组合人工湿地对化工园区尾水COD的去除及其模拟

陶 涛，杨 林

(同济大学环境科学与工程学院，污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

随着社会经济的发展，地表水体的污染状况日益严峻，污水排放标准也更加严格。

人工湿地作为一种污水厂尾水的深度处理技术，因其成本低、效率高等优点，被广泛地研究应用。典型的人工湿地分3类:垂直潜流人工湿地、水平潜流人工湿地和表面流人工湿地［1］。3种类型的湿地各有优缺点，适合不同的水质［2］。组合人工湿地将不同类型的湿地进行结合，充分发挥各类人工湿地的优点，提高了人工湿地对污水的净化效率［3～8］。

人工湿地污水处理系统拥有众多的建模方法，包括从简单的一阶模型到涉及人工湿地生态动力学行为的复杂模型，建模工作的主要目标是在人工湿地的设计运营过程中更好地理解和优化设计的标准［9～14］。一级动力学模型多用于污染物进水浓度较低的情形，被认为是目前描述湿地生态系统去污过程最合适的模型，在世界范围内被广泛用于湿地的设计和湿地污染物去除效果的预测［15］。一级动力学模型与回归方程相比，可以算作“灰箱”模型，在模型的计算推导中考虑了污染物背景值(包括本底值和环境浓度)对湿地运行处理效果的影响，还做了污染物物料平衡计算，在人工湿地污染物去除机理上有所展现。但是相对于其他“机理”模型，属于“灰箱”模型的一级动力学模型简化了湿地内部反应过程，快速简便的优点显而易见［15，16］。

本论文基于处理某工业园区污水厂尾水的组合人工湿地中试研究，首先考察了组合人工湿地对COD去除的情况，再对组合人工湿地COD变化进行一级动力学模拟，希望通过建立一个合适的数学模型，对工艺的设计和运行提供参考。

1 试验方法与材料

1.1 组合人工湿地简介

位于某工业园区污水厂内的组合人工湿地包括两级水平潜流湿地、一级自由表面流湿地、氧化塘和后水平潜流湿地。湿地设计水力停留时间7.7d，设计处理规模为360m3/d。湿地的具体构建、设计参数、运行方式和进水水质见文献 ［17］。本文中排入人工湿地的废水是经生化处理 (SBR工艺和生物滤池)的化工园区的工业废水。

1.2 COD去除试验

本试验总共分4个阶段进行:第一阶段为启动期，该阶段湿地的水力负荷 (hydraulic loading rate，HLR)较小，主要目的是改善湿地内部微生物生长环境，培养微生物。第二阶段为低水力负荷运行期，历时2个月，HLR为10cm/d。第三阶段HLR约为20cm/d，历时3个月。第四阶段HLR约25cm/d，历时2个月。

1.3 对COD去除的一级动力学模拟

湿地是个复杂的系统，即使是相同的湿地，在不同的温度、水力负荷、污染物负荷条件下，一级动力学模型所预测的结果并不一致［18］。为了尽可能地减少上述因素变化带来的影响，本文中选择的是湿地运行阶段较稳定的一段时间进行建模，结合园区内湿地运行的时间的来看，其运行期间的温度范围为20℃ ～35℃。

描述污染物去除速率的修正后的一级动力学模型表达式为

其中，c为污染物的浓度 (mg/L)，c*为系统中污染物的背景浓度 (mg/L)，k为污染物的体

积去除速率常数 (day－1)，R为污染物的去除速率 (mgL－1day－1)。

对于连续运行的系统，结合式 (1)和物料衡算定理，污染物的去除情况可以表述如下:

式中:ci——进水浓度，mg/L;

co——出水浓度，mg/L;

c*——背景浓度，mg/L;

t——处理时间，d－1;

kA——面积去除速率常数，m/d;

Q——流量，m3/d;

A——湿地的面积，m2;

q——水力负荷，m/d。

最后可得式(3)

故找出进水与出水的线性关系即可以求出模型所需的参数c*和kA。

2 结果与讨论

2.1 系统对COD的去除效果分析

整个试验过程中，系统进出水COD的变化情况及去除率如图1所示。

图1 不同HLR时系统进出水COD浓度及去除率Fig.1 COD concentration in influent and effluent and removal efficiency at different HLR

