生物活性炭(BAC)技术在港区污水处理中的研究

Posted 2023-01-14 活性炭

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1前言

“生物活性炭”（BiologicalActivatedCarbon，BAC）技术是20世纪70年代发展起来的去除水中有机污染物的一种新技术。目前，世界许多国家已在污染水源净化、工业废水处理及污水再利用的工程中得到应用。生物活性炭技术即为利用粒状活性炭巨大比表面积及发达孔隙结构，对水中有机物及溶解氧有很强的吸附特性，将其作为生物载体替代传统的生物填料，并充分利用活性炭的吸附以及活性炭层内微生物有机分解的协同作用。同时BAC法常可以去除活性炭和生物法单独使用时不能去除的污染物，且其处理效率也较两者单独使用时高。这种处理方法即称为生物活性炭处理。生物活性炭法是近年来发展起来的一种新型水处理工艺，已在世界上许多国家采用，尤其在西欧更为广泛。该工艺的研究在我国已有十多年的历史，目前已进入实用阶段。虽然其作用机理依据不同的使用场所不同国内外理论界解释不尽一致，但实际应用中所表现出来的去除效率高、操作管理简便、活性炭使用周期大大延长和运行成本低等优点已被公众所认同。

尽管生物活性炭技术在源水处理过程中得到了有效普及利用，可传统的污水处理技术仍局限在活性污泥法、生物膜法上，工业生产的快速增长和水资源的日益短缺一定程度上加快了污水深度处理技术的发展，以粒状活性炭为填料对二级生化处理后的出水进行深度处理也引起了人们的广泛注意，生物活性炭以其出水水质稳定可靠、无异味、处理成本低而逐步在生活污水、印染废水、石化废水等多种废水深度处理中得到应用。

2生物活性炭技术在水处理中的作用机理

2.1生物活性炭的吸附机理

传统意义上活性炭吸咐作用的工序和机理主要是考虑到活性炭表面的大孔隙和巨大比表面积的吸附作用，以及活性炭内部细孔内进行的吸附。从生物活性炭流掉的生物，与过滤速度的变化和浊度的增加有影响，一般来说范围为50～1000个/ml。生物活性炭过滤不仅利用了活性炭具有巨大表面吸附作用和各种基团的静电亲和力，对水中残余物质进行进一步吸附，而且利用生长在其上的微生物分解水中残余有机物，更加保证了饮用水处理的彻底性，大大降低了后续用氯气消毒产生消毒副产物的可能性，增加了饮用水的生物稳定性。

除了孔隙特征以外，活性炭对有机物的去除也受有机物特性的影响，主要是有机物的极性和分子大小的影响。同样大小的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对其的吸附性能就越差；反之对溶解度小、亲水性差、极性弱的有机物却具有较强的吸附能力。试验结果表明[5]，活性炭对分子量在500～3000的有机物有十分明显的去除效果，去除率一般为70%～86.7%，而对分子量小于500和大于3000的有机物则达不到有效去除的效果。

2.2生物氧化和活性炭吸附联合作用机理

国内外多项研究结果论述了生物活性炭对有机物的吸附作用机理，结论表明该技术可看作是物理吸附和生物降解的简单组合。吸附饱和的生物炭在不需要再生的情况下，可利用其生物降解能力，继续发挥控制污染物的作用，这一点正是其它方法所不具备的。

在生物预处理和常规处理工艺之后采用生物活性炭作为深度处理，较之单独增设生物预处理工艺具有以下优点。

（1）增加了水中溶解性有机物的去除效率，提高了出水水质；

（2）水中氨氮可以进一步转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，对三卤甲烷的生成起到进一步的抑制作用；

（3）对活性炭而言，延长了活性炭的再生周期，减少了运行费用。

大量的试验结果表明：活性炭具有良好的脱除余氯的能力，可将余氯由0.15mg/L降至0.01mg/L；在有机物大部被去除的情况下，出厂水投加0.18mg/L以下的ClO2，通过控制一定的回流比，可以保证较高的卫生学安全性且口感良好。通过各单元的处理可以将浊度降至0.01NTU以下。

2.3影响生物活性炭去除有机物的因素

（1）滤速的影响

随着停留时间的增加，CODCr和UV254的去除率有一定程度的提高，但有机物去除率的增加并不与停留时间的增加成正比。试验表明，当滤速为5m/h时，即炭层停留时间为12min时，生物活性炭—砂滤柱获得较为理想的去除效果。

（2）滤层深度的影响

生物活性炭对CODCr的去除是微生物的生物氧化降解作用的结果，因而与生物量沿滤层深度的分布密切相关。为了便于研究CODCr随滤柱深度的沿程去除情况，比较了各取样口的CODCr去除率。

2.4生物活性炭反冲方式的研究

在生物活性炭深度处理港口生活、含油污水技术应用中，生物活性炭(BAC)滤池的反冲洗问题非常棘手又亟需解决。随着BAC滤池运行时间的延长，炭粒表面和滤床中积累的生物和非生物颗粒量不断增加，导致炭粒间隙减小，影响滤池的出水水质和产水量。反冲洗方式与相关参数直接影响BAC滤池的运行效果和成本。有研究表明，采用单独水冲的滤池出水中生物可同化有机碳(AOC)和细菌量高于采用气水联合反冲的滤池，而充分去除过量的生物膜是保证滤池成功运行的重要前提。

