潛流人工濕地水力學特性及其處理廢水中有機污染物的研究.pdf

1、人工濕地污水處理是一項投資省、處理效果好、運行和維護方便的生態(tài)污水處理技術。與表流人工濕地相比較，潛流人工濕地具有負荷率高，占地面積小，處理效果可靠，耐沖擊負荷和不滋生蚊蠅等優(yōu)點，因此應用范圍更廣泛，正受到環(huán)境工程界越來越廣泛的重視和關注。 在潛流人工濕地污水處理系統(tǒng)的設計中，水力學因素非常重要。傳統(tǒng)上研究水力學，常常以模型實驗為主要手段，利用示蹤劑法預演相應的水流運動，得到模型水流的規(guī)律性。該方法在提供濕地的流體流動狀態(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，該方法費時費力，同時不能提供全流場信息。有鑒于此，有必要利用更先進的數(shù)學模型法作為設計工具來優(yōu)化濕地設計。 計算流體力學(CFD)技術的出現(xiàn)和發(fā)展，改變了傳統(tǒng)上采用模型實驗的示蹤法來分析反應器水力特性的現(xiàn)狀，解決了流體參量在反應

3、器中均化分布的缺陷，也使利用數(shù)學模型精確模擬水處理單元在設計條件下的流動特性和行為成為可能，為反應器模擬和分析數(shù)學模型的建立提供了一種有效手段。同時，利用CFD技術有利于減少反應器分析中物理模型研究的必要性，降低研究成本，實現(xiàn)反應器的優(yōu)化設計和運行。正由于這些優(yōu)點，CFD技術已經(jīng)成功地應用在環(huán)境污染控制領域，如氧化塘的優(yōu)化設計中。但有關潛流人工濕地的CFD研究還未見報道。本文針對課題組設計和承建的錦州現(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)學模型，采用計算流體力學軟件Fluent 6.22對其進行數(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，并用壁面表面反應模型模擬潛流人工濕地中有機污染物的降解反應，分別探討分層式凈化區(qū)結(jié)構的潛流人工濕地和布水與集水區(qū)結(jié)構的潛流人工濕地的水力學特性及其對廢水中有機物的去除，以期有助于潛流人工濕地的設計工作。主要的研究工作與結(jié)果包括： 1.潛流人工濕地水力學特性研究(1)分層式凈化區(qū)結(jié)構的潛流人工濕

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

6、效能的影響不大，但在工程設計中應充分考慮其對平均停留時間的影響：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效能產(chǎn)生影響，在工程設計中可以根據(jù)需要調(diào)整出口水位。 (2)布水與集水區(qū)結(jié)構的潛流人工濕地的水力特性研究分別討論了集水區(qū)(護管式和層式)和布水區(qū)(護管式和層式)對潛流人工濕水力學性能的影響。研究結(jié)果表明，護管式集水/布水區(qū)結(jié)構優(yōu)于層式結(jié)構。護管式結(jié)構的潛流人工濕地，其水力學效能更高，而且可以通過減小集水/布水區(qū)寬度來顯著

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

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