转鼓生物过滤器去除挥发性有机物的数值模拟.pdfVIP

论文 转鼓生物过滤器去除挥发性有机物的数值模拟 陈宏 杨春平+曾光明 余孔梁 瞿畏 余关龙 孟蕾 (湖南大学环境科学与工程学院，长沙410082．+联系人，E—mail：yangc@lmu．ca) 摘要 转鼓生物过滤器能有效地去除废气中的挥发性有机物．根据生物过滤器中的物质传递特点，依 据双膜理论、质量守恒定律和Monod动力学方程，建立了挥发性有机物在转鼓生物过滤器气相、水相 和生物膜相中的传质降解模型．该模型考虑了因生物膜增长而导致介质比表面积和空隙率的变化，及 其对去除效率的影响．甲苯被选择为模型挥发性有机物．因操作条件复杂，引入有效气速系数并忽略液 相传质阻力来简化模型．模型求解时分别运用配置法、解析法、Runge．Kutta法来求解生物膜相和气相 的传质降解方程和生物膜的增长方程，并使用MATLAB软件编程求解．数值模拟结果表明转鼓生物过 滤器的甲苯去脒率先升高，到第4天达到最大值97％，第5天后有明显逐步降低并稳定在90％．转鼓外 层介质中的甲苯浓度高，甲苯降解量大于70％；内层介质中的甲苯浓度低，降解量小于10％．与试验结 果的比较证明该模型能较好地模拟多层转鼓过滤器降解甲苯的动态运行性能． 关键词 生物降解 生物膜 数学模型 数值解法 转鼓生物过滤器 挥发性有机物 生物过滤法能经济有效地去除废气中的恶臭、氨 滤器中气相、水相、生物膜相的传质降解模型；并通 氧化物和挥发性有机物(volatileorganic 过忽略液相传质阻力并引入有效气速系数来简化模 compounds， VOCs)uq】．对生物过滤过程进行有效的模拟有助于 型．在MATLAB软件编程环境下分别运用配置法、 更好地理解其降解机理，为生物过滤过程的设计和 运行提供指导．基于已提出的“吸附．生物膜”理论【41 质降解和生物膜增长的模型方程进行求解，从而可以 和广泛应用的气体吸收．生物降解理论【5】，可以分别 更好地理解转鼓生物过滤器降解甲苯的过程和机理． 建立生物过滤过程的不同模型方程。根据双膜理论 1材料与方法 和Mechaelis—Menten公式，建立生物滴滤塔的生物 降解模型【61：考虑到气液界面和液膜内传质阻力以及 1．1试验装置和运行条件 生物膜内污染物的扩散、生化反应和氧限制．建立了 转鼓生物过滤器的外层是封闭的不锈钢容器， 生物膜滴滤塔降解甲苯的稳态毛细管模型【．¨；利用吸 内部是一个由聚氨酯多孔介质围成的转鼓。转鼓上 附净化理论，推导出真菌生物滤池中不同位置乙硫 方设有进气系统，容器下部装有营养液，运行时马达 醇的质量平衡方程式哺j．准确的解析法和数值计算方 带动转鼓转动，所有聚氨酯介质在转鼓转到最低点 法是求解复杂模型的主要手段oL91．然而，由于生物 时均可浸入营养液．介质的空隙率约为96％，每厘米 过滤过程的复杂性，数学模型目前还未成为过程设 介质上均匀分布4个孑L．多层转鼓生物过滤器的结构 计的可普遍接受的可靠工具¨01．所以。生物过滤模拟 如图1所示． 方面的研究对于生物过滤过程的设计和优化非常重 多层转鼓生物过滤器运行时以甲苯作为模型 要． 相对传统生物过滤器和生物滴滤器，新型转鼓 VOC．营养液补充速率是4．2L／d，转鼓转速为1．0 生物过滤器的性能更好，它克服了营养液、污染物负 r／min．使用城市污水处理厂的活性污泥作菌种．使 荷、生物膜等分布不均匀等缺点【j卜14】．本文根据物质 用气相色谱法测定气体进口和