综合各项研究结果表明，应用于水处理过程中的生物活性炭在运行时的反冲洗方式应满足并遵循下述条件。

（1）炭粒表面生物颗粒的脱附难于非生物颗粒，建议生产中反冲洗结束的控制指标为反冲废水浊度达到3～5NTU。

（2）两段式气、水联合反冲洗的效果优于单独水反冲，并可节约耗水量，推荐采用先以高强度空气擦洗、再以微膨胀水漂洗的方式。适宜的气冲强度为11～14L/(m2•s)、历时为3～5min，水冲强度为8L/(m2•s)、历时为5～7min。

（3）如采用单独水反冲，建议适宜的反冲强度为12～14L/(m2•s)、滤层膨胀率为20%左右，反冲历时为6～8min。

（4）炭床上表面与反冲废水排水槽间的高度差对反冲洗效果有一定影响，实际应用中以1.5～2.0m为宜。

3生物活性炭技术在港口废水处理及废水再利用工程中的应用

由于生物活性炭的吸附容量与单纯活性炭吸附容量对比，前者比后者提高2～30倍，生物活性炭所表现出来的具有微生物和活性炭的叠加和协同作用已在水处理工程中得到推广和延伸。该工艺对城市污水、工业废水的处理及深度处理后再利用更为安全适用，对难生物降解而可吸附性好的污染物，亦有很好的去除效果。

3.1生物活性炭技术在港口回用水处理中的应用

近年来随着交通运输业的快速发展，港口用水日趋紧张。将港区办公楼、辅助用房所排放的生活污水进行深度处理满足于生活杂用水和港区景观补充用水、绿化用水等，既有效减轻了污水排放对海域水体环境的污染影响，又能节约大量的城市自来水，有利于创建绿色港口、节约型港口和保持港口的可持续发展。

我们曾在某港区生活污水回用处理工程中选取生物活性炭和臭氧氧化消毒联用工艺，作为深度处理工艺，该项工艺表现出了巨大的技术、经济优势，具有操作管理简单可靠、运行效果稳定可靠等优点。其具体处理工艺流程为：

一年多来的实际运行经验表明，生物活性炭是一种高效的水处理技术，充分利用活性碳的吸附性能和微生物的生物降解性能，在好氧环境下，它以粒状活性炭为微生物载体，在内循环生物活性炭区形成颗粒污泥和颗粒污泥层，通过活性炭和微生物的协同作用，达到对可生物降解和难于生物降解有机物的高效去污处理，可以保证出水色度和消除异味，无需更换活性炭或对其进行物化再生。

3.2生物活性炭技术在港口含油污水处理中的应用

传统的含油污水处理技术多是以吸附、聚结、凝聚等物理化学处理方式为主，近年来随着环境排放标准的逐步提高，单纯的物理、化学处理技术仅能保证出水水质中油类物质的达标排放，对于好氧类有机污染物却往往超标排放，严重影响附近水域水质。同时由于多数港口企业所排放的含油废水具有水质、水量波动幅度大，生化指标相对稳定且不太高，如采取传统的生化处理工艺去除废水中的有机好氧物，将带来一系列运行、管理、操作问题，进而影响出水水质，生物活性炭技术由于其独特的处理机理和稳定可靠的出水水质、灵活的启动方式而引起人们的日益关注。。

4结论

生物活性炭作为一项新型水处理技术，在未来的水处理工程实践中，将会在港口水处理中得到大力开展应用。随着科学技术的进步和水质指标的逐步提高，由于新型填料-生物活性炭的应用，使得该项技术无论是在废水处理工艺选择中都具有独特的技术优势：

（1）增加了水中溶解性有机物的去除效率，提高了出水水质。

（2）水中氨氮可以进一步转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，对三卤甲烷的生成起到进一步的抑制作用。

（3）对活性炭而言，延长了活性炭的再生周期，减少了运行费用。

（4）生物活性炭作为饮用水深度处理工艺，碘值及亚甲基蓝值对这一工艺单元影响甚微，生物活性炭主要是靠生物的作用而对水中有机污染物进行分解，吸附作用处于次要地位。因此，对于初期活性炭的选择可主要从经济的角度出发加以选择。

（5）生物活性炭的运行周期一般都长达3至4年，如果考虑每年对破损炭、反冲洗流失炭5%左右的更换和补充。因此，对生物活性炭运行失效指标的监控，在有条件的情况下可定期测试TOC值及BOD5值。在COOMn、UV254指标连续下降的情况下，合理及时的进行维护管理，保持系统的稳定可靠运行均是十分必要的。

（6）对于生物活性炭的冲洗需采用较高的强度以利于较薄的生物膜的形成，并可起到减少运行中阻力和保持微生物活性的作用。（）