人工湿地处理废水有机物动态模型的研究.doc

人工湿地处理废水有机物动态模型研究

　　 人工湿地已广泛应用于废水处理, 然而, 人工湿地设计和运行常常缺乏模型指导。本研究以风车草潜流式人工湿地处理养猪场废水为研究对象, 关键讨论在同一废水起源、 相同潜流式人工湿地和统一水力停留时间下(3 d), 进水有机负荷(以COD表示)和气温对COD降解常数左影响, 以及基于进水有机负荷和气温丸值与出水水质估计模型。
　　 1 模拟人工湿地组成
　　 人工湿地剖面如图1所表示, 长度为1 m, 宽0.5m, 高0.8m, 由砖和水泥砌成。湿地内填充粒径3—5cm碎石60cm厚作为处理床, 处理床上种植风车草, 试验在大棚内进行。风车草植株根系发达, 分蘖数14-16个／株, 高度135-145sm, 每组8株, 分两行栽种。湿地进水经过位于湿地前部进水槽从处理床前端底部分多孔均匀进水, 从另一端上部多孔均匀出水。
　　 2 COD降解数学模型
　　 依据反应器中反应物流动特征和净化机理, 通常把人工湿地看作推流反应器[1-3]。在理想推流反应器中, 反应物浓度随空间和时间而改变, 并遵照:
　　　　 Yt=Yoexp(-kt)
　　式中: t——反应器物料理论停留时间, d; 　　　
　　Yt——出口COD质量浓度, mg／L; 　　　
　　Yo——进口COD质量浓度, mg／L; 　　　
　　K——COD降解常数[4]。
　　 在上述方程中, 兑反应湿地废水COD降解速度, 它与废水性质、 进水特征、 废水处理系统整体特征以及系统运行环境条件等相关[5]。
　　 3 试验方法
　　 测试前先运行2个月, 以让处理床挂膜; 运行时每隔3 d进1次废水, 进水量90L／室, 进水浓度低于当季正式测试时最低进水浓度。
　　 为了研究季节性气温(水温)对湿地降解COD影响, 将试验按4个不一样季节进行测试, 试验连续进行1 a。其中, 秋季和春季运行采取同一个进水浓度范围, 废水在湿地停留时间(HRT)采取5个方法(5, 4, 3, 2, 1 d), 秋季春季试验平均进水COD质量浓度为736.29土29.63 mg／L, 5种停留时间运行下水力负荷分别为72, 90, 120, 180和360L／(m2·d), 有机负荷(以COD计)依次为: 53.01, 66.26, 88.35, 132.53和265.06 g／(m2·d)。冬季和夏季试验运行采取同一个停留时间(3d), 5个不一样进水浓度范围(见表1)。
　　表1　 夏季、 冬季风车草湿地降解COD5个k值
序号
Yo(mg·L-1)
Yt(mg·L-1)
K/d-1
夏季
冬季
夏季
冬季
夏季
冬季
1
86.26
196.32
35.07
44.93
0.2999
0.4915
2
255.13
345.68
55.24
81.21
0.5101
0.4829
3
651.38
582.44
108.58
147.72
0.5972
0.4573
4
983.38
677.15
112.90
200.92
0.7215
0.4050
5
1440.18
1002.82
163.67
230.39
0.7250
0.4903
　　注: ①停留时间为3d, k按Yt=Yo·e(-kθ)计算; ②水力负荷为120 L／(m2·d), 平都有机负荷从低到高依次为: 16.95, 36.04, 74.02, 99.63和146.58g／(m2·d)。
　　 试验期间各组天天连续进水, 进水是猪场废水经沉淀和厌氧处理后出水再按试验所需用清水调配而成。在同一季节内, 试验不一样停留时间或不一样进水水质运行和测试均反复3次。
　　 每一个季节测试结束, 将试验植物沿床面上30cm剪割掉, 各组继续在低浓度下继续运行。
　　 4 结果与讨论
　　 4.1 进水浓度对COD降解系数A影响
　　 冬、 夏季湿地去除COD服从指数方程规律。将风车草湿地夏季、 冬季停留时间等于3 d时Yo和Yt, 5组测定结果分别代人指数方程Yt=Yo·e(-kθ), 取得夏季、 冬季风车草湿地降解COD5个k值, 见表1。
　　 依据表1中Yo与k对应关系, 能够分别求出冬、 夏季COD降解系数k(d-1)与进水COD质量浓度(Yo, mg／L)回归方程, 分别为: 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 温度对COD降解系数k影响
　　 将4个进水COD质量浓度: 490.35,867.07, 983.38和1440.20mg／L, 依次代入冬季k与Yo关系式k=-0.000 02 Yo+0.479 1, 可估算出4个k, 依次是: 0.469 3, 0.461 8, 0.459 4和0.450 3 d-1。同理, 将上述4个进水COD值代入夏季k与Yo关系式k=0.000 3Yo+0.372 7, 求出4个对应k, 依次是: 0.519 8, 0.632 8, 0.721 5和0.725 0d-1。 　　
　　 假设在同一进水浓度下, k与温度成线性关系, 依据上述4种进水浓度下, 冬、 夏季各4个k值, 以及冬、 夏季气温(分别为17.9℃和27.2℃), 能够分别求出上述4种进水浓度下, k随温度θ(℃)改变直线方程, 见表2。
　　表2　 A随温度日改变估算方程
Yo/（mg·L-1）
θ1/℃
K1/d-1
θ2/℃
K2/d-1
估算方程
490.35
17.9
0.4693
27.2
0.5198
K=0.0054θ+0.3726
867.07
17.9
0.4618
27.2
0.6328
K=0.0184θ+0.1324
983.38
17.9
0.4594
27.2
0.7125
K=0.0282θ-0.0454
1440.20
17.9
0.4503
27.2
0.7250
K=0.0295θ-0.0778
　　 依据表24种不一样进水浓度下、 k随温度θ改变估算方程, 能够计算出秋季(温度21.4℃)、 上述4种进水浓度下COD降解常数&值分别为: 0.488 2, 0.526 2, 0.558 1和0.553 5 d-1。同理, 能够计算出春季(温度23.8℃)、 上述4种进水浓度下COD降解常数秃值分别为: 0.501 1, 0.570 3, 0.625 8和0.624 3 d-1。
　　 这么, 4种进水浓度、 4个季节(温度)下人工湿地COD降解常数无值汇总在表3。
　　表3　 不一样温度(9)风车草人工湿地COD降解常数
进水ρ(COD)／(mg.L-1)
不一样温度COD降解常数k/d-1
冬季(17.9℃)
秋季(21.4℃)
春季(23.8℃)
夏季(27.2℃)

