探索潜流人工湿地水力学特性及其处理废水中有机污染物的研究

'北京化工大学博士学位论文潜流人工湿地水力学特性及其处理废水中有机污染物的研究姓名：范立维申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：王文兴;海热提20080602 摘要潜流人工湿地水力学特性及其处理废水中有机污染物的研究人工湿地污水处理是一项投资省、处理效果好、运行和维护方便的生态污水处理技术。与表流人工湿地相比较，潜流人工湿地具有负荷率高，占地面积小，处理效果可靠，耐冲击负荷和不滋生蚊蝇等优点，因此应用范围更广泛，正受到环境工程界越来越广泛的重视和关注。在潜流人工湿地污水处理系统的设计中，水力学因素非常重要。传统上研究水力学，常常以模型实验为主要手段，利用示踪剂法预演相应的水流运动，得到模型水流的规律性。该方法在提供湿地的流体流动状态中存在很大的缺陷。首先，示踪剂法本身涉及到示踪剂及其注入方法的选择等诸多问题；其次，人工湿地内除了具有比表面积大、吸附能力强的介质以外，还具有活性的植物根系和介质表面附着的生物膜，因此对示踪剂的要求更高。再者，该方法费时费力，同时不能提供全流场信息。有鉴于此，有必要利用更先进的数学模型法作为设计工具来优化湿地设计。计算流体力学(CFD)技术的出现和发展，改变了传统上采用模型实验的示踪法来分析反应器水力特性的现状，解决了流体参量在反应器中均化分布的缺陷，也使利用数学模型精确模拟水处理单元在设计条件下的流动特性和行为成为可能，为反应器模拟和分析数学模型 北京化工大学博士学位论文的建立提供了一种有效手段。同时，利用CFD技术有利于减少反应器分析中物理模型研究的必要性，降低研究成本，实现反应器的优化设计和运行。正由于这些优点，CFD技术已经成功地应用在环境污染控制领域，如氧化塘的优化设计中。但有关潜流人工湿地的CFD研究还未见报道。本文针对课题组设计和承建的锦州现场潜流人工湿地，通过合理简化，建立了潜流人工湿地二维数学模型，采用计算流体力学软件Fluem6．22对其进行数值模拟研究。其中，用多孔介质模型来模拟填料区内的流体流动，并用壁面表面反应模型模拟潜流人工湿地中有机污染物的降解反应，分别探讨分层式净化区结构的潜流人工湿地和布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性及其对废水中有机物的去除，以期有助于潜流人工湿地的设计工作。主要的研究工作与结果包括：1．潜流人工湿地水力学特性研究(1)分层式净化区结构的潜流人工湿地的水力特性研究潜流人工湿地结构(进口位置、介质阻力以及护管区)对水力学性能的影响研究表明，不同进口位置的潜流人工湿地，其水力学效能从高到低为：中部>上部>下部；介质阻力对潜流人工湿地水力学性能的影响比较复杂，上、下层介质通过其阻力比对潜流人工湿地水力学性能产生影响；湿地水力学效能随护管区阻力的增加而增大。操作条件(进口流速和出口压力)对水力学性能的影响研究表明，与湿地结构的影响相比较，操作条件的影响较小。进口速度虽然对水 摘要力学效能的影响不大，但在工程设计中应充分考虑其对平均停留时间的影响；不同出口水位产生的出口压力变化很小，几乎不对湿地水力学效能产生影响，在工程设计中可以根据需要调整出口水位。(2)布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力特性研究分别讨论了集水区(护管式和层式)和布水区(护管式和层式)对潜流人工湿水力学性能的影响。研究结果表明，护管式集水／布水区结构优于层式结构。护管式结构的潜流人工湿地，其水力学效能更高，而且可以通过减小集水／布水区宽度来显著提高湿地水力学效能和逐步减小阻力比对其水力学效能的影响。水平和竖直式两种布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性研究表明，竖直式布水与集水区结构优于水平式。竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地，其水力学效能受布水与集水区设置的影响较小，且都能保持在较高水平。2．潜流人工湿地处理废水中有机污染物的研究(1)分层式净化区结构的潜流人工湿地内有机物的去除进口位置和进口流速对湿地内有机物去除的影响表明：有机物去除率受进口位置的影响较小，进口位置在上层介质上、中和下部时，去除效率分别为O．753、O．707和O．719；进口流速对湿地内有机物的去除影响很大，随着进口流速的减小，废水在湿地中的停留时间增大，有机物的去除效率相应增加。(2)布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机污染物的去除布水与集水区的设置和微生物种类对湿地内有机物去除的影响III 北京化工大学博士学位论文表明：在护管式、水平层式和竖直层式这三种布水与集水区结构中，护管式的设置使得潜流人工湿地的净化区面积最大，因此有机物去除效率稍高；因不同微生物具有不同的有机物降解反应的活化能，从而严重影响有机物的去除，有机物的去除效率随活化能的增大而明显减小。关键词：潜流人工湿地，计算流体力学，停留时间分布，水力学效能，有机物，去除效率IV ABSTRACTHYDRUALICCHARACTEIUSTICANDREMOVALoFoRGANICPoLLUTANTSINSUBSURFACEFLoWCoNSTRUCTED、ⅣETLANDTheconstmctedwetlandisakindoflow-costa11dhi曲-emciencyecosystemengineeringtechn0109yforwastewatertreatmentandwaterreuse．Comparedtothesurfaceflowconstmctedwetland，moreandmoreattentionsarepaidtothesubsurfacenowconstmctedwetland(SSFⅥ9becauseoftheVirmesofgoodsanitarycondition，highremoValofcontamination，1ittleinfluencedbyweather，andsoon．IntheSSFWsystemdesign，thehydraulicfactorisVe拶important．ThetraditionalmethodstoinvestigatethehydraulicsofSSFWsareusuallybasedthemodelexperimentusingthephysicaltracerexperimenttogettheruleoftheflow．Themethodhasgreatlimitationinthedisplayoftheflowpattem．Itnotonlybecausethephysicaltracerexpenmentitselfisassociatedwiththeproblemssuchastheselectionandinjectionofthetracerandsoon，buta1sobecausetherehastheVegetablerootintheSSFW：andthemediaintheSSFWwithla曙esurf．aceandbiologicfilm，whichmaketheselectionofthetracermoredi伍cult．Inaddition，N 北京化工大学博士学位论文themethodislaborintensiVe，expensiVea11dtime—consuming，andcannotproVidetheinfomationofflowfiled．ThedeVelopmentofSSFWhascreatedtheneedtobetterunderstandtheflowpattemsinwetlandsandhowtousemathematicalmodelsasdesigntools．TheappearanceanddevelopmentofmecomputationalnuiddyIlamics(CFD)technologymaketherehasanotherchoicetostudythehydraulicsexc印tthetraditionalmethodwhichusemodelexperimentassociatedwithphysicaltracer．TheCFDtechnologypI．esentedasophisticateddesignandanalysistooltosimulatethenowofmassandmomentumthroughoutanuidcontinuum．Itisagoodmethodtostlldythehydralllics，becauseofitslowcostandbecauseitcallprovidethe如Unowfield，andcanbescaledup．ThetechniqueallowsacoII]lputationalmodeltobeusedundermanydi舵rentdesignconstraintsandise￡f’ectiveinwatertreatmentdeVicedesignandoptimization，suchaswastewateroxidationponds．HoweVer，totheauthors’knowledge，noonehasproVidedaCFDmodelforSSFWstonow．Inthisstudy，atwO-dimensionalmodelwasdeVelopedfortheSSFWbasedonthereasonablesimplificationoftheSSFWsystemrunningatJinzhouconsideredusingacommercialcodeF1uent6．22(F1uentInc．)．TheflowintheSSFWwassimulatedbypoIlousmediamodelandtheremoValoftheo玛anicpollutantsintheSSFWwassimulatedbywallsurfacereactionmodel．Thee能ctofthelayeredpu唱earea，andVl ABSTRACTdis仃ibutionandcatc№entareaonmehydraulicperformanceoftheSSFWwasdisCussed．MoreoVer’metreatmentOftheo玛anicpollutantsinthewastewaterbytheSSFWwasinvestigated．T11esewouldbenefitmedesignoftheSSFW：ThemainworbaIldresultsare1istedasfollows：1．ThehydrauliccharacteristicoftheSSFW(1)ThehydrauliccharacteristicoftheSSFWwithlayeredpu唱eareaTheresearchofthee虢ctofwetlauldconfiguration(theinletlocation，mediaresistance，andprotectionarea)onthehydraulicperformanceindicatedthattheSSFWwithaninletatthemiddleedgeoftheuppermediahadbetterhydraulice所ciencymantheSSFWwithaninletatthetopandbottomedgeoftheuppermedia．Theconstn_lctedmediaaffectedthehydraulicperfonnancebymeratiooftheupperandlowermediaresistance(固．Thehigherresistanceintheprotectionareabenefitedthehydraulicefjficiency．Theoperatingcondition(theinletVelocityandoutletpressure)onthehydraulicperfomancewasinVestigated．Theresultsindicatedthattheef．fectofoperatingconditionwasslighterthanmatofwetlandconfiguration．TheinletVelocitymarkedlyafrectedthemeanresidenttime．Itwasnecessa拶todetemine印propriateinletvelocitytogetnotonlygoodhydraulice衔ciencybutalsoenoughresidenttime．Theefrectoftheoutletpressurecausedbythewater1eVelcanbeneglected．Intheengineeringdesign，thewaterleVerintheweirattheoutletcanbeVll 北京化工大学博士学位论文adjustedaccordingtotheneed．(2)ThehydrauliccharacteristicoftheSSFWwithdistributionand／orcatchmentar．eaThee虢ctof锕otypes(thelayerandprotectionp甜em)ofcatchment／distributionareaonthehydraulicperfomancewasinVestigated．ThesiInulationresultsconfirmedthattheprotectionpattemcatchment／distributiOnareawasbetterthanthelayerpattem．ComparetotheSSFWwimmelayerpattemcatchmentarea，theonewithprotectionpattemcatchmentareahadhighhydraulicefjEiciencyandbydecreasingthecatchmentwidth，thehydraulicefjficiencycanbeimproVedandtheef．f．ectoftheresistanceratioonitcanbeweakened．Theresearchofthehy(1rauliccharacteristicoftheSSFWwithdistributionan彤orcatchmentareaindicatedthatthedesignofdistdbutionandcatchmentareainaverticaldirectionwasbetterthaninahorizontaldirection．ThehydraulicemciencyoftheSSFWwithVenicaldist曲utionandcatchmentareaslightlyaf．fectedbytheVariationofthedistributionandcatchmentareaintheVerticaldirection，andcanbekeptinahigh1evel．2．TheremoValoftheo玛anicpollutantsintheSSFW(1)7rheremoValoftheo略anicpollutantsintheSSFWwithlayeredpu唱eareaTheef!f’ectoftheinletlocationontheremovaloftheo唱a11icVIlI 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主要符号表潜流人工湿地宽度，m潜流人工湿地高度，m湿地总体积，m3介质粒径，m介质孔隙率介质形状系数介质渗透系数，m·s．1多孔介质粘性阻力系数，m乏多孔介质内部阻力系数，m．1水力坡度流体速度，m·S’1流体密度，kg·m_3动力粘度，Pa·s流体雷诺数重力加速度，m·s乏质量浓度，mg·LJ压力，Pa源项焓，J·s。1液体热传导率，W．m．1．K．1固体热传导率，W．m～．K．1有效热传导系数，W．m一·K。1曳力系数反应体系中总的化学物质数目化学计量系数速率常数，d。1温度，K气体常数，J．m01～．K。l活化能，J．molo指前因子，m·sJ水力负荷，m·do名义停留时间，s三日绦易sy仅讹Qs甜尸∥心gc尸s^移岛锄oⅣy后rR历彳g岛 北京化工大学博士学位论文平均停留时间，s出口示踪剂浓度达最大时所花费的时间，s标准平均停留时间标准差标准方差水力学效能布水区集水区净化区‰加幻仃方A体DcP 北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期：兰!堡：竺：!!关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：导师签名：薹塑耋一日期：翌!：争．c，勺 第一章绪论1．1．人工湿地概述1．1．1．人工湿地的定义湿地(W文l觚d)系统是分布于陆生生态系统和水生生态系统之间具有独特水文土壤、植被和生物特征的生态系统【l】。目前，世界上对湿地的科学定义与概念还未统一，已经统计到的定义有近60多种，最广为接受的是《湿地公约》中的定义：湿地系指天然的或人工的，长久或暂时性的沼泽地、泥炭地或水域地带，带有或静止或流动，或为淡水、半咸水、咸水水体者，包括低潮时水深不超过6m的海域【2J。湿地系统可以分为自然湿地系统和人工湿地系统两类。人工湿地(Cons咖ctedwetlaIld)是根据自然湿地净化污水的原理，通过人工建造和监督控制来强化其净化能力的污水处理系统【3，4】。其利用生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化【5j。1．1．2．人工湿地的分类根据不同的方式，人工湿地有不同的分类方法。