人工濕地設計計算模式研究09級環境工程人工濕地制作人:邱恩淋

人工濕地設計計算模式研究09級環境工程人工濕地制作人1運行維護簡便t處理效果好投資少耗能低......利用基質、植物和微生物三者之間的物理、化學和生物三重協同作用，通過過濾、吸附、離子交換、植物吸收和微生物降解等作用實現對污水的凈化人工濕地

技術適合于我國國情，尤其

適合于廣大農村，中小城鎮的

污水處理之中，在我國具有極

其廣闊的應用前景。

運行維護簡便t處理效果好投資少耗能低......利用基質、植2人工濕地濕地模型研究發展

濕地模型的目的是幫助人們設計濕地以及評估濕地的處理效果But。。。

人工濕地應用的設計和運行大都是建立在統計數據和經驗公式基礎上的,這些污水處理技術并不為人們所完全掌握,專家學者和工程人員對人工濕地各種去污機理和途徑尚無系統定量化的結論,對人工濕地設計時的預期水質目標和長期的運行效果缺乏準確可靠的預測手段,從而嚴重地影響了這一污水處理技術的推廣與應用。人工濕地濕地模型研究發展濕地模型的目的是幫助人們設計濕地以3

人工濕地處理污水的內在機制缺乏定量化的認識，而且人工濕地系統的影響因素有很多，如HRT，基質，植物，微生物，溫度等。計算模式要綜合考慮到各個因素是很難的，所以人們對人工濕地的設計計算模式眾說不一，包括水力負荷、衰減模式、一級K-C*模型、Monod動力模型、Ergun公式、機理模型和生態動力學模型等。人工濕地處理污水的內在機制缺乏定量化的認識，而且人工4介紹三種典型的人工濕地去污模型一級動力學模型Monod動力學模型生態動力學模型介紹三種典型的人工濕地去污模型一級動力學模型Monod動力學5三種典型模型的差異

動力學模型中,一級動力學模型、零級動力學模型中較少明確提及污染物降解過程中的微生物作用,但Monod模型已開始關注微生物的降解作用,而生態動力學模型則在此基礎上進一步考慮了其他降解過程,使得人們能夠更加深入了解人工濕地運行過程和內在機制。三種典型模型的差異動力學模型中,一級動力學模型、6人工濕地設計計算模型課件7今后研究方向

一級動力學和Monod動力學的設計方程都是由污染物穩態時的質量平衡得到的,都是濕地床的靜態宏觀模型,兩者都沒有考慮到傳質效率,即都假定物質從液相遷移到生物膜的過程沒有阻力。在今后新的模型研究中應考慮到濕地植被的空間分布,應根據實際的停留時間分布來模擬污染物在濕地中的去除,而不是僅考慮單一的停留時間。另外人工濕地是一個復雜的生態系統,其對污染物的去除是人工濕地各組成部分共同作用的結果,新的模型應充分考慮到各種因素的影響。因此,應對人工濕地污染物去除的機理及其影響因素作更為全面深入的研究。今后研究方向一級動力學和Monod動力學的設計8謝謝！謝謝！9一級動力學模型1.單一參數一級動力學模型

濕地一級動力學方程，主要考慮處理負荷與處理效率間的關系。經常假設模型中的一些參數如速率常數等為常量，該模型假設：

(1)濕地系統處于穩態(即進、出水流量和濃度不隨時間變化)；

(2)污染物降解服從一級反應動力學；

(3)水流流態呈理想推流；一級動力學模型1.單一參數一級動力學模型10通常的表達方式如下：式中：Ci—進水濃度(mg/L）；Ce—出水濃度(mg/L)；

kv—體積去除率常數(1/a)；kA—面積去除率常數(m/a)；q—水力負荷(m/a)；τ—水力停留時間(a）。｛KV→濕地所需體積→多用于潛流型人工濕地KA→濕地所需面積→多用于表面流人工濕地通常的表達方式如下：式中：Ci—進水濃度(mg/L）；112.一級k-C*模型

單一參數的一級動力學模型中僅包含一個參數kv或kA。Kadlec和Knight[77]基于污染物在濕地中呈現指數衰減至恒值但不為零的現象，引入背景濃度，低于背景濃度的污染物不能被降解，并在一級反應動力學方程中加入背景濃度項C*：式中，Ce為目標物出水濃度，mg/L；Ci為目標物進水濃度，mg/L；C*為該目標物水質指標的環境背景值，mg/L；K為一級面積速率常數，m/a；q為水力負荷率，m/a。2.一級k-C*模型式中，Ce為目標物出水濃度，mg/L；C12

