(学士)农村生活污水处理组织设计方案(中文).doc

模拟人工湿地去除雨水沉积物：从实验室研究中得到的见解
Y. Li *, A. Deletic, T.D. Fletcher
研究所可持续水资源，土木工程系，eWater华润，建设60 ，莫纳什大学克莱顿，维多利亚3800 ，澳大利亚
收到2006年11月1 ;收到订正2007年3月1日;接受2007年3月5日
摘要：人工湿地现在常用来控制城市污水的排放。在这些系统中通过实验来研究对固体废物的处理。三个不同规模的湿地（植有不同密度的植物），以及一个非草木池塘都被利用，以用来实现粒子的沉积数目（Nf是粒子在水平和垂直两个方向运行的时间比率）和颗粒剪切速率Reynolds数Re*，这全面的反映了系统。水池中的植物系统也与系统整体的Reynolds数(ReT)很相似。这里做了十组稳定的试验，这些实验都有不同水流压力和沉积物的流入浓度（也保持在雨水天气真实系统的研究范围之内）。样本是在模拟池中获得并进行了总悬浮固体浓度(TSS)的分析和粒子尺寸分布(PSD)的分析。结果发现，Re*和ReT都不能显著的影响沉积物的聚积， 因此，在人工湿地中，由水流引起的颗粒再悬浮在沉积过程中并不重要。植被密度，并不认为是一个重要因素，而颗粒尺寸和水流动特性（例如，水流速率和速度）确实影响粒子的聚积效率。得出的结论是，沉积物聚积与粒子下降数目Nf有很大的相关性，因此可用单一的非空间数来进行解释。一个简单的非线性、双参数回归模型，用来预测的粒子在雨水天气人工湿地中的沉积效率。然而，该方法可用于实践之前，还需要进一步开展工作。正在进行的工作的目的是检验提出的模型是否可以用来实现许多真正的人工湿地，而不要任何进一步校准。所收集的数据来自澳大利亚，墨尔本的一些雨水处理系统，这些数据将被用于这项研究。
导言
在市区，污水是一个主要的污染源。人工池塘和湿地广泛用于控制污水。池塘是很深的露天水池，通常很少有水位波动， 而湿地是浅池，有沼泽一样的结构和水生植物生长。除了被有效地清除泥沙和污染物，它们还可以有助于防止洪水侵袭和美化市容。
清除池塘和湿地的污染物，物理沉淀是初步的措施。 去除颗粒物质消除了很大一部分固体污染物。不同污染物有不同的颗粒大小，这表明了解颗粒大小分布的技术，对于清除相关污染物已产生重大影响。因此，有效的湿地和池塘设计依赖于能够可靠地预测并清除污水中的沉积物颗粒。
Reinelt和Horner在报告中说，湿地污染物的去除由水流条件的影响，以及污染物的来源和状态，贮存的时间和季节。密集的植被一般是有助于增加沉积，同时减少湍流和减缓水流速度并可以黏附沉积物 。
然而，植被可以清除湿地沉积物的重要作用已被广泛争议。 Fennessy等人表明，在淡水湿地植被清除沉积物的作用并不重要，正在代替水域附近水湾的功能。 基于沼泽地带的水流数据，Leona-rd等人建议，不同的植被覆盖对于水的流动，沉积物的输运，沉积的方式无明显影响。Brueske和Barrett说得更具体，指出在有丰富水源的湿地，植被的式样对沉积物的沉积没有影响，但对于水源少的湿地却有重大影响。
