景觀型與蔬菜型水平潛流濕地除磷動力學模型

殷志平，吳義鋒，呂錫武

（東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210096）

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景觀型與蔬菜型水平潛流濕地除磷動力學模型

殷志平，吳義鋒，呂錫武

（東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210096）

利用景觀型和蔬菜型水平潛流濕地凈化經生化處理后的生活污水尾水，進行濕地除磷動力學模型研究。對比分析不同濕地單元的除磷效率。為優化濕地除磷設計，采用一級動力學模型和Monod模型模擬除磷效果，對比模擬準確性，討論水溫、水力負荷與模型反應速率常數間關系，并建立濕地除磷模型構建式。結果表明，景觀型濕地除磷能力順序：美人蕉單元＞再力花單元＞鳶尾單元，蔬菜型濕地：空心菜單元＞茭白單元＞番茄單元，除磷效果差異歸因于不同類植物的生物量區別。Monod模型（模型效率值ME：0.76～0.86）對濕地除磷的預測較一級動力學模型（ME：0.53～0.72）具有更高準確性。總磷面積去除率隨水溫的降低而減小，Arrhenius擬合結果表明，美人蕉（?=1.006）、再力花（?=1.008）和空心菜（?=1.006）單元Kmax對水溫變化不敏感，水溫對鳶尾（?=1.015）和茭白（?=1.014）單元除磷效率有較大影響。Kmax20與水力負荷間存在顯著正相關性，兩者符合乘冪方程（R2：0.657；0.805）關系。考慮了水溫和水力負荷因素的Monod模型構建式，對試驗濕地除磷預測具備準確性。

景觀型、蔬菜型水平潛流濕地；總磷；動力學模型；Monod模型構建式；優化設計

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151445

引　言

人工濕地作為一種環境友好型生態技術，其低投資、低能耗和維護管理簡便的特點使其在工農業廢水、小城鎮及農村生活污水處理和水環境修復中具有獨特優勢［1-2］。目前，人工濕地已成功應用于生活污水、暴雨徑流和工農業廢水等的處理凈化［3-4］。各類濕地中，景觀型和蔬菜型潛流濕地具備良好水質凈化功能的同時，可產生一定的景觀效益與經濟價值，是實現污水中營養鹽去除與資源化利用的重要途徑。在營養鹽中，磷是湖泊、水庫等水體富營養化的主要限制因子［5］，控制磷污染物進入水體是防治水體富營養化的主要途徑［6］。國內外大量研究表明，景觀型和蔬菜型人工濕地均表現出良好的除磷效果［7-11］。但同時進行兩類濕地除磷研究的相關報道較少。

人工濕地的廣泛應用和愈發嚴格的水質標準對濕地設計方法提出了更高的要求［12］。目前，人工濕地的設計通常基于經驗公式，如負荷法等。采用經驗方法得到的濕地面積通常比一級動力學模型的計算結果高出10%～30%［13］。增加了工程造價，削弱了濕地的低成本優勢。對此國內外進行了不同的濕地動力學模型研究，但多集中于有機物的去除［14-18］，對營養鹽去除模型的研究較少，景觀型和蔬菜型濕地除磷模型的研究也鮮有報道。建立合適的濕地除磷模型可增強對復雜濕地系統除磷動力學和功能的理解，提高濕地設計的合理性，實現除磷效率的最大化和濕地尺寸、造價的最小化。同時，Rousseau等［12］指出需特別關注模型中參數的不確定性。模型中的速率常數常假定為恒定常數，而實際研究表明其受水力負荷、進水濃度、溫度等因素影響［17，19-21］。而國內對濕地除磷速率常數的影響研究關注較少。

本文通過構建景觀型和蔬菜型水平潛流濕地兩類濕地，開展濕地系統的除磷效果和動力學研究。采用一級動力學模型和Monod模型模擬除磷效果，并對比模擬準確性。在模型速率常數的影響因素上，研究水溫、水力負荷與速率常數間的關系，并建立濕地除磷模型構建式。為濕地除磷模型的選擇、模型參數的完善和濕地系統的優化設計提供理論依據。

