陶 濤，楊 林

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地表水體的污染狀況日益嚴(yán)峻，污水排放標(biāo)準(zhǔn)也更加嚴(yán)格。

人工濕地作為一種污水廠尾水的深度處理技術(shù)，因其成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地研究應(yīng)用。典型的人工濕地分3類(lèi):垂直潛流人工濕地、水平潛流人工濕地和表面流人工濕地［1］。3種類(lèi)型的濕地各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同的水質(zhì)［2］。組合人工濕地將不同類(lèi)型的濕地進(jìn)行結(jié)合，充分發(fā)揮各類(lèi)人工濕地的優(yōu)點(diǎn)，提高了人工濕地對(duì)污水的凈化效率［3～8］。

人工濕地污水處理系統(tǒng)擁有眾多的建模方法，包括從簡(jiǎn)單的一階模型到涉及人工濕地生態(tài)動(dòng)力學(xué)行為的復(fù)雜模型，建模工作的主要目標(biāo)是在人工濕地的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中更好地理解和優(yōu)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)［9～14］。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型多用于污染物進(jìn)水濃度較低的情形，被認(rèn)為是目前描述濕地生態(tài)系統(tǒng)去污過(guò)程最合適的模型，在世界范圍內(nèi)被廣泛用于濕地的設(shè)計(jì)和濕地污染物去除效果的預(yù)測(cè)［15］。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型與回歸方程相比，可以算作“灰箱”模型，在模型的計(jì)算推導(dǎo)中考慮了污染物背景值(包括本底值和環(huán)境濃度)對(duì)濕地運(yùn)行處理效果的影響，還做了污染物物料平衡計(jì)算，在人工濕地污染物去除機(jī)理上有所展現(xiàn)。但是相對(duì)于其他“機(jī)理”模型，屬于“灰箱”模型的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化了濕地內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程，快速簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)［15，16］。

本論文基于處理某工業(yè)園區(qū)污水廠尾水的組合人工濕地中試研究，首先考察了組合人工濕地對(duì)COD去除的情況，再對(duì)組合人工濕地COD變化進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬，希望通過(guò)建立一個(gè)合適的數(shù)學(xué)模型，對(duì)工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

1 試驗(yàn)方法與材料

1.1 組合人工濕地簡(jiǎn)介

位于某工業(yè)園區(qū)污水廠內(nèi)的組合人工濕地包括兩級(jí)水平潛流濕地、一級(jí)自由表面流濕地、氧化塘和后水平潛流濕地。濕地設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間7.7d，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為360m3/d。濕地的具體構(gòu)建、設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行方式和進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)文獻(xiàn) ［17］。本文中排入人工濕地的廢水是經(jīng)生化處理 (SBR工藝和生物濾池)的化工園區(qū)的工業(yè)廢水。

1.2 COD去除試驗(yàn)

本試驗(yàn)總共分4個(gè)階段進(jìn)行:第一階段為啟動(dòng)期，該階段濕地的水力負(fù)荷 (hydraulic loading rate，HLR)較小，主要目的是改善濕地內(nèi)部微生物生長(zhǎng)環(huán)境，培養(yǎng)微生物。第二階段為低水力負(fù)荷運(yùn)行期，歷時(shí)2個(gè)月，HLR為10cm/d。第三階段HLR約為20cm/d，歷時(shí)3個(gè)月。第四階段HLR約25cm/d，歷時(shí)2個(gè)月。

1.3 對(duì)COD去除的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬

濕地是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，即使是相同的濕地，在不同的溫度、水力負(fù)荷、污染物負(fù)荷條件下，一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型所預(yù)測(cè)的結(jié)果并不一致［18］。為了盡可能地減少上述因素變化帶來(lái)的影響，本文中選擇的是濕地運(yùn)行階段較穩(wěn)定的一段時(shí)間進(jìn)行建模，結(jié)合園區(qū)內(nèi)濕地運(yùn)行的時(shí)間的來(lái)看，其運(yùn)行期間的溫度范圍為20℃ ～35℃。

