廖新弟，駱世明，吳銀寶，汪植三
（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 熱帶亞熱帶生態(tài)研究所，廣東廣州 510642）

　　摘要：以風(fēng)車(chē)草人工濕地處理豬場(chǎng)廢水，研究人工濕地處理廢水有機(jī)物的動(dòng)態(tài)模型。人工濕地一年四季連續(xù)運(yùn)行，秋李和春季濕地以相同進(jìn)水濃度和不同水力停留時(shí)間的方式運(yùn)行；冬季和夏季以相同水力停留時(shí)間和不同進(jìn)水濃度的方式運(yùn)行。COD作為有機(jī)物降解的建模指標(biāo)。結(jié)果表明，濕地進(jìn)出水COD服從指數(shù)方程規(guī)律。提出了基于運(yùn)行溫度和進(jìn)水濃度的濕地出水COD預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差在10％以?xún)?nèi)。
　　關(guān)鍵詞：人工濕地；風(fēng)車(chē)草；廢水處理；有機(jī)物；模型
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　 文章編號(hào)：1009—2455(2004)04—0023—04

A Study of Dynamic Model of Treatment of Organic Matters in Sewage Using Constructed Wetland

LIA0 Xin-di，LUO Shi-ming，WU Yin—bao，WANGZhi-san
(Institute of Tropical and Subtropical Ecology of South China A gricultural University , Guangzhou 510642，China)

　　Abstract：A constructed wetland system (CWS) where cyperas alternifolius had been planted was used for the treatment of sewage from hoggery in order to develop a dynamic model of treatment of organic matters with constructed wetland.The constructed wetland operated continuously at a11 seasons.The wetland operated with the same concentration of influent and different hydraulic retention time (HRT) in autumn and spring，while in winter and summer it operated with the same HRT (3 days) and different concentration of influent.Chemical oxygen demand (COD) was used as an indicator for modeling the degradation of organic matters.The results showed that the COD of the influent and effuent of the wetland followed the rule of exponential equation.A model was proposed for anticipating the COD of the effuent water from the wetland based on the operating temperature and the concentration of influent water，the error of which was within 10％.
　　Key words：constructed wetland；cyperus altrnlifolius；wastewater treatment；organic matter；model

　　人工濕地已廣泛應(yīng)用于廢水處理，然而，人工濕地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行常常缺乏模型的指導(dǎo)。本研究以風(fēng)車(chē)草潛流式人工濕地處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水為研究對(duì)象，重點(diǎn)討論在同一廢水來(lái)源、相同的潛流式人工濕地和統(tǒng)一的水力停留時(shí)間下(3 d)，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷(以COD表示)和氣溫對(duì)COD降解常數(shù)左的影響，以及基于進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷和氣溫丸值與出水水質(zhì)預(yù)測(cè)模型。

1模擬人工濕地的構(gòu)成

　　 人工濕地的剖面如圖1所示，長(zhǎng)度為1 m，寬0.5m，高0.8m，由磚和水泥砌成。濕地內(nèi)填充粒徑3—5cm的碎石60cm厚作為處理床，處理床上種植風(fēng)車(chē)草，試驗(yàn)在大棚內(nèi)進(jìn)行。風(fēng)車(chē)草植株根系發(fā)達(dá)，分蘗數(shù)14-16個(gè)／株，高度135-145sm，每組8株，分兩行栽種。濕地進(jìn)水通過(guò)位于濕地前部的進(jìn)水槽從處理床前端底部分多孔均勻進(jìn)水，從另一端上部多孔均勻出水。

2COD降解的數(shù)學(xué)模型

　　根據(jù)反應(yīng)器中反應(yīng)物的流動(dòng)特征和凈化機(jī)理，通常把人工濕地看作推流反應(yīng)器^[1-3]。在理想的推流反應(yīng)器中，反應(yīng)物濃度隨空間和時(shí)間而變化，并遵循：

　　 Y_t=Y_oexp(-kt)

式中：t——反應(yīng)器物料的理論停留時(shí)間，d；
　　　Y_t——出口COD的質(zhì)量濃度，mg／L；
　　　Y_o——進(jìn)口COD的質(zhì)量濃度，mg／L；
　　　K——COD降解常數(shù)^[4]。

　　在上述方程中，兌反映濕地廢水COD的降解速度，它與廢水性質(zhì)、進(jìn)水特征、廢水處理系統(tǒng)的整體特征以及系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境條件等有關(guān)^[5]。

