不同出流方式下垂直流人工湿地数值模拟*

2017-11-16范思雨龙天渝

重庆工商大学学报（自然科学版） 2017年6期

关键词：潜流观察点溶解氧

范思雨，龙天渝，2**

(1.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045；2.重庆大学低碳绿色建筑国际联合研究中心，重庆 400045)

不同出流方式下垂直流人工湿地数值模拟*

范思雨1，龙天渝1，2**

(1.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045；2.重庆大学低碳绿色建筑国际联合研究中心，重庆 400045)

建立了二级垂直流人工湿地的二维非恒定微生物动力学模型，针对淹没出流方式、不同的等间隔淹没出流方式和定水头出流方式，采用数值模拟的方法研究二级垂直流人工湿地处理重庆市径流雨水的效果;结果表明：在相同工况下，间隔较大的淹没出流方式能达到最大的有效体积比和水力效率，水流在三层填料中与各种类微生物接触更加充分、持久，出流方式促进了溶解氧的传质，复氧后溶解氧浓度回升更快、浓度峰值更大、高浓度维持时间更长，因此促进了由微生物主导的生物化学降解反应，二级垂直流湿地对COD、氮和磷的去除效果也优于其他出流方式。

人工湿地；出流方式；CW2D；数值模拟

0 前言

人工湿地污水处理技术因其显著的低能耗、低维护成本、处理范围广和良好的景观效应而被广泛应用[1]，又因其较强的抗冲击负荷能力而在蓄纳、处理城市径流雨水上有很好的应用前景[2-6]。目前大多数人工湿地的设计与运行依然建立在经验的基础上，对其全运行过程中复杂的物理-化学-生物协同作用认知的“黑箱”现象依然存在，而这一作用与人工湿地内的水流规律密切相关[5]。在模拟研究中将湿地的出流方式抽象成边界条件，边界条件的设定在流体力学的计算中极大地影响了水流规律，因此对人工湿地出流方式的探讨和研究对提高其处理效率、指导工程设计具有重要意义。

目前对于人工湿地进/出水方式的研究主要是两个方面：一是讨论穿孔管在进水处和出水处的配/集水的均匀性；二是讨论进/出水口在垂直方向上的位置(如上、中、下)及其组合搭配对配水均匀性和处理效果的影响。张涛等[7]将潜流湿地实验装置的进水侧从上到下安装3个进水口，出水侧从上到下安装4个出水口，将这些进/出水口两两组合以示踪剂实验为手段考察潜流湿地的水力效率，实验结果表明进水口和出水口都在上层是潜流湿地的水力效率和有效体积比均大于其他组合。孔德川等[8]采用计算流体力学软件Fluent中的多孔介质模型对分层式潜流人工湿地内部的流场进行模拟，并分析了不同进出口位置对湿地水力学行为的影响，结果表明当进水口置于湿地基质表层、出水口置于基质层的中上部时系统的水力效率较高。牛瑞华等[9]通过对水平潜流人工湿地9种不同进出水方式进行NaCl脉冲示踪实验，研究进出水位置对湿地水力效率影响，结果表明：将出口位置设置在上部，将转角处设计为圆角有助于减小“死区”面积，提高污染物去除效率。Gunter Langergraber[10]对人工湿地的数值模拟展开了广泛深入的研究，2002年提出人工湿地数值模拟模型(CW2D，Constructed Wetland 2D)，2005年与HYDRUS开发者Jirka Simunek合作将CW2D模型以拓展程序包的形式应用于HYDRUS-2D中。

在查阅资料的范围内，还未存在利用CW2D人工湿地模型系统研究湿地水平面出流方式对垂直流潜流人工湿地处理效果和水流规律影响的先例，而在流体数值模拟研究中出流方式(水流边界条件)深刻地影响了水流规律。利用CW2D人工湿地模型模拟二级垂直流潜流人工湿地在不同出流方式下的运行特征及处理效果，研究探讨不同出流方式对其处理效果的影响，以进一步揭示二级垂直流潜流人工湿地运行规律并为其工程设计提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 数学模型