Braskerud研究了四个农村的人工可流动湿地的进展，发现其中的悬浮物下降了约40％，五年之后悬浮物的含量变得微不足道。这是符合Kadlec和Knight的推测，在湿地的表面水域环境是一致的，物理的在沉积不是一个主导的进程。然而Tsanis等人的模型显示在自然湿地中临界剪切应力对于的悬浮物的沉积产生了巨大影响。
虽然在城市和农村地区，人工湿地对于污染物排放的处理得到了广泛的研究，单独和综合因素的影响，如水的排放力，植被密度，流入污水浓度和多雨水条件下的悬浮再沉积还没有得到很好的理解。
为模拟湿地沉积作用已经作出很多的努力。一些复杂的模式需要计算机模拟水流的动力学和粒子输运。其他方面描绘了水的流动或固体颗粒只在一个空间方向运动或没有任何空间问题的解决。然而，最广泛使用的模式是简单的一阶动力学模型（被称为k–C*模型），这已经在湿地和池塘污水处理的长期应用中得到了广泛程度的发展。Wong 和 Geiger建议，这两个参数k–C*模型适合应用于人工湿地污水的治理。 然而，
模型参数k–速率常数和C*-水的浓度，被人们发现与水的流体力和水的浓度有很大的关系，因此，变量甚至与一个因素有关。Kutzner 和 Geiger最近的研究得出结论，这些问题造成了在德国寻找可替代的办法。
沉积物积留在池塘和湿地也被所周知的离散粒子来模拟，其中颗粒沉积的数目是粒子减少数目Nf的一个简单的线性函数，其中Nf定义是：开始时间与持续时间的比值。最初的Hazen模型已广泛用于结合数目的溢出和废水处理系统。该模型已大力度的用于评估池塘和湿地固体颗粒的去除。然而，这项工作不呈现出任何实验室或该领域的模型数据。最近，Hazen模型的修改是为了能够观察到粒子沉积效率的非线性作用和被污染的沼泽水草地带的Nf值。这一模式已成功在两个被污染水草领域的过滤作用中得到验证（无任何进一步的校准）。因此就有了这样的猜测即同样的方法也可以适用于被污染的湿地。
本研究的第一个目标是以识别和评估最重要的进程和变量，这两个因素影响被污染湿地的沉积行为过程。由于该进程的复杂性，决定开始在中度污染湿地进行实验室控制性的实验。第二目的是要检验修正的Hazen模型是否能够可靠地模拟被污染人工湿地的泥沙沉积过程。
实验方法
假说
在潮湿的天气，池塘和湿地的沉积物的行为可能包括粒子沉降过程，从沉积物系统分离的再悬浮过程，和悬浮在池塘水中的颗粒被冲洗的过程。下面的假设在这这项工作中得到了检验：
假设1. 从沉积物系统分离的再悬浮粒子可以被忽略掉。通常粒子的再悬浮被视为颗粒大小(ds)的函数，剪切速率，或只简单是剪切速率Reynolds数的函数，Re*：
Re*= U *ds/υ
其中U *是剪切速率(m/s)，υ是运动学的粘度(/S)。剪切速度U *可以通过假定水流速对数分布与水深度而得到：
V=2.5 U *ln（U *h/υ）+3 U *
假设2. 沉积作用是粒子的主要过程，此过程规范了沉积物在潮湿的天气的行为，可以作为一个简单的粒子下降数目Nf的函数来进行模拟，其定义是：粒子在水平和垂直两个方向运行时间的比值：