HLR为10cm/d的运行工况下COD的进水浓度为 52.79～106.99mg/L，平均进水浓度为74.98mg/L，组合人工湿地系统的出水浓度为10.70～39.59mg/L，平均出水浓度为26.91mg/L，去除率范围为56% ～85.71%，平均去除率为63.66%，经过系统处理COD去除总量平均值为48.07mg/L。此阶段湿地植物长势不算旺盛，但其根部活性极高，这也极大促进了对有机物的吸收降解。HLR为20cm/d的运行工况下，COD的进水浓度为 58.84～187.23mg/L，平均进水浓度为99.70mg/L，组合人工湿地系统的出水浓度为12.84～39mg/L，平均出水浓度为25.76mg/L，去除率范围为62.12% ～88.57%，平均去除率为73.43%，经过系统处理COD去除总量平均值为73.94mg/L。这一阶段虽然进水浓度波动大，但是出水浓度非常稳定，均低于40mg/L，系统运行进入相对稳定阶段，湿地植物 (芦竹、美人蕉)生长旺盛。HLR在25cm/d的运行工况下，COD的进水浓度为87.73～146.20mg/L，平均进水浓度为115.67mg/L，人工组合湿地的出水浓度为21.40～53.30mg/L，平均出水浓度为39.24mg/L，去除率范围为50.97% ～83.33%，平均去除率为64.93%，经过系统处理COD去除总量平均值为76.43mg/L。该阶段系统的出水水质不如前两个阶段，主要是因为一方面试验运行进入到秋冬季节，气温下降，部分水生植物枯萎死亡，未能及时收割，对污水造成了二次污染，出水水质有所下降(大部分时间监测到的COD仍满足＜40mg/L的要求)，另一方面较高的水力负荷对湿地系统造成一定冲击。

总体上，本试验中COD保持在比较高的去除水平上 (＞60%)，出水COD浓度也绝大部分保持在40mg/L以下，这也说明了人工湿地全年对COD的去除效果还是比较理想的，对HLR的波动有较强的适应能力。湿地处理能很好地满足国家《地面水环境质量标准》(GB 3838－2002)Ⅴ类水中对COD浓度的要求。

图2 不同月份的系统进出水平均COD浓度及平均去除率Fig.2 Average COD concentration in the influent and effluent and removal efficiency at different month

图2比较了组合人工湿地系统在不同月份 (4月～11月)对COD的去除情况。从图2看出，组合人工湿地系统月平均去除率只有10月份在60%以下，月平均出水浓度只有10月份和11月份稍微高于40mg/L。在各个月份对COD的去除率最高的是处于夏季的7、8和9月份，原因可能是夏季气温高，微生物活性高，生物量大且生长旺盛。

2.2 系统对COD去除的一级动力学模拟

图3是COD的一级动力学拟合曲线图。

图3 组合人工湿地系统及各单元进出水COD拟合曲线 (a)一级潜流单元，(b)二级潜流单元，(c)自由表面流单元，(d)氧化塘单元，(e)三级潜流单元，(f)组合人工湿地系统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 组合人工湿地系统及各单元降解COD一级动力学模型参数Tab. Parameters of the first－order kinetic model about COD degradation in hybrid constructed wetland and each unit wetland

由图3可得到上表所示的结果，再将表中所得两参数的值代入式 (2)中，得组合人工湿地系统COD降解的一级动力学方程。根据湿地试验进水COD的浓度可计算出系统理论的出水COD浓度，将其与实际的出水COD浓度进行比较，得图4。

图4 系统出水COD的模拟计算值与实测值Fig.4 Simulating and real COD concentration in effluent

c*和kA是本研究采用模型中的关键参数，其中kA代表的是湿地单元面积去除速率常数，它主要与湿地的工程设计以及湿地选择的植物有关，在人工湿地中，污水中难以生物降解的成分、地下水、大气、降雨等作用会产生污染物的背景浓度，而c*正是基于这一情况引进的，在一些情况下，由数学模型推导出的c*和真正的背景浓度是相同的［13，19］。这表明通常c*越小，出水污染物浓度就越小，结合式 (1)还可得出污染物的去除速率也越大。根据表1，组合人工湿地系统的总c*要远远小于任何一个单元湿地，在各个单元湿地中一、二级潜流湿地的c*又仅仅是稍大于三级潜流湿地，而远远小于表面流湿地和氧化塘;KA最大的是氧化塘，但是氧化塘的面积远远小于湿地系统以及一、二级潜流湿地，因此一、二级潜流湿地对于总COD去除率的贡献较大，实际测得结果是一、二级潜流湿地对COD去除贡献率分别为44.1%和17.6%，并且COD浓度随着流程不断降低［17］。从图4可以看出，组合人工湿地系统出水的COD模拟值与实测值的误差相对较小，对于“灰箱”原理的模拟误差来说是可行的。所以本试验中，数据模拟所得到的参数值，在一定条件下是适用的，一级动力学模型对组合人工湿地的设计运行具有一定的指导意义。

4 结论

组合人工湿地系统运行可靠，在HLR为10cm/d，20cm/d和25cm/d的条件下都能达到稳定的COD去除效果，大部分时间去除率均能达到60%以上，不容易受HLR波动的影响。在气温高的夏季组合人工湿地系统对COD的去除效果最好。

用一级动力学模型对组合人工湿地系统去除COD进行模拟，综合比较各个参数后，发现一、二级潜流湿地单元对COD的去除贡献较大。最后得到的出水模拟结果和实测值相接近，说明一级动力学模型对组合人工湿地有设计运行上的指导意义。

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