环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (2): 328-336  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.77

引用本文  

肖海文, 谭军莲, 翟俊, 等. 非稳态条件下人工湿地水流规律及其对水力停留时间的影响[J]. 环境科学研究, 2018, 31(2): 328-336.
XIAO Haiwen, TAN Junlian, ZHAI Jun, et al. Flow Pattern of Constructed Wetland under Unsteady Inflow Conditions and its Effect on Residence Time[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(2): 328-336.

基金项目

国家自然科学基金项目(No.51208532)
Supported by National Natural Science Foundation of China (No.51208532)

责任作者

作者简介

肖海文(1976-), 女, 四川名山人, 副教授, 博士, 主要从事雨水、废水的处理及资源化利用以及人工湿地废水处理技术研究, xiaohaiwen99@163.com

文章历史

收稿日期:2017-05-10
修订日期:2017-11-02
非稳态条件下人工湿地水流规律及其对水力停留时间的影响
肖海文 , 谭军莲 , 翟俊 , 高梨娜     
重庆大学, 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400045
摘要:由于降水的随机性,处理农业或城市径流的人工湿地通常在进水水量波动的非稳态条件下工作.为研究在非稳态条件下人工湿地的水流规律,在基于时间轴的多点示踪剂试验的基础上,利用RTD(水力停留时间分布)探讨了单峰和双峰两种水力冲击非稳态条件下水平潜流人工湿地中的水流规律.结果表明,非稳态过程的水量变化对不同时刻流入人工湿地的液体的RTD影响明显.用基于出水流量的非线性无量纲时间变量(φ)对原始RTD进行归一化处理,所得的RTD浓度曲线[C'(φ)]在整个非稳态过程中相对稳定,具有相似的倾斜度、峰值时间(单峰冲击下为0.83~1.00,双峰冲击下为0.87~1.08)、重心位置(单峰冲击下为1.08~1.25,双峰冲击下为1.05~1.25)及相关统计学参数,表现出一种独立于流量变化之外的相对稳定的特征水流规律.与稳态基流量下的tmean(平均停留时间)相比,水力冲击使人工湿地tmean呈冲击前持续缩短、冲击后又快速回升的趋势(单峰、双峰冲击下最大值与最小值相差分别约为30和32 h);而tmean'(归一化平均停留时间)在非稳态过程中却相对稳定(单峰、双峰冲击下最大值与最小值相差分别约为0.15和0.20),适合作为非稳态下表征人工湿地水流规律和停留时间的特征参数.研究显示,归一化RTD易于模拟,可用其描述非稳态下人工湿地的水流规律以及水流规律对污染物接触反应时间的影响.
关键词人工湿地    非稳态    停留时间分布    示踪剂试验    
Flow Pattern of Constructed Wetland under Unsteady Inflow Conditions and its Effect on Residence Time
XIAO Haiwen , TAN Junlian , ZHAI Jun , GAO Lina     
Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China
Abstract: Constructed wetland treating urban or agriculture runoff usually runs under unsteady state with variable inflow. In order to study the flow pattern of the constructed wetland under unsteady state condition, the residence time distribution (RTD) of horizontal subsurface constructed wetland (CW) under unsteady inflow resulting by one-peak and double-peak shock loads was studied through multiple-time-injection tracer tests. The results indicated that the effect of flow variation under unsteady state condition on RTD of inflow at different time is significant. The original RTD was normalized by dimensionless nonlinear time viable φ based on the outflow rate of the CW. The concentration curve of normalized RTD presents a relatively stable shape with similar leaning, peak time (0.83-1.00 under one-peak shock load condition, and 0.87-1.08 under double-peak shock load condition), centroid (1.08-1.25 under one-peak shock load condition, and 1.05-1.25 under double-peak shock load condition) and statistics, which indicats a stable flow feature that was not related to the flow variation. Compared with the mean residence time (tmean) of the CW of the steady base flow, tmean decreased dramatically before the inflow shock loads and restored rapidly after the shock loads. (The differences between maximum and minimum values under one-peak and double-peak shock loads conditions are 30 hours and 32 hours, respectively) However, the normalized tmean' remained steady relatively. (The differences between maximum and minimum values under one-peak and double-peak shock loads conditions are 0.15 and 0.20, respectively), which can be used as characteristic parameter for representing unsteady state flow and RTD of constructed wetland. The study shows that the normalized RTD was stable in unsteady inflow condition and modelled, thus it could be applied to characterize the flow pattern and its impact on reaction time during pollutant removal process.
Keywords: constructed wetland    unsteady state    residence time distribution    tracer test    

