人工濕地設(shè)計(jì)計(jì)算模型

1、人工濕地設(shè)計(jì)計(jì)算模式研究09級環(huán)境工程 人工濕地制作人:邱恩淋運(yùn)行維護(hù)簡便t處理效果好投資少耗能低.利用基質(zhì)、植物和微生物三者之間的物理、化學(xué)和生物三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、離子交換、植物吸收和微生物降解等作用實(shí)現(xiàn)對污水的凈化人工濕地 技術(shù)適合于我國國情，尤其 適合于廣大農(nóng)村，中小城鎮(zhèn)的 污水處理之中，在我國具有極 其廣闊的應(yīng)用前景。 人工濕地濕地模型研究發(fā)展 濕地模型的目的是幫助人們設(shè)計(jì)濕地以及評估濕地的處理效果But。 人工濕地應(yīng)用的設(shè)計(jì)和運(yùn)行大都是建立在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上的,這些污水處理技術(shù)并不為人們所完全掌握,專家學(xué)者和工程人員對人工濕地各種去污機(jī)理和途徑尚無系統(tǒng)定量化的結(jié)論

2、,對人工濕地設(shè)計(jì)時的預(yù)期水質(zhì)目標(biāo)和長期的運(yùn)行效果缺乏準(zhǔn)確可靠的預(yù)測手段,從而嚴(yán)重地影響了這一污水處理技術(shù)的推廣與應(yīng)用。 人工濕地處理污水的內(nèi)在機(jī)制缺乏定量化的認(rèn)識，而且人工濕地系統(tǒng)的影響因素有很多，如HRT，基質(zhì)，植物，微生物，溫度等。計(jì)算模式要綜合考慮到各個因素是很難的，所以人們對人工濕地的設(shè)計(jì)計(jì)算模式眾說不一，包括水力負(fù)荷、衰減模式、一級K-C*模型、Monod動力模型、Ergun公式、機(jī)理模型和生態(tài)動力學(xué)模型等。介紹三種典型的人工濕地去污模型一級動力學(xué)模型Monod動力學(xué)模型生態(tài)動力學(xué)模型三種典型模型的差異 動力學(xué)模型中,一級動力學(xué)模型、零級動力學(xué)模型中較少明確提及污染物降解過程中的微生

3、物作用,但Monod模型已開始關(guān)注微生物的降解作用,而生態(tài)動力學(xué)模型則在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了其他降解過程,使得人們能夠更加深入了解人工濕地運(yùn)行過程和內(nèi)在機(jī)制。濕地模型代表應(yīng)用一級動力學(xué)模型K-C*模型自由表面流人工濕地Monod動力學(xué)模型Monod動力學(xué)模型潛流式人工濕地生態(tài)動力學(xué)模型N轉(zhuǎn)化模型水平潛流人工濕地今后研究方向 一級動力學(xué)和Monod動力學(xué)的設(shè)計(jì)方程都是由污染物穩(wěn)態(tài)時的質(zhì)量平衡得到的,都是濕地床的靜態(tài)宏觀模型,兩者都沒有考慮到傳質(zhì)效率,即都假定物質(zhì)從液相遷移到生物膜的過程沒有阻力。在今后新的模型研究中應(yīng)考慮到濕地植被的空間分布,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的停留時間分布來模擬污染物在濕地中的去除,而

4、不是僅考慮單一的停留時間。另外人工濕地是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),其對污染物的去除是人工濕地各組成部分共同作用的結(jié)果,新的模型應(yīng)充分考慮到各種因素的影響。因此,應(yīng)對人工濕地污染物去除的機(jī)理及其影響因素作更為全面深入的研究。謝謝！一級動力學(xué)模型 1.單一參數(shù)一級動力學(xué)模型 濕地一級動力學(xué)方程，主要考慮處理負(fù)荷與處理效率間的關(guān)系。 經(jīng)常假設(shè)模型中的一些參數(shù)如速率常數(shù)等為常量，該模型假設(shè)： (1) 濕地系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)(即進(jìn)、出水流量和濃度不隨時間變化)； (2) 污染物降解服從一級反應(yīng)動力學(xué)； (3) 水流流態(tài)呈理想推流；通常的表達(dá)方式如下：式中： Ci進(jìn)水濃度(mg/L）； Ce出水濃度(mg/L)； k

5、 v體積去除率常數(shù)(1/a)； k A面積去除率常數(shù)(m/a)；q水力負(fù)荷(m/a)； 水力停留時間(a）。KV濕地所需體積多用于潛流型人工濕地KA濕地所需面積多用于表面流人工濕地2.一級k-C*模型 單一參數(shù)的一級動力學(xué)模型中僅包含一個參數(shù) kv或 kA。Kadlec 和 Knight77基于污染物在濕地中呈現(xiàn)指數(shù)衰減至恒值但不為零的現(xiàn)象，引入背景濃度，低于背景濃度的污染物不能被降解，并在一級反應(yīng)動力學(xué)方程中加入背景濃度項(xiàng) C*：式中，Ce為目標(biāo)物出水濃度，mg/L；Ci為目標(biāo)物進(jìn)水濃度，mg/L；C*為該目標(biāo)物水質(zhì)指標(biāo)的環(huán)境背景值，mg/L；K為一級面積速率常數(shù)，m/a；q為水力負(fù)荷率，m