按植物形式的不同，可以分为：浮水植物人工湿地、挺水植物人工湿地和沉水植物人工湿地三类：按水流方式的不同，可以分为：表流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地【4，州；按土地用途不同，可以分为：水产池塘(鱼、虾养殖池塘等)、水塘(农用池塘、储水池塘等)、灌溉地(稻田等)、蓄水区(水库、拦河等)等；按功能不同，可以分为：人工生境湿地(协助天然湿地用于生物多样性的保护)、人工抗洪湿地(用于控制洪水或泄洪)、人工水产湿地(用于农业生产与水产养殖)、人工处理湿地(用于污水污物处理)掣川。这几类分类方法中，土地用途分类法是从湿地发展之初的原始土地使用用途的角度进行分类，是一种较为原始和直接的分类方法；人工湿地功能分类法体现了各种不同人工湿地的功能区别，使人们对其产生的作用有一目了然的理解，获得了部分学者的认可；由于人工湿地中植物对污染物的去除有着较为重要的作用，因此植物形式分类方法体现了起主要去除作用的物质的特征，是当前较多学者普遍认可的一种分类方法植物形式分类法；人工湿地水流方式分类法着重人工 北京化工大学博士学位论文湿地的建造方式加以区别，根据水流方式的不同对其进行区分，较为准确明了地反应了人工湿地的主要特征，因此，应用也最为广泛【81。人工湿地按水流方式分类见图1．1。图1．1人工湿地系统按水流方式分类Fig．1—1Classificationofcons仇lctedwetl觚dacCordiIlgtos仃e锄patt锄1．表流人工湿地(Surfacenowconstmctedwetland)表流人工湿地在内部构造、生态结构和外观上都十分类似于天然湿地，但经过科学的设计、运行管理和维护，去污效果优于天然湿地系统【41。表流人工湿地的水面位于湿地基质以上，其水深一般为0．3．O．5m。污水从进口以一定深度缓慢流过湿地表面，部分污水蒸发或渗入湿地(见1．2图)。湿地中接近水面的部分为好氧层，较深部分及底部通常为厌氧区，因此某些性质与兼性塘相似。在此类湿地中，污水以较慢速度从湿地表面流过，具有投资少，操作简单，运行费用低等优点，其缺点是占地面积较大，污染物负荷和水力负荷率较小，去污能力有限。由于其水面直接暴露在大气中，除了易孽生蚊蝇、产生臭气和传播病菌外，其处理效果受温差变化影响也较大。该类人工湿地受上述缺点的限制并不常用，现在多见于美国。2 第一章绪论j缀搿*}二～k—；一Jt浮戒预处鬃滋骥黼滋潺滋鬃l麟参膨囊缀糍瓣戮图1．2表流人T湿地示意图Fig．1—2Sketchofsurfacenowconstructedwetland2．潜流人工湿地(Subsu而cenowconstructedwetland，缩写为SSFW)潜流式人工湿地的特点是污水在湿地填料床内潜流。为了维持必需的潜流通过率，潜流人工湿地的基质一般不采用土壤材料，取而代之的是豆砾、沙砾或碎石等；为了保证潜流污水在床内的均匀流态，一般需要布置合理的床内布水与集水系统。与表流人工湿地相比，虽然潜流人工湿地具有工程建造费用较高等缺点，但其优点更明显。潜流人工湿地的优点在于充分利用了湿地空间，发挥了系统(植物、微生物和基质)间的协同作用，因此同表流人工湿地相比，在相同面积的情况下，其处理能力大幅度提高；同时，由于水流在地表下流动，保温性好，处理效果受气候影响小，且不易滋生蚊虫。因此，潜流人工湿地是目前研究和应用最多的湿地处理系统峰。12|。(1)水平潜流人工湿地(Horizontalsubsu血cenowconstructedwetland)水平潜流式人工湿地因污水从一端水平流过填料床而得名(如图1．3)。它由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层，防止污染地下水。与表流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷和污染负荷大，对BOD5、COD、SS和重金属等污染指标的去除效果好，且很少恶臭和孳生蚊蝇的现象。目前，水平潜流人工湿地己被丹麦、美国、荷兰、瑞典、挪威、澳大利亚、德国、英国和同本等国广。泛的使用。 北京化工大学博士学位论文图1．3水平潜流人：[湿地示意图Fjg．1—3SketchofhorizontalsUbsurf．acenowconstmctedwetland(2)垂直潜流人工湿地(Venicalsubsurfaceflowconstmctedwetland)在垂直潜流式人工湿地中，污水从湿地的表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直潜流人工湿地的处理能力高于水平潜流湿地，占地面积较小。臻鬟鬻鬻攀篱鬻鬻溪嚣戮囊麟鬻i篓鬻潺攀鬻鬻鬻鬻攀爹耐量j崩瓢，赫☆_ii幽*，；一蠹叠。．图1-4垂直潜流人工湿地示意图Fig．1-4Sketchofverticalsubsurf．acenowconstll】ctedwetland表流人工湿地、水平潜流和垂直潜流人工湿地的比较如表1—1所示。在人工湿地的实际工程设计中，这三类湿地是最基本的设计类型，其他设计类型大都是以此为基础，进行必要的改进或复合而产生的。实际应用中，可根据不同的污染物去除要求及地理条件选择建造彳i同的类型。4 第一章绪论表1．1表流人工湿地与潜流人工湿地(水平潜流和垂直潜流)的比较Tablel-lComparisonofsurf．aCea11dsubsllrfacenowc011stnJctedwetlalld1．1．3．人工湿地的特点人工湿地污水处理技术特点鲜明，其主要优点有点体现在：(1)投资和运行费用低由于人工湿地工艺无需曝气、投加药剂和回流污泥，也没有剩余污泥产生。在维护方面，人工湿地基本上不需要机电设备，只需人工清理渠道及管理作物。所以投资和运行费用低是人工湿地处理技术的一个显著特点。国外资料报道，人工湿地的工程造价和运行费用仅为传统工艺的10％．50％【。71。对我国己建成的常规生化二级水处理厂投资进行分析，也表明人工湿地的投资远远低于常规二级水处理设施(表1．2)l”J。表1-2人工湿地与传统污水处理工艺经济性能比较1’able1-2Comparisonofeconomicperfo衄a11ceofconstmctedwetlandandtraditionaltreatnlenttechn0109yforsewage 北京化工大学博士学位论文续表(2)处理效果好人工湿地另一个显著特点是对有机物有较强的降解能力。二级处理后的污水中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留并被微生物利用；污水中可溶性有机物可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。有关人工湿地对二级污水处理厂出水试验的研究表明，在以二级污水处理厂出水作为原水的条件下，人工湿地对BODs的去除率可达85％．95％，对COD的去除率可达80％以上，处理出水中BOD5的浓度在5m∥L左右，SS小于8m∥L。人工湿地对N、P有很高的去除率，可分别达到80％、90％以上，远远高于传统污水回用工艺对其的处理效率(传统的污水回用工艺对N、P的去除率仅能达到20％．40％)。这对于我国大多数的二级污水处理厂出水中N、P的含量较高的现状有很大的应用价值。污水中的N、P的去除，一方面可直接被湿地中的植物吸收，通过对植物的收割而从污水和湿地中去除。另一方面，N还可通过湿地中微生物的硝化和反硝化作用去除，P也可通过微生物的积累和填料床的理化作用协同完成去除。随着处理过程的不断进行，湿地床中的微生物相应繁殖生长，通过对湿地床填料的定期更换，最终将有机物及N、P从系统中去除。此外，人工湿地对微量元素和病原体也有相当高的去除率。(3)适用范围广人工湿地规模大小差别很大，其处理范围也相应地可以从一家一户排放的生活污水，到城镇生活污水，再到城市污水。与其它污水处理方法比较，其适用范围更为广法。中小城镇及乡村生活污水处理：目前，我国绝大部分城市污水厂均采用传统的活性泥法处理工艺。这种工艺工程投资高，耗能大，运行管理要求高，对控制大城市的水环境污染在一定时期起到了关键作用。由于我国经济发展水平不很高，能源短缺，许多地方，尤其是中小城市和乡村由于资金有限，技术力量薄弱等原因，缺乏具有一定操作管理和技术水平的人员，一般不适合采用传统的活性6 第一章绪论污泥处理工艺，而人工湿地却十分适合。已有污水处理厂出水的深度处理：如今在污水处理厂附近建造人工湿地，将污水处理厂处理过的污水引入，再经过人工湿地的加强处理后中水回用，实现污水的资源化。小区生活污水处理：随着我国房地产业、旅游业的蓬勃发展，在很多人口不太密集的地区兴建了一批旅游点、疗养院和生活小区。这些特定功能的人口居住区在解决了供水的同时并没有建设相应的下水道系统与城市市政管网连接，利用人工湿地技术处理该类地区的生活污水可以将污水处理技术和景观建设相结合，实现污水的零排放。(4)易于与景观建设相结合都市园林人工湿地：人工湿地引人园林式设计概念，种植的植物不仅具有去污染效果，而且进一步注重植物色彩的搭配和层次感，并在其间建立凉亭，其出水口设计成瀑布假山的园林形式，成为人们游玩观赏休闲的景观公园。1999年建成的成都市活水公园就是由人工湿地打造出来的生态公副14J。小区人工湿地：人工湿地可以小型化和分散式建设，根据地形而设的人工湿地很容易与小区的绿化和景观建设相结合。如图1．5所示的小区人工湿地建设和好地将污水处理和景观建设相结合起来。同时，处理后的中水还回用于小区绿化，实现用水资源化。图1．5与景观建设相结合的小区人T湿地Fig．1—5ConstllJctedwetlandbuildingwithlandscapinginthecommunity虽然人工湿地是一种较好的污水处理方式，但也有不足。主要体现在以下几个方面：(1)受气候条件限制较大 北京化工大学博士学位论文人工湿地栽种的植物类型恰当与否直接关系着系统处理污水的效率和经济效益。而植物类型选取受到了气候条件的限制。以我国北方城市哈尔滨为例，哈尔滨冬季气候寒冷，气温低，此种气候条件不适合美人蕉等热带植物的正常生长和处理污水功能的正常发挥。只能选取温带或部分亚热带植物作为净污植物。此外，冬季地表水结冰，抑制了水的流动，所以表面流湿地在哈尔滨等北方城市的冬季是不可行的，只宜采用潜流湿地。(2)占地面积相对较大人工湿地净污的效果与污水在湿地中流动的时间和空间充足与否有着很大的相关关系。其次，当系统中的填料和植物纳污达到饱和程度时需要用备用池来交替运行。另外，为防止淤积，往往建造预处理池对污水进行先期处理。所以，与传统的污水处理厂相比，人工湿地污水处理系统需要较大的占地面积。一般认为大约是传统污水处理厂的2．3倍左右。其中，表面流湿地由于水力负荷小，占地面积更大。(3)容易产生淤积、饱和现象人工湿地能有效地去除污水中的有机物、悬浮物、重金属、病原体等污染物质。但是随着时间的推移，部分营养物质会逐渐地积累，湿地中的微生物相应地繁殖。如果维护不当，便很容易产生淤积、阻塞现象，使水力传导性、湿地处理效果和运行寿命降低。随着污水处理过程的不断运行，数年内基质的吸附能力通常会趋于饱和，也会影响湿地的处理效果。排除淤积、饱和现象的最佳途径是要在有备用池的前提下，定期地对基质进行去淤、更换，对植物进行收割。(4)处理机理、工艺设计、影响因素等难以确定由于人工湿地是一种相对来说比较新的工艺，因此对其处理机理、工艺参数的确定和影响因素的研究和确定都还不是很清晰。生物和水力复杂性使对其处理机制、工艺动力学和影响因素的认识理解都比较困难。系统运行参数是保证人工湿地正常运行的重要指标。设计运行参数不精确或不当，出水达不到设计要求或不能达标排放，可能会使人工湿地反而成为污染源。1．1．4．人工湿地国内外研究热点湿地处理系统功能已远远超出污水处理的意义而成为涵养水源、恢复和改善湿地环境、保护生物多样性的重要生态工程技术【15，161。人工湿地国内外研究热点及发展趋势有以下几方面【17。25】：(1)充分运用先进的计算机工具和数学模型对不同构造的湿地系统中污水的流体力学特性进行研究，探讨水力负荷、污水停留时间、出水速率、湿地容水 第一章绪论体积(空隙度)和出水量等与污水净化效果的偶合关系，以揭示水力学特点对污水净化效果的影响规律，在缩短启动和成熟时间的同时尽量减小占地面积。(2)重点研究在提高人工湿地氧化、硝化能力的同时如何提高其反硝化能力，以解决有机物与总氮的高效去除问题。(3)以废水的特征污染物为指标，研究合理的人工湿地构造与工程参数，推算系统设计方程。(4)研究低浓度、高盐、有毒、难降解有机废水对湿地系统中氧的分布、微生物生境的影响。(5)结合不同地区不同污水的特性筛选出抗性强、净化效果好的工程植物。(6)根据不同地区、不同气候条件及不同特性工业废水的使用数据建立数据库，促进人工湿地处理工业废水治理技术的推广。(7)湿地填料的性能评价以及湿地水流态调整方面的研究。(8)依据可持续发展理念，探讨结合景园设计建立人工湿地用于污水治理。将景园灌溉、野生生物的栖息繁殖以及人类游憩娱乐融合到景园人工湿地，实现景园污水资源化、害化。在具有一定规模和档次的住宅小区也可以逐步考虑运用人工湿地技术实现污水处理和回用。1．2-潜流人工湿地的发展与应用人工湿地技术在国外尤其是发达国家，研究和利用较早。自20世纪50．60年代起，生态学家首先发现了湿地具有净化水质功能，并着手展开了相关研究。有目的地研究人工湿地净化污水始于1953年德国的MaxPlallck研究所，该研究所的Seidel博士发现人工湿地中的芦苇能去除污水中大量的有机和无机污染物【26】。20世纪60．70年代，“绿色觉醒"运动和全球能源危机促使该技术迅速地从实验室研究推广到不同规模试验运用，用以处理生活污水、工业废水和地面径流。60年代中期，卡塞尔大学的Ki姗教授开发了潜流湿地系统【2。71。20世纪60年代末，Ki如ml与Seide合作，并于1972年提出了著名的“根区理论”，该理论极大地促进了人工湿地的研究与应用，标志着人工湿地作为一种独具特色的新型污水处理技术正式进入水污染控制领域【2引。此时的人工湿地技术虽然在污水处理上表现了良好的性能，但由于其处理机理及结构的复杂性在技术运用等方面还存在很多缺陷。在随后的时间中，研究者们加大了人工湿地的研究力度，解决了运用上的大部分技术难点，使人工湿地污水处理技术逐渐成熟。至20世纪80年代，人工湿地逐步发展成为人工建造为主、以不同粒径的砂石为填料的处理系统，并由试验阶段进入大规模工程应用阶段【291。1985年，美国田纳西河流9 北京化工大学博士学位论文域管理局在美国东南部建造了一系列的人工湿地以处理流域内的污水。1985年潜流人工湿地在英国开始建造并被称为“芦苇床处理系统”，其后到1986年共有超过20座水平潜流人工湿地相继建造【30】。到在80年代末期，英国、德国、法国和丹麦等西欧国家都构建了大量的潜流人工湿地处理系统，并且绝大多数是以砾石为基质填料，主要用于小城镇的污水处理，并成立了相关协作组织以推动进一步的研究和应用【20，3l】在目前实际应用中，潜流人工湿地仍然占主要地位，最为常见；而作为最早的湿地设计之一的表流人工湿地则应用的较少，仅在北美较为多见【26，32。341。潜流人工湿地在发达国家占90％以上，在欧洲应用更是十分广泛，在丹麦、德国、英国每个国家至少有200个系统在运行，此项技术目前还在快速发展，特别是在东欧国家【20’30】。在这些系统中，绝大多数种植芦苇，仅小部分有种植其他湿地植物。在德国，大多数系统采用土壤介质，认为根的生长和芦苇根区会稳定和增加导水性，但几乎所有的系统都遇到表面短流的问题。为保证潜流，英国和北美绝大多数采用砾石床。虽然砾石床也会发生堵塞，但主要原因是预处理不足。垂直流人工湿地兼有表面流和潜流人工湿地的特点，因此有人将其独立划分为人工湿地的一个大类。垂直流式人工湿地最早在80年代晚期开始在欧洲一些国家应用，1990年以后垂直流人工湿地发展极为迅速【35，36】。垂直流人工湿地虽然有良好的处理效果和处理能力，但其在设计建设和基质选择上要求较高，比较复杂，因此并没有被广泛应用。复合垂直流湿地系统就实验条件下的处理效果看暂时是最好的湿地系统，但是其作为近年来新开发的系统，在工艺上尚需进行长期的试验，另外它也有单一垂直流系统设计建设复杂的特点，暂时无法推广【34’y7，38】。因此，现阶段应用最广泛的还是水平潜流型人工湿地，在国外己被广泛应用。在国内，正在逐步被人们所重视，未来发展潜力巨大。我国幅员辽阔，有利用人工湿地的天然优势，但进行湿地处理系统研究较晚，直到“七五"期间才有了一定的规模，大致落后发达国家十余年。我国首例采用人工湿地处理污水的研究工作始于1987年，由天津市环境保护所建成的占地6m2，处理规模为1400m3／d的芦苇湿地系统，主要用于处理城市生活污水或二级污水厂出水。自“七五"开始对人工湿地进行研究后，已建成一些示范工程，并于1990年7月在深圳建起我国第一个人工湿地污水处理工程即白泥坑人工湿地处理系统，处理规模可达3100m3／d。之后，北京昌平、天津、深圳、武汉和成都等陆续建立了人工湿地试验基地，但因其与传统的污水二级生化处理相比占地面积较大，处理效果随季节变化而变等，甚至个别人工湿地处理效果不甚稳定，使其在全国推广应用受到一定限制。近年来，随着潜流人工湿地系统优势的凸现，其在我国的应用也越来越广泛，在我国南方和北方都有不少应用实例，其中甚至10 第一章绪论包括复合流型式的人工湿地系统(如表1．3所示)【291。表1-3潜流人工湿地在我国的应用实例Table1-3Applic撕onex锄pI∞ofSSFWiIlClliIla1．3．潜流人工湿地污水处理自西德1974年首次建造人工湿地以来，80年代人工湿地系统由试验阶段进人应用阶段，德国、丹麦、奥地利、比利时、荷兰等国家相继建立了大量的芦苇床系统，主要用于小城镇的污水处理。目前该技术在发达国家已被用来处理各类水体，包括生活污水‘41、暴雨径测391、工业污水【删(尾矿排出液【4l】、纺织废水【42】和淀粉工业废水、制糖工业废水、食品加工和奶制品加工废水、屠宰场废水等高浓度有机废水的处型4345】)、农业废水【461(家畜与家禽粪水【47，4引、农用化肥和除草剂废水等【49】)以及垃圾渗滤澍50，51】等。Vrllovsek的研究表明，潜流人工湿地对以BOD5、COD和植物油为特征污染物的高浓度食品工业废水具有良好的净化效果，系统对BOD的平均去除率为89％，对COD的去除率高达92％【51，521。