基于垂直潜流人工湿地实验系统的物理堵塞过程研究及模型构建

发布时间：2020-08-22 08:56

【摘要】：由于人工湿地系统类自然的设计,低能耗的运行,低廉的维护成本以及对污水或废水良好的处理效果,在世界各地被广泛应用。然而堵塞一直是潜流人工湿地运行面临的难题。堵塞会引起潜流湿地系统的水力学障碍以及孔隙度的降低,影响湿地的正常运行,最终缩短湿地的运行寿命。对于湿地堵塞过程的研究有助于进一步了解潜流人工湿地这一目前仍为“黑箱系统”的污水处理技术,同时能为潜流人工湿地的管理和维护方案提供更为精确的参考。然而目前对于堵塞的发生、发展过程研究甚少。这是由于首先,对湿地系统堵塞的研究需要建立在针对湿地基质内部变化的定期监测基础之上,而目前能够实时监测潜流湿地内部基质变化的技术手段尚未成熟,湿地系统基质内部的研究只能依靠传统的基质采样测试方法。由于传统采样过程导致了样点附近基质环境遭受到破坏和干扰,因此,揭示潜流湿地系统基质内部变化的定期监测数据极为匮乏,难以定量描述潜流湿地运行过程中堵塞的发生、发展过程。其次,湿地基质中发生的物理、化学、生物反应过程复杂,基质中积累的物质成分多样,因此即使在已知湿地基质内部变化的前提下仍然难以探寻这些内部变化与湿地功能表现之间的关系。第三,目前研究所构建的堵塞模型将湿地视为一个整体,无法准确描述堵塞发生发展的时空变化。本文以垂直潜流湿地实验室系统为研究对象,对由基质对湿地入水颗粒物的吸附与拦截所导致的物理堵塞的发生发展过程进行了研究,并在此基础上构建了物理堵塞的时空分布模型。首先,确定了实验系统设计和运行过程中基质类型、基质粒径及水力停留时间的设定。接下来,通过对实验系统基质的定期采样与分析测试,探讨了垂直潜流人工湿地实验系统内部物质积累的时空分布,描述其积累过程;进一步通过对于实验系统堵塞过程中功能指标(污染物去除率、孔隙度、渗透系数)的定期监测,分析了实验系统功能指标伴随着系统内部物质积累过程所发生的变化规律,并对系统内部变化与外部功能指标变化之间的关系进行了定量描述;最后通过定期示踪实验,分析了系统水力学行为随物理堵塞所发生的变化,并使用计算流体力学(CFD)软件对系统的水力停留时间进行模拟,在模拟结果基础上构建时空分布模型以描述实验系统物理堵塞过程。主要研究结果包括:1、内部多孔结构基质虽然能够为湿地提供较高的初始孔隙度,但与非多孔结构基质相比其孔隙度下降速率更高。基质粒径越大,湿地系统初始孔隙度及初始渗透系数越高,孔隙度随系统运行时间的下降速率越低。对于基质粒径大于5 mm的系统,渗透系数随运行时间呈现出先上升后急剧下降的变化趋势,对于基质粒径小于5 mm的系统,渗透系数则呈现出缓慢下降的趋势。水力停留时间对于系统孔隙度的影响并不显著,但是对于系统入水中总悬浮颗粒物(TSS)的去除率却有着显著影响。综合考虑,垂直潜流湿地实验系统选取的基质类型为内部非多孔结构的砾石,选取的基质粒径范围为3-4 mm,水力停留时间设定为2小时。2、堵塞实验期间,湿地系统主要以基质表面吸附小粒径颗粒物(粒径小于20μm)的方式进行物质积累,系统仍能维持稳定的运行状态。表层与底层基质中的颗粒物以恒定速率积累,基质中间层积累的颗粒物含量与运行时间并无显著相关关系。实验后期,表层基质间隙中积累的大粒径颗粒物含量开始升高。而基质中间层与底层并未观察到这一现象。吸附在各层基质表面的颗粒物粒径分布一直处于稳定状态,并未呈现明显变化。虽然实验期间基质表面吸附为实验系统中颗粒物的主要积累方式,但是颗粒物的间隙积累速率高于基质表面吸附速率。3、稳定运行条件下,实验系统对入水TSS的去除率维持在稳定状态,均值为46.44%,基质内部颗粒物积累速率也保持恒定(5E-5 g/g·day)。当积累的颗粒物密度均一时,孔隙度也将以恒定速率下降(2.36E-4/day)。此外,渗透系数在实验初期迅速下降,在实验中期呈上下波动状态,实验后期趋于稳定并开始呈现下降趋势。基质内部积累颗粒物的含量与系统孔隙度在0.01水平呈极显著负相关关系(Pearson系数为-0.776),同时孔隙度与渗透系数在0.05水平也呈显著相关关系,而积累颗粒物含量与渗透系数之间并不存在相关关系。TSS去除率与积累颗粒物含量;积累颗粒物含量与系统孔隙度;孔隙度与渗透系数之间的关系可以分别使用公式进行定量描述,且模拟值与实测值拟合较好。4、实验期间系统孔隙度由36.69%降至31.6%,对应的系统理论水力停留时间由最初的137.14 min降至118.1 min。由示踪实验得到的实际平均水力停留时间则由最初的106.62 min降至结束时的77.4 min。二者均与系统运行时间在0.01水平呈极显著负相关关系(Pearson系数分别为-0.885和-0.773),线性拟合结果表明系统的实际平均停留时间下降速度快于理论停留时间。表征短流、混流、有效利用体积、水力效率这四个指标的计算结果表明实验期间实验系统发生了较为严重的短流与混流现象,死区范围较大,整体水力效率很差。但上述四个指标在实验期间的变化并不显著。CFD能够对实验系统的水力停留时间进行较好的模拟。流场和水力停留时间的模拟结果显示,系统的有效流域体积在实验期间并未发生明显变化,但有效流域中的水流流速逐渐加快,流经基质所需要的时间逐渐缩短。5、在计算流体力学的基础上构建了实验系统颗粒物积累以及TSS浓度的时空分布模型,根据系统积累颗粒物含量与孔隙度、孔隙度与渗透系数之间的定量关系,进一步构建孔隙度与渗透系数的时空分布模型,以揭示实验系统的堵塞过程。由于模型构建中未考虑实验系统底部边界对水流携带TSS的拦截作用,因此对于基质底层的模拟结果与实测数据存在偏差。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703
【图文】：

实验系统,基质,属性

图 2-1 实验系统装置Fig.2-1 Configuration of each experimental system表 2-1 实验选用的基质属性ble 2-1 Characters of substrates chosen for the experi

初始孔隙度,实验系统,渗透系数

14图 2-2 实验系统初始孔隙度与初始渗透系数Fig. 2-2 Initial porosities and infiltration rates of the experimental systems

实验系统,孔隙度

实验系统孔隙度随时间变化

【参考文献】