6、/a。 經(jīng)過重新整理和單位轉(zhuǎn)換后，得出處理某一指定污染物所需的濕地面積為式中，A為所需要濕地面積，hm2；Q為進(jìn)水流量，m3/d。 不論單參數(shù)還是2參數(shù)模型,在運(yùn)行和設(shè)計(jì)條件改變時,都不能保持參數(shù)的穩(wěn)定性,于是研究者又在模型中加入了第3個參數(shù),提出了3參數(shù)模型。加入描述水力負(fù)荷變化對k值影響的參數(shù)m,對k值進(jìn)行修正: kv=kvqm 研究表明參數(shù)m的引入可以提高數(shù)據(jù)與模型的吻合程度,但并不能消除水力負(fù)荷對表觀背景濃度的影響一級動力學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)： 參數(shù)的求解及計(jì)算過程都很簡單一級動力學(xué)模型存在的缺陷： 實(shí)際情況人工濕地水流為非穩(wěn)態(tài)流;由于短流和死區(qū)導(dǎo)致非理想推流流態(tài);反應(yīng)速率常數(shù)會隨進(jìn)水濃度、水

7、力負(fù)荷和水深等因素變化而變化;K-C*模型計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值；一直偏大植物種類和溫度對反應(yīng)速率常數(shù)和背景濃度影響顯著等等。 但是當(dāng)濕地系統(tǒng)在類似氣候、進(jìn)水水質(zhì)、基質(zhì)材料和植物種類時，這些模型參數(shù)用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)是可行的。一級k-C*模型仍是目前最實(shí)用、最可靠的設(shè)計(jì)工具。Monod動力學(xué)模型 按照一級動力學(xué),污染物的去除速率為: r1=QCi1-exp(-k1,vt) =QCi1-exp(-k1,A/q) r0=k0,VV=k0,AA 式中,r0為零階去除率;r1為1階去除率。實(shí)際上,當(dāng)入流的濃度增加,降解率將由1階向零階過渡即動力學(xué)模型達(dá)到飽和,這在傳統(tǒng)的污水處理設(shè)施和生物接觸氧化法系統(tǒng)中都能見到。所

8、以,既然人工濕地中包含相似的生物降解過程,上述過程也應(yīng)存在。零階去除率常數(shù)r0對于一個特定的系統(tǒng)來說是定值,且與入流濃度及流量無關(guān)。在人工濕地的運(yùn)行中,表現(xiàn)為去除率隨入流負(fù)荷增加,直到最大值。但只有零階模型并不能完全描述濕地的實(shí)際情況,需要一個將1階和零階結(jié)合的模型來描述,即Monod模型。 簡而言之： 由一級動力學(xué)模型可求出一階去除率，去除率隨入流負(fù)荷增加而提高，直到最大值（也就是零階去除率，為定值，與入流流量和濃度無關(guān)）。Monod模型就是將一階和零階結(jié)合起來的模型。根據(jù)Monod模型,可以得出濕地床體內(nèi)污染物的物料平衡:式中Z濕地床的長度(L)；a濕地縱段面面積（L2）；V地體積（L3)

9、;K飽和常數(shù)（M.L-3); k0 ,V零階體積去除率常數(shù)(L.T-1)； k0 ,A零階面積去除率常數(shù)(L.T-1)；濕地床的孔隙率(L3.L-3) 對各個系統(tǒng)進(jìn)行比較需要將其參數(shù)規(guī)范化,將污染物濃度C除以飽和常數(shù)K,得到規(guī)范化濃度C(即C=C/K);將沿床體的距離z除以濕地總長Z,得到規(guī)范化長度z(即z=z/Z)。則方程(11)經(jīng)規(guī)范化后變成:上式定義了一個新的無量綱參數(shù)濕地去除效率因子,代表了濕地床體的相對效果。實(shí)際上,是給定水力停留時間或流量下的最大可能去除量,除以Monod飽和常數(shù),而得出的規(guī)范化參數(shù)。數(shù)值高就表示相對于流量而言降解速率快,從而帶來好的處理效果。 Monod模型是個一

10、級和零級動力學(xué)模型的結(jié)合體，在低濃度營養(yǎng)物的情況下(即C K)，濕地床體中所能承載的最大微生物量轉(zhuǎn)而成為降解反應(yīng)的控制因素，降解速率達(dá)到最大值。 雖然Monod動力學(xué)模型從微生物反應(yīng)規(guī)律來說更符合實(shí)際情況,但在具體應(yīng)用計(jì)算成本方面,涉及到生化反應(yīng)動力學(xué)方面的一些參數(shù)的確定,使計(jì)算過程較難實(shí)現(xiàn)。與一級動力學(xué)模型相比,Monod動力學(xué)模型更符合微生物處理的實(shí)際情況,更為合理,因此,它更適用于那些微生物起主導(dǎo)作用的污染物降解過程。生態(tài)動力學(xué)模型 生態(tài)動力學(xué)模型是以“箱式”模型理論為基礎(chǔ),將系統(tǒng)中污染物的各種生物、物理、化學(xué)降解去除途徑劃分成許多獨(dú)立的“箱子”和反應(yīng)過程,然后分別對每個“箱子”即反應(yīng)過程進(jìn)行定義,確定其具體的質(zhì)量平衡方程、反應(yīng)公式(一般為動力學(xué)方程)和相關(guān)的動力學(xué)參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)測定、文獻(xiàn)查找、模型自擬合等方法獲得各種相關(guān)生態(tài)動力學(xué)參數(shù)，然后運(yùn)用各種建模軟件對概念模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并以人工濕地系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)對各個參數(shù)和過程定義進(jìn)行分析、演算、校驗(yàn)和修正，最終得到一個統(tǒng)一完整的生態(tài)動力學(xué)模型。黑箱清水污水物理降解生物降解化學(xué)降解氮循環(huán)模型磷循環(huán)模型.對每個箱子進(jìn)行定義,確定其具體的質(zhì)量