人工湿地去污模型的统一结构特征

第27卷第4期2007年4月生态学报ACT A ECOLOGI CA SI N I CA Vol .27,No .4Ap r .,2007

http://www .ecolog i 基金项目:国家重点基础研究规划资助项目(G1999043603)

收稿日期:2006204227;修订日期:2006211228

作者简介:孔令裕(1980～),男,广东省肇庆市人,硕士生,主要从事人工湿地设计优化研究.E 2mail:konglingyu@iee .pku .edu .cn 3通讯作者Corres ponding author .E 2mail:nijinren@iee .pku .edu .cn

Founda ti on ite m :This work was financially supported by State Key Pr oject for Funda mental Research Pr ogramme (No .G1999043603)

Rece i ved da te:2006204227;Accepted da te:2006211228

B i ography:K ONG L ing 2Yu,Master candidate,mainly engaged in op ti m al design of constructed wetlands .E 2mail:konglingyu@iee .pku .edu .cn

人工湿地去污模型的统一结构特征

孔令裕1,倪晋仁2

(1.北京大学深圳研究生院城市与环境学院,深圳　518055;2.北京大学环境工程系水沙科学教育部重点实验室,北京　100871)

摘要:通过对典型人工湿地去污模型的分析比较,提出了基于各模型微分方程而建立的统一去污模型。该模型能够将典型去污模型作为特例而导出,并能很好地解释这些模型之间的过渡关系。以潜流湿地中NH +4和BOD 5的降解为例,对统一去污模型的应用情况进行了简单探讨,表明利用统一去污模型结构有助于深入揭示去污机理,从而提出更为精确的去污模型。关键词:人工湿地;统一去污模型;结构特征

文章编号:100020933(2007)0421428206　中图分类号:Q948　文献标识码:A

Character isti cs of the genera li zed structure of pollut an t rem ova l m odels for con structed wetl ands 　

K ONG L ing 2Yu 1,N I J in 2Ren 2

1the Shenzhen Graduate School of Peking U niversity,School of C ity and Environm ent,Shenzhen 518055,China

2M inistry of Education Key L aboratory for W ater and Sedi m ent Sciences,D epart m ent of Environm ental Engineering,Peking U niversity,B eijing 100871,China

A cta Ecologica S in ica,2007,27(4):1428～1433.

Abstract:Based on the analysis of typ ical existing pollutant removal models for constructed wetlands,this paper p resents a generalized ex p ression of vari ous models in ter m s of differential equations .The p r oposed generalized exp ression can not only embrace most existing models as s pecial cases but als o interp ret the transiti ons from one model to another .Potential app licati on of the generalized exp ression was exemp lified through the case of NH +

4and BOD 5degradation in subsurface flow constructed wetlands .

It was shown that the generalized exp ression is helpful t o reveal the pollutant removal mechanis m,and thus it is good for development of more accurate models .

Key W ords:constructed wetlands;generalized exp ressi on;pollutant removal models;structure characteristics 人工湿地兼有脱氮除磷效率高、投资和运行费用低等优点,因而在城市生活污水、工业废水、雨水处理以及农业非点源污染控制方面得到了广泛应用。目前,人工湿地去污模型多由经验公式具体表述。这些从不同出发点或在不同条件下获得的公式虽然形式各异,但是每个公式都是基于实测数据得到或经过观测资料验证的。那么,这些公式为什么具有不同的结构形式?它们各自的适用范围是什么?它们之间存在什么关系?是否可能存在一个更为一般性的统一模型将现行诸公式都作为特例而概括?本文在系统比较典型人工湿地去污模型的基础上,提出人工湿地的统一去污模型,并就其结构特点和应用效果进行分析,试图部分地给出上述

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问题的答案。

1　统一去污模型的建立

典型的人工湿地去污模型包括衰减模型、一级动力学模型、零级动力学模型、Monod 模型和生态动力学模型。衰减模型是根据大量运行数据而建立的一种“输出2输入”统计响应关系

[1]

,并不能真正反映湿地系统去

污过程。生态动力学模型因其反应公式众多、参数难以确定而仅用于湿地系统物质循环的研究[2]

。因此,目

前反映湿地系统去污过程的典型模型为一级动力学模型、零级动力学模型和Monod 模型。其中,一级动力学模型因其简单实用,被认为是目前描述湿地系统去污过程最合适的模型,多用于污染物进水浓度较低的情形;当污染物进水浓度逐渐增高时,湿地系统会渐趋饱和而体现零级反应的特点

[3]

,这一现象为零级动力学模型

所描述;两者之间的过渡状态由Monod 模型表征,该模型假设湿地中的生物过程与其他生物系统一样符合Monod 动力学,应用该模型可避免应用一级模型时尺寸太小和应用零级模型时尺寸太大的问题,但模型参数

值的确定较为困难

[4]

。

尽管不同的学者提出了各种形式的去污模型,但是从典型的去污模型建立的基础出发,可以发现一个有趣的现象,这就是各类去污模型的微分方程具有十分相似的结构形式,只是相关参数有所不同而已(见表1)。

表1　典型去污模型的微分方程

Table 1　D i fferen ti a l equa ti on s of represen t a ti ve pollut an t rem ova l m odels

序号

Serial number

模型

Model

微分方程

D ifferential equati on

参数

Para meter

1一级动力学模型First order model dC

dt =-kC (1)k =k 1,v =k 1,A /(εh )2零级动力学模型Zer o order model

dC

dt

=-k (2)k =k 0,v =k 0,A /(εh )3

Monod 模型Monod model

dC

dt

=-kC /(K +C )(3)

k =k 0,v =k 0,A /(εh )

表1中,k 1,V (量纲:T -1)、k 1,A (L T -1)分别为一级体积、面积速率常数,k 0,V (ML -3T -1)、k 0,A (ML -2T -1

)分别为零级体积、面积速率常数,K 为半饱和常数(ML -3

)。

人工湿地主要通过湿地系统中物理、化学及生物过程的协同作用实现去污[5]

。就生物过程而言,无论是

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