人工湿地作为一项有效的污水处理技术,在面源污染治理中的应用日益受到关注[1-5].自20世纪初第一个人工湿地建成运行开始,在人工湿地的除污机理、生态系统构建、水力学状态、除污模型研究等方面取得了重大进展[6-9],但这些研究绝大多数都建立在进水水量负荷相对恒定的稳态条件上.非稳态条件下,水流的非均匀、非恒定性导致污染物在人工湿地内的滞留过程、时间与流量恒定的稳态条件明显相异,各种物化、生化反应所涉及的影响因素更为错综复杂,尤其是非稳态水动力学特征对污染物滞留、去除的影响机制尚不明确,导致现有理论、参数和模型在解释、描述及模拟非稳态人工湿地除污机制时表现出明显不足,使得人工湿地在面源污染控制等非稳态领域中的应用受到很大限制[10-12].因此,探讨非稳态条件下人工湿地内的水流规律及其对处理效果的影响,对人工湿地在面源污染控制领域的应用具有重要现实意义.

该研究以水平潜流湿地为例,模拟典型雨水径流处理人工湿地的非稳态进水流量过程,通过基于时间轴的多点示踪剂试验,获得人工湿地非稳态过程下的RTD(residence time distribution,水力停留时间分布),用基于流量变化的非线性时间变量对非稳态RTD进行归一化处理,分析非稳态过程中人工湿地内的水动力学特征及其变化规律,以期为人工湿地非稳态下污染物滞留转化机制分析以及出水水质过程的预测提供依据.

1 材料与方法 1.1 试验装置

试验用水平潜流湿地装置如图 1所示.该水平潜流人工湿地由进水井、3个沟槽式湿地廊道和出水井组成,廊道总长17.6 m,坡度2%,湿地床中的水呈“S”形在3个廊道中水平潜流.人工湿地用砾石填料,填充高度0.6 m,其中下层填料厚0.2 m,粒径30~40 mm;上层填料厚0.4 m,粒径10~20 mm.人工湿地种植风车草(Cyperus alternifolius),种植密度为40~50株/m2.通过阀门调节进水流量,出水井通过水位调节阀调节水位.人工湿地系统水位控制在0.4 m,基质孔隙率为45.8%.

注:图中数值单位为mm. 图 1 人工湿地装置平面图和剖面图 Fig.1 Schematic of experimental constructed wetland
1.2 非稳态进、出水流量过程

试验模拟了两种雨水径流处理人工湿地承受暴雨冲击负荷时的典型非稳态进水过程[12-15]. 图 2(a)为所模拟的单峰冲击的进水及其相应的出水流量过程,在设有前置调蓄池的人工湿地中,这种进水方式通常发生在雨量集中的单峰降雨过程中;冲击流量从第6小时开始,到第11小时结束. 图 2(b)为所模拟的双峰冲击过程,第1次为第22~27小时,第2次为第31~36小时,这种情况通常发生双峰降雨或间隔时间较短的两场降雨过程中.两种进水过程人工湿地承受的水量冲击负荷均为稳定负荷的5倍,稳定负荷定义为无降雨或有降雨但调蓄池未充满时人工湿地由泵进水时的稳定进水流量.该研究中稳定负荷(即稳态基流量负荷)HRT(水力停留时间)为36 h,进水流量为48.3 L/h;单峰和双峰冲击时的冲击负荷HRT均为7.2 h.