其中X是该系统的长度（m），h是水流深度（m），Vs是颗粒沉降速度，V是水流速度，定义为：
V=q/(B0h)
其中q是水流的速率，B0是水流宽度（m）。 如果粒子离散领域一样沉降，粒子的沉底速度Vs，是由Stokes定律给出的：

其中ρs是粒子密度，ρw水的密度，ds是粒子尺寸，g是重力加速度，μ是水的动力度。
假设3.掉的细小颗粒在池塘水中从不沉淀，在雨水天气他们是起不了重要作用的。但是，为了检验这一假说，洗刷作用被看作是颗粒大小和RMS Turbulent Reynolds数ReT的一个函数，长有植被水渠的水流强度水平被定义为如下：
ReT =VRs/υ
其中Rs是水压的空间半径，定义为
Rs=Wssh/（2h +Wss）
其中Wss是两个植物茎杆之间的距离。
在非草木系统中，这个数字变成Flow Reynolds Numbers ，Re，其定义是：
ReT=Re =VR/υ
其中R是水流压力的半径，其定义是：
R =Bh/(2h +B)

其中B是待处理系统的水流宽度.
湿地和池塘物理模型中的缩放比例问题
为了研究实验室控制下的环境过程，有三个非空间范围的数据控制着全过程：剪切速率Reynolds数Re*，粒子减少数Nf，Turbulent Reynolds数ReT，必须与真实的系统保持相同。因此，这项任务是为了确定范围实际运行条件下的这三个参数的范围，然后构建一个实验室系统，该系统能够确定这些参数值。
实地数据的收集是在Hampton Park湿地，Melbourne曾经粗略的估计现实中这些数据的范围。500，2000和7000m/y的水力负荷用于满足雨水天气的水流量的范围，同时水流深度在系统中也得到了测量。以便流入率的选择。水流中的典型的粒子尺寸范围推测是1到300μm ，密度是2300到2750kg/m3。植被密度介于500至3000culms/m2。表1显示了在Hampton Park测量草木和非草木池塘得到的ds = 40μm的三个非空间的数字，粒子密度是2520kg/m3 ，植被密度590 culms/m2。
模拟池的平均大小和实验中水流入的速率被测定出，这样就实验室系统就可以模仿并发现Re*，Nf和ReT的值。不幸地是粒子的平均大小在利用利用现存实验室的设备中，被限定在了很大的范围。正如表1所示，如果平均大小是1.5米长，0.25米宽， 0.05米深，在草木和非草木系统中Re*和Nf值会很相近。Turbulence Reynolds数ReT，真正的植被湿地和模拟池将会是相似的。对于非草木模拟池塘，这是不可能实现ReT的重现。

同时还可以保持相似的Nf和Re*。对于没有植有植物的池塘，在同一时间仅可能测量三个数字中的两个。因此，决定建立在表1中所表明的模拟池塘，这样可以集中观察Nf和Re*的相似性，因此文献结果表明，沉积过程和再悬浮这两个过程应该是最重要的。水流冲洗的过程也应当在不同规模的有植被的池塘进行一定程度的研究，然而，在没有植被的池塘来研究这一过程单独实验是必要的。
实验装置
实验的装备设施和计划图在图1中已经用不同的尺寸进行了全面的展示 。它载有10公升水箱并可以 调节水流的速率，和四个实验部件。一个很大的植物Baumea，在一定的液压载荷范围内能够保持直立，建立在0.4米 厚的砂质壤土层中，以日光灯照射来促进植物生长。每个单元有不同的植被密度：（1）没有植被，（2）低密度= 590 culms/m2 ，（3）中等密度= 1620culms/m2 ， （ 4 ）高密度= 2936 culms/m2 。在每个单元的出口都有可以拆卸的门，可以调整每个单元中的水深度。水的定位深度h= 0.05-0.06米。V型切口堰安装在每个单元的入口处以便精确测量水的流入量，同时在每个单元的出口还修建有堰，以便进行流出样品的采集。

沉积物是从附近拦洪水库的水中收集的，是通过300μm的网进行过滤的，并直接注入一定浓度的泥浆。 4个水杯被安装在每一个V型堰的前面，为的是在入口处连续的人工注入泥浆。流入的水和沉积物的混合物可以直接从墙上漏人每一个单元的内部。虽然这大大减少了每一个单元在开始因为注入水而引起的动荡，挡板也被放置在入口处以便进一步的减少水流的动荡，如图一所示。
为了采集水样每个单元入口堰的0.5米和1米处安装水管。决定将0.5米处做为每个单元的开始点，从而使第一0.5米处做为水流的混合点。
实验程序和方案
在每个实验的开始，首先要使用稳定的水流来源源不断地注入沉积物。平均流量的深度和流入每个单元的水量都需要进行测定。一个已知质量的泥浆是TSS浓度，以每2小时2分钟的低流量流入，超过1.2小时进行高流动。在每个单元内形成稳定的沉积物浓度后进行水样的采取。对于低流量的水流要每15分钟进行采取样本，高流量的水流每10分钟进行采取。样本被距入口堰0.5， 1.0米处的吸管进行采集，并在流出堰进行简单的流出水收集。

图1 实验装置：（a）平面视图 （b）剖面视图
样品的TSS分析使用了标准的方法，而粒子大小分布的测量，使用了低角度激光散射的方法。此外，粒子密度的测量采用全自动气体装置AccuPyc 1330 Pyconometer来检验一种已知的少量干样品。