一种预测分层生物滞留设施脱氮效能的方法

技术领域

本发明涉及一种生物滞留设施，属于雨水处理技术领域，具体涉及一种预测分层生物滞留设施脱氮效能的方法。

背景技术

城市面源污染已经上升为我国水环境综合治理的难点之一。城市地表积累的氮、磷污染物受降雨淋洗和径流冲刷作用而排入到受纳水体之中，是水体富营养化的主要污染源之一。生物滞留设施是海绵城市建设中被广泛使用的径流污染源头控制措施。生物滞留设施不仅可以削减雨水径流峰值流量，延缓径流峰值到达时间，还能够有效去除径流中的悬浮固体、有机物、重金属等污染物。但是，生物滞留设施对溶解态氮、磷污染物的去除能力较弱，在一些极端降雨条件下甚至会发生氮、磷污染物的淋出。

为了提升生物滞留设施的脱氮性能，本领域人员分别采用填料、构造、进出水方式等多种技术手段对传统生物滞留设施进行优化设计。在生物滞留设施底部设置一定深度的淹没区，不仅能够提供内部的雨水滞留空间，还能在旱季维持底部的缺氧环境从而促进反硝化的发生。针对雨水中有机碳源匮乏的特点，在生物滞留设施淹没区添加固体有机碳源能够进一步提升设施的脱氮效能，但不同固体有机碳源的释碳速率差异较大，因此也会伴随着有机碳淋出或脱氮效能下降等问题。用无机电子供体(硫铁矿)替代固体有机碳源作为淹没区的改良填料能够有效促进自养反硝化过程，实现同步脱氮除磷，并避免了有机碳或氮磷淋出的问题。但是硫铁矿的供电子速率远低于固体有机碳源，因而难以应对高污染负荷、高径流量、短间隔连续降雨等情况的脱氮需求。在生物滞留设施的非淹没区添加生物炭能够有效提升填料对疏水性有机物和氨氮的吸附能力，并提升非淹没区的持水能力，这将有利于阻挡氧气的扩散同时扩展设施的反硝化区域。综上，对生物滞留设施进行分层优化设计，将能最大程度地发挥其脱氮潜力。

由于生物滞留设施是一种被动的处理技术，因此其脱氮性能还会受到一系列降雨条件和下垫面条件的影响，如降雨量、降雨历时、干旱期、进水氮负荷等。在海绵城市设计阶段，现有技术缺少一种模拟方法，对拟建造的生物滞留设施的脱氮效能进行预测，并能根据当地的气候条件、下垫面特点进行优化设计，以达到高效利用生物滞留设施净化地面雨水的目的。

本专利申请所述的“脱氮效能”是指生物滞留设施对进水中氮的去除率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种预测分层生物滞留设施脱氮效能的方法，它能计算出分层生物滞留设施在不同运行条件下出水中氮的去除率，为优化生物滞留设施的参数提供依据。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、根据生物滞留设施内部的分层情况和淹没区高度，在AQUASIM软件中设置若干个串联的渗滤子单元，并采用对流-弥散方程来模拟雨水中的氮污染物在生物滞留设施内的渗流过程；

步骤2、根据生物滞留设施各填料对氮污染物的吸附特性，在对应的子单元中设置吸附等温式和扩散控制方程来模拟填料对氮污染物的动态吸附过程，根据各填料释放有机碳、释氮的特性，在对应的子单元中设置释碳、释氮动力学方程来模拟填料释碳、释氮过程；

步骤3、在最末一级子单元的出水端再串联一个完全混合反应单元，用于接收整个降雨过程从生物滞留设施排出的水量和氮污染物；

步骤4、输入生物滞留设施的特征参数，包括横截面积A、填料密度ρ、填料孔隙率θ、各填料使用比例、各层填料区高度，各填料对氮污染物的吸附特征参数，设施进水流量Q和氮污染物浓度，以及上一场降雨在填料内积累的氮污染物浓度，利用AQUASIM软件求解出设定降雨历时下氮污染物在生物滞留设施内的时空变化以及出水的氮平均浓度。