图 2 单峰及双峰冲击下的进、出水流量过程线 Fig.2 Dynamics of inflow and outflow under double-peak and two peak shock loads condition

图 2可见,与非稳态进水对应的出水流量也是一个随时间变化的非稳态过程,但人工湿地对进水冲击负荷有明显的缓冲作用,出水流量峰值和回落值均晚于进水冲击负荷约2 h,表明水力冲击期间,人工湿地水位上涨,水深增加,从而实际HRT增长,对提高污染物的滞留和转化是有利的.

1.3 基于时间轴的多点示踪剂试验法

采用基于时间轴的多点示踪剂试验法,考查非稳态进水过程中不同时刻点流入人工湿地的液体(入流液体)在人工湿地系统内的停留时间分布特征及其变化.在单峰冲击和双峰冲击非稳态过程中,分别设6和11次示踪剂试验,示踪剂投加时刻分别为试验开始后的2.0、4.0、6.0、8.5、11.0、13.0 h和2.0、12.0、20.0、22.0、24.5、27.0、29.0、31.0、33.5、36.0、38.0 h,每个时刻点对应1次独立的脉冲投加示踪剂试验,试验编号分别为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6和2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9、2-10、2-11;以HRT为36 h的稳态试验为对照.

示踪剂选用LiCl,每次脉冲投加量为500 g.试验进水采用自来水,试验开始后,每隔1 h测定一次出水电导率;当浓度峰值过后,示踪剂的浓度变化不明显时,适当减小测定频率;当出水电导率与自来水电导率背景值接近时,停止试验.出水ρ(LiCl)通过测定出水电导率值换算,换算关系由自来水配置LiCl溶液电导率与ρ(LiCl)关系(见图 3)所得.

图 3 ρ(LiCl)与电导率关系曲线 Fig.3 Relationship between LiCl concentration and conductivity

每次示踪剂试验结束后,将进水流量调至1 000 L/h左右,对人工湿地冲洗2~3 d,直至电导率恢复、消除残余LiCl影响后再进行下一次示踪剂试验.

1.4 数据分析方法

RTD的统计学参数由式(1)~(5)[16-17]计算:

$ {t_{{\rm{mean}}}} = \int_0^\infty {sE\left( s \right){\rm{d}}s = \sum\limits_{i = 1}^n {{s_i}} \cdot\frac{{E({s_{i - 1}}) + E({s_i})}}{2}} $ (1)
$ \begin{array}{l} {\sigma ^2} = \int\limits_0^\infty {{{(s - {t_\text{mean}})}^2}E\left( s \right){\rm{d}}s = \sum\limits_{i = 1}^n {{{({s_i} - {t_\text{mean}})}^2}\cdot} } {\rm{ }}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{{E({s_{i - 1}}) + E({s_i})}}{2}\cdot({s_i} - {s_{i - 1}}){\rm{ }} \end{array} $ (2)
$ \begin{array}{l} {\rm{ }}\varphi = \frac{1}{{{V_{{\rm{sys}}}}}}\int\limits_0^s {Q\left( s \right){\rm{d}}s = \frac{1}{{{V_{{\rm{sys}}}}}}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{Q({s_{i - 1}}) + Q({s_i})}}{2}{\rm{ }}\cdot} } \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;({s_i} - {s_{i - 1}}) \end{array} $ (3)
$ \begin{array}{l} {\rm{ }}{t_{{\rm{mean}}}}^\prime = \int\limits_0^\infty {\varphi C^\prime \left( \varphi \right){\rm{d}}\varphi } = \sum\limits_{i = 1}^n {{\varphi _i}\cdot\frac{{C^\prime ({\varphi _{i - 1}}){\rm{ }} + {\rm{ }}C^\prime ({\varphi _i})}}{2}} \cdot\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;({\varphi _i} - {\varphi _{i - 1}}) \end{array} $ (4)
$ \begin{array}{l} {\sigma ^2}^\prime = \int\limits_0^\infty {{{(\varphi - {t_\text{mean}}^\prime )}^2}C^\prime \left( \varphi \right){\rm{d}}s = \sum\limits_{i = 1}^n {{{({\varphi _i} - {t_\text{mean}}^\prime )}^2}} \cdot} \\ {\rm{ }}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\frac{{C^\prime ({\varphi _{i - 1}}) + C^\prime ({\varphi _i})}}{2}\cdot({\varphi _i} - {\varphi _{i - 1}}) \end{array} $ (5)