1　材料和方法

1.1試驗材料與方法

試驗于東南大學無錫太湖水環境工程研究中心實驗室進行。試驗裝置（圖1）由6組平行的水平潛流人工濕地單元構成，其中3組為景觀型濕地，分別種植美人蕉（canna）、再力花（thalia dealbata）和常綠鳶尾（iris tectorum），另外3組為蔬菜型濕地，分別種植空心菜（water spinach）、茭白（zizania）和番茄（tomato）。景觀型濕地栽植密度為20株·m-2，蔬菜型濕地栽植密度為26 株·m-2，試驗期間植物長勢良好。單元尺寸：長L=2.0 m；寬B=0.30 m；高H=0.6 m；長寬比=6.67；水深H=0.40 m；基質高度=0.45 m；單元表面積=0.60 m2，單元長度方向上間隔0.5 m設置一取樣口。單元內折流板構造形式：水流下行板距池底15 cm，水流上行板距基質表面15 cm。單元床體內由下至上填料配置：10 cm粗礫石（粒徑30～50 mm），25cm陶粒（粒徑10～15 mm），10 cm細礫石（粒徑10～20 mm）。基質平均孔隙率約40%。

圖1　水平潛流人工濕地裝置示意圖（標高單位：米）Fig.1　Schematic representation of horizontal subsurface flow wetlands（unit： m）

開展本試驗之前，各組濕地已穩定運行1年，濕地微生態系統趨于穩定。系統進水為經水解池+好氧接觸氧化池處理后的宿舍區生活污水，進水水質見表1。控制濕地進水水力負荷于0.18～0.30 m3·m-2·d-1間，進行濕地除磷性能研究及動力學模型研究。

表1　R濕地進水水質Table 1　Influent quality of wetlands

2014年8月～11月期間，每次取樣時間間隔為3 d，每個單元的取樣點：進水、出水及長度方向上的3個中間取樣點（0.5 m，1.0 m，1.5 m）。測試指標包括：水溫、pH、ORP和總磷（TP）等。

1.2除磷動力學模型

采用兩種方法描述濕地除磷動力學，一是假定濕地除磷遵循一級反應動力學，二是假定濕地除磷遵循Monod反應動力學。在濕地動力學模型中，一級動力學模型是應用最廣泛的模型。對于Monod模型，Saeed等［22］指出Monod模型可用于構造更真實的濕地預測模型，McNevin等［18］提倡將Monod模型用于濕地的設計。

水平潛流濕地系統中，污水主要以水平流動方式流經基質。Sun等［23］通過對比平推流和完全混合流兩種假設下的水平潛流濕地模擬結果，指出平推流更符合實際結果。本文將試驗濕地單元內的水流流態視為理想推流。

研究表明，考慮污染物背景濃度C?可增強動力學模型預測的準確性。對磷而言，C?接近于零值［19］。本文中C?取0 mg·L-1。

1.2.1基于推流的一級動力學模型理想推流一級動力學模型（考慮C?）-KC?模型式如下

式中，Cout為出水TP濃度，mg·L-1；Cin為進水TP濃度，mg·L-1；C?為TP背景濃度，0 mg·L-1；K為一級反應速率常數，d-1；t為水力停留時間，d。

一級反應速率常數公式

1.2.2基于推流的Monod模型Monod模型式如下

式中，Cout為出水TP濃度，mg·L-1；Chalf為TP半飽和速率常數，mg·L-1，取0.2 mg·L-1［24］；Kmax為TP最大體積去除速率常數，g·m-3·d-1。

基于理想推流，式（3）在邊界條件下t=0( C=Cin；t=t，C=Cout）的積分形式

由式（4）得，最大體積去除速率常數公式

K和Kmax的求解滿足誤差平方和最小（誤差=出水測量值-出水預測值）。

Tanner等［25］提出了Arrhenius方程，用以表示溫度對反應速率常數的影響，公式如下

式（6）等價線性公式

式中，KT為T（℃）下的反應速率常數，d-1；K20為20℃下的反應速率常數，d-1；?為量綱1溫度系數；T為水溫，℃。式（7）的斜率與截距用以計算式（6）的參數。

