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文檔簡介

1、人工濕地設計計算模式研究09級環(huán)境工程 人工濕地制作人:邱恩淋運行維護簡便t處理效果好投資少耗能低.利用基質、植物和微生物三者之間的物理、化學和生物三重協同作用,通過過濾、吸附、離子交換、植物吸收和微生物降解等作用實現對污水的凈化人工濕地 技術適合于我國國情,尤其 適合于廣大農村,中小城鎮(zhèn)的 污水處理之中,在我國具有極 其廣闊的應用前景。 人工濕地濕地模型研究發(fā)展 濕地模型的目的是幫助人們設計濕地以及評估濕地的處理效果But。 人工濕地應用的設計和運行大都是建立在統(tǒng)計數據和經驗公式基礎上的,這些污水處理技術并不為人們所完全掌握,專家學者和工程人員對人工濕地各種去污機理和途徑尚無系統(tǒng)定量化的結論

2、,對人工濕地設計時的預期水質目標和長期的運行效果缺乏準確可靠的預測手段,從而嚴重地影響了這一污水處理技術的推廣與應用。 人工濕地處理污水的內在機制缺乏定量化的認識,而且人工濕地系統(tǒng)的影響因素有很多,如HRT,基質,植物,微生物,溫度等。計算模式要綜合考慮到各個因素是很難的,所以人們對人工濕地的設計計算模式眾說不一,包括水力負荷、衰減模式、一級K-C*模型、Monod動力模型、Ergun公式、機理模型和生態(tài)動力學模型等。介紹三種典型的人工濕地去污模型一級動力學模型Monod動力學模型生態(tài)動力學模型三種典型模型的差異 動力學模型中,一級動力學模型、零級動力學模型中較少明確提及污染物降解過程中的微生

3、物作用,但Monod模型已開始關注微生物的降解作用,而生態(tài)動力學模型則在此基礎上進一步考慮了其他降解過程,使得人們能夠更加深入了解人工濕地運行過程和內在機制。濕地模型代表應用一級動力學模型K-C*模型自由表面流人工濕地Monod動力學模型Monod動力學模型潛流式人工濕地生態(tài)動力學模型N轉化模型水平潛流人工濕地今后研究方向 一級動力學和Monod動力學的設計方程都是由污染物穩(wěn)態(tài)時的質量平衡得到的,都是濕地床的靜態(tài)宏觀模型,兩者都沒有考慮到傳質效率,即都假定物質從液相遷移到生物膜的過程沒有阻力。在今后新的模型研究中應考慮到濕地植被的空間分布,應根據實際的停留時間分布來模擬污染物在濕地中的去除,而

4、不是僅考慮單一的停留時間。另外人工濕地是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng),其對污染物的去除是人工濕地各組成部分共同作用的結果,新的模型應充分考慮到各種因素的影響。因此,應對人工濕地污染物去除的機理及其影響因素作更為全面深入的研究。謝謝!一級動力學模型 1.單一參數一級動力學模型 濕地一級動力學方程,主要考慮處理負荷與處理效率間的關系。 經常假設模型中的一些參數如速率常數等為常量,該模型假設: (1) 濕地系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)(即進、出水流量和濃度不隨時間變化); (2) 污染物降解服從一級反應動力學; (3) 水流流態(tài)呈理想推流;通常的表達方式如下:式中: Ci進水濃度(mg/L); Ce出水濃度(mg/L); k

5、 v體積去除率常數(1/a); k A面積去除率常數(m/a);q水力負荷(m/a); 水力停留時間(a)。KV濕地所需體積多用于潛流型人工濕地KA濕地所需面積多用于表面流人工濕地2.一級k-C*模型 單一參數的一級動力學模型中僅包含一個參數 kv或 kA。Kadlec 和 Knight77基于污染物在濕地中呈現指數衰減至恒值但不為零的現象,引入背景濃度,低于背景濃度的污染物不能被降解,并在一級反應動力學方程中加入背景濃度項 C*:式中,Ce為目標物出水濃度,mg/L;Ci為目標物進水濃度,mg/L;C*為該目標物水質指標的環(huán)境背景值,mg/L;K為一級面積速率常數,m/a;q為水力負荷率,m

