不同布水方式下水平潜流人工湿地水动力学机制研究宋新山

收稿日期：2009-04-21基金项目：国家自然科学基金创新群体研究基金（50721006）；国家水专项（2008ZX07207-006-004）；国家重点基础研究发展计划973计划专题（2006CB403402-3）；上海市重点学科项目（B604）；上海市自然科学基金（10ZR1400300）作者简介：宋新山（1972-），男，河南叶县人，副教授，博士，主要从事水环境和环境数学模拟研究。E-mail：[e-mail]水利学报SHUILIXUEBAO2010年7月第41卷第7期文章编号：0559-9350（2010）07-0818-08不同布水方式下水平潜流人工湿地水动力学机制研究宋新山1，严登华2，陈燕1，张涛1（1.东华大学环境科学与工程学院，上海201620；2.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100044）摘要：通过6种布水方式（一般推流、多向入流、部分回流、波流、对角流、多点进水），进行了水平潜流人工湿地的脉冲示踪剂试验研究，获得其水力停留时间概率分布密度曲线。分别用4种不同概率分布函数（正态分布、对数正态分布、卡方分布、瑞利分布）对其水力停留时间的概率分布密度进行拟合分析，结果表明：对数正态分布的拟合效果最好。将对流扩散模型和连续反应器模型用于示踪剂的迁移过程模拟，结果表明：连续反应器模型比较适合模拟部分回流式布水方式，对流扩散模型则能够较好模拟其他5种布水方式。考虑多向入流和多点进水的示踪剂浓度叠加作用，进一步利用基于对流扩散机制的叠加模型进行示踪剂迁移过程模拟，结果表明：基于对流扩散机制的叠加模型能够较好模拟多向入流、多点进水类型的水平潜流人工湿地。关键词：水平潜流人工湿地;示踪剂试验；水力停留时间分布；对流扩散模型；连续反应器模型中图分类号：X143文献标示码：A1研究背景水动力过程是人工湿地设计和运行管理的关键机制之一。这是因为人工湿地所依靠的基质、微生物、植物根系之间的物理、化学和生物学过程的协同作用［1-2］是在随水流动过程中发生的［3-4］。水流过程可用水力停留时间分布函数（Hydraulicretentiontimedistributionfunction，RTD）、流体反应器动力学模型（对流扩散模型（Dispersionandplugflowmodel，DPFM）和连续反应器模型（Completelystirredtankreactormodel，CSTRM））表征［4-5］。潜流人工湿地（Subsurfaceflowconstructedwetlands，SSFCWs）中水流在基质层内流动，一般不出现明显的表面水流，其中的水平潜流人工湿地（Horizontalsubsurfaceflowconstructedwetlands，HSSFCWs）是指水流整体上呈现水平状态。20世纪90年代以前，人们对潜流人工湿地的研究集中在污染物去除的生化降解影响因素和其动力学过程上，未见有水动力学方面的研究报道。20世纪90年代至21世纪初期，传统污水处理中的水动力学推流理论被引入人工湿地研究，但多集中于表面流人工湿地。近几年，人工湿地水动力学方面的研究开始明显增多。目前，关于SSFCWs水动力学研究集中于：理想推流模型（Plugflowmodel，PFM）、连续完全混合反应器模型（CSTRM）和对流扩散模型（DPFM）［4-8］。Werner等［4］则提出非完全混合区域模型，该模型在流路上构建多个推流反应器，每个都和紧邻的CSTR反应器进行物质交换，在垂直于流体运动方向上考虑径向扩散。目前，关于水平潜流人工湿地（HSSFCWs）水动力学机制的研究不足主要表现为：（1）虽已发现RTD曲线是区别于正态分布的后端脱尾曲线，但很少有关于HSSFCWs的RTD函数的专门报道。