模型預測的準確性通過模型效率（ME）比較，ME反映實測值與預測值間的整體偏差。ME數值范圍-∞～1，數值越高表明預測值與實測值間越接近，ME公式

2　結果與分析

2.1景觀型和蔬菜型濕地的除磷效率

景觀型濕地TP平均面積去除率順序：美人蕉單元0.286 g·m-2·d-1＞再力花單元0.270 g·m-2·d-1＞常綠鳶尾單元0.177 g·m-2·d-1。蔬菜型濕地：空心菜單元0.265 g·m-2·d-1＞茭白單元0.221 g·m-2·d-1＞番茄單元0.165 g·m-2·d-1。6組單元順序為美人蕉單元＞再力花單元＞空心菜單元＞茭白單元＞常綠鳶尾單元＞番茄單元。試驗濕地未填加強化除磷基質，植物與微生物的耦合作用是濕地除磷的主要途徑之一［26］。有研究指出，不同植物的除磷效果差異較大［27-28］。本試驗濕地除磷效果的差異歸因于植物種類的區別，美人蕉、再力花和空心菜濕地較大的植物生物量獲得了較好除磷效果。Jing等［9］通過對不同植物類型潛流濕地的研究，指出茭白、蘆葦和千屈菜濕地TP平均面積去除率分別為0.253、0.297和0.248 g·m-2·d-1。

圖2　不同月份的濕地TP面積去除率Fig.2　Monthly changes of areal removal efficiency of TP in different wetland units ［mass-removal rate=（Cin-Cout）Q/A，where Q is influent flow， A is wetland area］

表2　R景觀型和蔬菜型濕地除磷速率常數及METable 2　Reaction coefficient values of landscape type and vegetable type wetlands ， and ME

不同月份TP面積去除率存有差異（圖2）。8月～11月間，6組單元總體表現為8月面積去除率最大，隨著溫度降低，面積去除率逐漸減小，在11月份出現最低值。植物同化磷存有季節差異，與植物的生長周期性相關［29-30］。張巖等［31-32］指出水平潛流濕地的TP面積去除率隨月份（溫度）變化。

2.2濕地除磷動力學分析

由表2得，水力負荷0.24 m3·m-2·d-1條件下，景觀型和蔬菜型濕地單元K、Kmax值順序結果與2.1節中一致。表2中，K值范圍：0.83～1.87 d-1，Kmax值范圍：1.20～2.07 g·m-3·d-1。Ngo等［33］指出，潛流濕地TP一級面積速率常數k為0.112～0.230 m·d-1，本試驗結果為0.133～0.299 m·d-1。

除番茄單元外，Monod模型ME值（0.760～ 0.860）均較一級動力學模型ME值（0.530～0.718）更接近1，Monod模型在預測試驗濕地出水TP濃度上具有更高的準確性。下文中，溫度和水力負荷對除磷速率常數的影響分析均以Monod 模型為基礎。

2.3Kmax隨水溫變化特征

圖3和表3中R2（0.625～0.904）結果表明，以Arrhenius方程擬合溫度與Kmax間關系是適宜的。表3中?結果指出，6組單元Kmax隨水溫的降低而減小，歸因于植物吸收磷存有季節差異［29］，6種試驗植物在低溫下磷吸收速率降低。其中，美人蕉（?=1.006）、再力花（?=1.008）和空心菜（?=1.006）單元Kmax受水溫影響不敏感，水溫對鳶尾（?=1.015）和茭白（?=1.014）單元的Kmax存在較大影響。

2.4水力負荷對Kmax20的影響

水力負荷（q）控制為0.18，0.24和0.30 m3·m-2·d-1。Kmax20依據2.3節中Arrhenius方程計算。圖4表明，Kmax20與q間存有明顯正相關性，Kmax20隨q值增大而增大，與Kadlec［19］和Rousseau等［12］的研究發現一致。需指出，Kmax20隨q值變化有否閾值及閾值的大小需進一步研究。

圖3　Arrhenius方程擬合水溫與Kmax的關系Fig.3　Dependence of Kmaxon water temperature， and evaluation of Arrhenius-type equations for facilities（a） canna； （b） thalia dealbata； （c） iris tectorum； （d） water spinach； （e） zizania； （f） tomato

表3　RArrhenius方程擬合結果Table 3　Results of Arrhenius-type equations

選取乘冪方程［19］和指數方程［17］擬合Kmax20與q間關系，利用乘冪回歸與指數回歸獲得最適方程參數

式中，q為水力負荷，m3·m-2·d-1；m和n為量綱1負荷系數。

乘冪回歸擬合結果［式（11）、式（12）分別對應再力花和空心菜濕地］

指數回歸擬合結果［式（13）、式（14）分別對應再力花和空心菜濕地］

其中，乘冪方程（R2：0.657；0.805）較指數方程（R2：0.639；0.787）的相關性更高。

2.5Monod模型構建式

基于2.3和2.4節，Kmax是溫度的函數，符合Arrhenius方程，同時Kmax20與水力負荷相關。結合式（3）、式（6）和式（9）構建式（15）

圖4　Kmax20與水力負荷間的關系Fig.4　Relations for dependence of Kmax20on hydraulic loading（a）thalia dealbata unit； （b） water spinach unit

