表面流人工湿地磷循环生态动力学模型及实现方法

Ecological Kinetic Models and Methods of Phosphorus Cycle in Free-water Surface Constructed Wetlands
ZHANG　Jun; ZHOU Qi;
( State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse , Tongji University , Shanghai 200092 , China)

Abstract : Constructed wetlands , a low cost and high efficient wastewater treatment system , has been recognized by people for several
decades , especially the regional ecological benefit and nutrient removal of free2water surface constructed wetlands ( FWS) , but it is not yet completely understood , and the ecological kinetic model is a good tool to gain detailed information about this technology. The different kinds of design methods , detailed structure and mathematical technique of the ecological kinetic of phosphorus cycle in FWS are presented and compared in this paper. It shows that further researches on the spatial and temporal data of different phosphors forms in the free water surface wetlands and the parameter determining methods still need to be done to improve the veracity of the ecological kinetic model.
Key words : Constructed wetland;ecological kinetic model; phosphorus
1 　前言
　　人工湿地作为一种新型生态污水处理技术, 具有投资和运行费用低、抗冲击负荷、处理效果稳定、出水水质好, 芦苇可以利用(作为造纸原料) 等诸多优点。特别是随着我国湖泊河流富营养化的趋势越来越严重, 对污水处理脱氮除磷的要求越来越迫切, 而目前传统的二级处理脱氮除磷效率不高, 三级处理因投资和运行费用昂贵而难以推广, 特别是表面流人工湿地所特有的区域生态效益更是日益为人们所认识^[1] ,使得人工湿地技术就成为我国经济尚欠发达、地理条件相对宽裕的广大中小城镇、居民小区污水处理的优选方案^[2] 。
　　虽然近30 年来, 对人工湿地的去污机理也进行了一系列系统深入的研究工作, 先后建立了衰减方程^[1]和一级动力学模型^[3]用以模拟人工湿地对污染物的去除效果, 欧洲和北美也已有上千座人工湿地建成, 但这些应用的设计和运行都是建立在统计数据和经验公式基础上的^[4], 这一污水处理技术并不为人们所完全掌握, 专家学者和工程技术人员对人工湿地的各种去污机理尚无深入、系统和定量化的结论, 对人工湿地设计时的预期水质目标和长期的运行效果缺乏准确可靠的预测手段, 从而严重地影响了这一污水处理技术的推广与应用^[5]。而各种人工湿地的数学模型的研究, 尤其是人们对人工湿地生态动力学模型的深入研究和不断完善, 对于促进人们对人工湿地污水处理技术的深入了解, 以及推动这一高效、低耗、生态技术的广泛应用将会有深远的影响。
2 　表面流人工湿地磷循环的生态动力学
　　模型( Ecosystem Kinetic Models)人工湿地的生态动力学模型是以“箱式”模型理论为基础, 将人工湿地系统中各种生物、物理、化学降解去除途径划分成许多个独立的“箱子” (Compart ments) 和反应过程, 针对每个降解去除途径和反应过程分别进行深入细致的研究, 分析它们互相之间的协调拮抗作用和控制影响因素, 对每个“箱子”及反应过程进行定义, 确定其具体的质量平衡方程、反应公式(一般为动力学方程) 和相关动力学参数, 并通过实验测定、文献查找、模型自拟合等方法获得各种相关生态动力学参数, 然后运用各种建模软件(Model Maker 、Stella 、Matlab、有限元程序等) 对概念模型进行实现, 并以人工湿地系统的运行数据对各个参数和过程定义进行分析、演算、校验和修正, 最终得到一个统一完整的生态动力学模型。