Ⅵhovsck的研究具有一定的代表性，实际运行中淀粉工业、食品加工和奶制品加工废水的处理也得到了很好的净化效果，这些废水的人工湿地成功处理肯定了人工湿地在处理有机废水时的高效性。目前我国人工湿地的研究与应用主要是对炼油废水、油田采出水、造纸废水、酸性采矿废水等工业废水以及城镇生活废水和农业面源污染、地表径流等非点源污染的治理【5妯11。清华大学钱易、刘超翔等人对潜流湿地处理低浓度农村污水进行了试验研究【62】。廖新悌、骆世明等研究了潜流人工湿地对猪场废水的处理，并以风车草人工湿地为例建立了人工湿地处理废水有机物的动态模型。 北京化工大学博士学位论文1．4．潜流人工湿地水力学特性人工湿地系统对于水流的变化(水的滞留和运动)很敏感。水流条件能直接改变湿地的物理化学性质，如营养的有效性、基质缺氧程度、基质盐度、沉淀性质pH值。水的流入几乎总是湿地营养的主要来源；水的流出经常从湿地带走生物的和非生物的物质。最后，这些物理化学环境的改变对湿地生物反应有直接影响。湿地水力学条件是湿地类型和湿地过程的建立和维持的最重要的决定因子。正是水力学条件赋予了湿地生态系统区别于陆生生态系统和深水生态系统的独特物理化学属性，而且对湿地生物系统起着决定性的选择作用【63】。在实用型人工湿地污水处理系统的设计中，非常重要的是其中所涉及的水力学因素，因为这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重要问题。相对表面流湿地系统来说，潜流式湿地因其水流方式更加需要通过人为控制来进行调整，所以尤其对于潜流型人工湿地，这些因素显得更为重要【63朋】。潜流人工湿地中的水流实际上是一种多孔介质流，虽然这样的流动方式与渗流有相似之处，但由于湿地的介质较粗，流动的渗流系数多大大超过了层流的范围，而且在人工湿地中极易在错综的根系及基质周围出现紊流，水平流和垂直流可能在湿地内部并存，水流特征很难用目前渗流研究中的成熟理论来描述。在一个具体的人工湿地工程的设计中，各水力学参数的选择往往是相互牵连的。具体确定时除了要考虑到处理目标这一最基本的因素外，还要受到地形、湿地单元组合等因素的限制。生物处理的效率依赖于污染物质和微生物种群的接触及持续时间。对任何反应器系统，它们的处理程度都直接与停留时间和反应器内的接触效率有关。为了获得最大的处理效率就必须使污水中污染物与处理设施(在人工湿地就是植物根系和填料表面)接触时间达到最长，使短路(在水力状态下，存在的优先途径)现象减少到最少。如果一个湿地系统以理论停留时间(在忽略阻碍、死水区和速度梯度的条件下通过容积计算得出的停留时间)为设计依据，它就忽视了部分流体的处理时间太短这个事实。通过工程措施使系统具有适当的水力学条件，那么这些系统的效率就会有很大的改善。所有这些都说明，水力学因素是人工湿地设计的一个重要的方面。1．4．1．潜流人工湿地水力学特性研究进展如上所述，水力学因素在人工湿地的设计中十分重要，但目前国内外在湿地12 第一章绪论水力学方面的研究却较少。Persson【65】等研究了人工湿地的水力影响；MarinoaGudarof66】研究了在亚热带人工湿地营养物质去除的水力平衡；V弧silios【6刀等研究了在沼泽湿地中的水力停留问题；Jo锄Garcia【68】等研究了三级处理芦苇床中水力停留时间问题；新西兰水和大气研究所的TaIlIl069】等研究了人工湿地堵塞后有机物的积累情况；波兰农业大学的R．yszard掣70】初步研究了潜流人工湿地处理生活污水的堵塞现象，并提出一个简单的理论方程来描述堵塞后的孔隙率变化【711。国外针对潜流人工湿地水力学性能影响因素的研究主要集中在填料性质、湿地几何尺寸和进／出水口位置等上面。1994年willi锄【。72】等研究了粗砾、豆砾以及砂三种填料的芦苇潜流人工湿地水力传导性，实验结果发现豆砾是潜流人工湿地填料较好的选择，其水力传导性较好，不易堵塞；2003年Florent【73j等将活塞流离散模型(DPFM)和多釜串联模型(STSM)运用到潜流人工湿地水力学研究中，通过示踪剂实验指出其更适合模拟潜流人工湿地中的非理想流动；2004年Jo锄【74】等通过示踪剂实验研究了长宽比和填料粒径对潜流人工湿地水流状态的影响；2006年sulim趿【75，76】等研究了进／出水口位置和填料装填方式对潜流人工湿地水力学性能的影响。国内对人工湿地运行中和建造设计时的水力学问题研究更少。胡康斟叫1991年研究了人工湿地设计中的水力学问题，这是我国国内最早研究人工湿地水力学问题。1997年，王久贤【77】对白泥坑人工湿地水力学计算进行了研究，并经过中试试验，得到了系统对COD去除的反应速率方程，由示踪剂试验确定了系统中水流的停留时间分布(TRD)，提出TRD的不同是湿地处理效率差异的主要原因。2001年，中国科学院水生生物研究所吴振斌、付贵萍等【7弘80】对垂直流人工湿地水力学特点进行了研究。2003年，东南大学的王世和等【81】研究了水力条件对人工湿地处理效果的影响。1．412．潜流人工湿地水力学特性研究方法在有关流体的研究领域中，理论分法析是利用简化的流动模型假设，给出所研究问题的解析解或简化方程；实验法是以地面观测和测定试验为主要手段进行研究；数值模拟是以计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法达到对流场问题进行研究的目的M引。人工湿地污水处理技术目前还处于发展阶段，尤其是在我国还没有比较成熟的设计参数，其工艺设计也还处于试验阶段f13】。潜流人工湿地的水力学设计普遍采用达西公式【83】。杨崇豪，郑志宏【84】认为，潜流人工湿地的填料床一般由砾石和砂石等组成，合理布置的进水配水系统，使得污水能充满填料缝隙并处于饱和 北京化工大学博士学位论文状态，保证潜流水的流动状态为层流态，根据达西定律，得到方程1．1。沈耀良等人【13】贝0指出，当湿地水流处于层流状态时，一般用达西定律，而当雷诺数(尼)大于1．10时，不宜用达西定律来描述。在湿地中如果水流扰动较大，可采用如1-2所示的厄刚(Ergull)公式来描述【85-871。u=oc·s式中，“一潜流流速；s一水力坡度；仅一潜流渗透系数，到目前为止尚无准确的确定。S=口y+∥矿2(1．2)r，、1．口=150∥【(1一占J／dpgJ2／昭∥=1．75(1一s)／dp昭式中，系数仅和D是依赖于介质的粒径、孔隙率、水温等因素，一般要由实验确定；∥一动力粘度；其中，￡一介质孑L隙率；磊一介质直径；p一流体密度；g一重力加速度。传统上研究水力学，常常以模型实验为主要手段，即以水力学相似理论为指导，把实际工程缩小为模型，在模型上预演相应的水流运动，得到模型水流的规律性，再把模型实验成果，按照相似关系换算为原型的成果，以满足工程设计的需要。然而模型实验却存在一些目前难于克服的困难。大多数量测仪器将不可避免的局部改变流场、温度场和浓度场，使量测结果带有误差；模型实验所花的成本也常常大大的高于计算机运行成本，对于很多装置的优化设计，采用模型实验的方法常常需要做无数次的实验才能得到理论最优体型，花费了大量的时间。近年来，随着紊流理论的发展和计算机计算能力的提高，数值模拟有了较大的发展，应用数值计算对水力学问题进行研究成为了一种趋势，应用范围广泛并在许多方面取得了令人满意的计算成果。和模型实验相比，数值计算具有花费少、速度快、信息完整、模拟能力强等优点，能节省大量的人力、物力和财力，应用数值计算解决水力学问题有着广阔的前景。在已有的潜流人工湿地水力学特性的研究中，普遍采用的也是模型实验方法，利用示踪剂法预演相应的水流运动，得到水流的规律性。该方法在提供湿地的流体流动状态中存在很大的缺陷。首先，示踪剂法本身涉及到示踪剂及其注入方法的选择等诸多问题；其次，人工湿地内除了具有比表面积大，吸附能力强的介质以外，还具有活性的植物根系和介质表面附着的生物膜【881，因此对示踪剂的要求更高。再者，该方法费时费力，同时不能提供全流场信息。因此，有必要利用更为先进的数值模拟作为研究方法和设计工具来探讨潜流人工湿地水力学特性，优化潜流人工湿地水力学设计。计算流体动力学(ComputationalfluiddyIl锄ics，缩写为CFD)是流体力学14 第一章绪论理论研究的一个分支，它主要通过有限差分、有限单元或有限体积等方法将控制方程离散后，利用计算机进行数值求解，最终通过数值模拟获得流体在特定条件下的有关信息【891。1960年代，CFD伴随着计算机技术及数值计算方法的进步而迅速发展起来成为一门新兴学科；在1970年代，作为一种工程研究和设计手段CFD开始应用于核工业和航空制造业；1980年代初期，CFD技术被引入汽车制造业和化工领域；1990年代，随着计算机技术的飞跃发展，计算机成本的逐渐下降和性能不断改进，CFD技术才在一般工程设计中得到广泛应用，经过几十年的发展，现在已相当成熟，并已经实现商品化。CFD已在很多专业领域获得了广泛应用，从化工行业到飞机制造业，从汽车工业到环境科学，都有成功应用CFD的例子。但在我国对CFD的引进和推广都比较晚，直到1990年代初期商业CFD软件才开始进入我国，目前已经广泛应用到航空航天、船舶、动力、水利、化工、核能、冶金、建筑、环境等许多与流体有关领域凹’911。CFD技术的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展，它将实验研究与理论分析方法联系起来，为简化流动模型的建立提供了更多的依据，使很多简化方法得到了发展和完善【82】。CFD在产品的原型设计、参数化设计与虚拟实验、设计优化等方面均有无可比拟的优越性，与实际的实验研究相比，具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点，特别是对于投资大、周期长、难度高的实验研究来说，CFD模拟的优点更为突出【89，矧。由于能够模拟得出实际运行过程中各种状态的数据，对于设计、改造等商业或实验室应用都可起到重要的指导作用。因此，将CFD工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量。可以说，CFD是一种非常有效和经济的研究手段㈣。CFD技术的出现和发展，改变了目前采用脉冲示踪法或阶跃示踪法，通过测定反应器停留时间的分布来分析反应器水力特性的现状，解决了流体参量在反应器中均化分布的缺陷，也使利用数学模型精确模拟水处理单元在设计条件下的流动特性和行为成为可能，为反应器模拟和分析数学模型的建立提供了一种有效手段。同时，利用CFD技术有利于减少反应器分析中物理模型研究的必要性，降低研究成本，实现反应器的优化设计和运行。美国有报道表明，在污水处理厂处理单元构筑物的设计和运行中使用CFD技术后，优化了反应器的设计，解决了运行中存在的问题，反应器的处理效率也提高了10％。对于水处理设施中水力学问题的研究，利用数值计算研究方法可以拓宽实验研究的范围，减少实验工作量，每一次计算相当于进行了一次实验。通过CFD技术可以得出比较完整的定量结果，并能解决一些原来认为难以解决的问题。目前我国有关利用cFD技术进行水处理研究的文献寥寥无几，国外的相关资料也 北京化工大学博士学位论文数量有刚821。wbod【蜊等l995年采用cFD模拟计算来优化废水氧化塘设计；方型和圆形沉淀池的水力学设计中也用到了CFD技术【93，舛】；1998年TaaIldB啦皿al【95】将CFD运用到水库的水力学研究中；Dania【96】等2005年运用CFD计算优化养殖塘沉降能力设计。然而，潜流人工湿地的CFD模拟计算研究未见报道。1．5．潜流人工湿地数学模型人工湿地逐渐被认为是一项可行的废水处理方法，各种湿地模型的开发也随之开始出现。模型的目的是帮助人们设计湿地以及评估湿地的处理效果。目前，人工湿地数学模型主要是基于统计学原理、一级反应动力学及生态动力学理论来进行模拟【97】。1．5．1。衰减方程这类模型公式是建立在大量运行数据基础上的，它将人工湿地视做一个“黑箱”，仅仅依据污染物进水浓度和出水浓度，通过人为定义的简单线性方程或幂次方程对运行数据的拟合，还可能在方程中加入流量、温度、停留时间等因素的影响，从而建立一种“输出"对“输入”的统计响应关系。因此，这种先构建运行人工湿地，然后获得运行数据和设计依据的作法不可避免的带有极大的盲目性。张军、周琪等【98】根据北美数据库中相关数据建立的人工湿地污染物去除效果衰减方程如表1．4所示。由表1．4可见，其相关性普遍不高，而且出水浓度(CD)的标准误差相对于出水浓度本身来说已经相当接近。这类公式虽然简单明了、容易获得、方便易用，但是由于运行数据仅采用进、出水浓度，数据类别单一，方程构造形式简单化，使之不可能准确描述复杂多变的人工湿地条件、水质条件和气候条件等因素给处理效果带来的各种影响，因而造成设计目标和预测结果与实际观测数据之间误差很大。表l-4人工湿地污染物去除衰减方程Table1．4Regressionequationsofpollutants崩novalinSSFW16 第一章绪论注：e一出水浓度(mg／L)；岛一进水浓度(mg，L)；g一水力负荷(cIIl，fd)1．5．2．一级反应动力学模型Breell【99】的研究发现，整个湿地系统可用稳态的一级反应动力学方程来描述。根据对衰减方程的研究，美国环保署提出了被广泛接受和使用的人工湿地设计模型：一级动力学方程。澳大利亚、欧洲、美国等广泛应用一级动力学模型于湿地的设计和对湿地污染物去除效果的预测。虽然有许多局限性，但其参数的求解及计算过程都很简单，因此目前仍将其作为描述湿地中污染物去除的最合适的方程，广泛用于BOD、营养物、SS、细菌及金属离子的去除计算【100，1011。一级动力学模型是目前研究最多，应用最为广泛的一类人工湿地数学模型。湿地一级动力学方程，主要考虑处理负荷与处理效率间的关系，模型的推导以基质的降解服从一级反应动力学为基础。这些一级动力学模型有的采用体积速率常数‰来确定湿地所需的体积，有的采用面积速率常数霸来确定湿地所需的面积，‰多用于潜流型人工湿地中，而锄则在表面流人工湿地中应用更多【1％1U4J。一级动力学模型通常表达为【lU1，l∞J：c。=coexp卜尼，·f)(1-3)e=C0唧(。k彳)(1．4)式中，C一进水中污染物浓度；G一出水中污染物浓度；‰一体积去除17 北京化工大学博士学位论文速率常数；霸一面积去除速率常数；f一水力停留时间】；g一水力负荷。或者根据研究有【101，105】：e=qeXp(_k·f)(1-5)≈=尼20口卜20(1．6)式中，幻一温度为丁时的反应速率常数；岛D一温度为20℃时的反应速率常数；r一反应温度；仅一与湿地状态及季节有关的常数。由上面的基本表达式，可以引出一些改进和修正的模型，主要有以下几种：(1)引入背景浓度的一级动力学模型因为上述的一级动力学模型中只包含一个参数‰或锄。在基本表达式中，如果污染物中存在不可生物降解部分，则需在方程中加入不可生物降解物质浓度项。在湿地中，即使没有不可降解的污染物，大气或地下水的贡献、化学作用以及生物地理化学循环也会产生背景浓度。即使是BOD，由于植物枯叶或其它有机物分解生成BOD，同时内源自养过程积累并将含碳有机物释放回湿地中，也会形成l-10mL的背景BOD。于是Kadle和Knight建议引入背景浓度，低于背景浓度的污染物不能被降解，并在一级反应动力学方程中加入背景浓度项C水，从而得到下面的表达式：c—c‘=(岛一c’)exp卜后，．f)(1．7)c√=(Co-C1)e文。％)(1．8)(2)加入描述水力负荷变化对尼值影响的模型加入描述水力负荷变化对尼值影响的参数历，从而修正尼值。但参数聊的引入不能消除水力负荷对背景浓度的影响。后，=尼，·g”(1-9)(3)加入表征扩散特性的参数的动力学模型湿地示踪实验结果与考虑扩散的二维速度场相类似，所以在方程中加入扩散参数，得到1．10所示表达式。这个改进的模型表达式由于其中参数的不确定性和计算式的复杂性目前研究和应用较少。c．C．46ex《譬)co_∥一⋯)2exp(警卜6)2exp(一譬](1．10)b=、31+4D。憾I 第一章绪论式中，只，一觑切数；D口一D口m勋^胁数。由于人工湿地去除的主要污染物是有机物，所以很多学者专门针对有机物等去除机理和污染物削减过程的模型进行了研究。Nitiso阳Vut掣106】以城市污水为处理对象，考察了BOD的降解速率，建立了盐度抑制的一级动模型，并将实验结果绘制成计算图表，可用于在不同盐度影响下的人工湿设计与预测。杨崇豪，郑志宏【州对人工湿地有机物去除的模型进行了探讨。他们根据SSFW床中污水的流态，及由于微生物作用使污水浓度随水流方向降低的特点，把SsFW污水生物处理反应器概化为推流式纵向分散型生化反应器(Pllshingnowdif觚ebio．reactor)，并通过推导得出了SSFW床中有机物的去除规律。廖新悌、骆世明【107】等以风车草人工湿地处理猪场废水，研究人工湿地处理废水有机物的动态模型。他们首先根据反应器中反应物的流动特征和净化机理，把人工湿地看作推流反应器。并认为反应物浓度随空间和时间而变化，且遵循方程1．4所示关系。方程中，七反映湿地废水COD的降解速度。它与废水性质、进水特征、废水处理系统的整体特征以及系统运行的环境条件等有关。由方程可以看出，在进水COD和反应时间一定的情况下，出水水质仅与尼值有关。因而，他们分别在不同的进水水质和温度情况下，对后值进行了估算，并由此预测了不同水力停留时间的风车草人工湿地出水COD。该模型可用于具推流反应器原理的人工湿地有机物的去除过程。1．5．3．Monod动力学模型在传统的污水处理设施和附着型生物处理系统中，可以观察到随着进水浓度的增加，反应动力学会从零级变为一级。所以假设湿地中的生物过程与其他的生物系统一样，符合Monod动力掣1081。同济大学史云鹏【1叫等通过研究也认为，Monod动力学模型与一级动力学模型相比更符合微生物处理的实际情况，更适用于那些微生物起主导作用的污染物降解过程。虽然Monod动力学模型从微生物反应规律来说更符合实际情况，但在具体应用计算方面，涉及到生化反应动力学方面的一些参数的确定，使计算过程较难实现，但我们可以利用Mnodo动力学模型，通过简单的计算推导，来优化一些人工湿地系统的一些水力学参数№3|。1．5．4．