人工湿地已广泛应用于废水处理，然而，人工湿地的设计和运行常常缺乏模型的指导。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，重点讨论在同一废水来源、相同的潜流式人工湿地和统一的水力停留时间下(3 d)，进水有机负荷(以表示)和气温对降解常数左的影响，以及基于进水有机负荷和气温丸值与出水水质预测模型。
1 模拟人工湿地的构成
人工湿地的剖面如图1所示，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的碎石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。湿地进水通过位于湿地前部的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 降解的数学模型
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[1-3]。在理想的推流反应器中，反应物浓度随空间和时间而变化，并遵循：
式中：t——反应器物料的理论停留时间，d；
Yt——出口的质量浓度，mg／L；
Yo——进口的质量浓度，mg／L；
K——降解常数[4]。
在上述方程中，兑反映湿地废水的降解速度，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[5]。
3 实验方法
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的最低进水浓度。
为了研究季节性气温(水温)对湿地降解的影响，将试验按4个不同季节进行测试，试验连续进行1 a。其中，秋季和春季运行采用同一个进水浓度范围，废水在湿地的停留时间(HRT)采用5个方式(5，4，3，2，1 d)，秋季春季试验平均进水的质量浓度为736.29土29.63 mg／L，5种停留时间运行下的水力负荷分别为72，90，120，180和360L／(m2·d)，有机负荷(以计)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用同一个停留时间(3d)，5个不同的进水浓度范围(见表1)。
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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)，平均有机负荷从低到高依次为：16.95，36.04，74.02，99.63和146.58g／(m2·d)。 | ||||||
试验期间各组每天连续进水，进水是猪场废水经沉淀和厌氧处理后的出水再按试验所需用清水调配而成。在同一季节内，试验不同停留时间或不同进水水质的运行和测试均重复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 进水浓度对降解系数A的影响
冬、夏季湿地去除服从指数方程规律。将风车草湿地夏季、冬季停留时间等于3 d时Yo和Yt，的5组测定结果分别代人指数方程Yt=Yo·e(-kθ)，获得夏季、冬季风车草湿地降解的5个k值，见表1。
根据表1中Yo与k的对应关系，可以分别求出冬、夏季的降解系数k(d-1)与进水的质量浓度(Yo，mg／L)的回归方程，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 温度对降解系数k的影响
将4个进水的质量浓度：490.35，867.07，983.38和1440.20mg／L，依次代入冬季k与Yo的关系式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个进水值代入夏季k与Yo的关系式k=0.000 3Yo+0.372 7，求出4个相应的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，根据上述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℃)，可以分别求出上述4种进水浓度下，k随温度θ(℃)变化的直线方程，见表2。
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Yo/（mg·L-1） |
θ1/℃ |
K1/d-1 |
θ2/℃ |
K2/d-1 |
估算方程 |
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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 |
根据表2的4种不同进水浓度下、k随温度θ变化的估算方程，可以计算出秋季(温度21.4℃)、上述4种进水浓度下的降解常数&&值分别为：0.488 2，0.526 2，0.558 1和0.553 5 d-1。同理，可以计算出春季(温度23.8℃)、上述4种进水浓度下的降解常数秃值分别为：0.501 1，0.570 3，0.625 8和0.624 3 d-1。
这样，4种进水浓度、4个季节(温度)下人工湿地的降解常数无值汇总在表3。
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进水ρ()／(mg.L-1) |
不同温度降解常数k/d-1 | |||
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冬季(17.9℃) |
秋季(21.4℃) |
春季(23.8℃) |
夏季(27.2℃) | |
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|
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 降解常数k的估算模型
根据表3中进水浓度与k的对应数据，可以作出不同温度下，k与进水浓度之间的关系图，如图2所示。图2表明：冬季低温环境下，进水浓度提高，k则减小(θ1)；其它高温季节环境下，k随进水浓度提高而增大(θ2，θ3和θ4)。
图2中，不同温度下，k随进水浓度变化的回归方程分别为：
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—θ4的4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与进水浓度的关系式变为：
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为出水的质量浓度mg／L；yo为进水的质量浓度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。
这样，通过式(10)，也可以预测出不同温度、进水浓度和停留时间下的风车草人工湿地猪场废水处理的出水值。
5 实测与模拟结果的比较式(10)是根据人工湿地实际系统的进水浓度和水力停留时间以及运行温度环境，预测出人工湿地的出水水质，式中k是关键，其估算模型的精度见表4。
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表4 k式的准确性检验 | |||
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系统运行条件 |
k |
K1 |
K1误差/% |
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进水ρ（）=490.35mg·L-1 |
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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（）=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（）=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（）=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根据式(9)计算而来，k1误差指与左比较的结果。
表4表明，按式9估计的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的条件下，人工湿地k可用k=(-0.0039θ+0.5842)+[(2×10-5) θ-0.0004]yo来估计。针对不同水力停留时间的人工湿地出水水质可用yt=yoexp{-[(a1θ+a2)+(blθ+b2)yo]t}来预测。尽管本研究只采用建立风车草人工湿地去除有机物的动力学模型，但其方法同样适用于其它植被的人工湿地，因为同样遵从推流反应器原理；此方法也适用于描述服从指数模型的其它污染指标的降解过程，例如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，模型可以用Yt=Yo·e(-kt)表达。本研究建立了风车草人工湿地降解动力学模型dy／dt=-kt(t为时间)，研究阐明了温度和进水浓度对降解常数兑的影响。在温度和进水浓度已知的条件下，风车草人工湿地降解的兑可用 k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10-5) θ-0.0004]yo 来估计；针对不同水力停留时间(d)的风车草人工湿地出水(yt)可用yt=yoexp{-[(a1θ+a2)+(blθ+b2)yo]t}来预测。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，模型参数需针对现场运行条件进行调整。
参考文献：
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[2]郑雅杰.人工湿地系统处理新模式的探讨[J].环境科学进展，1995，3(6):1—8.
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[4]唐受印，汪大晕，废水处理工程[M].北京:化学工业出版社， 1998，8—12.
[5]胡康萍.人工湿地设计中的水力学问题研究[J].环境科学研究，1991，4(5):11—16.