6、/a。 經過重新整理和單位轉換后,得出處理某一指定污染物所需的濕地面積為式中,A為所需要濕地面積,hm2;Q為進水流量,m3/d。 不論單參數還是2參數模型,在運行和設計條件改變時,都不能保持參數的穩(wěn)定性,于是研究者又在模型中加入了第3個參數,提出了3參數模型。加入描述水力負荷變化對k值影響的參數m,對k值進行修正: kv=kvqm 研究表明參數m的引入可以提高數據與模型的吻合程度,但并不能消除水力負荷對表觀背景濃度的影響一級動力學模型的優(yōu)點: 參數的求解及計算過程都很簡單一級動力學模型存在的缺陷: 實際情況人工濕地水流為非穩(wěn)態(tài)流;由于短流和死區(qū)導致非理想推流流態(tài);反應速率常數會隨進水濃度、水

7、力負荷和水深等因素變化而變化;K-C*模型計算值比實驗值;一直偏大植物種類和溫度對反應速率常數和背景濃度影響顯著等等。 但是當濕地系統(tǒng)在類似氣候、進水水質、基質材料和植物種類時,這些模型參數用于指導設計是可行的。一級k-C*模型仍是目前最實用、最可靠的設計工具。Monod動力學模型 按照一級動力學,污染物的去除速率為: r1=QCi1-exp(-k1,vt) =QCi1-exp(-k1,A/q) r0=k0,VV=k0,AA 式中,r0為零階去除率;r1為1階去除率。實際上,當入流的濃度增加,降解率將由1階向零階過渡即動力學模型達到飽和,這在傳統(tǒng)的污水處理設施和生物接觸氧化法系統(tǒng)中都能見到。所

8、以,既然人工濕地中包含相似的生物降解過程,上述過程也應存在。零階去除率常數r0對于一個特定的系統(tǒng)來說是定值,且與入流濃度及流量無關。在人工濕地的運行中,表現為去除率隨入流負荷增加,直到最大值。但只有零階模型并不能完全描述濕地的實際情況,需要一個將1階和零階結合的模型來描述,即Monod模型。 簡而言之: 由一級動力學模型可求出一階去除率,去除率隨入流負荷增加而提高,直到最大值(也就是零階去除率,為定值,與入流流量和濃度無關)。Monod模型就是將一階和零階結合起來的模型。根據Monod模型,可以得出濕地床體內污染物的物料平衡:式中Z濕地床的長度(L);a濕地縱段面面積(L2);V地體積(L3)

9、;K飽和常數(M.L-3); k0 ,V零階體積去除率常數(L.T-1); k0 ,A零階面積去除率常數(L.T-1);濕地床的孔隙率(L3.L-3) 對各個系統(tǒng)進行比較需要將其參數規(guī)范化,將污染物濃度C除以飽和常數K,得到規(guī)范化濃度C(即C=C/K);將沿床體的距離z除以濕地總長Z,得到規(guī)范化長度z(即z=z/Z)。則方程(11)經規(guī)范化后變成:上式定義了一個新的無量綱參數濕地去除效率因子,代表了濕地床體的相對效果。實際上,是給定水力停留時間或流量下的最大可能去除量,除以Monod飽和常數,而得出的規(guī)范化參數。數值高就表示相對于流量而言降解速率快,從而帶來好的處理效果。 Monod模型是個一

10、級和零級動力學模型的結合體,在低濃度營養(yǎng)物的情況下(即C K),濕地床體中所能承載的最大微生物量轉而成為降解反應的控制因素,降解速率達到最大值。 雖然Monod動力學模型從微生物反應規(guī)律來說更符合實際情況,但在具體應用計算成本方面,涉及到生化反應動力學方面的一些參數的確定,使計算過程較難實現。與一級動力學模型相比,Monod動力學模型更符合微生物處理的實際情況,更為合理,因此,它更適用于那些微生物起主導作用的污染物降解過程。生態(tài)動力學模型 生態(tài)動力學模型是以“箱式”模型理論為基礎,將系統(tǒng)中污染物的各種生物、物理、化學降解去除途徑劃分成許多獨立的“箱子”和反應過程,然后分別對每個“箱子”即反應過程進行定義,確定其具體的質量平衡方程、反應公式(一般為動力學方程)和相關的動力學參數,并通過實驗測定、文獻查找、模型自擬合等方法獲得各種相關生態(tài)動力學參數,然后運用各種建模軟件對概念模型進行實現,并以人工濕地系統(tǒng)的運行數據對各個參數和過程定義進行分析、演算、校驗和修正,最終得到一個統(tǒng)一完整的生態(tài)動力學模型。黑箱清水污水物理降解生物降解化學降解氮循環(huán)模型磷循環(huán)模型.對每個箱子進行定義,確定其具體的質量

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