潛流式濕地系統(tǒng)停留時間分布實驗結(jié)果分析

1、 第一作者 :李現(xiàn)坡 , 男 ,1981年生 , 碩士研究生 , 主要從事環(huán)境化工研究。 #通訊作者 。潛流式濕地系統(tǒng)停留時間分布實驗結(jié)果分析李現(xiàn)坡 楊 勇 馬院紅 余兆祥 #(同濟大學化學系 , 上海 200092 摘要 鑒于水力停留時間對人工濕地系統(tǒng)處理效果和構(gòu)建設(shè)計的重要性 , 通過示蹤實驗測定了潛流式濕地系統(tǒng)的停留時間分布 , 結(jié)合反應(yīng)器理論 , 對實驗測定的不同進水流量范圍的停留時間響應(yīng)結(jié)果 , 分別以多釜串聯(lián)模型以及移位正態(tài)分布函數(shù)進行擬 合 , 并進一步對系統(tǒng)的水力平均停留時間 、 系統(tǒng)的流動形態(tài)以及非理想性進行了分析和討論 , 為濕地系統(tǒng)的水力學優(yōu)化設(shè)計和實際 運行提供理論基礎(chǔ)

2、和技術(shù)參數(shù) 。 關(guān)鍵詞 潛流式人工濕地 停留時間分布 流體流動形態(tài) 系統(tǒng)非理想性Study of residence time distribution for subsurface flow constructed w etlands L i X ian po , Yang Yong , M a Yuanhong , Yu Zhaox iang. (Chemist ry De partment , Tong j i Universit y , S hanghai 200092Abstract : The residence time of water inflow in the constr

3、ucted wetlands is an important design factor affecting its treatment performance. Series of tracer experiments were performed to study the residence time distribution of the lab scale subsurface flow wetland system relative to predictions of non 2ideal flow measured mean resi 2dence times were all s

4、ubstantially larger than the theoretical ; as the feed rate de 2creased. The time delay shifted normal distribution the experimental results , shown as the residence time distribution , tanks 2in 2series model. The analyses and discussions of the residence times , fluid state in motion and non 2idea

5、li 2ty of the wetland theoretical considerations and technical parameters for optimal de 2sign and operation of constructed wetlands.K eyw ords : subsurface flow constructed wetlands ;the residence time distribution ;fluid state in motion ;non 2ide 2ality of the system 目前 , 水污染日益嚴重 , 人工濕地在生活廢水 、 農(nóng)業(yè)廢

6、水 、 采礦廢水等廢水處理方面受到越來越多 的關(guān)注 。 為了使處理效果得到最優(yōu)化 , 需要對濕地 系統(tǒng)的水力學 、 化學 、 地球化學 、 物理 、 生物和生物化 學過程以及它們之間的相互聯(lián)系做深入的研究 。人 工濕地的處理效果與系統(tǒng)的水力停留時間有很大關(guān) 系 1。 比如 , 相對較長的停留時間 , 允許離子完全沉 淀和反應(yīng)完全進行 , 從而改善去除效果 , 但又容易使 沉淀物重新溶解到水流中 , 從而降低了去除效果 2。 同樣 , 水力停留時間是濕地系統(tǒng)水力學優(yōu)化設(shè)計考 慮的重要因素 , 目前濕地系統(tǒng)的水力學設(shè)計主要借 助傳統(tǒng)經(jīng)驗公式和實際工程經(jīng)驗 , 影響了人工濕地 凈化功能的有效發(fā)揮 。

7、 通過系統(tǒng)停留時間分布來分 析系統(tǒng)的流動形態(tài)和非理想性 , 從而優(yōu)化濕地系統(tǒng) 的設(shè)計和運行管理的研究報道很少 。因此 , 人工濕 地系統(tǒng)的水力停留時間的研究和討論對濕地系統(tǒng)的 優(yōu)化設(shè)計具有非常實際的意義 。1 試劑與裝置床層中接種污泥 , 示蹤劑先后采用質(zhì)量濃度為 50、 100g/L 的氯化鈣溶液 , 配置原料為分析純無水 氯化鈣和去離子水 。示蹤劑檢測采用 ED TA 滴定 法 3。 其中鈣紅指示劑 (質(zhì)量濃度為 5g/L 采用酒 精溶液 , 鈣紅指示劑和酒精為分析純 , 其他試劑及其 規(guī)格參照標準規(guī)定 。圖 1為實驗裝置的主視圖 , 裝置總體外觀為長 方體 , 除圖中所示尺寸 (單位為