3實(shí)驗(yàn)方法

　　測(cè)試前先運(yùn)行2個(gè)月，以讓處理床掛膜；運(yùn)行時(shí)每隔3 d進(jìn)1次廢水，進(jìn)水量90L／室，進(jìn)水濃度低于當(dāng)季正式測(cè)試時(shí)的最低進(jìn)水濃度。
　　為了研究季節(jié)性氣溫(水溫)對(duì)濕地降解COD的影響，將試驗(yàn)按4個(gè)不同季節(jié)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行1 a。其中，秋季和春季運(yùn)行采用同一個(gè)進(jìn)水濃度范圍，廢水在濕地的停留時(shí)間(HRT)采用5個(gè)方式(5，4，3，2，1 d)，秋季春季試驗(yàn)平均進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度為736.29土29.63 mg／L，5種停留時(shí)間運(yùn)行下的水力負(fù)荷分別為72，90，120，180和360L／(m²·d)，有機(jī)負(fù)荷(以COD計(jì))依次為：53.01，66.26，88.35，132.53和265.06 g／(m²·d)。冬季和夏季試驗(yàn)運(yùn)行采用同一個(gè)停留時(shí)間(3d)，5個(gè)不同的進(jìn)水濃度范圍(見(jiàn)表1)。

　　試驗(yàn)期間各組每天連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水是豬場(chǎng)廢水經(jīng)沉淀和厭氧處理后的出水再按試驗(yàn)所需用清水調(diào)配而成。在同一季節(jié)內(nèi)，試驗(yàn)不同停留時(shí)間或不同進(jìn)水水質(zhì)的運(yùn)行和測(cè)試均重復(fù)3次。
　　每一個(gè)季節(jié)測(cè)試結(jié)束，將試驗(yàn)植物沿床面上30cm剪割掉，各組繼續(xù)在低濃度下繼續(xù)運(yùn)行。

4 結(jié)果與討論

4.1 進(jìn)水濃度對(duì)COD降解系數(shù)A的影響
　　冬、夏季濕地去除COD服從指數(shù)方程規(guī)律。將風(fēng)車(chē)草濕地夏季、冬季停留時(shí)間等于3 d時(shí)Y_o和Y_t，的5組測(cè)定結(jié)果分別代人指數(shù)方程Y_t=Y_o·e^(-kθ)，獲得夏季、冬季風(fēng)車(chē)草濕地降解COD的5個(gè)k值，見(jiàn)表1。
　　根據(jù)表1中Y_o與k的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以分別求出冬、夏季COD的降解系數(shù)k(d^-1)與進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度(Y_o，mg／L)的回歸方程，分別為：
　　夏季：k=0.0003Y_o+0.3727，r=0.9019　 (1)
　　冬季：k=-0.000 02Yo+0.4791，r=0.2083　　 (2)
4.2 溫度對(duì)COD降解系數(shù)k的影響
　　將4個(gè)進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度：490.35,867.07，983.38和1440.20mg／L，依次代入冬季k與Y_o的關(guān)系式k=-0.000 02 Y_o+0.479 1，可估算出4個(gè)k，依次是：0.469 3，0.461 8，0.459 4和0.450 3 d^-1。同理，將上述4個(gè)進(jìn)水COD值代入夏季k與Y_o的關(guān)系式k=0.000 3Y_o+0.372 7，求出4個(gè)相應(yīng)的k，依次是：0.519 8，0.632 8，0.721 5和0.725 0d^-1。
　　假設(shè)在同一進(jìn)水濃度下，k與溫度成線(xiàn)性關(guān)系，根據(jù)上述4種進(jìn)水濃度下，冬、夏季各4個(gè)k值，以及冬、夏季氣溫(分別為17.9℃和27.2℃)，可以分別求出上述4種進(jìn)水濃度下，k隨溫度θ(℃)變化的直線(xiàn)方程，見(jiàn)表2。

　　根據(jù)表2的4種不同進(jìn)水濃度下、k隨溫度θ變化的估算方程，可以計(jì)算出秋季(溫度21.4℃)、上述4種進(jìn)水濃度下的COD降解常數(shù)&值分別為：0.488 2，0.526 2，0.558 1和0.553 5 d^-1。同理，可以計(jì)算出春季(溫度23.8℃)、上述4種進(jìn)水濃度下的COD降解常數(shù)禿值分別為：0.501 1，0.570 3，0.625 8和0.624 3 d^-1。
　　這樣，4種進(jìn)水濃度、4個(gè)季節(jié)(溫度)下人工濕地的COD降解常數(shù)無(wú)值匯總在表3。

4.3　 COD降解常數(shù)k的估算模型

　　根據(jù)表3中進(jìn)水濃度與k的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，可以作出不同溫度下，k與進(jìn)水濃度之間的關(guān)系圖，如圖2所示。圖2表明：冬季低溫環(huán)境下，進(jìn)水濃度提高，k則減小(θ1)；其它高溫季節(jié)環(huán)境下，k隨進(jìn)水濃度提高而增大(θ2，θ3和θ4)。