优选地，还包括步骤5、针对生物滞留设施的淹没区，建立第二完全混合反应单元，设置Michaelis-Menten方程和一级反应动力学方程来模拟缺氧条件下微生物对氮的降解过程。用步骤4中获得的淹没区氮污染物的平均浓度为变量的初始值，利用AQUASIM软件计算出生物滞留设施淹没区氮污染物在干旱期内的浓度变化。

本方法发明通过建立多个串联的渗滤单元，并根据每层填料不同改良方法，灵活设置渗滤子单元的动力学方程，并且能以一系列降雨参数和下垫面参数为自变量，计算出生物滞留设施在不同运行条件下的脱氮效能。

本发明的技术效果是：

1、本发明包含了生物滞留设施在降雨期的吸附与解吸附过程、释碳释氮过程，以及干旱期的微生物降解过程，同时考虑了上一场降雨积累的氮负荷对下一场降雨的影响，因此本发明能准确地预测生物滞留设施的脱氮情况。

2、本发明能够调节生物滞留设施特征参数(如横截面积A、填料密度ρ、填料孔隙率θ、各填料使用比例、各层填料区高度等)、填料吸附参数、填料释碳速率等，模拟出对应条件下生物滞留设施的脱氮效能，在明确径流水量和污染物控制目标的基础上，为生物滞留设施的优化设计提供依据。

3、本发明能够根据降雨情况和下垫面污染情况，模拟不同进水流量Q、不同降雨历时、不同进水浓度等条件下生物滞留设施的脱氮效能，为海绵城市建设规划、设计过程中关于生物滞留设施的适应范围提供全面指导。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为发明一个实施例的分层生物滞留设施结构示意图；

图2为降雨结束时污染物浓度随生物滞留设施淹没层深度的变化图；

(a)硝酸盐；(b)溶解性有机碳(DOC)；

图3为干旱期内生物滞留设施淹没层污染物浓度的微生物降解过程图；

(a)进水污染物为低浓度；(b)进水污染物为中浓度；(c)进水污染物为高浓度；

图4为预测生物滞留设施在不同进水浓度和不同降雨量条件下的处理效果；

(a)三种进水浓度下的硝酸盐去除情况；(b)不同降雨量下的硝酸盐去除情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本申请使用的AQUASIM软件是一款用于模拟多种水系统的开源软件。它基于C++语言开发，能用于求解由非线性常微分方程或偏微分方程组成的复杂的数学模型。AQUASIM提供了7种建模功能模块，分别是完全混合系统(Mixed reactor compartment)、生物膜系统(Biofilm reactor compartment)、对流-扩散系统(Advective-diffusive reactorcompartment)、饱和土壤渗滤系统(Saturated soil column compartment)、河流系统、湖系统、沉积物系统。

本发明提供的预测分层生物滞留设施脱氮效能的方法，按以下步骤：

步骤1、根据生物滞留设施内部的分层情况和淹没区高度，在AQUASIM软件中设置若干个串联的渗滤子单元，并采用对流-弥散方程来模拟雨水中的氮污染物在生物滞留设施内的渗流过程。

根据文献“A numerical transport model for oxygen-and nitrate-basedrespiration linked to substrate and nutrient availability in porous media”(多孔介质中与基质和养分有效性相关的氧和硝酸盐呼吸的数值传输模型)，Widdowson,MarkA.；Molz,Fred J.；Benefield,Larry D，Water Resources Research(1988),24(9),1553–1565.记载：所述对流-弥散方程为：