8、mm 外 , 槽體寬度為 700mm , 槽體所用材料為 15mm 厚 PVC 板 。裝置進水軟管接水龍頭 , 直接用自來水作進水 , 氯化鈣在 進水區(qū)加入 , 加入瞬間 , 進行 10s 左右攪拌混合 , 然 后依靠水力混合 。出水口接軟管 , 通過控制軟管出 水高度 , 達到在不同進水流量下控制反應(yīng)器內(nèi)液面 的作用 , 控制目的是使反應(yīng)器內(nèi)液面剛好浸沒填料 (礫石 。 蘆葦種植深度為 2530cm 。46 環(huán)境污染與防治 第 30卷 第 2期 2008年 2月 圖 1 實驗裝置圖 (主視圖 Fig. 1 S chematic drawing of the experimental subs

9、urface flow constructed wetland system1 蘆葦 ;2 進水軟管 ;3 槽體 ;4 填料 ;5 布水器 ;6 出水口 2 實驗方法由于實驗裝置氣水界面較小 , 故可忽略蒸發(fā)和 植物蒸騰對水量的影響 , 采用 2L 量筒和秒表進行 流量測定 。實驗開始時 , 自來水進水 24h , 流量為 24. 0L/h , 測定進 、 出水中鈣離子的背景濃度 。然后 在進水區(qū)加入一定量的示蹤劑 , 攪拌 10s 左右 , 分 別測定不同時間的進出水中鈣離子濃度 ,幾次的出水濃度與背景濃度接近實驗條件見表 1。表 1Table 1 The conditions of the

10、 study實驗日期流量/(L h -1示蹤劑質(zhì)量濃度 /(g L -1示蹤劑用量 /mL水溫 /8月 7日 65. 070. 05017027. 5032. 12 8月 15日 90. 0100. 05049026. 5230. 15 8月 23日 55. 060. 010020025. 3128. 25 8月 31日 110. 0120. 010020025. 0227. 65 9月 12日 30. 035. 010020020. 5625. 653 結(jié)果與討論3. 1 系統(tǒng)水力停留時間的確定濕地系統(tǒng)的理論水力停留時間可以根據(jù)系統(tǒng)的 尺寸 、 填料孔隙率及平均流量按式 (1 4計算 。 t

11、 =V /Q av (1 式中 :t 為理論平均停留時間 ,h ; V 為系統(tǒng)有效容積 , L ; 為填料孔隙率 ; Q av 為平均流量 ,L/h 。實驗濕地系統(tǒng)的停留時間分布在各流量下的理 論值如表 2所示 。但在實際的濕地系統(tǒng)運行過程 中 , 由于系統(tǒng)滯留區(qū)的存在 、 流體自身擴散作用的影 響 、 植物根系 、 固體物沉積 、 生物膜的生長等因素 , 改 變了填料孔隙結(jié)構(gòu) , 同時這些因素的存在造成整個 系統(tǒng)中流體呈不均勻流動狀態(tài) , 使實際流體停留時 間偏離理想體系的停留時間 。 為此對實驗所獲得的 響應(yīng)值 , 采用式 (2 至式 (4 計算實測平均停留時間 。E (t =Qc (t

