情况非常复杂,不仅仅是一种多孔介质的非均匀流,而且在一些局部区域特别是在错综的根系及基质周围极易出现紊流、回流等情况。
若将水流在人工湿地的流动看做渗流,则在渗流理论中,水流流动遵循达西定律。
但人工湿地介质(基质)粒径较大,且要求基质比表面积较大,这样基质对污染物才具有更大的吸附能。
因此,湿地基质对水流扰动较大,此时可以借鉴Ergun公式来表达水力损失和流速的关系:ΔP/L=αV+βV2(19)α=150μ(1-ε)2/(D2pφ2ε3)(20)β=1.75μ(1-ε)/(Dpφε3)(21)V=Q/(Aε)(22)式中:ΔP为水力损失;L为湿地床的深度或长度;φ为球度系数。