0.4693
0.4882
0.5011
0.5198
867.07
0.4618
0.5262
0.5703
0.6328
983.38
0.4594
0.5581
0.6258
0.7215
1440.20
0.4503
0.5535
0.6243
0.7250
　　 4.3 COD降解常数k估算模型
　　 依据表3中进水浓度与k对应数据, 能够作出不一样温度下, k与进水浓度之间关系图, 如图2所表示。图2表明: 冬季低温环境下, 进水浓度提升, k则减小(θ1); 其它高温季节环境下, k随进水浓度提升而增大(θ2, θ3和θ4)。
　　 图2中, 不一样温度下, k随进水浓度改变回归方程分别为:
　　 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—θ44个方程可用k=a+byo来表示, 方程中a值与温度关系见图3, b值与温度关系见图4。
　　 图3、 图4可见, a值随温度上升而下降, 而b值随温度上升而增加, 其回归关系为:
　　a=0.5482-0.0039 θ, r=1.000 0　　(7) 　　
　　 b=0.0004+(2×10-5)θ, r=0.992 4　 (8)
　　 　　 将式(7)和式(8)代人k=a+byo中, 则k与进水浓度关系式变为:
　　 　　 k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10-5)θ-0.0004]yo。　　 (9) 　　
　　若式(7)用a= a1θ+a2来表示, 则al=-0.0039, a2=0.5482 　　
　　同理, 若式(8)用b= b1θ+b2来表示, 则b1=2 ×10-5, b2=-0.0004 　　
　　将k=a+byo代入yt=yoexp(-kt), 　　
　　则: yl=yoexp[-(a+byo)t], 再将a= a1θ+a2和b= b1θ+b2代入, 　　
　　 则: y1=yoexp{-[( a1θ+a2)+ (b1θ+b2)yo]t}　　 (10) 　　
　　式(10)中: yl为出水COD质量浓度mg／L; yo为进水COD质量浓度mg／L; θ为温度, ℃; t为水力停留时间, d;a1,a2, b1和b2均为系数, a1=-0.0039, a2=0.5482, bl=2×10-5, b2=-0.0004。
　　 这么, 经过式(10), 也能够估计出不一样温度、 进水COD浓度和停留时间下风车草人工湿地猪场废水处理出水COD值。
　　 5 实测与模拟结果比较
　　式(10)是依据人工湿地实际系统进水浓度和水力停留时间以及运行温度环境, 估计出人工湿地出水水质, 式中k是关键, 其估算模型精度见表4。
表4　 k式正确性检验
系统运行条件
k
K1
K1误差/%
进水ρ（COD）=490.35mg·L-1

