潛流人工濕地水力學(xué)特性及其處理廢水中有機(jī)污染物的研究.pdf

1、人工濕地污水處理是一項(xiàng)投資省、處理效果好、運(yùn)行和維護(hù)方便的生態(tài)污水處理技術(shù)。與表流人工濕地相比較，潛流人工濕地具有負(fù)荷率高，占地面積小，處理效果可靠，耐沖擊負(fù)荷和不滋生蚊蠅等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍更廣泛，正受到環(huán)境工程界越來越廣泛的重視和關(guān)注。 在潛流人工濕地污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，水力學(xué)因素非常重要。傳統(tǒng)上研究水力學(xué)，常常以模型實(shí)驗(yàn)為主要手段，利用示蹤劑法預(yù)演相應(yīng)的水流運(yùn)動(dòng)，得到模型水流的規(guī)律性。該方法在提供濕地的流體流動(dòng)狀態(tài)中存在

2、很大的缺陷。首先，示蹤劑法本身涉及到示蹤劑及其注入方法的選擇等諸多問題；其次，人工濕地內(nèi)除了具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)的介質(zhì)以外，還具有活性的植物根系和介質(zhì)表面附著的生物膜，因此對示蹤劑的要求更高。再者，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)不能提供全流場信息。有鑒于此，有必要利用更先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型法作為設(shè)計(jì)工具來優(yōu)化濕地設(shè)計(jì)。 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，改變了傳統(tǒng)上采用模型實(shí)驗(yàn)的示蹤法來分析反應(yīng)器水力特性的現(xiàn)狀，解決了流體參量在反應(yīng)

3、器中均化分布的缺陷，也使利用數(shù)學(xué)模型精確模擬水處理單元在設(shè)計(jì)條件下的流動(dòng)特性和行為成為可能，為反應(yīng)器模擬和分析數(shù)學(xué)模型的建立提供了一種有效手段。同時(shí)，利用CFD技術(shù)有利于減少反應(yīng)器分析中物理模型研究的必要性，降低研究成本，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行。正由于這些優(yōu)點(diǎn)，CFD技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在環(huán)境污染控制領(lǐng)域，如氧化塘的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。但有關(guān)潛流人工濕地的CFD研究還未見報(bào)道。本文針對課題組設(shè)計(jì)和承建的錦州現(xiàn)場潛流人工濕地，通過合理簡化，建立

4、了潛流人工濕地二維數(shù)學(xué)模型，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent 6.22對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究。其中，用多孔介質(zhì)模型來模擬填料區(qū)內(nèi)的流體流動(dòng)，并用壁面表面反應(yīng)模型模擬潛流人工濕地中有機(jī)污染物的降解反應(yīng)，分別探討分層式凈化區(qū)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地和布水與集水區(qū)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地的水力學(xué)特性及其對廢水中有機(jī)物的去除，以期有助于潛流人工濕地的設(shè)計(jì)工作。主要的研究工作與結(jié)果包括： 1.潛流人工濕地水力學(xué)特性研究(1)分層式凈化區(qū)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕

5、地的水力特性研究潛流人工濕地結(jié)構(gòu)(進(jìn)口位置、介質(zhì)阻力以及護(hù)管區(qū))對水力學(xué)性能的影響研究表明，不同進(jìn)口位置的潛流人工濕地，其水力學(xué)效能從高到低為：中部>上部>下部；介質(zhì)阻力對潛流人工濕地水力學(xué)性能的影響比較復(fù)雜，上、下層介質(zhì)通過其阻力比對潛流人工濕地水力學(xué)性能產(chǎn)生影響；濕地水力學(xué)效能隨護(hù)管區(qū)阻力的增加而增大。 操作條件(進(jìn)口流速和出口壓力)對水力學(xué)性能的影響研究表明，與濕地結(jié)構(gòu)的影響相比較，操作條件的影響較小。進(jìn)口速度雖然對水力學(xué)

6、效能的影響不大，但在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮其對平均停留時(shí)間的影響：不同出口水位產(chǎn)生的出口壓力變化很小，幾乎不對濕地水力學(xué)效能產(chǎn)生影響，在工程設(shè)計(jì)中可以根據(jù)需要調(diào)整出口水位。 (2)布水與集水區(qū)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地的水力特性研究分別討論了集水區(qū)(護(hù)管式和層式)和布水區(qū)(護(hù)管式和層式)對潛流人工濕水力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，護(hù)管式集水/布水區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)于層式結(jié)構(gòu)。護(hù)管式結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地，其水力學(xué)效能更高，而且可以通過減小集水/布水區(qū)寬度來顯著

7、提高濕地水力學(xué)效能和逐步減小阻力比對其水力學(xué)效能的影響。 水平和豎直式兩種布水與集水區(qū)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地的水力學(xué)特性研究表明，豎直式布水與集水區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)于水平式。豎直式布水與集水區(qū)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地，其水力學(xué)效能受布水與集水區(qū)設(shè)置的影響較小，且都能保持在較高水平。 2.潛流人工濕地處理廢水中有機(jī)污染物的研究(1)分層式凈化區(qū)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地內(nèi)有機(jī)物的去除進(jìn)口位置和進(jìn)口流速對濕地內(nèi)有機(jī)物去除的影響表明：有機(jī)物去除率受進(jìn)口位

8、置的影響較小，進(jìn)口位置在上層介質(zhì)上、中和下部時(shí)，去除效率分別為0.753、0.707和0.719；進(jìn)口流速對濕地內(nèi)有機(jī)物的去除影響很大，隨著進(jìn)口流速的減小，廢水在濕地中的停留時(shí)間增大，有機(jī)物的去除效率相應(yīng)增加。 (2)布水與集水區(qū)結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地內(nèi)有機(jī)污染物的去除布水與集水區(qū)的設(shè)置和微生物種類對濕地內(nèi)有機(jī)物去除的影響表明：在護(hù)管式、水平層式和豎直層式這三種布水與集水區(qū)結(jié)構(gòu)中，護(hù)管式的設(shè)置使得潛流人工濕地的凈化區(qū)面積最大，因此有