水处理技术、活性炭吸附、微生物生长、污水厌氧生物处理

1.活性炭吸附在水处理中的应用，试举3例说明。（25分）

活性炭是一种暗黑色含炭物质，具有发达的微孔构造和巨大的比表面积。它化学性质稳定，可耐强酸强碱，具有良好吸附性能，是多孔的疏水性吸附剂。

1.活性炭的性能及特性

活性炭吸附的作用产生于物理吸附和化学吸附。物理吸附主要发生在活性炭丰富的微孔中，用于去除水和空气中杂质，这些杂质的分子直径必须小于活性炭的孔径。另一方面活性炭在其表面含有官能团，与被吸附的物质发生化学反应，从而与被吸附物质常发生在活性炭的表面，此过程为化学吸附。活性炭的吸附是上述两种吸附综合作用的结果。评价活性炭的吸附性能指标主要有亚甲蓝值、碘值和焦糖吸附值等，吸附容量越大，吸附效果越好。

活性炭去除水中的对象成分包括：游离氯、高锰酸钾消耗量、溶存臭氨、色度着色成分、溶存氨（联氨分解）、发泡成分、表面活性剂、异臭成分、苯酚、氯苯酚、三氯甲烷、农药类、三氯乙烯等氯系溶剂、PCB、有机氯化物(TOX)、油分、三卤甲烷前体物质、重金属（特别对Hg）、TOX

前体物质、铁、锰、COD、病毒、TOC、热源、氨、BOD。

2.活性炭吸附机理：

1）依靠自身独特的孔隙结构

活性炭的内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔，1克活性炭材料中微孔，将其展开后表面积可高达800－1500平方米，特殊用途的更高。也就是说，在一个米粒大小的活性炭颗粒中，微孔的内表面积可能相当于一个客厅面积的大小。正是这些高度发达，如人体毛细血管般的孔隙结构，使活性炭拥有了优良的吸附性能。

2）分子之间相互吸附的作用力

分子之间相互吸附的作用力也叫“范德华力”。虽然分子运动速度受温度和材质等原因的影响，但它在微环境下始终是不停运动的。由于分子之间拥有相互吸引的作用力，当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后，由于分子之间相互吸引的原因，会导致更多的分子不断被吸引，直到添满活性炭内孔隙为止。

3.活性炭吸附在水处理中的应用

1）对水源水的处理

粉末活性炭（PAC）是具有弱极性的多孔吸附材料，有极强的吸附能力和稳定的化学性能，在水处理工业上广泛应用。由于它不能再生，成本较高，因此很少将它用作常规处理，但是在原水突发污染的情况下，投加PAC 能很好的去除苯类化合物、酚类化合物、石油和石油产品等有机物。PAC

对水中形成嗅味的有机物的去除效果是其它处理剂无法比拟的。发生在2005年11月的松花江水污染事件，造成了松花江流域的重大水污染，活性炭吸附是这次污染事故的首选应急处理技术。主要的措施有两条，一是在水厂取水口处投加粉末活性炭，利用水源水从取水口到净水厂的输水管线，在管线当中粉末炭把硝基苯吸附。二是应对技术措施就是把水厂现有沙滤池改造成活性炭和石英砂双层滤料滤池，具体方法是把现有的石英砂挖出半米左右再加入半米的粒状活性炭。通过以上改造工程，水厂出水水质全面达到生活饮用水水质标准。

2）对废水中重金属离子的吸附

目前冶炼、电解、医药、油漆、合金、电镀、纺织印染、造纸、陶瓷与尤机颜料制造等行、每年排放大量含有多种重金属离子的工业废水。活性炭以其独特的物理、化学特性成为吸附重金属的常用吸附剂之一。陈芳艳发现活性炭纤维对Cu 、Ni2+、Cd2+的吸附符合Langmuir模式。同时Freundlich模式也可以较好的模拟这3种金属离子在活性炭纤维上的吸附。在动态条件下，吸附饱和后的活性炭纤维可用稀酸和稀碱溶液再生，再生后的活性炭纤维可重复使用。为了增加ACF对重金属的吸附容量。可以对ACF进行改性。为了增加ACF对重金属的吸附容量，可以对ACF进行改性。陈芳艳等考察了震荡时间、水样pH对吸附效果的影响以活性炭纤维作为去除水中镉、镍、铜三种重金属离子的吸附剂。结果表明，活性炭纤维对水中三种重金属离子的吸附特性良好，且吸附剂易于再生，可作为去除水中离子态重金属的优良吸附剂。