这使得不能将RTD定量耦合到一些生化动力学模型中；（2）目前在关于HSSFCWs的水动力学研究中，一般认为，PFM应用于表面流人工湿地具有一定可行性，应用于HSSFCWs则是无效的［6］，但哪种流体——818DOI:10.13243/j.cnki.slxb.2010.07.007反应器动力学模型更适合HSSFCWs，尚无定论。这使得对HSSFCWs的去除效率设计缺乏依据；（3）基于水动力驱动机制，一些研究试图通过改变SSFCWs的进出口水分布和水流流态（布水方式）提高除污效果，如多点进水、出水回流或多向入流尝试补充碳源和氧气，提高硝化-反硝化效果；波流式试图延长流路，充分利用有限容积增加停留时间。相对于一般推流或对角流，这些布水方式对污染物去除效果明显增强。但这种新型布水工艺的水动力学机制尚不清楚。这使得难以从理论上进行定量化设计改进。本文通过对不同布水方式下HSSFCWs的脉冲示踪剂试验RTD曲线的分析和拟合，以期发现最适合HSSFCWs的水力停留时间分布函数模型；通过将DPFM和CSTRM分别用于HSSFCWs的示踪剂模拟，找到适合HSSFCWs的水流动力学模型；通过对一些新型布水工艺下HSSFCWs的示踪剂试验，寻求到研究其水动力过程的有效方法。2材料与方法2.1试验装置设计6种布水方式（如图1）。其中（a）为前端多孔管进水，末端多孔管出水；（b）为前端和侧面1/2处多孔管进水，末端多孔管出水；（c）为前端进水，末端出水的1/3回流至前端；（d）为前端进水，末端出水，但在流向1/3（上部）和2/3（下部）处各插一块挡流板；（e）为前端一个角进水，末端对角出水；（f）为前端和流向上1/2处进水，末端出水。每个模拟人工湿地用0.493m（长）×0.35m（宽）×0.4m（高）的有机玻璃箱体构建。内部填0.17～0.225m厚（表1）粒径为5～8mm沸石。类型（a）（b）（c）填料厚度/m0.1850.1800.180测定流量/（m3/h）0.08170.07890.0789类型（d）（e）（f）填料厚度/m0.1850.1700.225测定流量/（m3/h）0.07890.07890.0807表1不同布水方式的实测填料厚度以及测定流量图1人工湿地不同布水方式剖面2.2示踪剂脉冲试验2.2.1测试方法（1）静态吸附试验。选取NaCl为示踪剂，示踪剂的选取以便于测定、试验过程中损失量最小为原则。试验开始前用NaCl溶液对沸石进行了静态吸附实验，用电导率仪（HANNAHI90302）测定溶液电导，借以反映其溶液浓度变化。用300ml浓度分别为250mg/L和1000mg/L的NaCl溶液加入装填沸石800ml的2L容量瓶中，每隔20min测定其溶液电导率变化，11h内，前者的电导率稳定在0.75ms/cm左右，后者稳定在1.92ms/cm左右，无明显变化。说明沸石对NaCl的吸附量很小。（2）电导与浓度线性关系测试。众所周知，电导率和溶液浓度并非简单的线性关系。稀溶液中，电导率随溶液浓度增加而线性增加；当浓度增大到一定程度，由于离子活度降低，电导率反而下降。为此配制25～1200mg/L的NaCl溶液，测试其电导率（见图2）。可见在1200mg/L以下，溶液电导率和浓度之间有简单线性关系。（3）脉冲试验。试验过程中在恒流情况下，（a）—（e）装置以15gNaCl溶——819解于150ml水中，（f）装置以15gNaCl溶于250ml水中，通过切换进水管，以脉冲方式在5s内瞬间进入装置，然后通过恒流泵保持恒定水流。溶液进入装置后，以一定时间间隔测定出水溶液电导率。图2稀溶液中电导率和NaCl浓度的线性关系2.2.2数据处理方法（1）由出水电导率估算水溶液浓度。根据电导率估算溶液浓度：C()t=()E()t-EwMNaClλNa+λCl（1）式中：E为电导率（s/m）；Ew为进水背景电导率（s/m）；MNaCl为NaCl的摩尔质量（g/mol）；λNa为Na+离子的摩尔电导率（5.01×10-3s·m·mol－1）；λCl为Cl-离子的摩尔电导率（7.63×10-3s·m·mol－1）；t为从示踪试验开始的时间（h）；C为浓度（g/m3）。