垂直流人工湿地水力学规律与数学模型研究

摘要

人工湿地是20世纪70年代兴起的污水处理技术，具有工艺设备简单、投资少、耗能低、易建设、运行维护简便等优点，尤其间歇进水垂直流人工湿地有着较好的脱氮效果在世界各地得到广泛应用。但是，直到最近人们对人工湿地各种去污机理和途径尚未得到全面、细致的了解和掌握，大多人工湿地的设计与运行依然建立在经验的基础上，对设计水质目标和长期运行效果缺乏准确可靠的预测手段和长期有效的运行经验，使建成的人工湿地处理效果不尽相同或无法最大限度的发挥其净化功能，限制了人工湿地技术的发展和应用。
　　 本课题主要针对垂直潜流人工湿地，从水力学角度利用改进型停留时间分布曲线和水力学效率研究了间歇进水垂直潜流人工湿的水流规律，并讨论了水力条件对湿地净化效果的影响；从反应器流动特性模型和污染物降解一级动力学模型角度研究了间歇进水垂直流人工湿地水流流态和污染物降解规律，并提出了一级动力学参数；从人工湿地渗流规律和污染物迁移规律出发，以地下水模拟软件HYDROUS-2D和活性污泥动力学模型为基础提出了垂直流人工湿地简化的机理模型，并对小试系统的水力学实验和污染物降解规律进行了模拟验证。
　　 在间歇进水垂直流人工湿地水力学性能和净化效果的影响规律研究方面：探讨了湿地植物及配水方式对垂直潜流人工湿地水流规律及水力效率的影响，揭示水力负荷、停留时间、进水流速、进水周期、布水方式对垂直流人工湿地系统净化效果的影响规律。结果显示，植物对间歇进水垂直流人工湿出水流量及停留时间分布影响较小，但在一定程度上可以提高系统的水力效率。当采用相同日水力负荷和间歇进水周期，适当地提高进水流速或在相同日水力负荷和进水流速下，采用较短间歇进水周期可提高系统的有效容积，改善系统的水力性能，有助于提高CODcr、NH4-N、TN的去除率。采用相同进水流速，连续和间歇运行模式对系统水力效率综合影响效果无显著差异，但在相同日水力负荷下，采用间歇进水方式可以保证较高的流速，从而获得较高的水力效率。在相同进水流速下，间歇进水方式较连续进水方式系统的日水力负荷减小，能够保证污染物足够的停留时间，有利于污染物的去除。布水不均匀使得水流出现短流，湿地上部有效空间不能充分发挥。因此在保证处理效果的前提下，提高布水均匀性，可适当提高系统的水力负荷率。
　　 在反应器流动特性模型和污染物去除一级动力学模型研究方面：采用若干串联的完全混合反应器模型对间歇进水垂直流人工湿地的停留时间分布曲线进行了拟合，揭示了间歇进水垂直流人工湿地的流动特性类似于3个串联的完全混合反应器水流特点。建立在理想推流反应器或3个串联的完全混合反应器基础上的污染物降解一级动力学模型可以模拟间歇进水VFCW系统有机物、氨氮和总氮去除效果，得出了有机物、氨氮、总氮的一级反应速率常数和背景浓度值以及一级反应速率常数温度修正系数。
　　 在二维动态水力学模拟方面：采用地下水模拟软件HYDROUS-2D对间歇进水垂直流人工湿地不同工况下出水流量、出水累计流量和停留时间分布进行了模拟，提出了适用于模拟石英砂为填充基质的垂直流人工湿地系统的水力学参数值，为垂直流人工湿地的水力学模型深入研究提供了基础的经验数据，为人工湿地对污染物去除机理模型提供了水力学模拟平台。
　　 在污染物降解机理模型研究方面：以二维动态水力学模型为基础，借鉴活性污泥模型、两步硝化模型提出了能够描述垂直流人工湿地多组分污染物迁移转化的简单机理模型。通过与实际监测数据的对比，验证了该机理模型对实验系统有机物、氮污染物、无机磷去除效果模拟的有效性和各组分在湿地系统内动态规律变化。
　　 通过以上研究，加强了间歇进水垂直流人工湿地内部水流规律的认识，提供了垂直流人工湿地系统优化设计和优化运行的理论、技术支持以及实践经验，加深了人工湿地内部过程和机理的理解和洞察，促进人工湿地数学模型的发展，为人工湿地进一步的研究提供新的思路和方法，为人们解决与其相关的其它课题提供经验和依据，从而推动这一高效、低耗、生态技术的广泛应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 人工湿地技术

3 垂直流人工湿地水力学实验研究

4 水力条件对垂直流人工湿地处理效果的影响

5 垂直流人工湿地反应器流动特性模型

6 垂直流人工湿地一级动力学降解模型

7 垂直流人工湿地二维水力学模拟

8 垂直流人工湿地污染物降解机理模型研究

9 结论与展望

致谢

参考文献

附录1攻读博士学位期间发表的学术论文目录