3）活性炭用于水的脱色处理

李增新等采用活性炭纤维（ACF）对海盐苦卤进行吸附脱色实验，探讨了活性炭用量、溶液流速、温度、浓度、pH等对脱色率的影响。确定活性炭纤维对苦卤溶液脱色的最佳工艺条件，在此条件下，苦卤脱色率大于98%。吸附后的活性炭纤维加热到120 ℃并抽真空进行脱附，可循环使用18次以上。张小璇等采用活性炭吸附法处理染料废水的实验研究表明，在最佳的吸附工艺条件下，酸性品红、碱性品红和活性黑B-133染料废水的脱色率均超过97，出水的色度稀释倍数不大于50倍，COD小于50 mg/L，达到国家一级排放标准。梅建庭等研究了活性炭纤维（ACF）对水中酸性大红的吸附脱色试验。研究表明，温度为150～200 ℃，滤速为6 mL/min时，浓度为12 mg/L的酸性大红脱色率达98 %以上。活性炭纤维经20次吸附与解吸实验。吸附脱色性能没有明显降低。

2.气夜传质模型有哪些？（25分）

常见的气液传质模型有双膜理论，浅渗理论和表面更新理论。

1.双膜理论

双膜理论是一经典的传质理论，于1923年由惠特曼（W.G.Whitman）

和刘易斯（L.K.Lewis）提出，作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。

气体吸收是气相中的吸收质经过相际传递到液相的过程。当气体与液体相互接触时，即使在流体的主体中已呈湍流，气液相际两侧仍分别存在有稳定的气体滞流层（气膜）和液体滞流层（液膜)，而吸收过程是吸收质分子从气相主体运动到气膜面，再以分子扩散的方式通过气膜到达气液两相界面，在界面上吸收质溶入液相，再从液相界面以分子扩散方式通过液膜进入液相主体。

针对气体吸收传质过程，双膜理论的理论要点如下：

1）吸收时，在气液两相接触面的两侧分别存在气膜和液膜，两膜内均呈滞流流动，其厚度随流体的流速而改变。吸收过程中，溶质以稳定的分子扩散的方式从气相主体连续通过此两层滞流膜而进入液相主体。

2）在相界面上气液两相相互平衡。即p i与c i互成平衡。

3）在气液两相主体中，由于流体的湍流流动，浓度均匀，不存在浓度差，即不存在吸收阻力。溶质从气相主体传递到液相主体，所有的阻力仅

存在于两层滞流膜中。气膜中吸收推

为c L-c i。

根据双膜理论，气、液相界面附近的

浓度分布如左图所示。

双膜理论将相际传质过程简化

为经两膜层的稳定分子扩散的串联

过程。吸收过程则为溶质通过气膜和

液膜的分子扩散过程。

所以，两项间传质的速率方程分

别为：

气膜：(NA)g=kg(pA-pAi)

液膜：(NA)l=kl(cAi-cA) 双膜理论假设溶质以稳定分子扩散方式通过气膜和液膜，因此，气相和液相的对流传质速率相等。所以：

(NA)g= (NA)l=kg(pA-pAi)=kl(cAi-cA)

根据双膜理论的假设，在相界面上，气、液两相呈平衡关系，即pAi 与cAi互为平衡关系，因此若两相界面某一侧的组成已知，另一侧的组成可用相平衡关系求出。

2.浅渗理论

浅渗理论即是一种描述传质过程的数学模型，该理论由Higbic于1935

年提出。Higbic指出，在实际生产过程中气相和液相的接触式短暂的，由

于接触时间很短就不可能达到稳定状态，这就是浅渗理论的基本点。如气