經過重新整理和單位轉換后，得出處理某一指定污染物所需的濕地面積為式中，A為所需要濕地面積，hm2；Q為進水流量，m3/d。經過重新整理和單位轉換后，得出處理某一指定污染物13

不論單參數還是2參數模型,在運行和設計條件改變時,都不能保持參數的穩定性,于是研究者又在模型中加入了第3個參數,提出了3參數模型。加入描述水力負荷變化對k值影響的參數m,對k值進行修正:

kv=kv'qm

研究表明參數m的引入可以提高數據與模型的吻合程度,但并不能消除水力負荷對表觀背景濃度的影響不論單參數還是2參數模型,在運行和設計條件改變時,都14一級動力學模型的優點：

參數的求解及計算過程都很簡單一級動力學模型存在的缺陷：

實際情況人工濕地水流為非穩態流;由于短流和死區導致非理想推流流態;反應速率常數會隨進水濃度、水力負荷和水深等因素變化而變化;K-C*模型計算值比實驗值；一直偏大植物種類和溫度對反應速率常數和背景濃度影響顯著等等。

但是當濕地系統在類似氣候、進水水質、基質材料和植物種類時，這些模型參數用于指導設計是可行的。一級k-C*模型仍是目前最實用、最可靠的設計工具。一級動力學模型的優點：15Monod動力學模型

按照一級動力學,污染物的去除速率為:

r1=QCi[1-exp(-k1,vt)]

=QCi[1-exp(-k1,A/q)]

r0=k0,VV=k0,AA

式中,r0為零階去除率;r1為1階去除率。實際上,當入流的濃度增加,降解率將由1階向零階過渡即動力學模型達到飽和,這在傳統的污水處理設施和生物接觸氧化法系統中都能見到。所以,既然人工濕地中包含相似的生物降解過程,上述過程也應存在。零階去除率常數r0對于一個特定的系統來說是定值,且與入流濃度及流量無關。在人工濕地的運行中,表現為去除率隨入流負荷增加,直到最大值。但只有零階模型并不能完全描述濕地的實際情況,需要一個將1階和零階結合的模型來描述,即Monod模型。

簡而言之：由一級動力學模型可求出一階去除率，去除率隨入流負荷增加而提高，直到最大值（也就是零階去除率，為定值，與入流流量和濃度無關）。Monod模型就是將一階和零階結合起來的模型。Monod動力學模型按照一級動力學,污染物的去除速率為:16根據Monod模型,可以得出濕地床體內污染物的物料平衡:式中Z—濕地床的長度(L)；a—濕地縱段面面積（L2）；V—地體積（L3);K—飽和常數（M.L-3);k0,V—零階體積去除率常數(L.T-1)；k0,A—零階面積去除率常數(L.T-1)；ε—濕地床的孔隙率(L3.L-3)

對各個系統進行比較需要將其參數規范化,將污染物濃度C除以飽和常數K,得到規范化濃度C(即C=C/K);將沿床體的距離z除以濕地總長Z,得到規范化長度z(即z=z/Z)。則方程(11)經規范化后變成:根據Monod模型,可以得出濕地床體內污染物的物料平衡:式中17上式定義了一個新的無量綱參數Ω—濕地去除效率因子,代表了濕地床體的相對效果。實際上,Ω是給定水力停留時間或流量下的最大可能去除量,除以Monod飽和常數,而得出的規范化參數。Ω數值高就表示相對于流量而言降解速率快,從而帶來好的處理效果。

Monod模型是個一級和零級動力學模型的結合體，在低濃度營養物的情況下(即C<<K)，營養物濃度是降解的控制因素，整個降解過程遵循一級反應；在高濃度營養物的情況下(C>>K)，濕地床體中所能承載的最大微生物量轉而成為降解反應的控制因素，降解速率達到最大值。上式定義了一個新的無量綱參數Ω—濕地去除效率因子,代表了濕地18

雖然Monod動力學模型從微生物反應規律來說更符合實際情況,但在具體應用計算成本方面,涉及到生化反應動力學方面的一些參數的確定,使計算過程較難實現。與一級動力學模型相比,Monod動力學模型更符合微生物處理的實際情況,更為合理,因此,它更適用于那些微生物起主導作用的污染物降解過程。雖然Monod動力學模型從微生物反應規律來說更符合實19生態動力學模型