1.1.1 水分运移模型

土壤水分运动模型，用修正的Richards方程描述：

其中，θ为土壤体积含水量；t为时间，单位视具体问题而定；x、y、z为空间坐标，z向上为正，单位视具体问题而定；K(θ)为非饱和土壤导水率；D(θ)为非饱和土壤水扩散率[11]。

采用Van Genuchten-Mualem方程来模拟土壤水分特性和渗透系数(导水率)：

其中，θ(h)为土壤体积含水量；K(h)为土壤非饱和渗透系数(导水率)；θr为土壤剩余体积含水率；θs为土壤饱和体积含水率；α和n是经验拟合参数(或曲线性状参数)(m= 1-1/n)；Ks为饱和导水率；Se为有效体积含水量；l为经验拟合参数，通常取平均值0.5[12]。

1.1.2 溶质运移模型

溶质在土壤中受对流和弥散两种运动的影响，在模型中用对流-弥散方程表示溶质的运移：

其中，ci为溶质浓度；q为水流通量；Di为扩散度[12]；ri代表微生物的反应。

1.2 参数确定

1.2.1 水分运移参数

水分运移模型采用单孔隙模型中的Van Genuchten-Mualem模型，不考虑水分滞后效应。Van Genuchten-Mualem公式中的各项参数首先由LANGERGRABER G[10]开发的并经过各个尺度实验验证的湿地模型中获取，然后经过多次反算优化，湿地滤层从上到下3种材料的水力特征参数值见表1。

表1 水力特征参数

1.2.2 CW2D参数

在CW2D中包含微生物对有机污染物、氮、磷的好氧、缺氧运移转化和降解过程。HYDRUS-CW2D中针对湿地的多种物质反应运移模型包括了12种物质和9个反应过程。

其中12种物质分别是：溶解氧、易生物降解COD(CR)、难生物降解COD(CS)、生物惰性COD(CI)、非自养微生物、亚硝化单胞菌种、硝化菌种、氨氮、亚硝态氮、硝态氮、氮气、无机磷。

9个生物化学过程分别是：水解、非自养菌的好氧生长、基于亚硝态氮的反硝化、基于硝态氮反硝化、非自养菌的细胞溶解、基于氨氮的亚硝化单胞菌的好氧生长(硝化第一步)、亚硝化单胞菌的细胞溶解、基于亚硝态氮的硝化细菌的好氧生长(硝化第二步)、硝化细菌的细胞溶解。

CW2D模型参数首先采用软件系统自带数据，根据模拟结果再加以微调，如果没有丰富的生物化学动力学基础或大量实验结果支撑，不建议大范围或大幅度修改这些参数。

1.3 模型验证

表2 模型验证所使用的进水各物质浓度

2 模拟研究

2.1 几何模型的建立

二维的二级垂直流潜流人工湿地模型尺寸见图2。滤料分为3层，填料尺寸从上至下分为中、细、粗，上层(4～8 mm)和下层(16～32 mm)均为碎石，中层为砂(0.06～4 mm)。进水方式为左侧进，右侧出，人为控制进水流量，模拟时间4 h，在最初和运行2 h后两次进水。

图2 湿地几何模型示意图Fig.2 Schematic diagram of the 2-stage vertical flow constructed wetlands

利用有限单元法完成以上数学模型的计算，时间采用隐式差分法离散[13]。在计算区域内采用三角形网格划分，为了实现准确的网格划分，在绘制几何模型时，除了给出湿地模型外轮廓线之外，还在深度方向上按照一定梯度附加一些横线以适当加密网格并使网格划分得更有秩序，在一、二级湿地交界处也适当加密网格，以提高计算精确度和准确度。

在模拟区域不同深度处设置6处观察点，根据之前多次模拟结果的规律，观察点设定基本按照此湿地中的水流方向及污染物的迁移方向，因而能大致反映此点处同一水平面上浓度的均值，这点处浓度的变化情况也能反映全过程污染物浓度随时间的变化情况。观察点情况：观察点1,一级湿地水面0 cm处(靠近进水处)；观察点2,一级湿地距水面以下5 cm处；观察点3,一级湿地距水面以下15 cm处；观察点4,一级湿地距水面以下40 cm处；观察点5,二级湿地距水面以下10 cm处；观察点6,二级湿地水面0 cm处(靠近湿地最远端出口处)。

