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人工湿地流场数值模拟分析范文

时间:2022-07-16 04:17:26

人工湿地流场数值模拟分析

1材料与方法

1.1实体模型的构建根据模拟结果所确定的参数构建对比人工湿地实体模型,2个床体尺寸相同,L×W×H均为2m×1.2m×0.7m,基质填充厚度0.6m,左端为进水口,右端为出水口,布水和集水区域长度均为20cm,选取渗透系数为500m/d的鹅卵石进行填充。潜流人工湿地系统主体填料填充同一来源石英砂,一个主体填料区内填充与分层基质相当粒径混合均匀的石英砂(单层基质),测得渗透系数为65m/d;另一个对照人工湿地小试系统主体填料区分为6层进行填充(分层基质)(见图1),渗透系数从上到下依次38、36、43、55、75和176m/d,其渗透系数数值根据模拟结果设置。床体植物为美人蕉,密度均为20株/m2。

1.2实验条件实验在桂林理工大学污水处理站进行,实验用水为该处理站初沉池出水,2个模型放在处理站室外,光照充沛,运行期间水温13~28℃,进水水质COD、TP和TN含量波动范围分别为108~192mg/L、0.8~5mg/L、5~52mg/L。1.4水质分析方法与数据分析2013年3月—2013年12月对潜流人工湿地模型的进水、出水进行连续采样,每月取样4次,每次在当天早上9:00与下午4:00各取一次后混合,监测混合水样。总磷采用钼锑抗分光光度法,总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,化学需氧量采用重铬酸钾法[18]。实验数据采用MicrosoftOfficeExcel2003进行分析。

2结果与讨论

2.1潜流人工湿地数值模拟解析

2.1.1床体长宽比例及厚度的优化目前水平潜流人工湿地没有规范的长宽比,在统计中发现长宽比一般设置在1∶1~3∶1之间,很多学者建议长宽比应该小于3∶1。根据地下水动力学理论得知当长宽比小于1∶1时,湿地整个宽度上均匀布水和集水难度都增大,同时基质内部水流不均匀[19,20]。首先,根据正交实验设计方案,设置影响参数有Kd(渗透系数)、长宽值和补给量m/d,各因素取3个水平,模拟结果发现,长宽比例最佳范围在1∶1~2∶1间,补给量和渗透系数影响作用较小。为探索最优比例,进一步进行模拟实验,长宽比例设置为5∶3、5∶4、1∶1,每个比例选取4种长度分别为2、8、16和32m,基质厚度为0.6m,补给量为6.4m/d,各层基质渗透系数都为65m/d,将数值模型网格设置为6层。数值模型的进水补给量按照布水区面积补给,因此不同尺寸模型的层平均过流通量与标准偏差越小,说明基质内部流场分布越均匀,就越有利于提高基质的有效利用率;反之则越不均匀。通过比较层流量平均值以及标准差值发现,长宽比例为5∶3组的层流量最均匀,标准差小说明在不同条件下模拟的层流量稳定。特别在长度大于16m之后,长宽比例为5∶4和1∶1两组模型的层平均过流通量的差异急剧增大。另外,此比例接近工程中经常用到的黄金分割比例。所以,水平潜流人工湿地的长宽比设置在5∶3左右比较合理。在上述模拟实验基础上,选取0.4~0.8m5组基质厚度的数值模型,采用单一变量法。将模型网格设置为6层,长宽比例为5∶3,数值模型补给量为6.4m/d,主体填料各层渗透系数都为65m/d,模拟结果列出长2m,宽1.2m的一组数据(见图2)。因为各组模拟中的进水补给量相同,所以层平均过流通量越大,标准偏差越小对应的模型流场分布就越均匀,基质利用率越高。由图2可以看出,0.6m厚度的填充方式层流量平均值最大为0.447m3/d,其次是0.5m厚度的模型0.445m3/d,而标准偏差随着基质厚度增大逐渐增大,说明基质厚度增加各层过流通量差异越大,流场分布不均。根据文献统计,水平潜流人工湿地的基质厚度在0.4~1.0m间,植物根系分布深度在0.4m以上,过浅影响植物生长。有研究表明,设置0.2、0.4和0.6m深度的模型,并比较SS、COD、TP和NH+4N的去除率,0.6m时的处理效果最佳[21-23]。LightbodyA.F.等[24]实验发现,较深的基质层能够提高湿地运行能力,减少短流通道,但是对污染物去除率没有明显提高。综上所述,水平潜流人工湿地基质厚度设计为0.6m左右较合适。