12、/m (2 t = 0t E (t d t ni =1t i2t i , i +1(32t =0t2E (t d t -t -2 ni =1t 2i2t i, i +1-t (4 式中 :E (t 、 E (t i 、 E (t i +1 分別為 t 、 t i 、 t i +1時刻的停 留時間密度分布函數(shù) ; c (t 為 t 時刻的示蹤劑質(zhì)量濃 度 ,g/L ; Q 為流體流量 ,L/h ; m 為示蹤劑輸入量 ,g ; t 為示蹤劑粒子的平均停留時間 , h ; 2t 為停留時間 分布方差 。表 2 不同流量下系統(tǒng)停留時間理論計算值和實測值 Table 2 The measured an

13、d theoretical residence times for test runs of different feed rates流量 1/(L h -1水力負荷 2/(m 3 m -2 d -1理論平均停留時間 /h實測平均停留時間 /h延長率 3 /% 32. 51. 866. 9610. 3648. 85 57. 53. 29939. 54142. 75 67. 53. 86355. 0550. 75 02. 4. 2578. 57 6. 1. 974. 07106. 60 ; 2 為流量除以過水橫截面 , 與流量成正比 ; 3 為實測值和理論值的差值與 理論值的比值 。 從表 2可

14、以看出 , 任一流量下的實測平均停留時 間較理論停留時間都有一定程度的延長 , 延長率在 48. 85%142. 75%, 表明系統(tǒng)內(nèi)存在滯留區(qū)。通常 , 潛流型濕地系統(tǒng)的停留時間為 0. 3d 5。 由表 2可知 , 在各水力負荷下 , 理論平均停留時間都 小于實測值 。 在流量為 57. 5L/h 時 , 實測平均停留 時間已高出 0. 3d 的經(jīng)驗值 32. 5%, 流量進一步減 小 , 其實測平均停留時間更長 。在實驗流量變化范 圍內(nèi) , 平均停留時間總體上隨水力負荷增大而減小 , 但實際運行時 , 在水力負荷小到或大到一定程度時 , 平均停留時間的增加會趨于平緩 6, 并不象理論值

15、那樣 , 以恒定的增長速率變化 , 如圖 2所示 。圖 2 不同水力負荷下系統(tǒng)平均停留時間Fig. 2 Measured and theoretical mean residence times vs. hydraulic loading 圖 2顯示在低水力負荷下 , 實測平均停留時間 表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢 , 這是因為在低水力負荷下 , 流速 較小 , 系統(tǒng)內(nèi)分子擴散對粒子停留時間產(chǎn)生的影響 5 6李現(xiàn)坡等 潛流式濕地系統(tǒng)停留時間分布實驗結(jié)果分析 相對較強所致 。而濕地系統(tǒng)多在低水力負荷下運 行 。 因此 , 進一步實驗 , 對實體工程測定停留時間 , 以獲得足夠的濕地系統(tǒng)運行設(shè)計參數(shù) 。 3.

16、 2 流體流動狀況分析從實驗過程和數(shù)據(jù)看 , 系統(tǒng)內(nèi)流體流動形態(tài)對 理想的全混流模型和活塞流模型偏離較為顯著 , 存 在明顯的非理想性 。 為了直觀地分析系統(tǒng)的非理想 性流動 , 依據(jù)反應(yīng)器理論 , 對實驗結(jié)果采用非理想流 動模型進行模擬 。 本研究主要采用多釜串聯(lián)模型 。E ( =N(N -1 !N -1e-N(5式中 :N 為模型參數(shù) , 表示串聯(lián)釜式反應(yīng)器的個數(shù) ;、 E ( 分別為無因次停留時間和無因次停留時間分 布密度函數(shù) 。 計算結(jié)果如表 3所示 , 可以看出模型參數(shù)隨著 流量的增加 , 有先增加后逐漸減小的趨勢 。該結(jié)果 顯示 , 在流量為 30. 035. 0L/h 時 , 流