生态动力学模型人工湿地的生态动力学模型是以“箱式"模型理论为基础，将人工湿地系19 北京化工大学博上学位论文统中各种生物、物理、化学降解去除途径划分成许多个独立的“箱子”(Comp矧ments)和反应过程，针对每个降解去除途径和反应过程分别进行深入细致的研究，分析它们互相之间的协调拮抗作用和控制影响因素，对每个“箱子"及反应过程进行定义，确定其具体的质量平衡方程、反应公式(一般为动力学方程)和相关动力学参数，并通过实验测定、文献查找等方法获得各种相关生态动力学参数，然后运用各种建模软件对概念模型进行实现，并以人工湿地系统的运行数据对各个参数和过程定义进行分析、演算、校验和修正，最终得到一个统一完整的生态动力学模型【63"98】。目前对人工湿地生态动力学模型的研究还刚刚起步。2001年wvnn【llo】等提出了水平潜流人工湿地的箱式机理模型。模型由6个彼此关联的模块组成，分别为碳循环、氮循环、水平衡、氧平衡和异养细菌及自养细菌的代谢。模型建立在15组动力学方程之上，涉及42个物理、微生物和生物参数。用串连釜式反应器描述水流的混合状态，用Darcy公式描述空隙流。模型采用STELLA软件实现。Langergrab一111，1121借鉴了Henze【113】等提出的活性污泥模型(ASM)对生化反应过程的描述，提出基于将污染物多组分划分，涉及不同组分传质、降解多项过程的cw2D(constmctedwetland2．DimeIltional)模型。模型详尽地给出了在人工湿地中废水主要组分的传质与反应动力学。waIlg等对表流人工湿地中磷生态动力学模型的研究表吲¨41，虽然各种生态动力学模型所采用的概念示意图大同小异，但模型中对各个途径的动力学描述和在软件中的实现方法，因各位学者观点的不同可能存在着相当大的差异。而且模型中设计植物、微生物的生长、死亡，土壤中物质的运移等多个学科的交叉，这一复杂性也导致模型中采用了一些经验公式而非机理公式，再加上模型实验方法仍未完全成熟，致使大量的模型参数中有些难以实验测定或不得不采用估算值和类似的文献值【29】。虽然在生态动力学模型中污染物形态划分细致，多介质、多途径、去除和释放过程并存，协调和拮抗作用同时发生，对人工湿地的各个降解去除过程都单独模块化，都有相对独立的参数和方程进行描述，较衰减方程和一级动力学模型为详细准确。但是由于生态动力学模型公式各不相同、模型参数纷繁复杂、实验手段没有建立和完善等种种原因，以及生态动力学模型的一些假设，导致目前生态动力学模型对人工湿地设计和预测的应用受到一定限制，还仅限于考察和研究人工湿地中的物质循环。另外，目前对人工湿地生态动力学模型的研究还刚刚起步，对各个污染物降解去除途径的动力学方程的认识仍未统，模型参数的选择、物理意义及其测定方法也各不相同，因此其可比性也无从谈起f98】。20 第一章绪论1．6．本研究的意义及目的人工湿地污水处理技术是一项投资省、处理效果好、运行和维护方便的生态污水处理技术。与表流人工湿地相比较，潜流人工湿地具有负荷率高，占地面积小，处理效果可靠，耐冲击负荷和不滋生蚊蝇等优点，因此应用范围更广泛，正受到环境工程界越来越广泛的重视和关注【15，16，1151。在潜流人工湿地污水处理系统的设计中，因为污水的流动直接影响着污染物质的迁移、转化，所以人工湿地的污水净化效果在很大的程度上与水流方式有关，因此，水力学因素非常重型64，73，1161。一个水力条件适宜的设计，不仅可以提高系统污染物去除效率，达到较好的处理效果；而且可以节约占地，减少投资，缩短施工时间，达到最佳的工程效益【74，117，‘181。人工湿地水力优化研究对于人工湿地的水流特征、净化机理以及人工湿地的推广、应用，均具有重大的意义，有着直接的经济效益和社会效益。潜流人工湿地的水流和净化过程主要在湿地内部，难以直接观察。如前所述，目前国内外在潜流人工湿地水力学方面的研究却较少，人工湿地水力学的设计准则大都是一些粗浅的经验，而且多采用模型实验通过示踪剂法【63，119】进行研究。通过示踪剂研究潜流人工湿地水力学的方法费时费力，有时还不能实现。因此，有必要利用更先进的数学模型法作为设计工具来优化湿地设计。随着电脑运算能力和计算流体力学方法的不断进步，对流场的高度数值模拟成为可能。通过计算流体力学(CFD)的模拟计算来评价和优化设计方案，可以在获得直观、快捷结果的同时大幅度地减少试验研究工作量。CFD数值模拟计算可以提供较为详尽的流场信息(包括全流场水流流态，速度分布等)，揭示很多物理模型无法表达的信息(如局部流速，短流形态、颗粒停留时间和运行轨迹等)，而且已有文献报道了CFD技术在水处理设施的水力学优化设计中的应用，但这些水处理设施仅限于稳定塘、表流人工湿地、水库和沉淀池等。相比之下，流体在潜流人工湿地中介质填料问的流动有很大的不同。但到目前为止，采用CFD对潜流人工湿地的研究还未见报道。本研究将潜流人工湿地中进口和出口附近的由粒径远大于主体填料的小部分碎石区分别定义为布水区与集水区，主体填料区定义为净化区。在已有的关于潜流人工湿地的文献中，未见关于分层式净化区结构和布水与集水区结构的潜流人工湿地及其影响因素的研究。本文采用CFD研究方法，分别探讨分层式净化区结构的潜流人工湿地和布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性及其对废水中有机物的去除，以期有助于今后的潜流人工湿地设计工作。21 北京化工大学博士学位论文1．7．本研究的内容及技术路线图1．6为本文的研究思路和主要内容。本文研究思路：从课题组设计和承建的锦州现场潜流人工湿地出发，建立潜流人工湿地的二维物理和数学模型，并通过CFD的计算模拟来考察潜流人工湿地的水力学特性及污染物去除能力。主要的研究内容包括：(1)锦州现场人工湿地系统介绍，着重对潜流人工湿地系统及填料床结构进行了分析；(2)通过对现场潜流人工湿地的合理简化，建立潜流人工湿地物理模型；(3)数学模型的建立与分析；(4)潜流人工湿地水力学特性研究(包括分层式净化区结构和布水与集水区结构的潜流人工湿地水力学特性研究)；(5)潜流人工湿地处理废水中有机污染物的研究(包括分层式净化区结构和布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机物的去除)。广⋯一⋯一⋯一⋯一⋯一⋯一⋯一’一。一⋯一⋯一’一⋯一‘一．r’。。’’‘。。。。。。。。。。。。1图1-6本文的研究思路和主要内容Fig．1-6Researchmought锄dmaincontentsofthispaper图1．6虚线框内的内容显示：本文研究的CFD模拟对象是分层式净化区结构的潜流人工湿地和布水与集水区结构的潜流人工湿地；研究内容集中在水力学特性及有机物的去除上面。其中，有关布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性的研究中，分别考察了集水区(层式和护管式)和布水区(层式和护管式)对 第一章绪论潜流人工湿地水力学性能的影响以及布水与集水区在水平方向和竖直方向上的设置。在布水与集水区结构潜流人工湿地内有机物的去除的研究中，未再对集水和布水区的影响进行单独考察，而是根据水力学特性研究成果，选取水力学效能较高的布水与集水区设置(护管式、水平层式和竖直层式)进行研究。本文的具体研究内容及技术路线如图1．7所示：(1)绪论。介绍人工湿地及潜流人工湿地的基本情况，提出本研究的意义及目的，介绍本文研究内容；(2)潜流人工湿地模型的建立及求解。从从简单介绍模拟对象一课题组建成的锦州现场潜流人工湿地入手，详细描述潜流人工湿地物理模型的建立及模拟计算所采用的数学模型和求解过程，同时分析潜流人工湿地水力学性能定量评价参数；(3)分层式净化区结构的潜流人工湿地水力学特性研究。研究分层式净化区结构(进口位置、介质阻力和护管区)和操作条件(进口速度和出口压力)对湿地水力学性能的影响；(4)集水区对潜流人工湿地水力学性能的影响。研究层式和护管式集水区对潜流人工湿地水力学性能的影响；(5)布水区对潜流人工湿地水力学性能的影响。研究层式和护管式布水区对潜流人工湿地水力学性能的影响；(6)布水与集水区结构的潜流人工湿地水力学特性研究。研究水平和竖直式布水与集水区对潜流人工湿地水力学性能的影响；(7)潜流人工湿地处理废水中有机污染物的研究。研究分层式净化区和布水与集水区(护管式、水平层式和竖直层式)结构的潜流人工湿地内有机物的去除；(8)结论与建议。总结本文主要研究工作和结论，对潜流人工湿地的CFD模拟提出展望，指出本研究的不足之处。 北京化工大学博士学位论文锦州现场人工湿地L圳垴静l甜锅}I”I7””⋯”l第二章物理模型的建立潜流人工湿地模；。}一。⋯一l型的建立及求解日数学模型及求解方法习俣囊i异}}⋯●第三章进口位置的影响湿地结构分层式净化区结介质阻力的影响=^构潜流人工湿地[冷V的影噙护管区的影响水力学特性研究进口速度的影响操作条件^一的影响第四章出口压力的影响集水区对潜流人工湿地水力学性{7水能的影响介质阻力的影响!；层式集水／——÷^：办厂^布水区一州集／布水区高度的影响：学第五章}特布水区对潜流人集／布水区宽度的影响护管式臻}性工湿地水力学性I】}研能的影响集，布水区高度的影响y水／布东区；究单独设置布水，集水区水平式布^、水与集水第六章同时设置布水／集水区一∥布水与集水区结区构潜流人工湿地[玲单独设置布水，集水区竖直式布水力学特性研究入同时设置布水／集水区一幸水与集东区：有分层式净化区I<分层净化：机第七章l区水力学护管式布水与集水区研究!物潜流人-T湿地处日}去理废水中有机污水平层式布水与集水／布水与集+除染物的研究＼水区水力研竖直层式布水与集水究学研究第八章结论与建议图l-7本文具体研究内容及技术路线Fig．1-7Concrcteresearchcontents柚dtechniquerouteofthispaper24 第二章潜流人工湿地模型的建立及求解2．1．引言本文的研究思路是：从课题组建成的锦州现场人工湿地系统出发，建立潜流人工湿地二维模型，并通过计算机模拟来考察潜流人工湿地的水力学特性及污染物去除能力。本章从课题组设计和承建的锦州现场潜流人工湿地入手，详细描述了潜流人工湿地物理模型的建立及模拟计算所采用的数学模型和求解过程，同时分析了潜流人工湿地水力学性能定量评价参数。可以说，本章内容是以下几章关于潜流人工湿地水力学特性和污染物去除研究的基础。2．2．现场人工湿地系统介绍2．2．1．现场人工湿地系统北京化工大学环境工程与技术中心承担的沈阳军区装甲部队某部营区(锦州)生活污水人工湿地处理工程，日处理生活污水500m3，湿地建设面积为2500m2。该人工湿地处理系统的工艺流程如图2．1所示。一级处理图2．1锦州人工湿地处理系统工艺流程图Fig．2-1Processnowdia莎锄ofconstnlctedwetlandsySt锄atJinzllou25 北京化工大学博上学位论文如图2．1所示，污水在进入人工湿地之前，经格栅和沉淀池的一级处理去除大部分固体悬浮物，然后经污水泵进入两级潜流人工湿地系统进行二级处理，出水经表流人工湿地的三级处理后进入蓄水池进行中水回用。此外，沉淀池污泥通过污泥矿化植物床进行处理，矿化植物床出水回流至沉淀池进行进一步处理。进行污水二级处理的人工湿地单元为潜流式，其系统及填料床结构示意图分别如图2．2和2．3。图2—2潜流人工湿地系统的结构示意图Fig．2-2StructureschemeofSSFWsystem如图2．2所示，潜流人工湿地周围衬有防渗膜；并有堤坝作为外围保护圈，以防止在暴雨情况下地表径流水进入系统；内部有给排水管道和碎石、活性介质、草性物质等填料；湿地最上面种有芦苇。111097621．防渗膜i2．细河沙；3．集水管；4．24mm千if护管；5．13mm石子护管；6．24mm壬i灰彳i层：7．24mm石子层；8．布水管；9．131nln石子层；10．人二r介质；11．草性物质图2．3潜流人T湿地的填料床结构示意图F唔2-3S仃uctureschemeofSSFWfilterbed潜流人工湿地填料床是湿地系统主要组成部分，其结构如图2．3所示。填料26 第二章潜流人工湿地模型的建立及求解共6层：最下面是细沙，往上依次是粒径为24mm的含钙石灰石层、粒径为24mm的石子层、粒径为13nlIIl的石子层、活性介质层和草性物质层。湿地床内的给排水管设有护管层，由内到外分别是粒径为13Im和24111nl的碎石。另外，该潜流人工湿地系统所采用的活性介质填料是自行开发的有别于其它人工湿地的生物活性介质，主要成分如表2．1所示。表2．1活性介质主要成分Table2-1Mainc伽ponelltsofmeactiVemedi岫iIlSSFW2．2．2．现场人工湿地系统运行效果该人工湿地处理系统设计进、出水水质分别如表2．2所示。表2-2锦州人工湿地系统的设计进水和出水水质Table2—2Qualityofinletandourletwatedes西forcons仃uctedwetlandsystenmatJin吐0u自2006年9月，人工湿地系统正式投入运行以来，对进水和出水中的污染指标进行了同常监测。pH、COD、SS指标为每日测定，NH3-N和TP为每周测定，BOD5指标为不定期测定。通过半年来运行情况记录显示，经过两个月以上的微生物环境适应性阶段后，出水中所有污染指标全部达标。2006年12月，锦州市环保局环境监测站对该人工湿地系统的出水检测结果表明，该人工湿地工程出水全部指标达标，并且有些指标还大大超过设计标准要求。检测结果见表2．3。27 北京化工大学博士学位论文表2．3锦州人工湿地系统出水检测结果1hble2—3DetectionresultsofmeoutletwaterforconstmctedwetlandsystenmatJinzhou2．3．潜流人工湿地物理模型的建立为了通过数值模拟考察上述潜流人工湿地水力学特性及污染物去除能力，将潜流人工湿地简化为如图2—4所示结构(模拟的潜流人工湿地示意图)。从图中可以看出布水与集水管将人工湿地分成若干个对称的单元(图2．5a)。根据对称原理，本研究选取相邻的布水与集水管之间的垂直区域为研究对象(图2．5b)，通过简化得到潜流人工湿地的二维模型(图2．5c)。图2-4模拟潜流人I：湿地示意图Fig．2-4SketchofSSFWforCFDmodel 第二章潜流人工湿地模型的建立及求解(a)潜流人工湿地对称单元(b)模拟区域三维模型(c)模拟区域二维模犁图2．5潜流人工湿地二维模型简化过程图Fig．2-5Simpli6cationprocessofthetwo—dimensionalmodelforSSFW墨漏P】am-soillayer；一Media；妒Jnle⋯n‘】ujt；◇outIetc。nduit：lInlet；§Outlet；—多Inletwater：⋯穆0ut】etwater(a)AsymmetriccelloftheSSFⅣ；(b)7nlree—dimensionalmodelofsimulateddomain；(c)T协o．dimensiona】modelof鲥TTlulateddonlain2．4．潜流人工湿地数学模型及求解本研究采用nuent计算流体力学软件对潜流人工湿地进行模拟。选用多孔介质模型模拟潜流人工湿地中的流体流动，选用壁面表面反应模型模拟潜流人工湿地中有机物的去除。2．4．1．数学模型的描述1．多孔介质模型(1)连续性方程等+导(∥，)=氏(2_1)ot0x．、。其中，p一流体密度；“一流体速度矢量；品一质量源项。(2)动量守恒方程【120，川】多孔介质动量守恒方程是在动量方程中添加了附加动量损失源项&，如方程(2—2)所示。附加动量损失源项S由两部分组成，一部分为粘性阻力损失源项，另一部分为内部阻力损失源项，分别为方程(2—3)中右边第一项和第二项。鲁(肛I)+丢b，，)=一筹+挈+昭j蝇(2-2) 北京化工大学博士学位论文冥中，尸一静压；～一应力张量：昭一重力体积力；S一附加动量损失源项。墨：-f壹‰∥蚝+壹q吾尸l蚝l“，1(2．3)＼，=l产I上／铲憾+计磕毛仁4，假设填料为直径和孔隙率均匀的各向同性多孔介质，则可以简单地指定D{，和Cf『分别为对角阵l旭和C2，得到方程(2．5)：s=一(詈吩+c"三pl吩J吩)(2．5)对于在很大范围雷诺数内和许多类型的充满形式，有：口=篙南仁6，c：=荨学(2-7)(3)能量守恒方程[120，121】鲁∞办(1一占p^)+砉cD一^，)=毒(后万筹]Q。8’一占毒≯_+占鲁⋯膳等侧+(1_洲方程(2．8)右边的前三项分别描述了热传导、组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。其中，下标／和s一分别指代流体和固体；占一介质的多孔性；五一焓；巧一组分／的扩散流量；s一体积热源项；锄一介质的有效热传导系数。尼够=占尼，+(1一g)后，(2．9)其中，知和忽一流体和介质固体的热传导率。2．颗粒轨道模型选用拉格朗日离散相模型中的颗粒轨道模型模拟液相流场的停留时间分布，通过停留时间分布特征函数值定量分析潜流人工湿地的水力学性能。在拉格朗日离散相模型中，流体相被处理为连续相，直接求解时均纳维一斯托克斯方程，而离散相是通过计算流场中大量的粒子或液滴的运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。该模型的一个基本假设是， 第二章潜流人工湿地模型的建立及求解作为离散的第二相的体积比率应很低。粒子或液滴运行轨迹的计算是独立的，而且被安排在流相计算的指定的间隙完成。(1)轨道的计算颗粒运动方程：鲁=乃b，)+掣弘埘券等(2-11)岛《24P～7足=型竺睦二型(2．12)。∥其中，％一颗粒速度；办一颗粒密度；而(珈坳)一颗粒的单位质量曳力；磊一颗粒直径；尼一相对雷诺数(颗粒雷诺数)；CD一曳力系数，对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，cD可采用(2．13)或(2．14)的表达式【122，123】：c一-+凳+卺仁㈣cD=扣州2)+最·(2-14’2jl=exp(2．3288—6．4581+2．4486甲3)如=o·o?64+o·556胖、玩=exp【4．905一13．8944甲+18．4222甲2一lo．2599甲3)钆=exp(1．4681+12．2584甲一20．7322甲2+15．8855甲3)其中，对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内，al、0【2和0【，一常数；妙一形状系数。