生態動力學模型是以“箱式”模型理論為基礎,將系統中污染物的各種生物、物理、化學降解去除途徑劃分成許多獨立的“箱子”和反應過程,然后分別對每個“箱子”即反應過程進行定義,確定其具體的質量平衡方程、反應公式(一般為動力學方程)和相關的動力學參數，并通過實驗測定、文獻查找、模型自擬合等方法獲得各種相關生態動力學參數，然后運用各種建模軟件對概念模型進行實現，并以人工濕地系統的運行數據對各個參數和過程定義進行分析、演算、校驗和修正，最終得到一個統一完整的生態動力學模型。生態動力學模型 生態動力學模型是以“箱式”模型理論為基20黑箱清水污水物理降解生物降解化學降解氮循環模型磷循環模型......對每個箱子進行定義,確定其具體的質量平衡方程、反應公式和相關的動力學參數黑箱清水污水物理降解生物降解化學降解氮循環模型對每個箱子進行21

生態動力學模型是建立在對污染物在人工濕地中各種形態變化、循環和定量平衡等的系統深入研究基礎之上的。由于在模型中污染物形態的劃分細致,多介質、多途徑、去除和釋放過程并存,協調和拮抗作用同時發生,對人工濕地的各個降解去除過程都單獨模塊化,都有相對獨立的參數和方程進行描述,較一級動力學模型更為詳細準確。生態動力學模型是建立在對污染物在人工濕地中各種形態變22

人工濕地設計計算模式研究09級環境工程人工濕地制作人:邱恩淋

人工濕地設計計算模式研究09級環境工程人工濕地制作人23運行維護簡便t處理效果好投資少耗能低......利用基質、植物和微生物三者之間的物理、化學和生物三重協同作用，通過過濾、吸附、離子交換、植物吸收和微生物降解等作用實現對污水的凈化人工濕地

技術適合于我國國情，尤其

適合于廣大農村，中小城鎮的

污水處理之中，在我國具有極

其廣闊的應用前景。

運行維護簡便t處理效果好投資少耗能低......利用基質、植24人工濕地濕地模型研究發展

濕地模型的目的是幫助人們設計濕地以及評估濕地的處理效果But。。。

人工濕地應用的設計和運行大都是建立在統計數據和經驗公式基礎上的,這些污水處理技術并不為人們所完全掌握,專家學者和工程人員對人工濕地各種去污機理和途徑尚無系統定量化的結論,對人工濕地設計時的預期水質目標和長期的運行效果缺乏準確可靠的預測手段,從而嚴重地影響了這一污水處理技術的推廣與應用。人工濕地濕地模型研究發展濕地模型的目的是幫助人們設計濕地以25

人工濕地處理污水的內在機制缺乏定量化的認識，而且人工濕地系統的影響因素有很多，如HRT，基質，植物，微生物，溫度等。計算模式要綜合考慮到各個因素是很難的，所以人們對人工濕地的設計計算模式眾說不一，包括水力負荷、衰減模式、一級K-C*模型、Monod動力模型、Ergun公式、機理模型和生態動力學模型等。人工濕地處理污水的內在機制缺乏定量化的認識，而且人工26介紹三種典型的人工濕地去污模型一級動力學模型Monod動力學模型生態動力學模型介紹三種典型的人工濕地去污模型一級動力學模型Monod動力學27三種典型模型的差異

動力學模型中,一級動力學模型、零級動力學模型中較少明確提及污染物降解過程中的微生物作用,但Monod模型已開始關注微生物的降解作用,而生態動力學模型則在此基礎上進一步考慮了其他降解過程,使得人們能夠更加深入了解人工濕地運行過程和內在機制。三種典型模型的差異動力學模型中,一級動力學模型、28人工濕地設計計算模型課件29今后研究方向

一級動力學和Monod動力學的設計方程都是由污染物穩態時的質量平衡得到的,都是濕地床的靜態宏觀模型,兩者都沒有考慮到傳質效率,即都假定物質從液相遷移到生物膜的過程沒有阻力。在今后新的模型研究中應考慮到濕地植被的空間分布,應根據實際的停留時間分布來模擬污染物在濕地中的去除,而不是僅考慮單一的停留時間。另外人工濕地是一個復雜的生態系統,其對污染物的去除是人工濕地各組成部分共同作用的結果,新的模型應充分考慮到各種因素的影響。因此,應對人工濕地污染物去除的機理及其影響因素作更為全面深入的研究。今后研究方向一級動力學和Monod動力學的設計30謝謝！謝謝！31一級動力學模型1.單一參數一級動力學模型