　　圖2中，不同溫度下，k隨進(jìn)水濃度變化的回歸方程分別為：
　　方程θ1：k=0.4791-(2×10^-5)y_o，r=1.0000　　 (3)
　　方程θ2：k=0.4656+(7×10^-5)y_o，r=0.8489　　 (4)
　　方程θ3，k=0.4563+0.0001y_o，　 r=0.8735　　(5)
　　方程θ4：k=0.4432+0.0002y_o，　 r=0.8856　　(6)
　　上述θ₁—θ₄的4個(gè)方程可用k=a+by_o來(lái)表示，方程中a值與溫度關(guān)系見(jiàn)圖3，b值與溫度關(guān)系見(jiàn)圖4。

　　圖3、圖4可見(jiàn)，a值隨溫度上升而下降，而b值隨溫度上升而增加，其回歸關(guān)系為：
　　a=0.5482-0.0039 θ，r=1.000 0　　(7)
　　b=0.0004+(2×10^-5)θ，r=0.992 4　 (8)
　　將式(7)和式(8)代人k=a+by_o中，則k與進(jìn)水濃度的關(guān)系式變?yōu)椋?BR>　　k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10^-5)θ-0.0004]y_o?！　?(9)
　　若式(7)用a= a₁θ+a₂來(lái)表示，則a_l=-0.0039，a₂=0.5482
　　同理，若式(8)用b= b₁θ+b₂來(lái)表示，則b₁=2 ×10^-5，b₂=-0.0004
　　將k=a+by_o代入y_t=y_oexp(-kt)，
　　則：y_l=y_oexp[-(a+by_o)t]，再將a= a₁θ+a₂和b= b₁θ+b₂代入，
　　則：y₁=y_oexp{-[( a₁θ+a₂)+ (b₁θ+b₂)y_o]t}　　 (10)
　　式(10)中：y_l為出水COD的質(zhì)量濃度mg／L；y_o為進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度mg／L；θ為溫度，℃；t為水力停留時(shí)間，d;a₁,a₂，b₁和b₂均為系數(shù)，a₁=-0.0039，a₂=0.5482，b_l=2×10^-5，b₂=-0.0004。
　　這樣，通過(guò)式(10)，也可以預(yù)測(cè)出不同溫度、進(jìn)水COD濃度和停留時(shí)間下的風(fēng)車(chē)草人工濕地豬場(chǎng)廢水處理的出水COD值。

5 實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果的比較

　　 式(10)是根據(jù)人工濕地實(shí)際系統(tǒng)的進(jìn)水濃度和水力停留時(shí)間以及運(yùn)行溫度環(huán)境，預(yù)測(cè)出人工濕地的出水水質(zhì)，式中k是關(guān)鍵，其估算模型的精度見(jiàn)表4。

　　表4中，k來(lái)自表3，k₁根據(jù)式(9)計(jì)算而來(lái)，k₁誤差指與左比較的結(jié)果。
　　表4表明，按式9估計(jì)的k比實(shí)測(cè)偏小，誤差約在10％以?xún)?nèi)。這說(shuō)明在溫度和進(jìn)水濃度已知的條件下，人工濕地k可用k=(-0.0039θ+0.5842)+[(2×10^-5) θ-0.0004]y_o來(lái)估計(jì)。針對(duì)不同水力停留時(shí)間的人工濕地出水水質(zhì)可用y_t=y_oexp{-[(a₁θ+a₂)+(b_lθ+b₂)y_o]t}來(lái)預(yù)測(cè)。盡管本研究只采用COD建立風(fēng)車(chē)草人工濕地去除有機(jī)物的動(dòng)力學(xué)模型，但其方法同樣適用于其它植被的人工濕地，因?yàn)橥瑯幼駨耐屏鞣磻?yīng)器原理；此方法也適用于描述服從指數(shù)模型的其它污染指標(biāo)的降解過(guò)程，例如BOD，只是模型參數(shù)需要重新調(diào)整。

6結(jié)論

　　人工濕地降解有機(jī)物服從指數(shù)方程規(guī)律，模型可以用Y_t=Y_o·e^(-kt)表達(dá)。本研究建立了風(fēng)車(chē)草人工濕地COD降解動(dòng)力學(xué)模型dy／dt=-kt(t為時(shí)間)，研究闡明了溫度和進(jìn)水濃度對(duì)COD降解常數(shù)兌的影響。在溫度和進(jìn)水濃度已知的條件下，風(fēng)車(chē)草人工濕地COD降解的兌可用k=(-0.0039θ+0.5482)+[(2×10^-5) θ-0.0004]y_o妁來(lái)估計(jì)；針對(duì)不同水力停留時(shí)間(d)的風(fēng)車(chē)草人工濕地出水COD(y_t)可用y_t=y_oexp{-[(a₁θ+a₂)+(b_lθ+b₂)y_o]t}來(lái)預(yù)測(cè)。該模型可用于具推流反應(yīng)器原理的人工濕地有機(jī)物的去除過(guò)程，模型參數(shù)需針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)整。

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作者簡(jiǎn)介：廖新弟(1968—)，男，福建連江縣人，副教授，博士，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，電話(huà)(020)85280279，xdliao2002@yahoo.com.cn。