2.1 　生态动力学模型的建立

　　 图1 所示为目前广为接受的表面流人工湿地磷循环的示意图^[6]。在利用模型软件实现生态动力学模型时, 物质流均是以质量来实现的, 而不是像衰减方程和一级动力学模型中以浓度来实现, 如水中总磷的物质平衡可表示为为:
　　d出水总磷/dt = d 入水总磷/ dt - d 颗粒磷沉淀/ dt - d 土壤作用/dt - d 藻类作用/dt - d 附着生物作用/dt - d植物作用/dt - d腐殖层作用/ dt
　　进而对各个模块进行细化如下:
(1) 进出水模块
　　d 进水总磷/ dt = 进水流量×进水总磷浓度×dt
　　d 出水总磷/ dt = 出水流量×出水总磷浓度×dt
(2) 颗粒物的沉淀
　　d 颗粒磷沉淀再悬浮/ dt = 颗粒磷浓度× (颗粒磷沉淀速度/ 平均水深) ×温度校正
(3) 藻类作用
　　d 藻类作用/ dt = d 藻类生长/ dt - d 藻类呼吸/ dt - d 藻类沉降/ dt - d 出水流失/ dt
　　其中(藻类、附着生物和植物生长的实现方法总结见后) ,d 藻类呼吸/ dt = 藻类生物量×藻类呼吸速度×温度校正
　　d 藻类沉降/ dt = 藻类生物量× (藻类沉降速度/平均水深) ×温度校正
　　d 出水流失/ dt = 藻类生物量× ( 出水流量/湿地总容积)
(4) 土壤作用(土壤作用的实现方法总结见后)
(5) 附着生物作用
　　d 附着生物作用/ dt = d 附着生物生长/ dt - d 附着生物呼吸/ dt - d 附着生物死亡/ dt
　　其中(附着生物和植物的死亡实现方法总结见后) ,
　　d 附着生物呼吸/ dt = 附着生物生物量×附着生物呼吸速度×温度校正
(6) 植物作用
　　d 植物作用/ dt = d 植物生长/ dt - d 植物呼吸/ dt - d 植物死亡/ dt
　　其中: d 植物呼吸/ dt = 植物生物量×植物呼吸速度×温度校正
(7) 腐殖层作用
　　d 腐殖层作用/ dt = d 腐殖层产生/ dt - d 腐殖层
　　释放/ dt - d 腐殖层稳定化/ dt
　　其中: d 腐殖层产生/ dt = 藻类磷含量×d 藻类沉降/ dt - 植物磷含量×d 植物死亡/ dt 附着生物磷含量×d 附着生物死亡/ dt
　　d 腐殖层释放/ dt = 腐殖层总磷量×腐殖层分解速度×温度校正
　　d 腐殖层稳定化/ dt = 年均腐殖层产生速度- 年均腐殖层分解速度
　　上述各方程中温度校正公式的一般形式为^[1], k^T = k²⁰ ×θ^{( T - 20)}
　　不同对象的θ值各不相同。
2.2 　不同实现方法的比较
　　虽然不同研究者对表面流人工湿地中磷循环的主要途径都有比较统一的认识, 但在各自生态动力学模型某些模块的实现时, 所采用的思路和方法却有很大的不同。
2.2.1 　生物的生长吸收
　　生物对磷的生长吸收主要包括藻类、附着生物和水生植物对磷的生长吸收, 这一过程可以使用如下方程进行描述:
　　d 生物对磷的生长吸收/ dt = d 生物量的生长/ dt ×生物体内磷的含量
　　而对生物生长这一过程的实现方法则主要有以下三种方式。
(1) 生长速率常数法^[7]
　　生长速率常数法即采用生长指数方程来对生物的生长进行描述。首先, 通过实验测定或是查阅文献获得生物生长速率常数kG , 然后可以通过以下公式进行模拟生物生长对磷的吸收:
　　d 生物量的生长/ dt = kG ×生物量
　　对于温度的变化, 还可以利用温度校正公式对kG进行温度校正, 或针对不同的季节分段采用不同的kG值。
　　这种方法由于采用实测kG 值, 因而能够比较真实地反映现场生物生长的具体情况, 但是kG 的获得需要较长周期大量的现场实验, 而且实际上kG 仍是一个具有很大经验性的参数, 因而其普适性和对非常条件的响应都受到很大限制。
(2) Monod 方程法^[8]
　　Monod 于1942 年将米-门关系应用到微生物生长上, 提出了描述基质浓度与微生物比增长进度的关系公式为:
　　μ=μ_mɑx·S/(S + Ks)
　　 这里μ的定义实际上与KG 是一样的。这种方法能够很好地反映不同营养级别, 如人工湿地用于精处理或生活污水处理时, 植物生长的真实情况, 但这种方法的缺陷也显而易见, 并未考虑植物生长的其它控制因素, 如温度、阳光、季节等条件对其生长速度的影响。
(3) 环境条件响应法^[６]
　　生物的生长受到外界环境因素的控制, 比如温度、阳光、营养状态等, 因此其生长速度可表示为:
　　d 生物量的生长/ dt = 阳光强度×生物受光面积×阳光利用效率×温度校正÷生长单位