轨道方程的积分：颗粒轨迹方程是在离散的时间步长上逐步进行积分运算求解的。颗粒轨道通过下式可以得到：出面="p(2—15)沿着每个坐标方向求解此方程就得到了离散相的轨迹。假设在每一个小的实际间隔内，包含体力在内的各项均保持为常量，颗粒的轨道方程可以简写为：等：÷G玛)dltP、p。(2-16) 北京化工大学博士学位论文应用梯形差分格式对方程2．16积分：华：≯一“尹-)+．．．△ff、’7“‘=抄∥)甜肿1=“”+△胁：·V““(2—17)其中，％一颗粒松弛时间；力一代表第刀次迭代步。(2)颗粒的湍流扩散颗粒的湍流扩散既可以通过随机轨道模型，也可以通过颗粒群模型来加以模拟。本研究中采用后者。基于颗粒随机输运模型的颗粒群模型是由运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散【124也61。通过计算颗粒的系综平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道’’。颗粒群以点源形式或以一个初始直径状态进入流动区域。当其穿过流动区域时，颗粒群由于湍流扩散作用而发生膨胀。颗粒在此颗粒群的位置由概率密度函数确定，而概率密度函数的期望值正处于颗粒群轨道的中心。由停留时间f和位置工，两个参数确定的概率密度函数表示在颗粒群内存在颗粒的概率。这个概率乘以颗粒群代表的颗粒质量流率朋就得到了颗粒的平均数密度。(咒G，))=m叱，f)(2．18)颗粒位置的概率密度函数假定服从多维高斯分布。那么，其数学特征完全由其期望肚和方差Z所确定，其表达式为：如)2赤g枷’(2-19)在一个确定的时刻，概率密度函数的均值(或颗粒群中心)代表了颗粒在颗粒群中的平均位置。通过对由颗粒群运动方程定义的颗粒速度的积分就获得了颗粒的平均位置：∥，O)=(_O”=J(KO，糖。+(一(o))O(2—20)概率密度函数的方差确定了颗粒群的半径。这个方差盯殛)可表示成两个湍流统计量的函数：仃；20)：2l(k(f：开)弘，^r。妣32(2—21) 第二章潜流人工湿地模型的建立及求解碳：，‘)2躺(2．22)其中，(k；．，O：汗)一速度脉动均方值；B．∥也，^)一颗粒脉动速度相关函数。一旦确定了颗粒群所涵盖的计算网格后，在这些网格上的流体物性将取关于平均颗粒轨道的系综平均，而颗粒的平均轨迹则通过对时间的积分得到。3．壁面表面反应模型潜流人工湿地中有机物的去除采用的是通用有限速度模型中的壁面表面反应模型。通用有限速度模型方法基于组分质量分数的输运方程解，采用定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程中的。计算反应速度有几种方法：从AmleIliuS速度表达式计算；从Ma印llsseIl和Hjenager的漩涡耗散模型计算【127】；或者从EDc模型计算【1281。本研究采用加Thenius速度表达式计算反应速度。(1)壁面表面反应的舢meIlius反应速率考虑如下写为通用形式的第，．个壁面表面反应：∑嵋，鸩』q=∑嵋，M(2—23)f=Il=l其中，Ⅳ一系统中总的化学物质数目；y；．，一反应，．中反应物，的化学计量系数；哆一反应，中产物，的化学计量系数；M，一物质I的记号；尼，，，一反应，．的正向速率常数。方程2—23中的和是针对系统中的所有化学物质，但只是那些具有非零化学计量系数的反应物和产物。因此，不涉及的物质将在方程中去除。反应厂中物质，的产生／摧毁摩尔速率由下式控制：，，^，，印j，、定，，=(嵋，一y7，，r)Io．，兀Iq，，I(2．24)L』刊／其中，M一反应，．中的化学物质数目；G，一反应，中每个反应物和产物_，的摩尔浓度；巩，一反应r中每个反应物和产物／的正向反应指数。反应厂的正向反应常数尼，，按mThenius公式计算：七，．，=4丁伊P一矗他7(2．25)其中，么，一指数前因子(恒定单位)；屏一温度指数(无量纲)；B一反应活化能；尺一通用气体常数。 北京化工大学博士学位论文(2)壁面表面反应边界条件对于壁面表面边界条件，反应表面的物质浓度计算基于进入(或离开)表面的每种物质的对流和扩散平衡，以及它在表面消耗(或产生)的速率。物质，的这种通量平衡可以记为：以‘元一％Z，伽2耳(2-26)其中，元一垂直于表面的单位矢量；Z一物质f的扩散通量；群一由于表面反应的物质f产生速率；，fl却一总的质量沉积速率；y；，。，，一壁面上物质f的质量分数。用方程2．26可以得到壁面处物质f的质量分数和单位面积物质f的净产生速率的表达式。2。4．2．网格的生成模型的计算网格采用G锄bit2．2．30生成。选用收敛性很好的四边形网格进行划分，并在进出口位置进行网格加密，优化网格质量，进一步提高计算的收敛速度。2．4．3．边界条件及收敛的判断(1)进口采用速度进口(Velocitv-inlet)边界条件。(2)为了计算的需要，当进行流体力学特性研究时，出口采用压力出口(Presure．outlet)边界条件；当对有机物去除进行研究时，出口采用出流(Outnow)边界条件。(3)布水区、净化区与集水区三者之间采用内部边界条件。(4)其余四周采用壁面边界条件。另外，当连续性方程、动量方程中变量的残差均在10击以下，且不随计算发生改变时，认为计算收敛。计算过程中为了计算的收敛对压缩因子进行随时调整。2．4．4．数学模型的求解在建立模型和确定边界条件中，采用了如下基本假设：由于填料间空隙较小，通常流体在介质填料问的流动为层流；由于反应物浓度较低，且反应放热对流体和固体填料的温度影响很小，所以计算过程中假定流体和固体填料物理性质(包括密度、粘度等)不发生变化；由于介质填料选用二氧化硅物质，其导热系数较小，所以计算过程中假定该固体填料为绝热；流体在湿地入口处速度与温度均匀 第二章潜流人工湿地模型的建立及求解分布；壁面与外界绝热且无热辐射。算法采用nuent中的二维定常分离解算器。当对湿地流体力学特性进行研究时，由于采用的是绝热壁面，且没有反应发生，故求解过程中，能量方程的计算未考虑热传递的影响。当对湿地有机物去除进行研究时，选取通用有限速度模型中的壁面表面反应模型对有机物的去除进行模拟，计算过程中考虑了进口扩散和热扩散等影响因素，对物质运输、反应和能量方程进行了计算。2．5．潜流人工湿地水力学性能评价参数潜流人工湿地CFD模拟可以通过流场图获得较为详尽的流场信息，对潜流人工湿地水力学特性的研究十分有利；同时，在获得液相稳态流场的基础上，通过选用拉格朗日离散相模型中的颗粒轨道模型模拟液相流场的停留时间分布还可以实现对潜流人工湿地水力学性能的定量评价。因为微粒子对液相流场有很好的跟随性，粒子群的停留时间及其分布可以近似表达液相流场的停留时间及其分布，从而可以得到模拟区域的液相流场的停留时间分布函数特征值一平均停留时间(‰册)和标准差(盯)等。根据方程(2．30)和(2．31)对‰彻和盯进行标准化，得到标准停留时间(f19)和标准方差(方)[129，1301。利用这两个参数可以对潜流人工湿地水力学性能进行定量评价。(2·27)(2—28)(2-29)(2-30)％z：乏(2-31)％2了‘2。31)式中，‰蚴一平均停留时间；厂(f)一停留时间分布函数；厶一名义停留时间；％一湿地体积；％一体积流速；幻一标准停留时间；衫一标准方差。通常人工湿地可以看作一级生化反应器【801。停留时间及其分布是影响这一生35胁一Ⅳ一慨f一／¨V一一厂§Ir与m一、==，一谚一谚r一^：，一、=：，=咖一几：：r正r由力堕』一r％一％却‰一乙咖II2= 北京化工大学博士学位论文化反应器内污染物去除效率的两个重要因素。冶增大，污染物作用时间增加，有利于其在人工湿地内的降解。根据反应器理论，对于一级反应，推流(衫=o)不仅比混合流(衫=1)所需要的反应容积小，而且反应物降到同一浓度所需反应时间更短，即反应的效率更高【131，1321，因此人工湿地中，衫越小，水流愈接近推流，反应的效果愈好；而相反水流的混合程度高，则不利于湿地反应器净化作用的发挥。根据文献【76，1331，水力学效能(九)可以综合分析停留时间(冶)和散度(∥)对水力学性能的影响。其物理意义是湿地出口示踪剂浓度达最大时所花费的时间(珈)与湿地名义停留时间(厶)之比，由方程(2．33)定义。A值越高，湿地水力学效能越好。见=≥=幻(1一％2)(2-32)f^、’2．6．本章小节为了通过数值模拟来研究潜流人工湿地水力学特性和有机物的去除，本章根据课题组所建成的锦州现场人工湿地系统建立了潜流人工湿地二维模型；并讨论了相应的数学模型及求解方法；同时，分析了标准停留时间、标准方差以及水力学效能等潜流人工湿地的水力学性能定量评价参数。(1)针对课题组所建成的锦州现场人工湿地系统，对其工艺流程、潜流人工湿地单元以及系统运行效果进行了介绍。由于潜流人工湿地填料床是本文研究的重点，所以对锦州现场人工湿地系统中的潜流人工湿地填料床结构进行了单独分析，并在此基础上建立了潜流人工湿地二维模型。(2)针对潜流人工湿地二维模型，考虑采用nuem计算流体力学软件对潜流人工湿地进行模拟。本研究选用多孔介质模型模拟潜流人工湿地中的流体流动，选用壁面表面反应模型模拟潜流人工湿地中有机物的去除；模型的计算网格采用G锄bit2．2．30生成；模型的求解采用nuent中的二维定常分离解算器。(3)潜流人工湿地的CFD模拟，不仅可以通过流场图对潜流人工湿地水力学特性进行定性分析；同时，在获得液相稳态流场的基础上，通过颗粒轨道模型来模拟液相流场的停留时间分布，并选用标准停留时间、标准方差以及水力学效能等参数还可以实现潜流人工湿地水力学性能的定量评价。 第三章分层式净化区结构潜流人工湿地水力学特性研究第三章分层式净化区结构潜流人工湿地的水力学特性研究3．1．引言潜流人工湿地的填料床经常采用不同材质和粒径的介质填料分层组合而成，即使采用单一粒径的介质填料，由于植物根系和自然因素等的影响，也会在潜流人工湿地的上部形成一层不同于所采用介质填料层的植物根系层，使填料床形成分层结构，所以有必要对介质填料进行分层讨论。本章根据第二章锦州现场潜流人工湿地填料床结构，将潜流人工湿地中的净化区介质填料分为上、下两层，研究其水力学特性及影响因素。3．2．分层式净化区潜流人工湿地CFD模型根据第二章中得到的潜流人工湿地二维模型(图2．5)，建立分层式净化区潜流人工湿地二维模型(图3．1)，讨论进口位置(图3．2)、介质阻力(图3．2b)以及护管区(图3．3)等湿地结构型式和操作条件(进口流速和出口压力)对潜流人工湿地水力学性能的影响。L=进口上部介质_rl下部介质王出口图3．1分层式净化区潜流人工湿地二维模型Fig．3-lTwo—dimensionalmodelofSSFWwith1ayerIedpurgearea(a)进口在上层介质上部(b)进口在上层介质中部(c)进口在上层介质下部37 北京化工大学博士学位论文图3-2潜流人工湿地二维模型中进口位置的设置Fi93-2LocationofiIlleti11t、jl，0一dimensionalmodelofSSFⅣ(a)TheSSFWwimiIlletattopedgeoftheuppermedia；(b)TheSSFWwimirlletatmiddleedgeoftheupperm础a；(c)TlleSSFWwiminletatbottomedgeoftheuppermediaa㈧：进朱上部介质{Lr．．——◆I。b协年下部介质王厂／出口-1rI．LbL图3．3设置护管区的潜流人工湿地二维模型Fig．3-3Two-dimensionalmodelofSSFWwithprotectionarea3．3．模型几何参数及CFD模拟条件模型几何参数及CFD模拟条件如表3—1所示。表3．1模型几何参数及CFD模拟条件Table3—1GeometricparametersaIldsimulationconditionsofCFDmodel38 第三章分层式净化区结构潜流人工湿地水力学特性研究3．4．进口位置对水力学性能的影响为了考察进口位置对潜流人工湿地水力学性能的影响，设置了如图3．2中口、6和c所示的三种不同的进口位置。通过模拟计算，用颗粒轨道模型得到的不同进口位置下潜流人工湿地内停留时间分布特征函数值来定量比较其水力学性能。进口位置对潜流人工湿地水力学性能的影响如表3．2所示。表3．2进口位置对潜流人工湿地水力学性能的影响Table3-2E行ectofinletlocationonhydraulicpe怕眦anceofSSFW从表3．2中可以看出，进口位置在上层介质中部的潜流人工湿地具有较长的停留时间(幻=o．859)和减小的水流散度(方=o．320)，所以其水力学效能也最高(A=O．584)，而进口位置在上层介质下部的潜流人工湿地与其他两种进口位置的湿地相比较，其水流散度大很多，(衫=o．602>o．387>o．320)，所以其水力学效能最低(A=O．335)。39 北京化工大学博士学位论文从不同进口位置潜流人工湿地内部速度矢量图(图3．4)分析，其原因可能是：当进口位置在上部时，水流在潜流人工湿地的进口位置附近有部分回流而在下层介质中部有部分混合(如图3．4口)，从而影响了湿地水力学性能；当进口位置在下部时，进入上层介质水流很少(如图3．4c)，而这一部分水流很可能形成死水，表现在停留时间分布上就是散度增大，从而影响了湿地水力学性能。(a)进口位置在上层介质的上部(b)进口位置在上层介质的中部(c)进口位置在上层介质的卜I部爨；蒜l}￡羹“一o。图3．4不同进口位置潜流人_L湿地内部流线图(图中白色区域内的速度超过2．93x10～m／s)Fig．3—4VelocityVector69uresofSSFWswithdef-erentinletlocation(TheValueoftheVelocitywithinthewhite6eldinthenguresisbeyondof2．93×10～ln／s)(a)TheSSFwwithinletattopedgeoftheuppermedia；(b)TheSFWwithinletatlniddleedgeoftheuppermedia；(c)TheSSFWwithinletatbottomedgeoftheuppermedia3．5．介质阻力对水力学性能的影响藤黝缀_一纛缓鍪翻缓鬻i‰缀滋㈣㈣㈥謦 第三章分层式净化区结构潜流人工湿地水力学特性研究显然，人工湿地中的介质填料是其水力学性能很重要的影响因素之一。本研究采用多孔介质模拟人工湿地中的介质填料，当多孔介质确定以后，其阻力由黏性阻力和惯性阻力构成，而黏性阻力系数(1旭)和惯性阻力系数(c2)分别由多空介质直径(磊)和空隙率(￡)决定(如方程2．6和2．7)。因此，本章节在其他条件如表3．1所示的条件下，通过改变上、下层多空介质直径和空隙率来研究上、下层介质对如图3．1所示的潜流人工湿地水力学性能的影响。表3．2为由不同粒径和孔隙率根据方程2．6和2．7得到的多孔介质阻力系数。从表3．2可以看出，1／Q远远大于o，因此1触的大小反映了多孔介质阻力的大小。表3-2不同粒径和孔隙率的多孔介质阻力系数的比较Tabk3—2ComparationofresistaIlcecoemci∞toftheporousmediawimdi任．erentVoidf}actionanddiameter变量定值参(m)s(×10’)。(×10’)×：(1旭)。二七150．0131900．0767．8l8．28130．1420O．013710．0626．9237．8548．63上层介质21．50．013550．3421．277．7437．69孔隙率25O．013319．5312．927．6321．8930O．013161．086．987．5011．03下层介质35O．01387．464．087．435．99(垆40％，40O．01349．932．527．213．42谚严O．024m即I／0【，DwP严1．465×106，300．008425．3511．347．2l29．13300．010272．229．077．0818．65CfDwr-1．367×103)30O．013161．086．986．9711．03上层介质30O．015120．996．056．948．29粒径30O．01794．195．346．886．4530O．01975．4l4．786．795．1730O．02l61．734．326．704．2341 北京化工大学博士学位论文续表250．02493．757．006．971．72260．02481．146．146．9l1．9828O．02461．504．786．792．6229O．02453．834．256．732．99下层介质30O．02447．263．786．673．41空隙率350．02425．662．216．576．27上层介质400．02414．651．376．47lO．99(8，=30％，西=O．013m450．0248．648．806．4118．63即1旭秽=1．6ll×107，500．0245．2l5．836．3730．9040O．01537．502．196．284．29钳6．980×103)400．01729．201．936．175．51400．01923．371．736．176．89下层介质400．02119．131．566．068．42粒径40O．02414．651．376．0010．99400．02711．571．225．9413．9240O．02910．031．135．7216．05上、下层介质阻力对潜流人工湿地水力学性能的影响如图3．5所示。从图3．5可以看出，潜流人工湿地水力学性能在19(1胞聊盯)从8．28下降到6．70(上层介质黏性阻力系数从4．993×106下降到1．900×108)的过程中的变化趋势与lg(1旭，D一)从5．72增大到6．97(下层介质黏性阻力系数从5．210×105增大到9．375×106)相似。这说明减小上层介质阻力和增大下层介质阻力对潜流人工湿地水力学性能的影响相似。由此，引入参数后(后=(圪)一)研究潜流人工湿地(％)如。上、下层介质阻力比对其水力学性能的影响。42 第三章分层式净化区结构潜流人工湿地水力学特性研究(a)介质阻力对标准停留时间和方差的影响龟(1凤)(b)介质阻力对水力学效能的影响图3．5介质阻力对湿地水力学性能的影响uppler表示上层介质黏性阻力系数(下层介质阻力保持不变，l／仅fD哪=1．