17、體的流動形 態(tài)最接近全混流狀態(tài) , 可以看作是兩個全混流反應(yīng) 釜的串聯(lián) , 而流量為 65. 070. 0L/h 時 , 塞流的流動狀態(tài) 。 由圖 3可見 , , 系統(tǒng)的流動狀 況則更為復雜 , 多釜串聯(lián)模型的模擬存在較大偏差。 軸向擴散模型的參數(shù)計算結(jié)果 , 也存在類似現(xiàn)象。 可 見由于濕地系統(tǒng)復雜的體系環(huán)境 , 單純以這兩個非理 想流動模型只能定性地分析系統(tǒng)的流動形態(tài) , 且結(jié)果 偏差較大 , 尤其在流量很大的情況下。圖 3 30. 035. 0L/h 響應(yīng)曲線及多釜串聯(lián)模擬曲線 Fig. 3 Experimental results and tanks 2in 2series model

18、 simulation curve of the residence time distributionf unction for the 30. 0235. 0L/h run3. 3 系統(tǒng)非理想性分析實測平均停留時間較理論平均停留時間的延長 表明了系統(tǒng)滯留區(qū)的存在 。付貴萍等 7研究表明 , 系統(tǒng)滯留區(qū)的體積分數(shù)隨系統(tǒng)流量的增大而減少 , 且兩者的變化趨勢表現(xiàn)出一定的線性關(guān)系 。 反應(yīng)器的滯留區(qū)體積分數(shù)直接關(guān)系到系統(tǒng)停留時間的滯后 , 表現(xiàn)為響應(yīng)曲線出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象 , 實測平 均停留時間的延長 8。在不考慮短路 、 溝流等其他 非理想性的情況下 , 實測平均停留時間的延長率隨 系統(tǒng)滯留區(qū)體積分

19、數(shù)的增大而增大 。從表 2延長率 的變化可看出 , 在較低流量 (57. 5L/h 下 , 實測平均 停留時間較理論平均停留時間有較大的延長 。在其 他流量下 , 延長率的變化趨勢為隨著流量的減小而 減小 , 但是在低流量下 , 其減小趨勢趨向平緩 , 表明 系統(tǒng)在低流量下 , 除了滯留區(qū)的非理想因素存在外 , 還存在其他導致非理想性的因素 , 且各個因素在不 同流量下 , 對系統(tǒng)停留時間影響的權(quán)值不同 , 如延長 率的變化規(guī)律 , 表明系統(tǒng)內(nèi)短路或溝流在低流量下 對系統(tǒng)流體流動影響的權(quán)值加大 。系統(tǒng)內(nèi)分子擴 散 、 渦流擴散等非理想因素的存在 , 尤其在水力負荷 減小或增大到一定程度時 ,

20、對系統(tǒng)停留時間的影響 。0. 2m 3/(m 2 d , , 只是在水力負荷較大 的情況下 , 其影響較其他非理想性因素要小得多 。 林誠 9移位時將 min 引入移位正態(tài)分布函數(shù) , 得到適 應(yīng)范圍較廣的停留時間分布模型 :E ( =(-min -2(6式中 :min 為最短停留時間 , h , 描述的是粒子以最快 的流速流出系統(tǒng)所需的時間 , 結(jié)合圖形應(yīng)答峰初期 的斜率則可以定性地描述系統(tǒng)短路或溝流的程度 ; E ( 為停留時間分布密度函數(shù) ; 、為移位正態(tài)分 布函數(shù)的參數(shù)。 式 (6 可以較好地模擬系統(tǒng)停留時間 分布曲線。 為了考察系統(tǒng)的短路或溝流狀況 , 對實驗 結(jié)果用此模型進行擬合

21、, 擬合結(jié)果見圖 4和表 4。 圖 4顯示了良好的擬合效果 , 除了 65. 070. 0L/h 流量下 R 2為 0. 7382外 , 其余都在 0. 9以上 。 從圖 4可以看出 , 在應(yīng)答峰前小范圍內(nèi)的實驗點 , 呈 現(xiàn)較好的線性關(guān)系 , 因此取 前段的實驗數(shù)據(jù)作線 性擬合 , 以考察系統(tǒng)短路或溝流的狀況 。線性擬合 斜率和 R 2列于表 4。 分析實驗響應(yīng)結(jié)果可以看出 , 除流量為 110. 0表 3 非理想流動模型擬合參數(shù)Table 3 The best fit parameters of the non 2ideal flow model流量 30. 035. 0/(L h -1