　　生物量所需消耗的能量值这种方法首次从能量平衡的角度来考察植物的生长, 从而对磷进行质量上的平衡计算, 因而更符合生物生长的自然规律, 更能够在模型中体现出自然环境因素对植物生长的影响。但是由于目前对这一自然规律的认识还不够深入, 所以导致这一方法也存在着很多缺陷。例如, 植物面积与阳光利用效率在实际操作中实际上存在着很大的相关性, 当植物面积分别采用不同计算方式(覆盖面积或受光面积) 时, 其阳光利用效率是随植物密度而变动的, 而植物在生长过程中其密度肯定是不断变化的, 因而导致这一方式的计算误差。同时, 不同季节同样温度和光照条件下, 其生长速度也是不同的。因此, 虽然这种方法对自然环境条件的响应要远远优于简单的生长速率常数法, 但是由于目前研究和认识的不足, 带来的各种误差往往比采用经验公式时更大。
2.2.2 　生物的死亡
　　对生物死亡的实现一般均采用死亡速率常数法^[9],
　　d 生物量的死亡/ dt = kD ×生物量
　　而死亡速率常数的KD 确定, 既有采用普适性和无响应能力的季节分段参数实测值, 也有应用温度校正进行模型内实时计算值。但这两种方式都存在很大的经验性, 对一些环境因素(营养条件、捕食压力、自身生长周期等) 的响应并不明确。
2.2.3 　土壤作用
　　目前, 各国专家学者关于土壤对各种有机污染物和金属元素的吸附、解吸规律都做了大量的研究工作,但相关研究都集中于确定土壤吸附等温线和吸附能力,对于土壤吸附、解吸动力学, 以及磷元素在土壤中的形态分配动力学(吸附态、铁铝结合态、钙镁结合态、腐殖质结合态等) 的研究工作相对较少。因此, 目前在土壤作用生态动力学模型中的实现方法主要有以下两种方法。
(1) 渗漏速度法^[6]
　　在这种方法中, 将土壤对湿地表覆水中磷的吸附沉淀假设为土壤对渗漏表覆水中磷的完全截留, 则有:
　　d 土壤作用/ dt = 表覆水的总磷×表覆水渗漏速度/ 湿地总容积
　　虽然这种方法比较简单明了, 但是表覆水渗漏速度的确定就成了关键问题, 因为土壤渗漏速度一般采用的就是土壤渗透系数, 而按照广为认可的观点, 湿地表覆水和土壤之间磷的交换作用应为扩散而不是渗漏, 虽然可以假设这是一个渗漏过程, 但在渗漏速度的确定时却仍应遵循扩散这一原则, 因此, 这种试验条件下得到的参数与实际情况存在着较大的差别。
(2) 土壤吸附、解吸速率常数法^[10]
　　这种方法实现通过土壤吸附动力学实验, 在实验容器中加入一定高度的土壤和一定体积的水样, 按照确定的采样时间测定水中磷浓度的变化。然后依据双箱模型和质量守恒原则有:

　　 式中: C_W⁰ , C_W^T , C_S^T 分别为0 时刻水中磷的浓度与T 时刻水中和土壤中磷的浓度; ρ_W , ρ_S 分别为水和土壤的密度; hW 为水柱高度; h_S 为实验期间扩散交换所到达的土柱深度; k_ab , k_de分别为土壤吸附、速率常数、解吸速率常数。经过合并、积分获得的公式对实验数据进行非线性拟合得到土壤吸附解吸速率常数。
　　土壤作用则可表示为:
　　d 土壤作用/ dt = 吸附速率常数×水中磷浓度- 解吸速率常数×土壤中磷浓度
　　虽然这种方法可以很好的反应土壤和表覆水中磷扩散交换的吸附解吸平衡稳态, 但是用以吸附速率常数、解吸速率常数测定的实验中的hS 确定对k_ab、k_de的计算影响很大, 而且实验中和实际湿地运行中h_S是不断变化的, 因而导致得到的k_ab、k_de值与实际情况往往有很大的差异。这也是这种实现方法还仅仅处于吸附、解吸速率常数实验的研究阶段, 实际模型应用中还存在很多困难。
3 　小结
　　由此可见, 虽然各种生态动力学模型所采用的概念设计大同小异, 但模型中对各个途径的动力学描述和在软件中的实现方法, 因各位学者观点的不同可能存在着相当大的差异。而且模型中设计植物、微生物的生长、死亡, 土壤中物质的运移等多个学科的交叉,这一复杂性也导致模型中采用了一些经验公式而非机理公式, 再加上模型实验方法仍未完全成熟, 致使大量的模型参数中有些难以实验测定或不得不采用估算值、相似的文献值或模型自拟合的计算值, 而未经实验测定, 因此其可比性也无从谈起。加之实验手段没有建立和完善等种种原因, 以及生态动力学模型的一些假设歧义, 导致生态动力学模型对人工湿地设计和预测的应用都受到很大的限制, 目前还仅限于对人工湿地中物质循环的考察和研究阶段。但是在生态动力学模型中污染物形态划分细致, 多介质、多途径、去除和释放过程并存, 协调和拮抗作用同时发生, 对人
工湿地的各个降解去除过程都单独模块化, 都有相对独立的参数和方程进行描述, 较衰减方程和一级动力学模型为详细准确, 生态动力学模型所能提供的人工湿地运行的信息要远远多于上面两种模型, 随着实验手段的不断完善和研究工作的不断深入进行, 生态动力学模型也会得到不断的完善, 使人们对人工湿地内在运行机制能有更深入的认识, 为人们提供更好的人工湿地运行的设计和预测平台, 极大地推进人工湿地污水处理工艺的科学应用。
参考文献:
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