465×lOo)10wer表示下层介质黏性阻力系数(上层介质阻力保持不变，1／a∽缈=1．6ll×107)Fig．3—5E彘ctofupperaIldlowermediaresist锄ce0nhydraulicpe而manceofSSFW(a)E艉ctofupperaIldlowermediaresistaJlce0nnonnalizedresidenttimeandVariance；(b)E腩ctofupperandlowermediaIIesistallceonhydraulice衢ciencyupper：v撕ationsof1他啊Ⅳ，as1旭，oM=1．465×100；lower：vadationsofl／‰。w，as1旭Mn矽=1．611×lO’上、下层介质阻力比(后)对潜流人工湿地水力学性能的影响如图3．6所示。从图3．6可以看出，随介质阻力比的增大，标准停留时间逐步减小至水平，而标准方差和水力学效能的变化则可以分为较为明显的三个阶段。第一阶段(1SJ|}S43 北京化工大学博士学位论文9)，方差增大(∥从o．09增加到o．35)，水力学效能受停留时间和方差的影响减小(九从o．85减小到o．57)；第二阶段(9<后s22)，方差转为下降趋势(衫从O．35减小到O．10)，水力学效能随之上升(九从O．57增加到O．70)：第三阶段(尼>22)，停留时间、方差和水力学效能三者都趋于水平。图3-6上、下层介质阻力比对湿地水力学性能的影响Fig．3-6E丘．ectofratioofupperaIldlowermediaDesist觚ceonhydraulicperfomallceofSSFW水流进入潜流人工湿地后主要分两部分，分别流经湿地上、下层介质。上、下层介质阻力比对潜流人工湿地水力学性能的影响主要由这两部分水流引起。显然，随着介质阻力比的增加，流经上层介质的水流逐渐减少，而流经下层介质的水流则相应地逐渐增多。第一阶段(1S后S9)：当介质阻力比较小时，流经上层介质的水流较多(如图3．7a)；介质阻力比的增加减小了流经上层介质的水流(如图3．7b)，使上部水流散度增大停留时间减小，由于在这一阶段水力学性能主要由上部水流控制，因此，在这一阶段，随着介质阻力比的增加水力学效能减小。第二阶段(9<尼S22)：当阻力比大于9以后，流经上层介质的水流已经较少，大部分水流直接从下层介质出流(如图3．7c)，继续增大介质阻力比的结果是减小了下部水流散度，由于在这一阶段湿地水力学性能主要由下部水流控制，因此，水力学效能在这一阶段随着介质阻力比的增加增大。第三阶段(尼>22)：当阻力比大于22以后，进口水流几乎全部从下层介质出流，继续增大阻力比，进入上层和下层介质的水流基本保持不变(如图3．7d和3．7P)，因此，在这一阶段继续增大介质阻力比对水流散度和停留时间基本已经没有影响，从而湿地水力学性能趋于恒定。 第三章分层式净化区结构潜流人工湿地水力学特性研究秦薰?鬻735··∞、o6折t·∞。637e·∞臻《s‰·∞蠢108e·06ta3e·061"9t+06¨5t·06T住e+06t08t·06104e·05100e·06962e·0S923t·0588S亡．0S8‘6e+OS808e·OS’59e+0S’．31亡．0s69at+OS654t·OS615t+055．77t·OS538t+05500t·05‘62t·OS423e·0S38St·0S3‘6e+05308e·OS0B9t·0S92e·OS11如·0S，6々e·¨08St·040OOt·00(a)尼=22仃t·06008t·062口"p06195t·06188p0680e·061，k·066，t·蚰62e·0656t·0649e·06140亡．06135e·0600p0603c·0611，c·061lOt+0604e·0697Sp05々10e·OS845c+05，80e+0S715tt0S650t·05585c·05520t·OS45k，05090c·0S325t·05260々·of95e·05130e·056S0c·04000t·00(b)尼=3(c)七=1145愿徽燃㈣爨鬃㈣。纛鬟蕤蕊熏簇滋镳缀粼躞缀豳缀獬霪缨m滋缀缓骥缓麟缓缓叠 北京化工大学博士学位论文(d)七=22(e)尼=49图3—7不同介质阻力比的湿地内的流线图Fig．3—7Path—lineprofileofSSFWwithdi仃erentratioofupperandlowermediaresistance3。6．护管区对水力学性能的影响工程实践中，为了避免进口和出口的堵塞和提高湿地布水与集水能力，常常在进水和出水管的外围设有由粒径大于净化区介质填料的碎石构成的区域。本研究中将这样的碎石区定义为护管区，并考察了护管区阻力对对潜流人工湿地水力学性能的影响，其模型如图3．3所示，模型几何尺寸及模拟条件如表3．1所示。模拟结果列于表3．3。 第三章分层式净化区结构潜流人工湿地水力学特性研究表3-3护管区阻力对湿地水力学性能的影响Table3-3Ef】‰tofmediaresist锄ceinprotection糊0nhydraulicperf01m她ceofSSFW从表3．3可以看出，护管区介质阻力变化对标准平均停留时间影响不大，对方差和水力学效能影响较大。随着护管区介质阻力增大(1／‰删加从2．315×105增加到1．200×108)，湿地内水流散度显著减小(衫从o．655减小到o．093)，水力学效能受水流散度影响而增大(A从O．301增加到0．751)。这说明较大阻力的护管区对潜流人工湿地的水力学效能有利，其原因可能是护管区阻力较大对进口水流的均匀分布比较有利。因此，实践中在满足其他要求的条件下，可以考虑适当增加护管区阻力。3．7．进口速度对水力学性能的影响由于进口速度在很大程度上决定水流在潜流人工湿地内的停留时间，因此，有必要研究进口速度对湿地水力学性能的影响。本章节在如表3．1所示的条件下，考察了进口速度对如图3．1所示的潜流人工湿地水力学性能的影响。进口速度对潜流人工湿地水力学性能的影响如表3．4所示。从表3．4可以看出，随着进口速度的增大(从O．428×10‘5州s增大到40．ooO×10巧111／s)，水流在湿地内的停留时间显著减小(岛从23．351×105s减小到O．250×105s，锄阳历从20．100×105s减小到O．216×105s，两者都下降了98．93％)；但标准停留时间、标准方差和水力学效能随进口速度的变化并不大(幻几乎没有变化；方有所减小，从o．339增大减小到0．319，仅减小了5．90％；受散度的影响，A有所增加，从0．569增大到0．592，但仅增加了4．04％)。从图3．8可以进一步看出，当进口速度大于4．283×10巧州s以后，进口速度的增大对水力学效能的影响更小。47 北京化工大学博士学位论文“(×10．5，n埘图3-8进口速度对湿地水力学效能的影响Fig．3-8E仃ectofinletVelocityonhydraulicemciencyofSSFW 第三章分层式净化区结构潜流人工湿地水力学特性研究图3．9湿地水力学效能随名义停留时间的变化Fi93—9Vamtionofhydralllice伍ciencyofSSFW谢tllnomillaldetelltiontime综上所述，进口速度的增大可以在一定程度上提高潜流人工湿地的水力学效能，但效果并不明显；另一方面，进口速度的增大显著地减小了水流在湿地内的平均停留时间(如图3．9)。由于平均停留时间的大小决定污染物与湿地内部微生物发生反应的机会和时间，所以其对污染物的去除有很大的影响。进口速度的选择必须保证足够的平均停留时间才能达到很好的效果。有文献表明，水流在潜流人工湿地的停留时间一般大于1天。在工程实践中，可以综合考虑水力学效能和平均停留时间，选择恰当的进口速度。3．8．出口压力对水力学性能的影响在表流型人工湿地中，水位由溢流装置、溢水口或可调管道等出口结构控制。在潜流型人工湿地中，常常使用被铰链固定的可调节水位的管道或灵活的胶皮管提供简单的水位控制；最后的排放点一般设置在离湿地足够高的位置，以使发生暴雨的时候，通过湿地的水流不会受到影响。在本研究中，将水位的调节体现在水位高度产生的压力上，即出口压力的变化上。在如表3．1所示的条件下，出口压力对如图3．1所示的潜流人工湿地水力学性能的影响如表3．5所示。49 北京化工大学博士学位论文表3-5出口压力对湿地水力学性能的影响Table3-5Efl疑tofoutletpressufeonhydraulicperfonIlanceofSSFW’PresSllr弓。utkt2PerssureH20+PI．es刚lr％咖如表3．5所示，P"和，么6是外界气压分别为1．013×105Pa和2．026×105Pa时，水位变化产生的不同出口压力对潜流人工湿的水力学性能的影响；P，和只，P2和P，，B和R是外界气压变化产生的不同出口压力对潜流人工湿地的水力学性能的影响。从表3．5中可知，总的来说，出口压力对潜流人工湿地水力学性能的影响不大；特别是水位变化产生的不同出口压力的影响更小，几乎可以忽略；虽然随着外界气压的增大，水力学性能有所提高，但并不明显(当其他条件不变时，外界气压增大1倍，湿地水力学效能从O．585提高到O．589，仅上升6．8％)。另一方面，由于外界气压的增大可能增加整个湿地运行的能量消耗，所以从工程设计来看，以增大出口压力来提高水力学效能并不可取。3．9．本章小节本章通过计算流体力学软件中的多孔介质模型对分层式净化区的潜流人工湿地的水力学特性进行了研究，并通过引入颗粒轨模型利用停留时间分布对湿地结构型式(进口位置、介质阻力以及护管区)和操作条件(进口流速和出口压力)对潜流人工湿地水力学性能的影响进行了定量评价。模拟计算表明，与操作条件的影响相比较，湿地结构型式对潜流人工湿地水力学性能的影响更大。(1)进口位置对潜流人工湿地水力学性能有较大的影响。进口位置在上层介质中部位置的潜流人工湿地，其水力学效能比进口位置在上层介质上部和下部的高。(2)介质对潜流人工湿地水力学性能的影响比较复杂。上、下层介质通过其阻力比对潜流人工湿地水力学性能产生影响。当其阻力比在1．9的范围内时， 第三章分层式净化区结构潜流人工湿地水力学特性研究湿地水力学性能由流经上部介质的水流控制，水力学效能随阻力比的增大而减小；当阻力比在9．22范围内时，湿地水力学性能由流经下部介质的水流控制，水力学效能随随阻力比的增大而增加；当阻力比大于22以后，湿地水力学性能几乎不受阻力比的影响而保持恒定。(3)护管区对潜流人工湿地水力学性能的影响也较大。湿地水力学效能随护管区阻力的增加而增大。(4)进口速度对潜流人工湿地水力学效能的影响不大，但对平均停留时间的影响很大，所以在工程设计中应充分考虑水力学效能和平均停留时间这两个因素，首先保证水流在湿地内有足够的停留时间，以有利于污染物的去除。(5)出口压力对潜流人工湿地水力学效能的影响也不大。虽然外界气压的增大在出口压力上产生的变化可以在小范围内增大湿地水力学效能，但湿地的能耗也相应地增大。由出口水位产生的出口压力变化很小，几乎不对湿地水力学效能产生影响，因此，在工程设计中可以根据需要调整出口水位。 第四章集水区对潜流人工湿地水力学性能的影响4．1．引言在潜流人工湿地系统中，出水管外围常常设有由粒径大于净化区介质填料的碎石构成的集水区以便于出水的收集和避免壅水现象的发生。因此，集水区在人工湿地(特别是潜流人工湿地)的设计中很有必要，同时也很普遍。有鉴于此，本章对潜流人工湿地中的集水区进行了研究，考察层式和护管式集水区对潜流人工湿地水力学特性的影响。4．2-层式和护管式集水区潜流人工湿地CFD模型根据第二章中得到的潜流人工湿地二维模型(图2．5)，建立层式和护管式集水区潜流人工湿地二维模型(图4．1)，讨论这两种形式的集水区结构对潜流湿地水力学特性的影响。。进口净化区层式集水区出口(a)层式集水区潜流人工湿地二维模型(b)护管式集水区潜流人工湿地二维模型图4．1层式和护管式集水区潜流人工湿地二维模型图ac和bc：分别表示集水区上底面和下底面宽度；llc：表示集水区高度F蟾．4—1TwD-dimellsionalmodelofSSFWwimeitherlayerorprotectionpattemcatclllllentarea(a)Two-dimensionalmodelofSSFW谢th1ayerpattemcatchmentarea；(b)TlI)l，o—dimensi伽almodelofSSFWwithprotectionpatt锄catchmemareaacandbc：UpperaIldlower丽dthofcatchmentarearespectively；hc：Heiglltofcatchmentarea4．3．模型几何参数及CFD模拟条件模型几何参数及CFD模拟条件如表4．1所示。 北京化工大学博士学位论文表4．1模型几何参数及cFD模拟条件Table4一lGeometricpar啪etersandsimulationconditionsofCFDmodel4．4．层式集水区对水力学性能的影响4．4．1．介质阻力的影响当多孔介质确定以后，其阻力由黏性阻力系数(1旭)和内部阻力系数(c2)决定。由方程2．6和2．7可知，根据多孔介质粒径和孔隙率可以得出多孔介质阻力黏性和内部系数。由于1旭远远大于C2，所以1旭的大小反映了多孔介质阻力的大小。集水区高度为20nun时，潜流人工湿地水力学性能随净化区和集水区阻力的变化如图4．2所示。 第四章集水区对潜流人工湿地水力学性能的影响图4-2湿地水力学性能随净化区和集水区阻力的变化P：表示净化区黏性阻力系数(集水区阻力保持不变，1／％=6．96×100)C：表示集水区黏性阻力系数(净化区阻力保持不变，1／％=6．13×105)Fig．4—2Ⅵlriationsofhydraulicperfonn{mceofSSFⅣ、ⅣithnlemediaresistanceiIlpurge0rcatchmentareaP：v撕ationsofl‰，鹊l心=6．96×100C：variationsofl／％，弱l／％=6．13×105从图4．2可以看出，增加净化区阻力(集水区阻力不变)和减小集水区阻力(净化区阻力不变)所引起的人工湿地水力学性能的变化趋势相似。这说明人工湿地水力学性能可能与净化区与集水区阻力比有直接的关系。因此，将净化区与集水区黏性阻力系数比近似地作为净化区与集水区阻力之比后(J|}：毖)，得出l／，ac与图4．2相对应的潜流人工湿地水力学性能随阻力比的变化图(图4．3)。 北京化工大学博士学位论文图4．3湿地水力学性能随净化区与集水区阻力比的变化Fig．4—3Variationsofthehydraulicpe怕砷anceoftheSSFWwiththeratioofthemediaresistanceinpu唱eandcatchmentarea如图4．3所示，在阻力比变化(无论是净化区或集水区阻力变化所引起)过程中，只要阻力比相同，潜流人工湿地水力学性能基本一致。这是因为只要净化区与集水区阻力比相同，湿地内的压力梯度分布是一致的(如图4—4所示)，从向．湿地具有相同的流场和水力学性能。(a)露=52(1／％=3．60×108，I／0【。=6．96×106)56 第四章集水区对潜流人T湿地水力学性能的影响(b)七=52(1／a。=1．18x107，1心=6．13×108)图4-4相同阻力比(净化区与集水区阻力不同)时湿地内的压力等值图Fig．4—4ContourSofstaticpressureinSSFWatsameresistanceratio(di行．erentmediaresistanceinpurgeandcatchmentarea)基于以上分析，考察了不同阻力比对潜流人工湿地水力学性能的影响(图4．5)。从图4．5可以看出，整个考察范围内(6S足S203)，停留时间相差不大，湿地水力学效能主要由方差决定。o．2245<衫O．8663)。虽然集水区高度变化对潜流人工湿地水力学效能影响不大，但为了进一步分析湿地水力学效能随集水区高度的变化趋势，从图4．12得到了集水区高度与水力学效能的局部放大图(如图4．13)。从图4．13可以看出，不同阻力比时，湿地水力学效能随集水区高度变化趋势相似：第二阶段(1oommO．905)。图5．10湿地水力学效能随布水区高度的变化Fig．孓10Vrariationofhydraulice珏iciencyofSSFWwithheightofdistibutionarea湿地水力学效能随集水区高度的变化趋势如图5．10所示，该图为布水区高度与水力学效能的局部放大图。从图5．10可以看出，介质阻力比不同时，湿地75 北京化工大学博士学位论文水力学效能随布水区高度变化趋势不同：当净化区与布水区阻力比较小时，湿地水力学效能变化不大；当阻力比较大时，湿地水力学效能随布水区高度的增加而增加。由此说明，当布水区的介质与净化区的介质粒径和孔隙率相差不大(即阻力比较小)时，护管式布水区高度可适当增大；当布水区的介质与净化区的介质粒径和孔隙率相差较大(即阻力比较大)时，护管式布水区高度可适当减小。5．6．本章小结本章通过CFD数值分析研究了层式和护管式这两种布水区结构对潜流人工湿水力学性能的影响。结果表明：与护管式集水区结构优于层式结构一样，护管式布水区结构优于层式结构。护管式结构的湿地水力学效能更高，而且可以通过减小布水区宽度来显著提高湿地水力学效能和逐步减小阻力比对其水力学效能的影响。(1)与层式集水区一样，布水区为层式结构时，不合理的介质阻力比和布水区高度可能导致低的水力学效能。湿地水力学效能随净化区与布水区介质阻力比的增大而减小；布水区高度增加，湿地水力学效能减小。(2)布水区为护管式结构时，与集水区宽度对湿地水力学性能的影响一样，布水区宽度减小，湿地水力学效能增大；布水区高度对湿地水力学性能的影响不大，但与湿地水力学效能随集水区高度的变化不同，当净化区与布水区介质阻力较小时，湿地水力学效能随布水区高度的增加而增大，当净化区与布水区介质阻力较大时，湿地水力学效能随布水区高度的变化可以忽略。76 第六章布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性研究第六章布水与集水区结构潜流人工湿地的水力学特性研究6．1．引言在以上的章节中分别讨论了集水区和布水区对潜流人工湿地水力学性能的影响，分析了层式和护管式两种结构型式的集水区和布水区的优劣。