2.2 初始条件

需要设定的初始条件为上述12种物质的浓度分布，模拟采用人工湿地处理重庆市径流雨水。进水中各物质浓度查阅资料获得[14-16]，进水浓度采用雨水的EMC值，初始条件设定按划分的网格点赋值，形成二维浓度分布图。模拟中进水的各物质浓度见表3。

表3 模拟中的进水浓度

2.3 边界条件

2.3.1 水流边界条件

将不同的出流方式在模拟中抽象成不同的边界条件，主要讨论水流边界改变对湿地水流规律及处理效果的影响，按照人工湿地实际设计经验并结合工程实践，在HYDRUS中采用4种边界条件组合：进、出水两侧为大气-渗出面边界,没有进行任何改进，沿宽度均匀布水的进水方式和自由淹没出流的出水方式，进/出水两侧均暴露在大气中；大气-不完全渗出面边界一,出水侧间隔出水；大气-不完全渗出面边界二,出水侧间隔增大为前者的两倍；大气-定水头边界,出水侧保持水面高度不变，即一直维持最初的水位。其中大气-渗出面边界简称为A-S边界，大气-定水头边界简称为A-C边界。

控制其他变量，以上各种边界条件均对应同一进水工况：600 L/d，每2 h进水50 L；在软件中对应的时变边界条件(Time Variable Boundary Conditions)处设置，模拟其中4 h内的2次进水过程。

2.3.2 溶质运移边界条件

溶质运移出水进水侧的边界条件均为第三类边界条件(third-type)，沿边界的溶质通量是确定时使用第三类条件。Genuchten V等[16]建议尽量调用第三类边界条件，因为第三类边界条件更接近现实情况，并且在模拟系统中保留了溶质质量。

3 结果与讨论

3.1 不同边界条件对处理效果的影响

3.1.1 A-S边界

在此边界条件下的溶解氧、易生物降解COD(CR)、氨氮、硝态氮和无机磷随时间变化曲线如图3。

从图3中所示可以明显看出两次进水这一过程，首次进水是在0.05 h处，可以看到观察点1(第一级湿地水面0 cm处)和观察点2(非饱和带5 cm处)溶解氧浓度在进水后迅速升高；而观察点3(水面下15 cm)则由于氧气的溶解和传递过程，溶解氧浓度缓慢升高。

易生物降解COD也因为两次进水而有两次升高和下降的过程，可以看到水下15 cm处因为微生物浓度较高并且溶解氧相对充足CR浓度在进水后迅速下降。

IP浓度与溶解氧浓度变化相符，当还未进水时溶解氧浓度下降，聚磷菌释磷IP升高，氧浓度升高后磷被聚磷菌吸收，同样的,随着深度增加溶解氧成为限制因素，聚磷菌吸磷作用放缓(15 cm处)。

图3 A-S边界条件下各组分浓度随时间变化图Fig.3 Simulated time series of 5 components on A-S boundary condition

通过图4可知，在A-S边界条件下，在两次进水后，CR浓度显著提高，通过湿地作用，CR浓度下降，出水面CR浓度降至50 mg/L及以下。

图4 A-S边界条件时CR浓度变化图Fig.4 The concentration changing of CR on A-S boundary condition

3.1.2 A-S1和A-S2边界

这两个边界是将A-S边界的出水边界设置成等间隔出水形式，A-S2边界的间隔是A-S1的两倍，这样设计的目的是减少出水侧的“死水区”，因为“死水区”主要集中在出水口一侧，并且是在远离出水口的位置[8]，这样间隔的出水设置，是为了最大程度地调动整个出水面。图5是A-S、A-S1、A-S23种不同边界条件下观察点3(第一级湿地水下15 cm处)溶解氧、易生物降解COD(CR)、氨氮、硝态氮和无机磷随时间变化曲线的比较。

图5 在3种边界条件下观察点3处各组分浓度变化对比图Fig.5 The comparison of simulated time series of 5 components on A-S/A-S1/A-S2 boundary conditions

有效体积比(e)表示湿地中水流能够有效通过的体积占总体积的比例，一般e越大，表示人工湿地中用于去除污染物的有效体积比例越大。其定义为

其中Veffective为有效体积，Vtotal为总体积[19]；两种间隔设置的出水方式减少了出水一侧的死水区，提升了湿地的有效面积，因此湿地的去除效率随之提升。

