水处理中生物活性炭吸附性能及其数学模型研究

摘要

活性炭具有优异的吸附性能，广泛的应用于给水和污水净化过程中。并且，当活性炭颗粒表面附着生物膜之后，大大降低了活性炭的物化再生频率，延长了活性炭柱的使用寿命。因此生物活性炭技术作为水处理新技术在饮用水及污水的深度处理中得到推广。
　　 生物活性炭技术利用活性炭巨大的比表面积及发达的孔隙结构，对水中有机物及溶解氧产生强吸附特性。其可作为载体可成为微生物集聚、繁殖、生长的良好场所。在适当的温度及营养条件下，可同时发挥活性炭的物理吸附作用和微生物生物降解作用。
　　 膨胀床和固定床是水处理中常用的两种形式的活性炭床。膨胀生物活性炭床的建模思路是，首先，假定膨胀床内的颗粒、流体完全混合，活性炭颗粒所处的外部环境状态一致，及溶解氧、底物浓度等条件相同；第二，假设颗粒活性炭为理想化的球形颗粒，微生物膜在球形颗粒活性炭表面均匀分布；第三，底物在生物膜、活性炭颗粒内的扩散满足Fick扩散定律；第四，底物的在微生物中的降解过程遵循Monod法则。最后，采用Galerkin有限元法作为模型的求解方法。
　　 固定床生物活性炭的建模过程，借鉴了膨胀床活性炭床的建模思路。首先，将固定床分隔成N个小段，假设每段活性炭层内的活性炭颗粒所处的外部环境一致，另外由于固定床本身的特性，造成颗粒间的现对摩擦较小，另外流体对颗粒表面生物膜的剪切作用较小，因此可认为正常运行状态无微生物膜进入流体内，然后利用Galerkin有限元法一次求取每段活性炭床流、入流出流体的底物浓度。
　　 最后，采用小试试验对模型进行了拟合和校正，发现生物活性炭膨胀床的数学模型对出水的预测值高于试验过程的出水值，但是数学模型的拟合趋势和试验测量值的变化趋势拟合程度较好。因此，该模型对于实际的生产运行具有一定的指导意义。