式中，C

对每一个渗滤子单元进行渗流过程的运算，雨水在每个渗滤子单元的运动是连续的。

步骤2、根据生物滞留设施各填料对氮污染物的吸附特性，在对应的子单元中设置吸附等温式和扩散控制方程来模拟填料对氮污染物的动态吸附过程，根据各填料释放有机碳、释氮的特性，在对应的子单元中设置释碳、释氮动力学方程来模拟填料释碳、释氮过程。

根据文献“Isotherm models for adsorption of heavy metals from water-Areview”(水中重金属吸附的等温模型——综述)，Xinyu Chen,Md Faysal Hossain,Chengyu Duan,Jian Lu,Yiu Fai Tsang,Md Shoffikul Islam,Yanbo Zhou.Chemosphere,2022,307:135545.记载：所述吸附等温式包括但不限于Freundlich等温式：

S

式中：S

所述扩散控制方程为：

式中：α为传质系数(1/s)；S

根据文献“Denitrification behavior and microbial community spatialdistribution inside woodchip-based solid-phase denitrification(W-SPD)bioreactor for nitrate-contaminated water treatment”(木屑固相反硝化(W-SPD)生物反应器处理硝酸盐污水的反硝化行为及微生物群落空间分布)，Jiamin Zhao,ChuanpingFeng,Shuang Tong,Nan Chen,Shanshan Dong,Tong Peng,Shunlong Jin.BioresourceTechnology,2018,249:869-879记载：所述释碳、释氮动力学方程包括但不限于零级反应动力学方程：

式中：const为常数，其数值由材料自身的特性决定。

步骤3、在最末一级子单元的出水端再串联一个完全混合反应单元(Continuousstirred tank reactor,CSTR)，用于接收整个降雨过程从生物滞留设施排出的水量和氮污染物，该完全混合反应单元不添加动力学方程。

步骤4、输入生物滞留设施的特征参数，包括横截面积A、填料密度ρ、填料孔隙率θ、各填料使用比例、各层填料区高度，各填料对氮污染物的吸附特征参数，设施进水流量Q和氮污染物浓度，以及上一场降雨在填料内积累的氮污染物浓度；利用AQUASIM软件求解出设定降雨历时下氮污染物在生物滞留设施内的时空变化(即随时间的变化和随生物滞留设施高度的变化)以及出水的氮平均浓度(Event Mean Concentration,EMC)。

生物滞留设施的脱氮效能(RE)为：

式中，C

所述设施进水流量Q由生物滞留设施服务面积、降雨量、降雨历时、下垫面性质共同决定：

式中，F为生物滞留设施服务面积(m

上一场降雨，生物滞留设施非淹没区由于吸附和微生物好氧代谢途径产生的硝酸盐(即氮污染物)积累量为：

式中，

步骤5、针对生物滞留设施的淹没区，建立第二完全混合反应单元，设置Michaelis-Menten方程和一级反应动力学方程来模拟缺氧条件下微生物对氮的降解过程，用步骤4中获得的淹没区氮污染物的平均浓度为变量的初始值，利用AQUASIM软件计算出不同干旱期条件下生物滞留设施淹没区的氮浓度变化。

所述Michaelis-Menten方程为：

式中，C

所述一级反应动力学方程为：

式中，k为一级反应动力学常数。

淹没区的氮污染积累量是变化的，在上一场降雨造成的氮污染积累浓度由步骤5计算获得，即模拟上一场降雨后，才能计算出淹没区的积累量，带入到下一场降雨的模拟计算。

实施例：预测木屑-硫铁矿分层生物滞留设施在不同运行工况下的反硝化脱氮效能

如图1所示，一个木屑-硫铁矿分层生物滞留设施：高0.2m的蓄水层、0.3m的非淹没层、0.3m的淹没层以及0.1m的排水层。其中，非淹没层填充体积比为90％的石英砂和10％的木屑，淹没层填充体积比为85％的石英砂和15％的硫铁矿，排水层设置有穿孔排水管并覆盖鹅卵石，保证设施顺利排水。生物滞留设施底部的排水管出口向上提升0.4m，保证硫铁矿层全部处于淹没状态。通过实验测试出该设施的关键参数详见表1：