2.1.2主体填料的配置在对单层填充方式的模拟实验中发现,随着填料渗透系数的增大,层流量平均值逐渐增大,标准差值增大,流场分布就越不均匀。而目前在水平潜流人工湿地构建过程中,为了避免堵塞现象,选取填料的渗透系数逐年增大,这种方式恰恰加剧了水流分布的不均匀性,容易造成局部流量过大,引起人工湿地净化性能的降低。根据地下水动力学理论可知,饱和状态下的渗流流场与基质渗透系数有很大关系[25],通过不断调整主体填料区每层填料的渗透系数值,反复模拟计算,能够找出满足6层填料过流通量相当的各层填料渗透系数值。因此,对主体填料进行合理的级配,能够改善流场分布的均匀性,提高基质利用率。以构建实体模型的基质级配为例,各层水流通量模拟结果如图3所示。图中zone1和zone8分别为布水区和集水区的过流通量,zone2-zone7分别为从上到下依次6层的过流通量。由图所示,分层填充的湿地模型主体填料区6层过流通量基本相同;而单一填料系统中,表层过流量较大,底层较小,流场分布的均匀性明显较差。由于各层过流通量相当的填料级配组合方式不局限一种,在上述长宽比例和基质厚度的条件下,通过大量模拟发现,不同床体尺寸的渗透系数级配有一定的规律性,通过归纳拟合得到相关的基质基配通用公式。为了方便根据不同床体尺度选取相应渗透系数的填充材料,归纳出以下3组经验公式:(1)当池体长在1~6m时,经验公式如下:Kd1为第1层渗透系数取值,取值范围(10~80m/d),n为从上到下的层数取值(2、3、4、5和6)。另外,按照达西公式进行理论计算,床体长度最大不超过61m,床体长度过大时,基质的利用率会明显下降,对于大型人工湿地最好分割成若干单元进行设计[16]。利用上面的通用公式,可根据当地材料的渗透系数特征,选择适宜的填料组合进行分层填充,兼顾系统的过水能力及水力效率,提高系统的净化性能[26-28]。

2.2实体模型净化结果根据上述模拟结果,构建如1.2所述的2个小型水平潜流人工湿地实验系统,开展以基质构造为主要因素对污水净化效果的研究,对该数值模拟方法的有效性进行验证。水力停留时间设置为36h时,经过9个月的运行,对2种不同填充方式模型的净化效果进行分析。以COD、TP和TN的去除率为参考指标,水力停留时间为36h,由图4数据所示,分层填充基质模型对COD、TP和NH+4-N去除率最高分别能够达到75.56%、94.92%和80.78%,相应单层模型三指标最高去除率分别为54.51%、68.78%和55.37%。分层基质模型的去除率明显高于单层基质模型,而且去除效果更稳定,平均去除率及标准差见图4。分层填充与单层填充方式的模型对COD、TP、TN的平均去除率分别为64.89%、82.72%、69.69%和29.84%、39.15%、31.83%,分层填充模型对COD、TP和TN去除率最高分别能够达到75.56%、94.92%和80.78%,平均去除率及标准差如图5所示。方差分析显示,潜流人工湿地床体结构分层填充后对COD、TP和TN去除率均影响显著(p<0.05)。同样的填充基质材料,按照地下水动力学进行级配分层填充的模型净化效果远远高于混合基质单层填充的模型,而且净化效果相对稳定。虽然影响水平潜流人工湿地流场分布的因素较多,如植物根系、微生物分布等,但依据基质渗透系数合理分层仍然有较高的去除率,可见利用数值模拟方法进行人工湿地基质结构的优化切实可行。

3结论

利用数值模拟系统ModFlow对潜流人工湿地床体各结构参数进行模拟,基于基质内部流场分布,将床体结构参数进行定量,优化了基质结构。同时根据数值模拟结果构建潜流人工湿地物理模型,针对不同填充方式展小试实验,通过实验得出以下结论:(1)根据地下水动力学理论,对人工湿地床体的长宽比例、基质填充厚度进行规范,优化了潜流人工湿地的设计方案。按照基质填料的渗透系数进行合理的分层填充能够改善流场分布,在大量模拟实验的基础上归纳总结出来相应的基质级配通用公式,根据实际需要可以设计出相应的填充方案,便于潜流人工湿地的推广应用。(2)通过净化效果对模拟结果进行验证,当HRT为36h时,分层填充方式的模型对COD、TP和TN的平均去除率分别为64.89%、82.72%和69.69%,去除率远高传统填充方式及随机的分层填充方式。证明了ModFlow数值模拟对潜流人工湿地工艺的设计具有指导意义。运行过程中发现,7、8月份期间因植物生长茂盛,植株间距过小,需要进行部分收割处理。但是该实验只进行了小试实验,对于大型潜流人工湿地的应用效果还有待验证。

作者:丁彦礼 何珊 宋志鑫 白少元 解庆林 游少鸿 单位:桂林理工大学 广西矿冶与环境科学实验中心 广西环境污染控制理论与技术重点实验室

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