式中，H為濕地內水深，m；ε為基質孔隙率，%。式（15）用于水力負荷已知時的出水濃度預測，或出水濃度限制值下的水力負荷計算。

Monod模型構建式［式（16）、式（17）分別對應再力花和空心菜濕地］

表4　RMonod模型構建式預測結果Table 4　Prediction results of constructed Monod models

3　結　論

（1）景觀型濕地除磷能力順序為美人蕉單元（面積去除率：0.286 g·m-2·d-1；Kmax20：2.083 g·m-3·d-1）＞再力花單元（0.270 g·m-2·d-1；1.972 g·m-3·d-1）＞鳶尾單元（0.177 g·m-2·d-1；1.283 g·m-3·d-1）。蔬菜型濕地：空心菜單元（0.265 g·m-2·d-1；2.042 g·m-3·d-1）＞茭白單元（0.221 g·m-2·d-1；1.659 g·m-3·d-1）＞番茄單元（0.165 g·m-2·d-1；1.209 g·m-3·d-1）。美人蕉、再力花、空心菜和茭白單元具備較強的除磷能力。

（2）除番茄單元外，Monod模型ME值（0.760～0.860）均較一級動力學模型ME值（0.530～0.718）更趨近1。Monod模型對試驗濕地除磷效果的預測具備更高的準確性。

（3）8月～11月間，濕地TP面積去除率隨溫度下降而降低。Arrhenius擬合結果指出，美人蕉（?=1.006）、再力花（?=1.008）和空心菜（?=1.006）單元Kmax受水溫影響不敏感，水溫對鳶尾（?=1.015）和茭白（?=1.014）單元除磷有較大影響。Kmax20隨水力負荷的提高而增大。較指數方程（R2：0.639；0.787），乘冪方程（R2：0.657；0.805）對Kmax20與水力負荷關系的擬合度更高。Monod模型構建式可提升模型的準確性和適用性。

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Kinetic modelling of total phosphorus removal in landscape type and vegetable type horizontal subsurface-flow constructed wetlands

YIN Zhiping， WU Yifeng， Lü Xiwu
（School of Energy & Environment， Southeast University， Nanjing 210096， Jiangsu， China）

The studies on total phosphorus （TP） removal in landscape type and vegetable type horizontal subsurface flow wetlands were conducted. The raw water was domestic sewage which has been treated by biochemical treatment processes. The TP removal efficiency of different wetland units were compared and analysed. To optimize the design of wetlands， the first order reaction kinetics model and the Monod model were used to simulate the TP removal results and their accuracy were compared. Meanwhile， the relationship between water temperature， hydraulic loading rate （q） and the reaction coefficients were discussed. The results showed that in landscape type wetlands， the order of TP removal capacity was canna unit＞thalia dealbata unit＞iris tectorum unit， while it was water spinach unit＞zizania unit＞tomato unit in vegetable type wetland units， which was attributed to the biomass difference of different plants. The comparative evaluation between the first order kinetics model （ME： 0.53—0.72） and the Monod model （ME： 0.76—0.86） showed that the Monod model had higher accuracy in predicting the TP removal results. Decreased values of areal removal efficiency of TP were observed at lower water temperature. The Kmaxof canna （?=1.006）， thalia dealbata （?=1.008） and water spinach units（?=1.006） were insensitive to the change of water temperature. The water temperature had a great influence on TP removal efficiency of iris tectorum （?=1.015） and zizania （?=1.014） units. The increased values of Kmax20were observed at higher q values. The power equations （R2： 0.657； 0.805） can well reflected the relationship between Kmax20and q. The constructed Monod model， which had considered the influence of water temperature and q on Kmax， gave a certain accuracy in predicting TP removal of experimental wetlands.

date： 2015-09-14.

WU Yifeng， shinfun@seu.edu.cn

supported by the National Science and Technology Support Program （2013BAJ10B13）.

landscape type， vegetable type horizontal subsurface flow wetlands； total phosphorus； kinetic model； constructed Monod model； optimal design

X 171

A

0438—1157（2016）05—2048—08

2015-09-14收到初稿，2015-11-10收到修改稿。

聯系人：吳義鋒。第一作者：殷志平（1991—），男，碩士研究生。

國家科技支撐項目（2013BAJ10B13）。