论文摘要
人工湿地污水处理是一项投资省、处理效果好、运行和维护方便的生态污水处理技术。与表流人工湿地相比较,潜流人工湿地具有负荷率高,占地面积小,处理效果可靠,耐冲击负荷和不滋生蚊蝇等优点,因此应用范围更广泛,正受到环境工程界越来越广泛的重视和关注。在潜流人工湿地污水处理系统的设计中,水力学因素非常重要。传统上研究水力学,常常以模型实验为主要手段,利用示踪剂法预演相应的水流运动,得到模型水流的规律性。该方法在提供湿地的流体流动状态中存在很大的缺陷。首先,示踪剂法本身涉及到示踪剂及其注入方法的选择等诸多问题;其次,人工湿地内除了具有比表面积大、吸附能力强的介质以外,还具有活性的植物根系和介质表面附着的生物膜,因此对示踪剂的要求更高。再者,该方法费时费力,同时不能提供全流场信息。有鉴于此,有必要利用更先进的数学模型法作为设计工具来优化湿地设计。计算流体力学(CFD)技术的出现和发展,改变了传统上采用模型实验的示踪法来分析反应器水力特性的现状,解决了流体参量在反应器中均化分布的缺陷,也使利用数学模型精确模拟水处理单元在设计条件下的流动特性和行为成为可能,为反应器模拟和分析数学模型的建立提供了一种有效手段。同时,利用CFD技术有利于减少反应器分析中物理模型研究的必要性,降低研究成本,实现反应器的优化设计和运行。正由于这些优点,CFD技术已经成功地应用在环境污染控制领域,如氧化塘的优化设计中。但有关潜流人工湿地的CFD研究还未见报道。本文针对课题组设计和承建的锦州现场潜流人工湿地,通过合理简化,建立了潜流人工湿地二维数学模型,采用计算流体力学软件Fluent 6.22对其进行数值模拟研究。其中,用多孔介质模型来模拟填料区内的流体流动,并用壁面表面反应模型模拟潜流人工湿地中有机污染物的降解反应,分别探讨分层式净化区结构的潜流人工湿地和布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性及其对废水中有机物的去除,以期有助于潜流人工湿地的设计工作。主要的研究工作与结果包括:1.潜流人工湿地水力学特性研究(1)分层式净化区结构的潜流人工湿地的水力特性研究潜流人工湿地结构(进口位置、介质阻力以及护管区)对水力学性能的影响研究表明,不同进口位置的潜流人工湿地,其水力学效能从高到低为:中部＞上部＞下部;介质阻力对潜流人工湿地水力学性能的影响比较复杂,上、下层介质通过其阻力比对潜流人工湿地水力学性能产生影响;湿地水力学效能随护管区阻力的增加而增大。操作条件(进口流速和出口压力)对水力学性能的影响研究表明,与湿地结构的影响相比较,操作条件的影响较小。进口速度虽然对水力学效能的影响不大,但在工程设计中应充分考虑其对平均停留时间的影响;不同出口水位产生的出口压力变化很小,几乎不对湿地水力学效能产生影响,在工程设计中可以根据需要调整出口水位。(2)布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力特性研究分别讨论了集水区(护管式和层式)和布水区(护管式和层式)对潜流人工湿水力学性能的影响。研究结果表明,护管式集水/布水区结构优于层式结构。护管式结构的潜流人工湿地,其水力学效能更高,而且可以通过减小集水/布水区宽度来显著提高湿地水力学效能和逐步减小阻力比对其水力学效能的影响。水平和竖直式两种布水与集水区结构的潜流人工湿地的水力学特性研究表明,竖直式布水与集水区结构优于水平式。竖直式布水与集水区结构的潜流人工湿地,其水力学效能受布水与集水区设置的影响较小,且都能保持在较高水平。2.潜流人工湿地处理废水中有机污染物的研究(1)分层式净化区结构的潜流人工湿地内有机物的去除进口位置和进口流速对湿地内有机物去除的影响表明:有机物去除率受进口位置的影响较小,进口位置在上层介质上、中和下部时,去除效率分别为0.753、0.707和0.719;进口流速对湿地内有机物的去除影响很大,随着进口流速的减小,废水在湿地中的停留时间增大,有机物的去除效率相应增加。(2)布水与集水区结构的潜流人工湿地内有机污染物的去除布水与集水区的设置和微生物种类对湿地内有机物去除的影响表明:在护管式、水平层式和竖直层式这三种布水与集水区结构中,护管式的设置使得潜流人工湿地的净化区面积最大,因此有机物去除效率稍高;因不同微生物具有不同的有机物降解反应的活化能,从而严重影响有机物的去除,有机物的去除效率随活化能的增大而明显减小。
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