22、55. 060. 0/(L h -165. 070. 0/(L h -1 90. 0100. 0/(L h -1110. 0120. 0/(L h -1均方差 0. 023140. 063320. 033120. 016930. 06070模型參數(shù) N 1. 96703. 10035. 02933. 00572. 396266 環(huán)境污染與防治 第 30卷 第 2期 2008年 2月 圖 4 移位正態(tài)分布模型擬合Fig. 4 Experimental results and the shifted normal distribution model simulation curve ofthe

23、residence time distribution f unction表 4 移位正態(tài)分布模型擬合參數(shù)Table 4 The best fit parameters of the shifted normal distribution model流量 30. 035. 0/(L h -1 55. 060. 0/(L h -1 65. 070. 0/(L h -1 90. 0100. 0/(L h -1 110. 0120. 0/(L h -1R 20. 93350. 96990. 73820. 96650. 97380. 029190. 101600. 024100. 099140. 12

24、770min 0. 66180. 80300. 96790. 75710. 74860. 77340. 35160. 67540. 48660. 3408峰前線性 R 20. 895460. 921670. 923700. 837810. 89620斜率 3. 476622. 017781. 811001. 473432. 03600120. 0L/h 時的響應(yīng)曲線外 , 其他結(jié)果都存在拖尾現(xiàn)象 , 且存在流量越小拖尾越嚴重的趨勢 , 表明系統(tǒng)滯留區(qū)的體積分數(shù)有隨流量減小而增大的趨勢 。 在流量增大的過程中 , 先是逐漸延長 , 至 65. 070. 0L/h 時達到最長 , 流量在 90.

25、0100. 0、 110. 0120. 0L/h 時 , 變化不大 , 偏差為 6%, 可以初步認為 已經(jīng)趨于穩(wěn)定。 對 分析還可以看出 , 隨流量的變化規(guī)律和峰前斜率的變化規(guī)律是一致的。 響應(yīng)曲線主峰的前段存在較小的響應(yīng)峰 , 峰的大小和明顯程度 , 在各流量下有一定的差別 (見圖4 , 表明系統(tǒng)中存在程度不一的短路現(xiàn)象 。擬合峰前段斜率越大 , 表明短時間內(nèi)流出系統(tǒng)的粒子比例越高 , 短路或溝流對系統(tǒng)非理想性的影響越大 。表 4顯示在流量為 30. 035. 0L/h 時 , 峰前斜率最 大 , 表明短路對系統(tǒng)的影響最大 , 從其實測響應(yīng)曲線 可以發(fā)現(xiàn) , 在該流量下的擬合峰前段存在多個小

26、峰 , 表明系統(tǒng)存在多個短路通道 。4 結(jié) 論(1 在實驗流量范圍內(nèi) , 實測平均停留時間較 理論停留時間都有不同程度的延長 , 總體上隨水力 負荷增大而降低 , 但在水力負荷小到或大到一定程 度時 , 平均停留時間的增長趨于平緩 。(下轉(zhuǎn)第 86頁 7 6 李現(xiàn)坡等 潛流式濕地系統(tǒng)停留時間分布實驗結(jié)果分析 性下降 50%。同時 , 溫度的突然升高 , 使對產(chǎn)甲烷 菌有直接毒害作用的分子態(tài) N H 3提高 , 進一步影 響了厭氧池產(chǎn) CH 4效果 。 4. 2 加藥的影響 預曝氣池加藥前階段 , 由于厭氧出水 N H 32N 變 化大 , 故未投加藥劑 , 從而影響了好氧池 1微生物的 培養(yǎng)與

