典型人工湿地去污模型之间的关系_孔令裕

文章编号:1005-0930(2007)03-0302-06中图分类号:X171文献标识码:A收稿日期:2006-03-31;修订日期:2007-04-23作者简介:孔令裕(1980—),男,硕士研究生.通讯作者:倪晋仁(1962—),男,教授,博士生导师.E-mail:nijinren@iee.pku.edu.cn典型人工湿地去污模型之间的关系(Ⅱ)孔令裕,倪晋仁(1.北京大学深圳研究生院,广东深圳518055;2.北京大学水沙科学教育部重点实验室,北京100871)摘要:典型人工湿地去污模型的统一微分方程能够从形式上很好地概括目前从不同理论中得到的各种模型结构.通过调整统一微分方程的结构参数,可进一步获得现行去污模型之间的一系列过渡模型,从而能够系统比较不同类型湿地去除各种污染物的去污特点,为进一步深入探讨不同类型湿地系统中污染物去除模型的适用性、降解过程和复杂反应机理奠定了基础.关键词:去污模型;人工湿地;统一微分方程;结构参数目前,人们对人工湿地去污机理的认识尚不充分,对其影响因素的认识还不全面,常常导致人工湿地设计不当,出水达不到设计要求或不能达标排放,有时甚至还成为新的污染源[1].因此,深入开展人工湿地污染物去除动力学研究具有重要的理论和实践意义.现行人工湿地去污模型主要包括一级动力学模型、零级动力学模型和Monod模型等.这些模型在一定条件下能够很好地描述湿地系统中污染物沿程降解的规律.但这些模型多数情况下把人工湿地作为一个黑箱或灰箱处理,模型中的参数值稳定性差,预测结果与实际情况出入较大,难以充分揭示人工湿地去污机理.那么,是否存在一个更加普遍的统一模式能够更好地概括现行模式可否通过调整结构参数就可以获得在不同条件下作为特例的现行去污模型可否进一步搞清现行去污模型之间的关系,各模型之间是以何种形式联系的如何有效揭示并区分不同类型湿地去除各类污染物的机理所有这些问题对于人工湿地去污模型、去污机理的研究以及潜在的工程应用都十分重要,人工湿地去污模型统一微分方程的提出及其相关分析为深入探讨以上问题奠定了基础.1人工湿地去污模型的统一微分方程前文[2]分析了人工湿地现行去污模型之间的关系,并给出了统一微分方程:dCdt=-kCn(K+C)m(1)式中,m、n为结构参数;k为综合参数;K为半饱和常数.当m=0,n=0时,由式(1)可得区间[Ce,Ci]上的定积分为:Ce-Ci=-kt(2)第15卷3期2007年9月应用基础与工程科学学报JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGVo.l15,No.3September2007DOI:牨牥牨牰牥牭牳牤jissn牨牥牥牭牠牥牴牫牥牪牥牥牱牥牫牥牨牥当且仅当k=k0,V=k0,A/(εh)时,上式为零级动力学模型.类似地,可分别求得m=0和n=1,m=1和n=1条件下的特殊解,二者分别对应于一级动力学模型和Monod方程.当综合参数根据湿地去污实际进一步细分时,统一微分方程可对应于生态动力学模型.可见,统一微分方程在m、n取整数时能够从形式上很好地概括描述污染物沿程降解过程的各类去污模型.2基于统一微分方程的现行去污模型过渡关系分析由统一微分方程,可得湿地内污染物的物料平衡方程:dC′dz′=-ΨC′n(1+C′)m(3)式中,Ψ=kεαKm+1-nQ=kτKm+1-n;C′=CK;z′=zZ;Q为进水流量;ε为湿地孔隙率;h为湿地深度;τ为湿地水力停留时间;z为湿地沿程某处到进水口的距离;Z为湿地全长;Ψ为一无量纲量,表征一定流量或水力停留时间条件下湿地的最大处理能力;同样的流量或水力停留时间条件下,Ψ越大,湿地的出水效果越好.由于结构参数m更加侧重反映人工湿地系统中生物过程的去污作用,而结构参数n则反映人工湿地系统中物理、化学和生物过程的共同去污作用,所以通常情况下应该有n≤m.又考虑到人工湿地系统去污过程中生物作用的主导性,两个结构参数m和n应该相差不大.可令m和n在[0,1]范围内变化,籍此深入研究统一微分方程表征现行去污模型之间过渡关系的特点.选取典型的k、K值,根据式(3),可求得统一微分方程在m和n取值[0,1]范围内的各表征曲线(见图1).由图1(a)可见,各表征曲线的m/n相等,随着m减小,n-m逐渐减小,各曲线逐渐趋向于Monod模型表征曲线.图1(b)中各表征曲线的n-m相等,随着m增大,m/n逐渐增大,各曲线逐渐趋向于Monod模型表征曲线.n-m逐渐减小或m/n逐渐增大的过程就是生物过程在湿地去污中所起作用逐渐增大的过程,当m=n=1时,n-m最小或m/n最大,此时统一微分方程变为Monod模型.由前文[1]可知,Monod模型可理解为仅从生物降解角度出发的去污模型,因此,生物过程在湿地去污中所起作用最大.综上所述