[人工湿地用于污水深度处理的反应动力学]人工湿地处理污水的原理

　　摘 要：比较3种不同形式人工湿地（潜流、表面流和组合流）对城市污水厂二级生物处理出水中污染物的去除效果，并采用一级反应动力学模型进行模拟。结果表明，潜流湿地对有机物、总氮、总磷的去除效率高于其它2种湿地，其标准温度下反应动力学常数（KA20）分别为0.29、0.20和0.28 m/d；表流湿地对氨氮的去除效率最高，其KA20值为0.12 m/d。温度变化对3种人工湿地中有机物和总磷去除的影响不明显，对氨氮和总氮的去除有明显影响，尤其对表面流湿地影响最为显著。3种人工湿地对污染物的去除效率均随着水力负荷的增大而显著下降，污染物的面积去除量将随着面积负荷的不断提高逐渐趋于定值，因此人工湿地宜在低负荷工况下运行。
　　关键词：人工湿地；污水处理；反应动力学
　　中图分类号：X703.1
　　文献标志码：A
　　文章编号：1674-4764（2012）04-0111-07
　　Reaction Kinetics of Three Types of Constructed Wetland for Advanced Domestic Wastewater Treatment
　　FU Guokai1, WANG Min1, ZHANG Zhi1, ZHOU Qi2
　　(1.Key Lab of Three Gorges Reservoir Regions Eco-Environment, Ministry of Education,
　　Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China；
　　2.State Key Lab of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, P. R. China)
　　Abstract:The removal efficiencies of different pollutants in subsurface flow constructed wetland (SSFW), surface flow constructed wetland (SFW) and combination flow constructed wetland(CFW) treating sewage plant effluent were comparatively analysed. The results were analyzed by using a reaction kinetics model. It is shown that COD, TN, TP are more effectively removed in SSFW than in other two types of wetland, and the kinetic constants are 0.29, 0.20, 0.28 m/d respectively. The SFW has higher removal rate on ammonia and the kinetic constant is 0.12 m/d. Temperature change greatly affects the kinetic constants of ammonia and total nitrogen removal reaction, whilst the influence on COD and TP are not significant. The pollutants removal efficiencies decrease greatly with the increase of hydraulic loading and areal loading. The increment of areal removal mass is reduced with the increase of areal loading in three types of wetland. It is strongly recommended that the constructed wetland be operated on low pollutants loading condition.
　　Key words:constructed wetland; wastewater treatment; reaction kinetics
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　　城镇污水处理厂大多采用二级生物处理工艺削减污染物，由于工艺本身的局限性，出水污染物浓度很难再进一步降低，若将二级出水排至自净能力有限或已受到污染的水体，仍会造成水环境污染［1］。在水资源问题日益严峻的形势下，污水处理系统应考虑有机物和氮、磷营养盐的联合去除，因此，应大力开发高效低耗的深度处理工艺以适应更高的水质标准，同时考虑污水再生利用。常见的深度处理工艺有微滤、超滤、臭氧氧化+生物过滤、湿地和土壤渗滤等，前3种工艺的运行成本较高，且需要专业的操作管理人员，使其在发展中国家的推广受到限制［2-4］。人工湿地通过生物降解、吸附、过滤、沉淀和植物吸收作用净化污水，可适应低浓度污染物去除的要求，具有投资省、维护管理简便等特点，从而得到广泛应用［5-6］。
　　现阶段人工湿地设计主要基于经验，没有统一标准和规范，缺乏有力的工艺参数指引，用于优化湿地系统脱氮除磷的设计参数和与之相关的研究很少。运用数学模型模拟湿地处理系统是定量化研究的重要方法，较常见的有一级动力学模型、Monod模型及黑箱模型。其中，一级动力学模型因其简便应用最为广泛，Monod模型在模拟生物反应过程方面具有一定优势，但其相关模型参数难以准确测定，黑箱模型则过于粗糙。总的来说，目前还没有一种模型能够很好的描述湿地系统内部复杂的反应机理及其相互关系［7-8］。一级动力学模型可以较好的描述人工湿地中COD、TN和TP的分解过程［9-10］；Trang等采用一阶反应动力学模型评价热带地区人工湿地的处理能力，当水力负荷为62 mm/d时，COD、SS和TP的去除速率常数分别达到30、51、84 m/a［12］。Ouyang等利用一阶反应模型研究垂直流人工湿地中脱氮动力学，出水TN模拟值与实测值线性相关（R2=0.692 9），出水氮浓度占进水氮浓度的54%，吸附、沉淀脱氮量占22%，反硝化脱氮量仅占18%，并指出出水回流可改善脱氮效果［11］。