27、運行的穩(wěn)定性 , 一度出現(xiàn)好氧污泥上浮 , 菌膠 團解體 , 出水 COD 和 N H 32N 高于進水的異?，F(xiàn)象 。 厭氧池進入顆粒污泥形成段以后 , 出水 COD 、 N H 32N 基本維持在 2200、 450mg/L 左右 。從 6月 25日起開始向預曝氣池內(nèi)投加鎂鹽和磷酸鹽 , 好氧 池 1狀況才得以改善 , 加藥 1周左右鏡檢發(fā)現(xiàn) , 以往 數(shù)目不多的鐘蟲 、 蓋纖蟲 、 累枝蟲等固著類纖毛蟲數(shù) 量增多 , 且生長活躍 , 污泥絮粒增大 、 邊緣清晰 、 結(jié)構(gòu) 緊密 、 沉降性能改善 。 預曝氣池加藥后階段 , 沉淀池 2出水 COD 平均為 366mg/L 、 N H 32N

28、平均為 37mg/L , 達到排放要求 。 5 結(jié)論與建議 運行情況看 , HA R +N H 32N 廢水 的處理效率很高 。 厭氧池獨特的設(shè)計有利于快速啟 動 , 填料層可有效防止啟動時污泥的流失 , 并能保持 較高的污泥濃度和良好的去除效果 , 甚至在進水量 達到 675m 3/d 、 平均容積負荷 2. 72kg/(m 3 d 時 , COD 去除率也沒有明顯的下降 , 這對保證好氧段的 處理效果十分有利 。 預曝氣池 N H 32N 的有效去除是出水達標及好 氧池正常運轉(zhuǎn)的前提 , 調(diào)試中合理確定沉淀段去除 N H 32N 的比例 , 盡量提高后續(xù)好氧段的硝化效果 , 在保證出水 N

29、 H 32N 達標的前提下 , 盡可能節(jié)省加藥 量 , 是最為重要的一環(huán) 。 其次 , 由于沉淀反應(yīng)中磷酸 鹽的加入 , 防止剩余磷的二次污染也格外重要 。另 外 , 高 N H 32N 廢水對厭氧消化的抑制也不容忽視 , 對厭氧微生物菌群進行有效馴化 , 使其能夠耐受更 高的 N H 32N 。 參考文獻1 L ETTIN GA G. Challenge of psychrophilic anaerobic wastewatertreatment trends in BiotechJ.Wat. Sci. T ech. ,2003,19(9 :3632370. 2 楊健 , 章非娟 , 余志榮

30、 . 有機工業(yè)廢水處理理論與技術(shù) M .北京 :化學工業(yè)出版社 ,2002.責任編輯 :黃 葦 (修改稿收到日期 :2007210209(上接第 67頁 (2 在小進水流量 (30. 035. 0L/h 時 , 流體的流動形態(tài)最接近全混流狀態(tài) , 多釜串聯(lián)模型可以較好地反映系統(tǒng)流體真實的流動形態(tài) ; 而在高流量 下 , 系統(tǒng)的流動狀況則非常復雜 , 多釜串聯(lián)模型的模 擬 , 存在較大偏差 。(3 人工濕地系統(tǒng)的復雜性造成了系統(tǒng)內(nèi)滯留 區(qū) 、 循環(huán)流 、 短路 、 溝流等多種非理性因素的共存 , 且 隨進水流量變化 , 這些非理想因素對停留時間分布 的權(quán)重也在變化 。在本試驗中 , 滯留區(qū)以及循

31、環(huán)流 的影響始終占據(jù)主要因素 , 表現(xiàn)為實測平均停留時 間大于理論值 。 參考文獻1 PERSSON J ,SOMES N L G ,WON G Y H F. Hydraulics effi 2ciency of constructed wetlands and pondsJ.Water Sci. Tech 2nol. ,1999,40(3 :2912300.2 WERN ER T M , KADL Wetland residence time mod 2elingJEcol. 290. 3編委會 . 水和廢水. :中國環(huán)境科學出版社 ,2002:, 周啟星 , 賈宏宇 . 人工濕地污水處理工藝設(shè)計關(guān)鍵及生態(tài)學問題 J.應(yīng)用生態(tài)學報 ,2004,15(7 :128921293. 5 BOL STER C H ,SAIERS J E. Development and evaluation of amat hematic