濕地一級動力學方程，主要考慮處理負荷與處理效率間的關系。經常假設模型中的一些參數如速率常數等為常量，該模型假設：

(1)濕地系統處于穩態(即進、出水流量和濃度不隨時間變化)；

(2)污染物降解服從一級反應動力學；

(3)水流流態呈理想推流；一級動力學模型1.單一參數一級動力學模型32通常的表達方式如下：式中：Ci—進水濃度(mg/L）；Ce—出水濃度(mg/L)；

kv—體積去除率常數(1/a)；kA—面積去除率常數(m/a)；q—水力負荷(m/a)；τ—水力停留時間(a）。｛KV→濕地所需體積→多用于潛流型人工濕地KA→濕地所需面積→多用于表面流人工濕地通常的表達方式如下：式中：Ci—進水濃度(mg/L）；332.一級k-C*模型

單一參數的一級動力學模型中僅包含一個參數kv或kA。Kadlec和Knight[77]基于污染物在濕地中呈現指數衰減至恒值但不為零的現象，引入背景濃度，低于背景濃度的污染物不能被降解，并在一級反應動力學方程中加入背景濃度項C*：式中，Ce為目標物出水濃度，mg/L；Ci為目標物進水濃度，mg/L；C*為該目標物水質指標的環境背景值，mg/L；K為一級面積速率常數，m/a；q為水力負荷率，m/a。2.一級k-C*模型式中，Ce為目標物出水濃度，mg/L；C34

經過重新整理和單位轉換后，得出處理某一指定污染物所需的濕地面積為式中，A為所需要濕地面積，hm2；Q為進水流量，m3/d。經過重新整理和單位轉換后，得出處理某一指定污染物35

不論單參數還是2參數模型,在運行和設計條件改變時,都不能保持參數的穩定性,于是研究者又在模型中加入了第3個參數,提出了3參數模型。加入描述水力負荷變化對k值影響的參數m,對k值進行修正:

kv=kv'qm

研究表明參數m的引入可以提高數據與模型的吻合程度,但并不能消除水力負荷對表觀背景濃度的影響不論單參數還是2參數模型,在運行和設計條件改變時,都36一級動力學模型的優點：

參數的求解及計算過程都很簡單一級動力學模型存在的缺陷：

實際情況人工濕地水流為非穩態流;由于短流和死區導致非理想推流流態;反應速率常數會隨進水濃度、水力負荷和水深等因素變化而變化;K-C*模型計算值比實驗值；一直偏大植物種類和溫度對反應速率常數和背景濃度影響顯著等等。

但是當濕地系統在類似氣候、進水水質、基質材料和植物種類時，這些模型參數用于指導設計是可行的。一級k-C*模型仍是目前最實用、最可靠的設計工具。一級動力學模型的優點：37Monod動力學模型

按照一級動力學,污染物的去除速率為:

r1=QCi[1-exp(-k1,vt)]

=QCi[1-exp(-k1,A/q)]

r0=k0,VV=k0,AA

式中,r0為零階去除率;r1為1階去除率。實際上,當入流的濃度增加,降解率將由1階向零階過渡即動力學模型達到飽和,這在傳統的污水處理設施和生物接觸氧化法系統中都能見到。所以,既然人工濕地中包含相似的生物降解過程,上述過程也應存在。零階去除率常數r0對于一個特定的系統來說是定值,且與入流濃度及流量無關。在人工濕地的運行中,表現為去除率隨入流負荷增加,直到最大值。但只有零階模型并不能完全描述濕地的實際情況,需要一個將1階和零階結合的模型來描述,即Monod模型。

簡而言之：由一級動力學模型可求出一階去除率，去除率隨入流負荷增加而提高，直到最大值（也就是零階去除率，為定值，與入流流量和濃度無關）。Monod模型就是將一階和零階結合起來的模型。Monod動力學模型按照一級動力學,污染物的去除速率為:38根據Monod模型,可以得出濕地床體內污染物的物料平衡:式中Z—濕地床的長度(L)；a—濕地縱段面面積（L2）；V—地體積（L3);K—飽和常數（M.L-3);k0,V—零階體積去除率常數(L.T-1)；k0,A—零階面積去除率常數(L.T-1)；ε—濕地床的孔隙率(L3.L-3)

對各個系統進行比較需要將其參數規范化,將污染物濃度C除以飽和常數K,得到規范化濃度C(即C=C/K);將沿床體的距離z除以濕地總長Z,得到規范化長度z(即z=z/Z)。則方程(11)經規范化后變成:根據Monod模型,可以得出濕地床體內污染物的物料平衡:式中39上式定義了一個新的無量綱參數Ω—濕地去除效率因子,代表了濕地床體的相對效果。實際上,Ω是給定水力停留時間或流量下的最大可能去除量,除以Monod飽和常數,而得出的規范化參數。Ω數值高就表示相對于流量而言降解速率快,從而帶來好的處理效果。

Monod模型是個一級和零級動力學模型的結合體，在低濃度營養物