颗粒活性炭吸附溶解有机碳与生物膜活性的互作机制建模研究

为解决GAC(颗粒活性炭)滤池中生物膜活性增强的驱动机制问题，研究人员开发了耦合多组分DOC(溶解有机碳)吸附的1D(一维)多物种生物膜模型。通过对比GAC与非吸附性滤料的模拟，发现生物膜厚度(而非吸附作用)是决定微生物群落组成和活性的关键因素，差异<1.5%。该研究为优化废水深度处理工艺提供了理论依据。

　　

在废水深度处理领域，颗粒活性炭(GAC)滤池因其优异的有机物去除性能备受关注。有趣的是，即便在长期运行后，GAC滤池的有机物去除效率仍显著高于非吸附性滤料(如砂滤料)。这一现象常被归因于GAC表面生物膜的增强活性，但其内在机制尚不明确——究竟是吸附性滤料通过储存-释放生物可利用有机物促进微生物生长，还是其表面结构更利于生物膜附着？这个"鸡生蛋还是蛋生鸡"的问题，困扰着水处理研究者们。

为破解这一谜题，研究人员构建了创新的数学模型体系。该模型首次将多物种生物膜动力学与多组分DOC吸附过程耦合，通过1D(一维)连续介质方法模拟单个GAC颗粒及其表面生物膜的时空演化。研究设置了两类对照场景：采用真实GAC参数模拟吸附性滤料，以及设定相同几何参数但无吸附功能的虚拟滤料。通过400天的动态模拟，结合50μm与1000μm两种生物膜厚度的对比，揭示了三个关键发现：

在技术方法上，研究采用COMSOL Multiphysics 6.2平台实现了复杂偏微分方程组的求解。核心创新包括：(1)基于ASM1(活性污泥模型1号)框架扩展的多物种生物膜模型，包含异养菌(X_H)、氨氧化菌(X_AOB)和亚硝酸盐氧化菌(X_NOB)；(2)将DOC分为5级吸附特性组分(S_S,vwa至S_S,na)；(3)球形坐标系下的Freundlich型竞争吸附模型；(4)变厚度生物膜的移动网格算法。

3.1 生物可利用DOC吸附对GAC生物膜发育的影响
模拟显示GAC确实会吸附生物可利用DOC，但在厚生物膜(1000μm)场景中，约20%的吸附DOC会在10-70天期间重新释放。这种"碳库"效应源于生物膜代谢活动逆转了孔隙-生物膜间的浓度梯度。然而，与无吸附滤料相比，GAC场景的生物膜组成差异始终<1.5%，说明吸附过程并非群落结构的主控因素。

3.2 浓度波动对吸附/解吸及生物膜的影响
当模拟进水浓度骤降50%时，GAC会释放DOC缓冲冲击负荷；浓度恢复时则重新吸附。但厚生物膜表现出"反直觉"响应——持续低浓度下反而出现DOC向GAC的净传输。这是因为生物膜作为"活性屏障"，其衰解产物改变了界面处的DOC组分分布。值得注意的是，所有动态场景中两种滤料的生物膜响应差异可忽略(<0.15%)。

这项研究通过数学模型解耦了长期困扰业界的复杂相互作用，证明GAC滤池的性能优势更可能源于其表面结构对生物膜厚度的保护作用，而非有机物吸附-解吸的直接效应。该结论为优化滤料选择和运行参数提供了新视角——与其追求吸附容量，不如改善生物膜持留能力。研究建立的建模框架还可拓展应用于其他吸附-生物耦合系统，如地下水修复或饮用水生物过滤。论文发表于环境领域顶级期刊《Water Research》，为废水处理工艺的精准设计奠定了理论基础。