描述污染物去除速率的修正后的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)式為

其中，c為污染物的濃度 (mg/L)，c*為系統(tǒng)中污染物的背景濃度 (mg/L)，k為污染物的體

積去除速率常數(shù) (day－1)，R為污染物的去除速率 (mgL－1day－1)。

對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)，結(jié)合式 (1)和物料衡算定理，污染物的去除情況可以表述如下:

式中:ci——進(jìn)水濃度，mg/L;

co——出水濃度，mg/L;

c*——背景濃度，mg/L;

t——處理時(shí)間，d－1;

kA——面積去除速率常數(shù)，m/d;

Q——流量，m3/d;

A——濕地的面積，m2;

q——水力負(fù)荷，m/d。

最后可得式(3)

故找出進(jìn)水與出水的線性關(guān)系即可以求出模型所需的參數(shù)c*和kA。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果分析

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)進(jìn)出水COD的變化情況及去除率如圖1所示。

圖1 不同HLR時(shí)系統(tǒng)進(jìn)出水COD濃度及去除率Fig.1 COD concentration in influent and effluent and removal efficiency at different HLR

HLR為10cm/d的運(yùn)行工況下COD的進(jìn)水濃度為 52.79～106.99mg/L，平均進(jìn)水濃度為74.98mg/L，組合人工濕地系統(tǒng)的出水濃度為10.70～39.59mg/L，平均出水濃度為26.91mg/L，去除率范圍為56% ～85.71%，平均去除率為63.66%，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理COD去除總量平均值為48.07mg/L。此階段濕地植物長(zhǎng)勢(shì)不算旺盛，但其根部活性極高，這也極大促進(jìn)了對(duì)有機(jī)物的吸收降解。HLR為20cm/d的運(yùn)行工況下，COD的進(jìn)水濃度為 58.84～187.23mg/L，平均進(jìn)水濃度為99.70mg/L，組合人工濕地系統(tǒng)的出水濃度為12.84～39mg/L，平均出水濃度為25.76mg/L，去除率范圍為62.12% ～88.57%，平均去除率為73.43%，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理COD去除總量平均值為73.94mg/L。這一階段雖然進(jìn)水濃度波動(dòng)大，但是出水濃度非常穩(wěn)定，均低于40mg/L，系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，濕地植物 (蘆竹、美人蕉)生長(zhǎng)旺盛。HLR在25cm/d的運(yùn)行工況下，COD的進(jìn)水濃度為87.73～146.20mg/L，平均進(jìn)水濃度為115.67mg/L，人工組合濕地的出水濃度為21.40～53.30mg/L，平均出水濃度為39.24mg/L，去除率范圍為50.97% ～83.33%，平均去除率為64.93%，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理COD去除總量平均值為76.43mg/L。該階段系統(tǒng)的出水水質(zhì)不如前兩個(gè)階段，主要是因?yàn)橐环矫嬖囼?yàn)運(yùn)行進(jìn)入到秋冬季節(jié)，氣溫下降，部分水生植物枯萎死亡，未能及時(shí)收割，對(duì)污水造成了二次污染，出水水質(zhì)有所下降(大部分時(shí)間監(jiān)測(cè)到的COD仍滿足＜40mg/L的要求)，另一方面較高的水力負(fù)荷對(duì)濕地系統(tǒng)造成一定沖擊。

總體上，本試驗(yàn)中COD保持在比較高的去除水平上 (＞60%)，出水COD濃度也絕大部分保持在40mg/L以下，這也說(shuō)明了人工濕地全年對(duì)COD的去除效果還是比較理想的，對(duì)HLR的波動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。濕地處理能很好地滿足國(guó)家《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838－2002)Ⅴ類(lèi)水中對(duì)COD濃度的要求。

圖2 不同月份的系統(tǒng)進(jìn)出水平均COD濃度及平均去除率Fig.2 Average COD concentration in the influent and effluent and removal efficiency at different month