式中:tmean为RTD密度函数E(s)的一阶矩(重心),代表入流液体在人工湿地系统内的平均停留时间;σ2为RTD密度函数E(s)的二阶矩,代表停留时间分布方差;tmean′和σ2′分别为RTD无量纲浓度函数C′(φ)的一阶矩和二阶矩,代表入流液体在人工湿地系统内的归一化平均停留时间;s为示踪剂投加后的时间,h;E(s)为RTD的密度函数,h-1E(si-1)和E(si)分别为示踪剂投加si-1sih后的RTD密度函数;Q(si-1)和Q(si)分别为示踪剂投加si-1si时间后的流量,m3/h;Vsys为人工湿地系统的空隙容积,m3φ为基于出水流量的无量纲时间变量;C′(φi-1)和C′(φi)分别为无量纲时间φi-1φi对应的无量纲浓度.

2 结果与分析 2.1 非稳态过程下的原始RTD曲线及其统计学参数

单峰和双峰冲击两种非稳态下多点示踪剂试验所得的人工湿地RTD曲线如图 4所示.由图 4可见,非稳态条件下,不同时刻入流液体在人工湿地系统内的RTD均呈典型的长尾钟形分布[18-20],但受水量波动的影响,非稳态不同时刻RTD的出峰时间、重心位置、钟形宽度及倾斜度差异十分明显.

图 4 单峰和双峰冲击下不同时刻入流液体的RTD Fig.4 Dynamics of RTD under one-peak and double-peak shock load condition

单峰冲击下,流量冲击发生前(1-1、1-2)和发生时(1-3)试验组RTD曲线钟形前倾程度明显偏大,浓度峰值出现得较为迅速,表明水量冲击前和冲击开始时进入人工湿地的污染物受流量增加的影响非常明显,出峰时间提前,在人工湿地系统内的平均停留时间缩短;流量冲击中(1-4)和冲击结束后(1-5、1-6)入流液体的RTD曲线则前倾程度减小,重心后移,逐渐与稳态基流量时的RTD接近,表明在这期间入流液体停留时间分布受水量冲击影响减小.

双峰冲击对入流液体在人工湿地内滞留时间的影响更为复杂.第1次冲击发生时(2-4)入流液体RTD的出峰时间最短,曲线重心前倾,形状狭窄,浓度峰值集中,水流规律最为接近推流态;试验2-1、2-2、2-3中,入流液体距第一次流量冲击开始的时间分别为20、10和2 h,其RTD位置则依次前移,出峰浓度集中,表明冲击前,与第一次水量冲击间隔越近的液体受水量水力冲击的影响越大;第一次冲击发生后(2-5~2-9)流入人工湿地液体的RTD则位置依次后移,重心前倾程度逐渐降低,形状渐宽,表明受非稳态水力冲击影响程度减弱;到第二次冲击结束后(2-10、2-11),入流液体的RTD在位置和形状上基本趋近于稳态基流量.

RTD统计学参数能定量比较不同时刻入流液体在人工湿地内的HRT分布特征[11].试验所得两种非稳态下的RTD统计学参数及示踪剂回收率分别见表 1表 2.