17.9℃
0.4693
0.4578
-2.45
21.4℃
0.4882
0.4785
-1.99
23.8℃
0.5011
0.4927
-1.68
27.2℃
0.5198
0.5127
-1.37
进水ρ（COD）=867.07mg·L-1

17.9℃
0.4618
0.4419
-4.31
21.4℃
0.5262
0.4890
-7.07
23.8℃
0.5703
0.5213
-8.59
27.2℃
0.6328
0.5669
-10.41
进水ρ（COD）=983.38mg·L-1

17.9℃
0.4594
0.4317
-4.85
21.4℃
0.5581
0.4923
-11.79
23.8℃
0.6258
0.5301
-15.29
27.2℃
0.7215
0.5837
-19.09
进水ρ（COD）=1440.20mg·L-1

17.9℃
0.4503
0.4179
-7.19
21.4℃
0.5535
0.5051
-8.74
23.8℃
0.6243
0.5648
-9.53
27.2℃
0.7250
0.6495
-10.41
　　 表4中, k来自表3, k1依据式(9)计算而来, k1误差指与左比较结果。
　　 表4表明, 按式9估量k比实测偏小, 误差约在10％以内。这说明在温度和进水浓度已知条件下, 人工湿地k可用k=(-0.0039θ+0.5842)+[(2×10-5) θ-0.0004]yo来估量。针对不一样水力停留时间人工湿地出水水质可用yt=yoexp{-[(a1θ+a2)+(blθ+b2)yo]t}来估计。尽管本研究只采取COD建立风车草人工湿地去除有机物动力学模型, 但其方法一样适适用于其它植被人工湿地, 因为一样遵从推流反应器原理; 此方法也适适用于描述服从指数模型其它污染指标降解过程, 比如BOD, 只是模型参数需要重新调整。
　　 6 结论
　　人工湿地降解有机物服从指数方程规律, 模型能够用Yt=Yo·e(-kt)表示。本研究建立了风车草人工湿地COD降解动力学模型dy／dt=-kt(t为时间), 研究说明了温度和进水浓度对COD降解常数兑影响。在温度和进水浓度已知条件下, 风车草人工湿地COD降解兑可用 k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10-5) θ-0.0004]yo 来估量; 针对不一样水力停留时间(d)风车草人工湿地出水COD(yt)可用yt=yoexp{-[(a1θ+a2)+(blθ+b2)yo]t}来估计。该模型可用于具推流反应器原理人工湿地有机物去除过程, 模型参数需针对现场运行条件进行调整。