圖2比較了組合人工濕地系統(tǒng)在不同月份 (4月～11月)對(duì)COD的去除情況。從圖2看出，組合人工濕地系統(tǒng)月平均去除率只有10月份在60%以下，月平均出水濃度只有10月份和11月份稍微高于40mg/L。在各個(gè)月份對(duì)COD的去除率最高的是處于夏季的7、8和9月份，原因可能是夏季氣溫高，微生物活性高，生物量大且生長(zhǎng)旺盛。

2.2 系統(tǒng)對(duì)COD去除的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬

圖3是COD的一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合曲線圖。

圖3 組合人工濕地系統(tǒng)及各單元進(jìn)出水COD擬合曲線 (a)一級(jí)潛流單元，(b)二級(jí)潛流單元，(c)自由表面流單元，(d)氧化塘單元，(e)三級(jí)潛流單元，(f)組合人工濕地系統(tǒng)Fig.3 Simulation of COD in the hybrid constructed wetland and each unit wetland.(a)primary subsurface constructed wetland，(b)second subsurface constructed wetland，(c)surface constructed wetland，(d)oxidation pond，(e)third subsurface constructed wetland，(f)hybrid constructed wetland

表 組合人工濕地系統(tǒng)及各單元降解COD一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Tab. Parameters of the first－order kinetic model about COD degradation in hybrid constructed wetland and each unit wetland

由圖3可得到上表所示的結(jié)果，再將表中所得兩參數(shù)的值代入式 (2)中，得組合人工濕地系統(tǒng)COD降解的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。根據(jù)濕地試驗(yàn)進(jìn)水COD的濃度可計(jì)算出系統(tǒng)理論的出水COD濃度，將其與實(shí)際的出水COD濃度進(jìn)行比較，得圖4。

圖4 系統(tǒng)出水COD的模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值Fig.4 Simulating and real COD concentration in effluent

c*和kA是本研究采用模型中的關(guān)鍵參數(shù)，其中kA代表的是濕地單元面積去除速率常數(shù)，它主要與濕地的工程設(shè)計(jì)以及濕地選擇的植物有關(guān)，在人工濕地中，污水中難以生物降解的成分、地下水、大氣、降雨等作用會(huì)產(chǎn)生污染物的背景濃度，而c*正是基于這一情況引進(jìn)的，在一些情況下，由數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出的c*和真正的背景濃度是相同的［13，19］。這表明通常c*越小，出水污染物濃度就越小，結(jié)合式 (1)還可得出污染物的去除速率也越大。根據(jù)表1，組合人工濕地系統(tǒng)的總c*要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于任何一個(gè)單元濕地，在各個(gè)單元濕地中一、二級(jí)潛流濕地的c*又僅僅是稍大于三級(jí)潛流濕地，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面流濕地和氧化塘;KA最大的是氧化塘，但是氧化塘的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于濕地系統(tǒng)以及一、二級(jí)潛流濕地，因此一、二級(jí)潛流濕地對(duì)于總COD去除率的貢獻(xiàn)較大，實(shí)際測(cè)得結(jié)果是一、二級(jí)潛流濕地對(duì)COD去除貢獻(xiàn)率分別為44.1%和17.6%，并且COD濃度隨著流程不斷降低［17］。從圖4可以看出，組合人工濕地系統(tǒng)出水的COD模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差相對(duì)較小，對(duì)于“灰箱”原理的模擬誤差來(lái)說(shuō)是可行的。所以本試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)模擬所得到的參數(shù)值，在一定條件下是適用的，一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)組合人工濕地的設(shè)計(jì)運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

組合人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行可靠，在HLR為10cm/d，20cm/d和25cm/d的條件下都能達(dá)到穩(wěn)定的COD去除效果，大部分時(shí)間去除率均能達(dá)到60%以上，不容易受HLR波動(dòng)的影響。在氣溫高的夏季組合人工濕地系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果最好。

用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)組合人工濕地系統(tǒng)去除COD進(jìn)行模擬，綜合比較各個(gè)參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)一、二級(jí)潛流濕地單元對(duì)COD的去除貢獻(xiàn)較大。最后得到的出水模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值相接近，說(shuō)明一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)組合人工濕地有設(shè)計(jì)運(yùn)行上的指導(dǎo)意義。

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