表 1 单峰冲击不同时刻入流液体的RTD统计学参数 Table 1 RTD statistics under one-peak shock load condition

表 2 双峰冲击不同时刻入流液体的RTD统计学参数 Table 2 RTD statistics under double-peak shock load condition

表 12可见,两种非稳态水力冲击中,冲击前越靠近冲击发生时刻流入人工湿地的液体, 其tptmin就越小,表明流量冲击对之前进入的水流有前推效应;冲击后流入人工湿地的液体tptmin很快回复到稳态基流量水平,表明冲击对之后进入人工湿地的水流影响小.

两种非稳态水力冲击均不同程度地缩短了不同时刻入流液体在人工湿地系统内的停留时间.冲击前进入的液体的tmean降低程度远大于冲击结束后进入的液体.这说明非稳态水力冲击大大降低了冲击前入流液体在人工湿地中的停留时间,而对冲击后进入的液体影响较小.从表 12还可看出,σ2在非稳态过程中波动较大,虽无明显的增减趋势,但均明显小于稳态试验,表明水力冲击在一定程度上减小了入流液体在人工湿地系统内部的纵向混合和扩散效应,使流态向理想推流态趋近,这也表明该水平折流人工湿地对水量冲击负荷有一定的补偿机制,从而在一定程度上弥补了由tmean缩短对污染物去除反应带来的不利影响.

2.2 非稳态过程下的归一化RTD曲线及其统计学参数

用基于出水流量的无量纲时间变量φ对两组冲击试验下的原始RTD曲线进行归一化处理,所得各时刻入流液体的无量纲归一化浓度曲线C′(φ)如图 5所示.

图 5 单峰和双峰冲击下不同时刻入流液体的归一化RTD Fig.5 Dynamics of normalized RTD under one-peak and double-peak shock load condition

图 5可见,与原始RTD曲线不同,在两种冲击负荷下,不同时刻进入人工湿地的液体的归一化RTD具有非常相似的倾斜度、峰值时间、重心位置等特征,表明用基于出水流量的非线性时间变量φ代替线性时间变量,能通过对横轴的拉伸或缩短效应在一定程度上消除非稳态流量变化对实际HRT分布的影响,从而体现了人工湿地自身存在的、独立于流量变化之外的一种较为稳定的特征水流规律.

归一化RTD的统计学参数见表 34.与图 5(a)(b)相对应,归一化后的非稳态RTD统计学参数也表现出相对稳定的特征.由表 34可见,归一化后,不同时刻进入人工湿地的液体出流的峰值时间(tp′)相差很小,如单峰冲击中,最大值和最小值与平均值相比,差异仅为7.8%和1.3%;而归一化后的最小停留时间(tmin′)、平均停留时间(tmean′)和停留时间分布方差(σ2′)也表现出相类似的规律.这同样表明,归一化后的RTD对非稳态的水力冲击并不敏感,水力停留时间的分布特征相对稳定.这对非稳态下人工湿地的流态描述和HRT设计具有重要意义,因为实际人工湿地RTD可根据这些统计学参数通过非稳态流量变化Q(t)换算得到,从而可为解决非稳态变流量下无法准确对人工湿地RTD进行描述的难题提供出路.

表 3 单峰冲击下的归一化RTD统计学参数 Table 3 Normalized RTD statistics under one-peak shock load condition

表 4 双峰冲击下的归一化RTD统计学参数 Table 4 Normalized RTD statistics under double-peak shock load condition
2.3 人工湿地平均停留时间在非稳态过程中的变化

tmean通常被作为污水处理人工湿地的关键设计参数.单峰和双峰冲击两种水量非稳态过程中,人工湿地tmeantmean′的变化情况见图 6.