（2）停留时间分布密度的标准化处理。根据流体反应器理论，脉冲示踪剂试验中测得的浓度相当于停留时间分布密度。为此，对上述浓度进行标准化处理［5］：N()t=()E()t-EwMNaClQ()λNa+λClM（2）式中：Q为流量（m3/h）；M为加入的示踪剂总量（g）；N为标准化的停留时间分布密度（h-1）。2.3模拟理论与方法2.3.1水力停留时间分布概率密度模拟在稳定连续流动系统中，停留时间定义为：ts=0∞N()ttdt/0∞N()tdt（3）式中：ts为观测停留时间（h）。标准化后的停留时间分布密度函数具有归一化性质：0∞N()tdt=1。停留时间分布密度函数的积分就是停留时间分布()F()t概率：F()t=0tN()tdt，人工湿地出口处的F()t函数可反映示踪剂回收率。基于人工湿地示踪剂停留时间密度函数的曲线形状，对其采用的分布模拟主要有正态分布、对数正态分布、卡方分布和瑞利分布。（1）正态分布。概率密度为：N()t=12πσe-()t-tm22σ20t+∞（4）式中：tm为正态分布的期望平均停留时间（h）；σ为正态分布标准差（h）。（2）对数正态分布。概率密度为：N()t=12πσte-()lnt-tm22σ20t+∞（5）对数正态分布的期望平均停留时间为etm+σ2/2，其标准差为：()eσ2-1e2tm+σ2。——820（3）卡方分布。概率密度为：N()t=()1/2k/2Γ()k/2tk/2-1e-t/20t+∞（6）式中：k为卡方分布的自由度；卡方分布的期望值为k；其标准差为2k。（4）瑞利分布。概率密度为：N()t=tσ2e-t22σ20t+∞（7）瑞利分布的期望值为σπ/2；其标准差为()2-π/2σ2。2.3.2水动力过程模拟（1）对流扩散模型（DPFM）。饱和流情况下一维对流扩散瞬时源数学模型（t=0~t0时段内连续注入浓度为C0的流体，此后注入的是不含污染物质的流体）为：ìíîïïïïïïïïDæèçöø÷¶2C¶x2-νæèöø¶C¶x=¶C¶xC()0x∞t0边界条件C()x=0=ìíîC00tt00t0t∞；C()x=∞t0=0初始条件C()x0t=0=0（8）其解析解为：C()x,t=C02éëêêêêùûúúúúerfcæèççöø÷÷x-νt2Dt-erfcæèççççöø÷÷÷÷x-ν()t-t02D()t-t0（9）式中：D为扩散系数（m2/h）；C为浓度（g/m3）；v为流速（m/h）；t0为示踪剂停止注入时刻（h）；C0为瞬时注入示踪剂浓度（g/m3）；x为示踪剂注入位置和出口处的距离（m）。（2）连续完全混合反应器模型（CSTRM）。N个连续反应器，出口处第N个反应器质量平衡：VNdCN()tdt=QVN[]CN()t-CN-1()t=tN[]CN()t-CN-1()t（10）式中：tN为第N个反应器平均停留时间（h）；Q为流量（m3/h）；VN为第N个反应器体积（m3）。根据停留时间分布的概念，可得连续完全混合反应器模型的停留时间分布密度函数为：N()t=ìíîïïïï0ttdNtCST()N-1!éëêêùûúúN()t-tdtCSTN-1expéëêêùûúú-N()t-tdtCSTttd（11）式中：td为出口处示踪剂延迟时间（h）；tCST为整个湿地系统的理论停留时间（h）。3结果与讨论3.1水力停留时间密度分布的概率拟合函数分析根据脉冲示踪剂实验数据和上述各种概率分布模型，利用MATLAB软件编程对之进行了模拟分析。结果见表2和图3。从图3可见，直观上看，对数正态分布的概率分布模型和观测值的拟合效果较好，表2进一步证实了上述结果。表2中，（d）布水方式的对数正态分布和正态分布的拟合残差平方和接近，均比较小，其他5种布水类型中，对数正态分布的拟合残差平方和均较小。这说明，水平潜流人工湿地作为一种半自然的人工系统，其水力停留时间分布的密度函数更近似于对数正