如图6所示，3种边界条件下，显然A-S2最大限度地利用了出水面，而A-S和A-S1边界在此时都有“死水区”的存在，这也说明在A-S2边界下，湿地的有效体积比最大，其用于处理污染物的体积也最大。

通过比较A-S1和A-S2可以看出，A-S2边界在湿地处理过程中虽不明显但还是相对优于A-S1边界的，这是因为出水间隔较小的A-S1边界，仍存在“死水区”，A-S2边界的出水口和间隔都增大了一倍，出流阻碍减少，水头损失亦减少，进而减少了不良干扰、提高了氧气的传质和污染物的去除效率。此外，在模拟计算时，A-S2边界收敛速度最快，也说明在这个边界条件下水流模型更加准确、稳定。

图6 3种边界条件在同一时刻出水面情况对比图Fig.6 The comparison of effluent surface of 3 boundary conditions on the same time

3.1.3 A-C边界

渗流边界是假设渗流面不饱和处出水流量一直保持为零，因此除了考虑出流侧设定为渗流边界外，模拟研究还采用了定水头边界，定水头边界是指设定为定水头边界点的压力水头始终不变等于初始值，即水位不变，这与渗流面边界的假设相同。在这种条件下将A-C与A-S2边界在同等工况下各组分浓度变化作比较，得到了一组完全重合的曲线，说明保持出流面饱和状态，保持水位不变在CW2D模型中模拟二级垂直流潜流湿地能得到同样的结果，但是考虑到渗流面边界最大程度地还原了实际湿地运行情况，因此推荐使用渗流面边界。

4 结论

利用CW2D/HYDRUS-2D模型对不同边界条件下二级垂直流潜流人工湿地的水分、溶质时空运移和人工湿地中多组分生化反应进行模拟，以实验室实测数据验证二级垂直流模型，结果表明：模型有较好的仿真度，能够基本正确模拟湿地中的水盐变化和污染物降解过程，也符合污染物去除的一般规律，可以用于模拟二级垂直流潜流人工湿地流处理过程。

在不同边界条件下，对湿地运行过程进行模拟研究，结果表明：在大气-渗流面边界二(A-S2)条件下，湿地中生化反应效果最佳，此边界条件提供了最好的水流状态，有效体积比最大，进而有相对良好的溶解氧传递和分布，促进好氧硝化细菌的作用，能将氨氮快速大量地转化成硝态氮；此外相对优良的水流环境和氧分布也促进了COD和磷的去除效率。

因此，在人工湿地出水面设置合理的等距间隔可以显著提升进湿地的处理效果。等距间隔可以在实际工程中搭配景观设计实现。重庆市初期雨水中COD含量较高，夏季雨水形成径流流量较大，依靠大容量景观化的人工湿地接纳、处理雨水径流能达到良好的处理效果，既节约了处理成本又美化了城市环境。

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Modeling Treatment Efficiency of Two-stage Subsurface Vertical Flow Constructed Wetlands with Different Ways of Effluent

FANSi-yu1,LONGTian-yu1,2

(1. Key Laboratory of Eco-Environment of Three Gorges Region of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2.National Centre for International Research of Low-carbon and Green Buildings, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

A two-dimension convection-dispersion-biodynamics model was given to simulate the treatment efficiency of two-stage subsurface vertical flow constructed wetlands for urban stormwater runoff of Chongqing. Focus on the following 4 types of boundary conditions: Atmospheric Boundary-Seepage Face, Atmospheric Boundary-incomplete Seepage Face 1 (uniformly-spaced effluent), Atmospheric Boundary- incomplete Seepage Face 2 (A-S2’s space is 2 times larger than A-S1’s), Atmospheric Boundary- Constant Head. The simulated results show that under the same working condition, the A-S2 boundary condition has an obviously better performance on the transportation of dissolved oxygen and the treatment efficiency of COD,nitrogen and phosphorus removal , since the specific effluent mode offers a better hydraulic characteristic of the constructed wetland.

constructed wetlands; effluent mode; CW2D; numerical simulation

X703