本章综合考虑布水与集水区在水平和竖直方向上的设置对潜流人工湿地水力学性能的影响，分析水平式和竖直式布水与集水区的优劣，以期优化布水与集水区在潜流人工湿地中的设计。6_2-水平和竖直式布水与集水区潜流人工湿地CFD模型根据第二章中得到的潜流人工湿地二维模型(图2．5)，建立水平和竖直式布水与集水区潜流人工湿地二维模型(图6．1)，讨论具有这两种布水与集水区结构型式的潜流人工湿地的水力学特性。(a)水平式布水与集水区潜流人工湿地(b)竖直式布水与集水区潜流人工湿地图6-l不同布水与集水区结构的潜流人工湿地二维模型下标D和C：分别表示布水区和集水区；b：表示布水和集水区宽度；h：表示布水和集水区高度Fig．6．1TⅣo—dimensionalmodelofSSFWwithho^zontalorVerticaldistributionand／orcatchmentarea(a)Two—dimensionalmodelofSSFWwithho打zontaldistributionand／0rcatchmentarea；(b)Two—dimensionalmodelofSSFWwithverticaldistributionan讹rcatchmentarea．SubscriptofDandC：Dis劬utionareaandcatchmentarearespectiVely；b：Width0farea；h：Hei曲tofar鼢 北京化工大学博士学位论文6．3．模型几何参数及CFD模拟条件模型几何参数及CFD模拟条件如表6．1所示。表6-1模型几何参数及CFD模拟条件6．4．水平式布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性在布水和集水区高度分别为10mm和20mm的情况下，对三类水平式布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性进行了研究。这三类水平式布水与集水区结构的潜流人工湿地分别为：(1)水平方向上单设布水(bc=0)或集水区(bD=O)式；(2)水平方向上增设布水区(bc=200mm)或集水区(bD=200mm)78 第六章布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性研究式；(3)水平方向上的对称布水和集水区(bc=bD)式。潜流人工湿地在这三种情况下的水力学性能如图6．2所示。弋一‘b。^—or(a)水平方向上单设布水(bc=O)或集水区(bD=0)时湿地水力学性能吣一‘酽_舻(b)水平方向上增设布水区(bc=200mm)或集水区(bD=200mm)时湿地水力学性能 北京化工大学博上学位论文吣rI^b。^～产(c)布水与集水区为水平对称结构(bc=bD)时湿地水力学性能图每2水平式布水与集水区结构的潜流人工湿地水力学性能，．：表示布水或集水区宽度与湿地宽度的比值Fig．睨Hydraulicpe响mallceofSS刑withhorizon协ldistributionaIld／0rcatdlm肌tarea(a)Eimerhorizontaldis廿ibutionorhorizontalcatcllIIlentarea；(b)Hodzontaldistributionarea、jl，inlbc=200mm，orhorizontalcatchmentareawith谢thbD=200mm；(c)SyIIlIIletrichorizontaldisnjbutionandcatchmentarearRatiOofwidthofdistributionareaorcatchmentareatowidthofSSFⅣ从图6．2可以看出：停留时间在所考察的各种情况下变化较小；从而水力学效能主要受方差的影响，其在不同情况下差别较大。这说明，水平式布水与集水区的潜流人工湿地水力学性能相差较大，在工程实践中如果采用这种布水与集水区结构应该特别注意，以免不恰当的布水与集水区设置带来差的水力学性能。同时，从图6．2还可以注意到，水力学效能在第三种考察情况下变化最小且都能保持较高水平(A>O．762)(图6．2c)。这说明，在工程实践中如果采用水平式布水与集水区结构，水平对称结构的布水与集水区设置较为保险，这种设置可以保证一定的水力学效能。从图6—2a可知：不论是单独设置布水区还是单独设置集水区，湿地水力学效能都下降，而且当布水和集水区宽度增大到100mm(厂=O．5)以后，水力学效能下降幅度显著增大。图6．3为单设布水或集水区时湿地内部流线图。该图显示，布水或集水区在水平方向上的增加增大了湿地内部的“短流”。湿地水力学效能的下降可能正是由于“短流"的增加增大了水流散度所致。 第六章布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性研究霎嚣蹴；‘鲰躬燧『：==：：：!=竺竺竺苎兰习bD=50mm，bc=0翟蚕缝l⋯“‘。’”“”““’⋯；·“，。，．戈誓。鬣lbD=loomm，bc=0翳薹缀：麓i蠹a⋯缓嬲鋈墓匕：=：二：!!竺竺!=二=!塑兰箜IbD=150mm，bc=0褰鍪缀：麓睦P⋯“⋯”⋯“’一⋯。。，。高嚣鬻bD=200mm，bc=0(a)水平方向上单设布水区(bc=0)时湿地内部流线图8l 北京化工大学博上学位论文鬟、；端16“．050zOh·05糕bD=O，bc=50mmbD=O，bc=100mmbD=0，bf=1501mn82易嬲黝笏鬻j缓缓戮缓缓滋糯糊鼍藤燃燃甏。 第六章布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性研究熏薹i赣$s，仉．05蠢≤i‘’at·05捱荔蠹2‰os鋈薰bD=0，bc=200mm(b)水平方向上单设集水区(bD=0)时湿地内部流线图图6．3水平方向单设布水或集水区时湿地内部流线图Fig．6-3Patll一lineprofileofSSnvwitheitherhorizontaldistributionareaorhorizontalcatchmentarea(a)Path—linepmfileofSSFWwithho^zontaldistributionarea；(b)Path一1ineprofileofSSF、vwithho—zontaldjs_[一bl】tjonaT℃a图6—2b显示：当有水平层式布水或集水区时，引入集水或布水区可以使湿地水力学效能增大；而且，水力学效能随着集水或布水区宽度的增加而显著增大，当集水或布水区宽度达到最大(200mm)，即布水和集水区都为水平层式时，湿地水力学效能最大，为O．983。其原因可能是当潜流人工湿地中已经存在水平层式布水或集水区时，所引入的集水区或布水区宽度的增加使湿地内部“短流”减少(如图6—4)，这样就使水流散度相应地减小，从而增大了水力学效能。雕爱4t#S93p帖缓；。2茗i譬§27‰·05荔势t‘¨05荔荔1∞枷5戮麟bD=50mm，bc=200mm 北京化工大学博十学位论文bD=150mm，bc=200mm(a)水平方向上增设布水区(bc=200mm)时湿地内部流线图bD=200mm，bc=50mmbD2200mm，bc。15(JInlll(b)水平方向上增设集水区时湿地内部流线图图叫水平方向上增设布水(bc=200mm)或集水区(bD=200mm)时湿地内部流线蚓Fig．6-4Path—linepr06leofSSFWwithhonzontaldistributionandhorizontalcatchmentareas(a)Path一1ineprofileofSSFWwithhorizontaldistributionandhorizontalcatchInentareas(bc=200mm)；(b)Path—linepr06leofSSFWwithhorizontaldistributionandhorizontalcatchmenfareas(bD=200mm)图6．2c表明：布水与集水区为水平对称结构的潜流人工湿地，其水力学效能84藤燃獭黪震}：__溉鬣鬻凌缓缓缀猩缀一易糍獭爨㈣如m貔缆缓缀籀蓄曩撅黝缓攀∞纛～滋戮缓瀵缓缮猫誓 第六章布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性研究较高(五>0．762)。其原因可能是，当布水与集水区对称设置时，湿地内部的流场也比较对称，这样水流散度较小，从而水力学效能较高。从图6．2c中还可以看出，当bD—bc=100mm(，．=0．5)时，湿地水力学效能最小，为0．762，其原因可能是在这种情况下布水与集水区间的“短流”最明显(如图6．5)，此时湿地内部的水流散度最大，从而影响了水力学效能。囊镌：：麓蘑缓’3“”。黧蟹’恤··饵‘’磐99知．0●镬熊薹?”。3m々’帖、一"9●{·∞蓄瑟!!竺：：!：：：：：!：!=：：：!IbD=bc=100mm(，=0．5)爨纛i簇-‘6st·o‘鍪i藏 北京化T大学博士学位论文糕缓兰：戮：嚣z。7‘，‰．0●蘸bD=bc=200mm(，=1)图6．5布水与集水区为水平对称结构(bc=bD)时湿地内部流线图Fig．6．5Pam—lineprofileofSSFⅣwiths)，111metrichorizontaldistributionandcatchmentareas6．5．竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性在布水和集水区宽度分别为10mm和20mm的情况下，对三类竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性进行了研究。对应于水平式布水与集水区的设置，三类竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地分别为：(1)竖直方向上单设布水(hc=0)或集水区(hD=0)式；(2)竖直方向上增设布水区(hc=120mm)或集水区(hD=120mm)式；(3)竖直方向上的对称布水和集水区(hc=hD)式。潜流人工湿地在这三种情况下的水力学性能如图6—6所示。吣N“b。^、?(a)竖直方向上单设布水(h(，=0)或集水区(hI】=0)时湿地水力。、≯性能 第六章布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性研究吣H‘b。^’"产(b)竖直方向上增设布水区(hc=120II瑚)或集水区(hD=120mm)时湿地水力学性能吣一^b。^～P(c)布水与集水区为竖直对称结构(1lc=hD)时湿地水力学性能图6．6竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学性能r：表示布水或集水区高度与湿地高度的比值Fig．6-6Hydraulicpe雨唧anceofSS刚withVenicaldiStributionan讹rcatchmentarea(a)EithervenicaldistributionorVenicalcatcllIIlentarea；(b)Verticaldistributionareawithhc=120mm，orVerticaIcatchmentareawithhD=l20mm；(c)SymmetricVerticaldistributionandcatchmentareas，．：Ratioofheiglltofdistributionorcatchmentareatohei曲tofSSFW从图6．6可知，当布水和集水区都成为竖直层式时，湿地水力学效能最大， 北京化工大学博士学位论文为O．990；同时，所考察的三类竖直式布水与集水区潜流人工湿地的水力学性能相差不大，湿地水力学效能在所考察的情况下都能保持较高的水平(A>0．898)。由此说明，相对于水平式布水与集水区结构，竖直方向上的布水与集水区设置可以使湿地保持较高的水力学效能，而不会因为设置不当出现水力学效能很差的情况。因此，建议在工程实践中避免选用水平式布水与集水区结构，而尽可能采用竖直式布水与集水区结构。如果将尺寸较小(r郢．25)时的布水与集水区定义为护管式布水与集水区，则综合图6．2和6．6可知，护管式布水与集水区的湿地也具有较好的水力学效能。不仅如此，这种结构的布水与集水区设置还有利于增加湿地内部净化区的面积，从而有利于污染物的去除。因此，在工程实践中可以考虑采用护管式布水与集水区结构。在课题组所承建的锦州现场人工湿地中就是采用的这种结构。同时，该结论也与第四章和第五章的结论吻合。6．6．本章小节本章对水平和竖直式两种布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性进行了研究。通过模拟计算，对布水与集水区的设置可以得到以下重要结论：(1)水平式布水与集水区在水平方向上变化时，潜流人工湿地的水力学性能相差较大，如果布水与集水区采用水平设置，不恰当的设置形式(如单设层式布水或集水区)可能导致较差的水力学效能。(2)不同竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地水力学性能相差不大，水力学效能在所考察的三种竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地中都能保持较高的水平(五>O．898)。(3)综合比较，对于水平与竖直式两种结构的布水与集水区设置，竖直式结构好于水平式。竖直式布水与集水区结构在工程实践中可以优先考虑。当综合其它因素而需要采用水平式结构时，可以考虑采用水平对称的布水与集水区结构。(4)从水力学和增大湿地内部净化区面积考虑，护管式布水与集水区设置也是较好的选择。 第七章潜流人工湿地处理废水中机污染物的研究第七章潜流人工湿地处理废水中有机污染物的研究7．1．引言潜流人工湿地处理废水中有机物的研究中，由于布水与集水区填料粒径远大于净化区，而且其面积也相对很小，所以在模拟计算中假设布水与集水区没有反应发生，有机物的降解反应都在净化区内。在此假设条件下，本章主要对分层式净化区结构和布水与集水区(护管式、水平层式和竖直层式)结构的潜流人工湿地内有机污染物的去除进行初步探讨。其中，分层式净化区结构的潜流人工湿地内有机污染物的去除研究，考察了进口位置和进口流速对有机物去除效率的影响。由于在布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性的研究中，分别考察了集水区(层式和护管式)和布水区(层式和护管式)对潜流人工湿地水力学性能的影响以及布水与集水区在水平方向和竖直方向上的设置，而且该研究的结果表明，布水与集水区的护管式、水平层式和竖直层式设置时，潜流人工湿地具有较高的水力学效能。因此，本章在有关布水与集水区结构潜流人工湿地内有机物去除的研究中，未对集水和布水区的设置进行单独和详细的考察，而是根据水力学特性研究成果，探讨护管式、水平层式和竖直层式结构的潜流人工湿地内有机污染物的去除，并考察了微生物对潜流人工湿地内有机物去除的影响。7-2-潜流人工中有机污染物的去除机理人工湿地净化废水的机理十分复杂，迄今还未完全弄清楚。一般地，人工湿地中有机污染物的去除主要是依赖系统中的生物与其发生的生化反应。德国学者KiCkuthR1977年根区法理论认为，由于生长在湿地中的挺水植物对氧的运输、释放、扩散作用，能将空气中的氧气转运到根部，再经过植物根部的扩散，在植物根须周围微环境中就会有大量好氧微生物将有机物分解，提高对生物难降解有机物的去除效果【1341。人工湿地的显著特点之一是对有机污染物有较强的去除能力。废水中的不溶性有机物经过湿地床的沉淀、过滤，可以很快被截留下来，被微生物利用，可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解除去。废水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生物合成为微生物体及C02和H20【39’乃引。溶解性有机物在人工湿地中的去除过程如图7—1所示。 北京化工大学博士学位论文刊填／1一料／l／1习仄军L层灯飘坛NH3、C02H2S等／一一l生物膜附着水层流动水层氧气图7．1有机污染物在人工湿地中的去除Fig．7-1Proc懿sof吐lemnoValofmeorgnicmatterinmeSSFⅣ如图7．1所示，有机物的生物降解具体过程主要分为四个阶段：(1)有机物和氧气等物质从流动水层通过附着水层向生物膜表面扩散；(2)有机物在生物膜内部扩散；(3)有机物与生物酶发生催化反应；(4)代谢生成物(C02等)排出生物膜，进入主体水流。在有机物的去除过程中，微生物是主体，也是生物催化剂。它摄取废水中的营养物质(污染物)，通过其体内的特定酶系统进行复杂的生化反应，将污染物进行转化和稳定，使之无害化。这一反应过程非常复杂，体现在【135，136】：(1)微生物反应中，细胞的形态、组成、活性都处在动态变化过程中。(2)微生物反应有多种代谢途径，在不同的条件下会得到不同的产物。(3)反应体系中有细胞的生长，基质的消耗和产物的生成，三者的动力学规律既有差别又有联系。同时，污染物的生物代谢还是一个群体的生命活动。每个细胞都经历着生长、成熟至衰老的过程，同时还伴有退化、变异等。因此，要对这样一个复杂的体系进行精确的描述几乎是不可能的。因此，为了工程设计的需要，对有机物的生物代谢进行合理的简化十分必要。主要简化的内容包括f136】：(1)把菌体视为单组分，环境的变化对菌体组成的影响可以被忽略。(2)不考虑细胞间的差别，取其性质上的平均值。(3)微生物的反应动力学是细胞群体的动力学行为的描述，而不是针对单一细胞。 第七章潜流人工湿地处理废水中机污染物的研究7．3．有机物去除反应体系及计算参数有机物在人工湿地内的去除反应，模拟计算时考虑葡萄糖(C6H1206)的降解，反应方程式为：C6日12仇+6D2—当6CD2+6何2D+2880材(7．1)根据反应器中反应物的流动特征和净化机理。通常把人工湿地看作推流反应器，反应速率常数(锄)反映湿地废水有机物的降解速度，它与废水性质、进水特征、废水处理系统的整体特征以及系统运行的环境条件等有关。有机物在人工湿地内的去除可以简化为一级生化反应。