图 6 单峰和双峰冲击下的tmeantmean Fig.6 Dynamics of tmean and tmean′ under one-peak and double-peak shock load condition

图 6可见,两种不同的非稳态水力冲击下,人工湿地tmean都表现为一条先降后升的下垂曲线,表明水量的冲击导致了非稳态过程入流人工湿地液体tmean缩短,呈下降并在冲击后恢复的趋势.但值得注意的是,这一影响并不仅发生在水力冲击过程中.单峰冲击开始前约16 h,人工湿地入流液体的tmean已出现明显下降趋势,直到水力冲击发生时(第6小时)降至最低值;而冲击开始后,tmean则开始回升,回升速率远大于冲击前的下降速率,冲击结束后2 h,tmean已趋向于回复到无冲击的稳态基流量水平.与单峰冲击类似,双峰冲击开始前约32 h的入流液体的tmean已出现下降,下降趋势持续到第一次冲击发生时(第22小时),之后在两次冲击及其间隔期内tmean出现波动的上升趋势,直到冲击结束后迅速呈现向稳态水平趋近的趋势.这说明:①人工湿地平均停留时间在非稳态过程中不稳定;②非稳态水力冲击显著地影响着冲击前很长一段时间内入流液体在人工湿地中的停留时间.

tmean的变化趋势不同,tmean′波动较小:单峰过程中tmean′的最大值和最小值与平均值之差仅为6.8%和7.5%;双峰冲击过程中tmean′的最大值和最小值与平均值之差仅为6.3%和9.8%.这表明tmean′对水量冲击并不敏感,在非稳态过程中具有相对的稳定性.

3 讨论 3.1 如何表征非稳态下人工湿地的停留时间

HRT是人工湿地最重要的设计和运行调控参数,它体现了污水处理人工湿地负荷的大小,同时也间接反映了污染物在处理系统内的滞留、接触和反应时间.稳态条件下通常用系统容积与流量的比值(Vsys/Q)表征人工湿地HRT,然而这一普遍应用的表征方法在变流量的非稳态条件下却受到限制.该研究示踪剂试验表明,非稳态不同时刻入流液体在人工湿地中的RTD大相径庭,tmean在冲击负荷发生前就开始持续下降,直到冲击结束,意味着这一时期入流污染物在人工湿地系统内的接触、反应时间缩短,从而对除污效果造成直接影响.因此也无法应用tmean来作为非稳态下人工湿地HRT的表征参数.

该研究发现,用基于出水流量的无量纲时间变量φ代替线性时间变量后所得的归一化RTD(停留时间分布图和统计学参数)在非稳态过程中趋于稳定,尤其是其一阶矩(tmean′)受水量冲击的影响很小,体现了人工湿地自身存在的、独立于流量变化之外的稳定特征水流规律,因此适合作为非稳态下人工湿地HRT的表征参数.由于tmean′无量纲,并且在理想推流态下(无短流、死区、纵向混和及滞留现象)的理论值为1[16],因此采用该参数表征人工湿地HRT可使同一系统不同流量、稳态系统和非稳态系统以及非稳态系统之间的停留时间分布均有可比性,从而将RTD理论的应用从恒定流量的稳态条件扩展到变流量的非稳态条件范围.

3.2 非稳态下人工湿地流态描述及其对出水水质的影响分析

RTD模型是描述人工湿地水流规律和评估其水力效率的有力工具[16, 21-23].稳态条件下人工湿地的RTD唯一,因此可以对其浓度分布函数、密度分布函数进行数学模拟.目前采用最多的是PFD(纵向分散活塞流)模型[19, 24]、CSTRs(串联完全混合反应器,或称多釜串联模型TIS)模型[10, 19]、理想CSTR和PFR的组合模型[17]及无具体物理意义的纯数学拟合模型[20, 25]等.该研究基于时间轴的多点示踪剂试验表明,非稳态下人工湿地的RTD并不唯一,受流量冲击负荷的影响,不同时刻入流液体的停留时间分布规律差异明显,因此无法用传统RTD的浓度函数模型或密度函数模型进行描述.然而,在不同非稳态条件下的示踪剂试验发现, 用基于出水流量的无量纲时间变量φ代替线性时间变量后所得的归一化RTD却相对稳定,因而对其进行模拟是可能的.这就给非稳态条件下人工湿地流态的描述提供了思路.而且,由于φ是流量的函数〔见式(3)〕,因此,原始RTD可根据非稳态的流量变化Q(s)由归一化RTD还原得到,但值得注意的是,还原所得的RTD并不是稳态下〔Q(s)为常数〕单一的分布,而是若干RTD曲线构成的随时间变化的一个分布组(RTDs),如图 7所示.