表1木屑-硫铁矿分层生物滞留设施关键参数

步骤1、在AQUASIM软件中设置2个串联的渗滤子单元，其中第一级子单元对应非淹没层，高度设置为0.3m；第二级子单元对应淹没层+排水层，高度设置为0.4m，两个子单元的中的流体分散系数都设置为0，采用对流-弥散方程来模拟雨水中氮污染物在生物滞留设施内每一个渗滤子单元的渗流过程。

步骤2、在第一级子单元中添加石英砂对硝酸盐的吸附动力学过程相关方程，用公式1和公式2表示为：

同时添加木屑的释碳动力学方程，用公式3表示为：

步骤3、在AQUASIM软件中创建一个完全混合反应单元，并与第二级渗滤子单元串联，该完全混合反应单元不添加动力学方程，仅用于收集从第二级渗滤子单元中排出的雨水和氮污染物。

步骤4、该生物滞留设施的设施特征参数依据表1中的数据输入；根据表2的下垫面污染情况输入进水污染物浓度；模拟的降雨历时为2h，降雨量为20mm。

表2生物滞留设施进水污染物浓度

假设填料对NH

利用公式5计算出设施进水流量Q，其中F取20，

利用AQUASIM软件求解出设定降雨历时下硝酸盐在生物滞留设施内的时空分布情况，如图2所示。图2(a)中，降雨结束时，硝酸盐在淹没区的浓度几乎与进水浓度相等。图2(b)中，非淹没区中木屑释放出的DOC随水下渗至淹没区，随淹没区深度增加DOC浓度有所降低。在淹没区内的DOC可在干旱期用于异养反硝化。

步骤5、在AQUASIM软件中创建另一个独立的完全混合反应单元来模拟生物滞留设施淹没区氮污染物在干旱期内的微生物降解情况。

添加硫铁矿驱动的自养反硝化动力学方程，用一级反应动力学方程表示如下：

同时添加异养反硝化动力学方程，用Michaelis-Menten方程表示如下：

根据图2中硝酸盐、DOC在淹没区的浓度分布情况，计算出淹没区的硝酸盐平均浓度和DOC的平均浓度，并以此为变量的初始值，利用软件计算出干旱期为3d的情况下污染物的降解情况，如图3所示。在进水浓度为低水平时，硝酸盐浓度下降速率最快，反应结束时还有DOC剩余，同时自养反硝化也参与了硝酸盐的去除，随着反应的进行Fe(III)和硫酸盐不断增加。在进水浓度为中水平时，硝酸盐的去除速率有所下降，反应结束时无DOC剩余，同时产生了更多的Fe(III)和硫酸盐。当进水浓度进一步增加时，硝酸盐无法被完全去除，由于DOC不足，所以更多的硫铁矿被用于硝酸盐的还原，导致水中Fe(III)和硫酸盐浓度进一步升高。

该计算结果可作为淹没区内污染物的积累值用于下一场降雨脱氮效能模拟。

三种进水浓度下木屑-硫铁矿分层生物滞留设施的脱氮效能如图4(a)所示，当进水硝酸盐浓度处于中、低水平时，该生物滞留设施的脱氮效能达到了70％以上，但当进水浓度很高时，生物滞留设施的去除能力显著降低。

控制其他参数不变的条件下，仅改变降雨量(6mm，13mm，26mm)，进水浓度选中水平，可利用软件计算出不同降雨量情况下该生物滞留设施的脱氮情况，结果如图4(b)所示，生物滞留设施对小雨量(6mm-13mm)的氮去除率可以达90％以上；但对较大雨量的氮去除率降低。

由本实施例看出，本方法发明快速、准确地预测分层生物滞留设施的脱氮效能，能够为提升生物滞留设施的净水性能提供依据。