采用简化的一级反应速率模型来描述上述反应，反应速率方程如(7．2)所示。国内外一些潜流人工湿地系统有机物去除一级反应速率常数【137，1381如表7．1所示。，．=L‘Cc6‰D6(7—2)表7-l国内外潜流人工湿地系统有机物去除一级反应速率常数对比Table7-lC0mparationoffirsto“lermtecOns协nts0ftheo略anicpollutaIltsinSSFW实验证明，对于同一化学反应而言，当温度变化时，其反应速率也随之变化，这说明了温度能够影响化学反应的速率。从速率方程来看，温度只能是通过速率常数来影响反应速率。实验表明，大多数的化学反应的反应速率常数随温度的升高而迅速增大。范特霍夫(Van’tHofr)曾提出了反应速率常数与温度的关系的经验规则：9l 北京化工大学博士学位论文b+t％=2—4(7-3)按此规则，在400K时1分钟即可完成的反应，在300K时少则要17小时，多则需要近2年才能完成，这说明温度对反应速率的影响远远超过浓度对反应速率的影响。1898年，阿累尼乌斯(础ThtIlillS)提出了一个更为精确地描述肛丁关系的经验公式：lIl吒=ln么一％丁t=4．P一％(7-4)(7—5)式中，R一阿佛加德罗气体常熟，尺=8．31i瓜．mol：彳，．一指前因子，又称为频率因子，其单位与霸相同。巴一活化能，它是一个大于零的正数。活化能(历)是经验常数，有一定的物理意义。阿累尼乌斯认为，普通的反应物分子之间并不能发生反应而生成产物分子。为能发生化学反应，普通分子必须吸收足够的能量先变成活化分子，活化的反应物分子之间才可能发生反应生成产物分子。阿累尼乌斯将普通分子变成活化分子需要吸收的能量叫做活化能【1471。所以一定温度下，反应活化能越大，则具有活化能量的分子数就越少，因而反应就越慢。对于一定的反应活化能，若温度越高则具有活化能量的分子数就越多，因而反应就越快。一般化学反应的活化能在42．420kj／mol之间，对废水的生化反应而言，活化能一般在8．4．84kj／mol之间【148，1491。该反应体系的计算参数如表7．2所示。在有机物的去除反应中，由于反应物和产物的浓度较低，因此近似地将混合物的热容、热导率和粘度等物理性质定义为与水相同。表7-2潜流人工湿地中有机物去除反应1’able7-2RemoValreactionofo略anicpollutantsinSSFW 第七章潜流人工湿地处理废水中机污染物的研究7．4．分层式净化区结构的潜流人工湿地内有机物的去除根据分层式净化区结构潜流人工湿地的水力学特性研究(第3章)，讨论如图3．1所示的分层式净化区潜流人工湿地内有机污染物的去除，考察进口位置和进口流速对有机物去除效率的影响。7．4．1．模型几何参数及CFD模拟条件模型几何参数及CFD模拟条件如表7—3所示。表7-3模型几何参数及CFD模拟条件 北京化工大学博士学位论文7．412．进口位置的影响在如表7．3所示的条件下，考察了进口在如图3．2中纵6和c所示的位置时潜流人工湿地中有机物的去除。表7-4进口位置对潜流人工湿地有机物去除的影响Table7-4E髓ctofinletlocation0nremoValofo玛anicpollutantsiIlSSFW进口位置对潜流人工湿地内有机物去除的影响如表7．4所示。从表7．4中可以看出，在本文的模拟条件下，改变进口位置对有机物去除效率影响不大，进口位置分别在上层介质上、中和下部时，有机物去除效率(呀)分别为0．753、O．707和O．719。显然，这与在三种不同进口位置时废水在湿地内的停留时间相差不大有关。另外，与其它两种进口位置相比，进口位置在上部时人工湿地内的有机物去除效率略高，这可能是由于此时废水流经了大部分的具有高反应比表面积的上层净化区所导致的。7．4．3．进口流速的影响在如表7．3所示的条件下，考察了进口流速对如图3．2c所示的潜流人工湿地内有机物去除的影响。表7．5进口流速对潜流人工湿地内有机物去除的影响Table7-5E仃ectofinletVelocity0nreTnovalofo唱anicpollutantsinSSFW 第七章潜流人T湿地处理废水中机污染物的研究“(×l矿，II】／s)图7-2进口流速对潜流人工湿地内有机物去除的影响Table7_2E肫ctofinletVeloc时on撒novaIofo玛a11icpollutalltsinSSFW进口流速对潜流人工湿地内有机物去除的影响如表7—5、图7—2和图7．3所示。从中可看出，进口速度对湿地内有机物的去除率影响很大。当进口速度从5．787×10。5IIl／s减小到5．787×lO’6州s时，有机物的去除率从72％增加到98％。这是由于随着进口流度的减小，废水在湿地内的停留时间明显增大，使得污染物与湿地内部微生物的接触时间增加，从而导致有机物的去除率增大。而当进口速度大于5．787州s时，废水中的有机物已基本转化完全，所以其去除效率并不随进口速度的减小而明显增加。图7_3潜流人工湿地中有机物去除效率随停留时间的变化Fig．7—3V撕ationofrefnoValefficiencyoforganicpollutaIltSillSSFWwithnominaldetentiontime95 北京化工大学博士学位论文7．5．布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机物的去除由于在布水与集水区结构潜流人工湿地水力学特性的研究中，分别考察了集水区(层式和护管式)和布水区(层式和护管式)对潜流人工湿地水力学性能的影响以及布水与集水区在水平方向和竖直方向上的设置，而且该研究的结果表明，布水与集水区的护管式、水平层式和竖直层式设置时，潜流人工湿地具有较高的水力学效能。因此，本章在有关布水与集水区结构潜流人工湿地内有机物去除的研究中，未对集水和布水区的设置进行单独和详细的考察，而是根据水力学特性研究成果，探讨如图7．4所示的护管式、水平层式和竖直层式结构的潜流人：[湿地内有机污染物的去除，并考察了微生物对潜流人工湿地内有机物去除的影响。aD=20mm(a)护管式布水与集水区潜流人工湿地二维模型(b)水平层式布水与集水区潜流人-T湿地二维模型1．I_。．．．．．．．．．。．．．．土 第七章潜流人工湿地处理废水中机污染物的研究置go口¨墨(c)竖直层式布水与集水区潜流人工湿地二维模型图7-4不同布水与集水区潜流人工湿地二维模型Fig．7-4Two—dinl％sionalmodelofSSFWwitlldi侬鹏ntdistribution锄dcatchmentareas(a)n旧一dim饥sionalmodelofSSFW谢吐lprotectionpattenldismution锄dcatchmentare舔；(b)Two—dimeIlsionalmodelofSSFWwimh耐zontalla)惯dis仃ibution锄dcatclllnentareas；(c)Two—dim饥sionalmodelofSSnⅣwimverticallayerdistributionandcatchm％tareas7．5．1．模型几何参数及CFD模拟条件模型几何参数及CFD模拟条件列于表7．6。表7-6模型几何参数及CFD模拟条件Tabk7-6GeometricparametersandsimulationconditionsofCFDmodel97 北京化工大学博士学位论文7．5．2-布水与集水区设置的影响如前面章节所述，布水与集水区的设置对湿地水力学特性有较大影响。本节为了考察布水与集水区设置对潜流人工湿地内有机污染物的去除的影响，在如表7．6所示的条件下，并根据水力学特性研究成果，选取了水力学效能较高的护管式(7．4a)、水平层式(7．4b)和竖直层式(7．4c)这三种布水与集水区结构型式来进行讨论。布水与集水区设置对潜流人工湿地有机物去除的影响如表7．7所示。表7．7布水与集水区设置对潜流人工湿地内有机物去除的影响7I"able7-7E丘．ectofdistributionandcatchmentaI．eaonrIxnovalofo唱anicpollutantsinSSFW从表7．7中可以看出，护管式、水平层式和竖直层式这三种布水与集水区结构的潜流人工湿地，其有机物去除效率分别为0．401，O．346和O．385。另外，这三种情况下废水的停留时间相差不大，而且有机物的去除率并不随停留时间增加而增大，而是与三种情况下的净化区面积有关，其中护管式布水与集水区结构的潜98 第七章潜流人工湿地处理废水中机污染物的研究流人工湿地因具有最大的净化面积而有最高的有机物去除效率，这显然是可以理解的。7．5．3．微生物的影响潜流人工湿地处理废水中的有机污染物的过程主要是通过湿地中的微生物对废水中的有机物的生物降解实现的。因此，微生物在潜流人工湿地的污水处理中意义重大。在温度等外界条件一致的情况下，不同种类的微生物具有不同有机物降解反应的活化能。对废水的生化反应而言，活化能一般在8．4．84ki／mol。有鉴于此，本研究在如表7．6所示的条件下，通过改变降解反应的活化能来研究不同微生物对潜流人工湿地内有机物去除的影响，结果如表7—8和图7．4所示。从表7．8和图7．4可知，有机物的去除效率随活化能的变化可以分为三个阶段：第一阶段，当活化能小于50ki／mol以后，有机物去除效率为100％；第二阶段，当活化能从60kj／mol增加到70kj／m01，有机物去除效率从95．6％下降到6．7％；第三阶段，当活化能大于70kj／mol以后，有机物去除效率接近于零，相当于没有反应发生。由此说明，活化能对有机物的去除影响很大，由于在一定温度下，反应活化能越大，具有活化能量的分子数就越少，反应就越慢，所以有机物去除效率随活化能的增大而减小。表7．8活化能对潜流人工湿地内有机物去除的影响Table7-8E肫ctofactiVationeIl嘤yonreInovalofo玛anicpollutantsillSSFW 北京化工大学博士学位论文图7-4活化能对潜流人工湿地有机物去除的影响Fig．7-4E伍∞tofactiVationenergyonnleremoValofo唱anicpollutantsiIlnleSSFⅣ以上研究表明，不同微生物因具有不同的有机物降解反应的活化能，从而对有机物的去处效率影响很大，有机物去除效率随活化能的增大而明显减小。7．6．本章小节根据潜流人工湿地水力学特性的研究，本章对分层式净化区结构和布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机污染物的去除进行了初步探讨。在分层式净化区结构的潜流人工湿地内有机污染物的去除研究中，分析了进口位置和进口流速对湿地内有机物去除的影响。而在布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机污染物的去除研究中，考察了护管式、水平层式和竖直层式三种布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机物的去除，讨论了微生物对护管式布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机物去除的影响。研究表明：(1)进口位置对分层式净化区结构潜流人工湿地有机物去除的影响不大。进口位置分别在上层介质上、中和下部时，潜流人工湿地内有机物去除效率分别为O．753、O．707和O．719，进水口在上部的潜流人工湿地有机物去除效率稍高。(2)进口流速对分层式净化区结构潜流人工湿地有机物去除的影响很大。随着进口流速的减小，废水在湿地中的停留时间增大，有机物的去除效率也相应增加。(3)不同结构的布水与集水区的设置，使得湿地具有不同的净化面积，从而湿地具有不同的有机物去除率。由于护管式布水与集水区结构的潜流人工湿地lOO 第七章潜流人工湿地处理废水中机污染物的研究的净化区面积最大，因此有机物去除效率最高。(4)不同微生物因具有不同的有机物降解反应的活化能，从而严重影响有机物的去除率，且有机物去除效率随活化能的增大而明显减小。lOl 第八章结论与建议本研究采用nu饥t计算流体力学软件对潜流人工湿地进行模拟。选用多孔介质和壁面表面反应模型模拟了潜流人工湿地中流体流动和有机物的去除。研究了分层式净化区和布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性和有机物的去除。8．1．主要结论1．潜流人工湿地的水力学特性研究在水力学特性的研究中，利用潜流人工湿地cFD模拟流场图和颗粒轨道模型得到的停留时间分布对潜流人工湿地的水力学特性进行了定性分析和定量评价。(1)对于分层式净化区结构的潜流人工湿地，研究了湿地结构型式(进口位置、介质阻力及护管区)和操作条件(进口流速和出口压力)对潜流人工湿地水力学性能的影响，得到以下结论：总的来说，与操作条件的影响相比较，湿地结构型式对潜流人工湿地水力学性能的影响更大。1)进口位置对潜流人工湿地水力学性能有较大的影响。进口位置在上层介质中部位置的潜流人工湿地，其水力学效能比进口位置在上层介质上部和下部的高。2)介质对潜流人工湿地水力学性能的影响比较复杂。上、下层介质通过其阻力比对潜流人工湿地水力学性能产生影响。当其阻力比较小时，湿地水力学性能由流经上部介质的水流控制，水力学效能随阻力比的增大而减小；当阻力比较大时，湿地水力学性能由流经下部介质的水流控制，水力学效能随随阻力比的增大而增加；当阻力比大于某一值以后，湿地水力学性能几乎不受阻力比的影响而保持恒定。3)护管区对潜流人工湿地水力学性能的影响也较大。湿地水力学效能随护管区阻力的增加而增大。4)进口速度对潜流人工湿地水力学效能的影响不大，但对平均停留时间的影响很大，所以在工程设计中应充分考虑水力学效能和平均停留时间这两个因素，首先保证水流在湿地内有足够的停留时间，以有利于污染物的去除。5)出口压力对潜流人工湿地水力学效能的影响也不大。虽然外界气压的增103 北京化工大学博士学位论文大在出口压力上产生的变化可以在小范围内增大湿地的水力学效能，但湿地的能耗也相应地增大。由出口水位产生的出口压力变化很小，几乎不对湿地水力学效能产生影响，因此，在工程设计中可以根据需要调整出口水位。(2)对于布水与集水区结构的潜流人工湿地，在分别讨论了集水区和布水区对潜流人工湿水力学性能的影响之基础上，分析了水平和竖直式两种布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性，得到以下结论：1)集水／布水区对潜流人工湿水力学性能的影响研究表明，护管式集水／布水区结构优于层式结构。护管式结构的潜流人工湿地水力学效能更高，而且可以通过减小集水／布水区宽度来显著提高湿地水力学效能和逐步减小阻力比对其水力学效能的影响。2)水平和竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地水力学特性研究表明，竖直式布水与集水区结构优于水平式。竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地，其水力学效能受布水与集水区设置的影响较小，且都能保持在较高水平。当综合其它因素而需要采用水平式结构时，可选用水平对称的布水与集水区结构。从水力学效能和增大湿地内部净化区面积考虑，护管式布水与集水区设置也是较好的选择。2．潜流人工湿地处理废水中有机污染物的研究(1)对于分层式净化区结构的潜流人工湿地，研究了进口位置和进口流速对湿地内有机物去除的影响，得到以下结论：1)进口位置对分层式净化区结构潜流人工湿地有机物去除的影响不大。进口位置分别在上层介质上、中和下部时，潜流人工湿地内有机物去除效率分别为O．753、0．707和O．719，进水口在上部的人工湿地有机物去除效率最高。2)进口流速对分层式净化区结构潜流人工湿地有机物去除的影响很大。随着进口流速的减小，废水在湿地中的停留时间增大，有机物的去除效率也相应增加。(2)对于布水与集水区结构的潜流人工湿地，根据水力学特性研究结果，选取护管式、水平层式和竖直层式布水与集水区结构来研究布水与集水区设置对潜流人工湿地内有机物去除的影响，讨论了微生物对护管式布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机物去除的影响，得到以下结论：1)不同结构的布水与集水区的设置，使得湿地具有不同的净化面积，从而湿地具有不同的有机物去除率。由于护管式布水与集水区结构的潜流人工湿地的净化区面积最大，因此有机物去除效率最高。 第八章结论与建议2)不同微生物因具有不同的有机物降解反应的活化能，从而严重影响有机物的去除，有机物去除效率随活化能的增大而明显减小。8．2．展望与建议人工湿地作为一种生态污水处理技术有其无可比拟的优势，该污水处理技术正受到环境工程界越来越广泛的重视和关注。通过数值模拟对潜流人工湿地的设计(包括水力学设计和污染物去除设计)进行优化是潜流人工湿地应用和发展的需要。CFD作为在全世界迅速发展起来的新兴学科，经过几十年的发展，现在已相当成熟，在一般工程设计中得到广泛应用，并已经实现商品化。有报道表明，利用CFD技术有利于减少反应器分析中物理模型研究的必要性，降低研究成本，实现反应器的优化设计和运行。而且已有文献报道了CFD技术在氧化塘等水处理设施优化设计中的应用。本文将CFD数值模拟应用到潜流人工湿地的优化设计中，探索不同于传统的人工湿地设计的另一方法。以期抛砖引玉，丰富潜流人工湿地设计方法，实现潜流人工湿地的高效和稳定运行，使这一污水处理技术更好地发挥其优势。尽管本文已经针对潜流人工湿地的CFD二维模型，就分层式净化区和布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性及其影响因素作了系统的研究，并进一步对其有机物的去除进行了初步的探讨，但是还存在不少科学和技术问题需要迸一步深入考察和理论概括。例如，由于本人所采用的电脑计算能力有限，没有能对潜流人工湿地三维模型进行研究；此外，由于时间和精力所限，本文对潜流人工湿地内有机污染物的去除仅仅进行了初步的考察，需要对有关其它污染物的问题做更进一步的研究，如氮、磷等在潜流人工湿地中的去除及其污染物去除之间的相互影响及耦合问题等。 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