人工湿地污染物去除的数学模型_张军

人工湿地污染物去除的数学模型张军,周琪,何蓉(同济大学环境科学与工程学院,上海200092)摘要:讨论了人工湿地三种常用的数学模型(衰减方程、一级动力学模型和生态动力学模型),并对其研究历史、发展应用、理论基础、基本形式、建立方法及其各自的优缺点做了深入的分析.从中可以看出,人们对人工湿地去除污染物的内在机制尚缺乏定量化的了解,目前还很难对其设计、运行和预测做出准确的评价,因此影响了这一高效低耗的生态污水处理技术的推广和应用,而人工湿地生态动力学模型的不断完善可以从根本上解决这一问题.关键词:人工湿地;数学模型;动力学模型中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1007-5348(2003)12-0063-05人工湿地作为一种新型生态污水处理技术,具有投资和运行费用低(仅为传统二级污水厂的1/10至1/2)、抗冲击负荷、处理效果稳定、出水水质好,芦苇可以利用(作为造纸原料)等诸多优点.特别是随着湖泊河流富营养化的趋势越来越严重,对污水处理中脱氮除磷的要求越来越高,而目前传统的二级处理脱氮除磷效率不高,三级处理因投资和运行费用昂贵而难以推广,因此人工湿地技术不失为我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的广大中小城镇、居民小区污水处理的优选方案[1].虽然近30年来,欧洲和北美已有上千座人工湿地建成,但这些应用的设计和运行都是建立在统计数据和经验公式基础上的,这一污水处理技术并不为人们所完全掌握,专家学者和工程人员对人工湿地各种去污机理和途径尚无深入、系统和定量化的结论,对人工湿地设计时的预期水质目标和长期的运行效果缺乏准确可靠的预测手段,从而严重地影响了这一污水处理技术的推广与应用[2].而各种人工湿的数学模型的研究,尤其是人们对人工湿地生态动力学模型的深入研究和不断完善,对于促进人们对人工湿地污水处理技术的深入了解,以及推动这一高效、低耗、生态技术的广泛应用将会有深远的影响.1人工湿地的主要数学模型1.1衰减方程(RegressionEquations)这类模型公式是建立在大量运行数据基础上的,它将人工湿地视做一个“黑箱”,仅仅依据污染物进水浓度和出水浓度,通过人为定义的简单线性方程或幂次方程对运行数据的拟合,还可能在方程中加入流量、温度、停留时间等因素的影响,从而建立一种“输出”对“输入”的统计响应关系.因此,这种先构建运行人工湿地,然后获得运行数据和设计依据的作法不可避免的带有极大的盲目性.表1中所列是根据北美数据库中相关数据建立的人工湿收稿日期:2003-10-23基金项目:国家科技部“十五”科技专项资助“滇池流域面源污染控制”项目(K99-05-35-02)作者简介:张军(1976-),男,山东青岛人,同济大学环境科学与工程学院博士研究生,研究方向为水污染控制和生态毒性学.2003年12月韶关学院学报(自然科学版)Dec.2003第24卷第12期JournalofShaoguanUniversity(NaturalScience)Vol.24No.12地去除效果衰减方程[3].可见其相关性普遍不高,而且出水浓度C0的标准误差相对于出水浓度本身来说已经相当接近.这类公式虽然简单明了、容易获得、方便易用,但是由于运行数据仅采用进、出水浓度,数据类别单一,方程构造形式简单化,使之不可能准确描述复杂多变的人工湿地条件、水质条件和气候条件等因素给处理效果带来的各种影响,因而造成设计目标和预测结果与实际观测数据之间误差很大.表1表面流人工湿地的去除效果衰减方程污染物种类衰减方程边界条件单位总悬浮颗粒物C0=5.1+0.16Ci0.02