注: Coutt)为表现出流浓度过程. 图 7 基于水力停留时间分布的惰性物质(示踪剂)出流浓度求解过程 Fig.7 The solving process of the effluent concentration of inert material(tracer) based on RTD

归一化RTD和RTDs分布组除了用来描述非稳态下的水流规律外,对非稳态下反应器的出水水质过程模拟也存在很好的应用潜力. 图 7(c)也可看作是非稳态下进入人工湿地内的惰性物质流出人工湿地的浓度分布,在任意一时刻ti下,对应若干出流浓度〔见图 7(c)〕,这些浓度分别代表ti之前的各时刻(t1-ti)流入人工湿地的惰性物质在ti时刻流出人工湿地的浓度值,因此,如果将这些浓度进行叠加,即可得到ti时刻出流的一个宏观浓度值,即人工湿地在该时刻的表观出流浓度过程Cout(t)〔见图 7(d)〕.这一表观出流浓度值是由不同时刻的入流物质共同贡献的结果,它受非稳态入流的流量过程〔见图 7(a)〕影响,这体现在RTDs分布组的纵坐标大小、疏密和均匀程度上.同一横坐标(时刻)对应RTDs浓度越大、疏密程度越密,表观出流浓度值就会越高;而RTDs越均匀则表观出流浓度值随时间的变化就越小.

对于人工湿地中会发生反应的非惰性污染物质来说,其在非稳态下的出流浓度过程也可以借鉴上述方法进行预测,将非稳态流量变化对接触反应时间的影响用归一化RTD及RTDs分布组进行描述,因为污染物在反应器内的停留时间无疑与接触反应时间密切相关.但值得注意的是,与惰性物质(如示踪剂)的出流浓度预测不同,还需要将污染物的反应动力学以及其它的反应影响因素耦合到预测模型中.近年来,进水水量随时间而剧烈变化的非稳态条件在污水处理中并不鲜见[26-27],除了在城市或农业径流处理等面源污染领域外,在工业废水处理或接纳高比例工业废水的城市污水处理中也常常出现高水量冲击负荷导致的出水水质难以预测和事故排放等问题[28-30].在这些非稳态情况下,对出流浓度过程,尤其是出流浓度峰值大小及发生时间的预测具有十分重要的意义.

4 结论

a) 非稳态过程的流量变化对不同时刻流入人工湿地的液体的RTD影响明显,传统RTD在非稳态水流规律描述中的应用受限,可用归一化RTD及其与流量过程还原所得的停留时间分布组RTDs来描述非稳态下人工湿地的水流规律以及其对污染物接触反应时间的影响.

b) 采用基于出水流量的非线性无量纲时间变量φ对原始RTD进行归一化处理,所得的归一化RTD浓度曲线在整个非稳态过程中相对稳定.单峰和双峰冲击下,tp′范围分别为0.83~1.00和0.87~1.08,tmin′范围分别为0.49~0.74和0.25~0.71,tmean′范围分别为1.08~1.25和1.05~1.25,σ2′范围分别为0.15~0.20和0.07~0.20,表现出一种独立于流量变化之外的相对稳定的特征水流规律.

c) 与稳态基流量下相比,水力冲击使人工湿地tmean呈现出冲击前持续缩短、冲击后又快速回升的趋势,其中单峰冲击下最大值与最小值相差约为30 h,双峰冲击下最大值与最小值相差约为32 h;但tmean′在非稳态过程中却相对的稳定,单峰、双峰冲击下最大值与最小值相差分别约为0.15和0.20,适合作为表征非稳态下人工湿地水流规律和停留时间的特征参数.

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