生物活性炭技术在水处理中的应用研究

Posted 2023-01-14 活性炭

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摘要：BAC技术结合并优化了活性炭吸附和生物降解两种作用，在水处理方面净水效果显著。介绍了生物活性炭技术处理污水的作用机理，简述了近年来国内外生物活性炭技术在水处理中的研究与应用，提出了生物活性炭技术的发展方向。

关键词：生物活性炭水处理作用机理应用

随着工业的发展，饮用水源的污染日益加剧，饮用水的卫生和安全也受到越来越广泛的关注，水中所含污染物的种类和数量不断增多，污染成分也越来越复杂。采用常规的水处理方法已不能满足要求，必须进行深度处理，一些作用单一的材料和方法已不适用［1］。所以，来源广泛且容易再生，能反复利用的活性炭倍受关注，其发达的细孔结构和特异的表面特性使它不仅具有极强的吸附性能、氧化还原性能、电性能，而且还可以与其它材料联合应用，作为催化剂及催化剂和生物的载体，所有这些结构特性使活性炭在水处理技术中得以广泛应用［2］。

随着颗粒活性炭（Granular Activated Carbon，GAC）废水处理技术的发展，人们发现GAC表面极易于微生物的繁殖，而且，具有微生物繁殖的活性炭使用寿命比无微生物的 GAC要长。1978年，美国学者米勒（G.A.Miller）和瑞士R.W. Rice首次采用了“生物活性炭”（Biological Activated Carbon， BAC）这一术语。其实，从20世纪60年代开始，欧洲一些国家就用到BAC技术来深度处理水，并取得良好的效果。我国也于70年代开始对BAC进行研究，而在废水处理方面， BAC技术才刚刚起步，然而，该技术的优越性在实际应用当中为众所公认的［3］。

1 BAC作用机理

生物活性炭（BAC）技术以粒状活性炭为载体，通过富集或人工固定化微生物，在活性炭表面形成生物膜，利用活性炭的吸附作用和生物膜的生物降解作用来去除污染物。同时，生物膜通过生物降解活性炭吸附的部分污染物而再生活性炭，从而大大延长活性炭的作用周期。

（1）活性炭的吸附作用

活性炭的吸附作用是通过活性炭固体表面具有多孔性的特点，吸附去除污水或废水中的有机物及有毒物质，使之达到净化的目的。研究表明，活性炭对分子量500～1000范围内的有机物具有较强的吸附能力［9］。活性炭对有机物的吸附受其孔径分布和有机物的极性及分子大小的影响。同样大小的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对它的吸附性越差，反之，对溶解度小，亲水性差、极性弱的有机物如苯类化合物、酚类化合物等具有较强的吸附能力。

（2）微生物的生物降解作用

BAC借助微生物群体的新陈代谢活动，微生物通过对污染物的氧化分解过程获取营养和能量，同时水中污染物也因此改变了其化学结构，从而改变了化学和物理性能，最终达到去除水中污染物及活性炭获得再生的目的。

总之，BAC通过活性炭与微生物的协同作用，提高了微生物对水中污染物的降解能力，活性炭粒的表面成为微生物的良好培养基，并对微生物进行吸附。而且，其表面粗糙凹处还具有遮挡水流剪断力的作用。同时，好氧微生物可以提高活性炭的吸附容量，延长其使用寿命〔4〕。

2 BAC在水处理中的应用

20世纪20年代末、30年代初，国外开始用粉末活性炭去除水中的臭味，并于1930年在美国费城建立了第一个用活性炭吸附池除臭的水厂。50年代后，欧美国家开始大量使用活性炭处理城市饮用水和工业废水。我国对BAC的研究也已有30多年的历史。20世纪60年代末开始利用活性炭去除受污染水源的臭味。80年代初，北京市政工程设计院在北京田村山水厂进行了活性炭吸附试验，实验表明［5］，活性炭吸附去除微污染水源水中的有机物、有毒物质是有效的。近些年来，我国对活性炭的研究和应用越来越重视，同济大学、哈尔滨建筑大学都对活性炭做出了较为深入的研究，并已取得实用性的成果。

2.1 BAC在微污染水源处理中的应用

目前，国外应用BAC技术最广泛的是对水进行深度处理，它能够有效地去除水中的有机物。欧洲应用BAC技术的水厂已发展到70个以上。我国上海的杨树浦水厂和南市水厂于2002年10月开始也采用BAC技术处理原水，出厂水质各项指标均达到国际先进水平。

近年来，由于对饮用水的色度、金属含量（Fe、Al、Mn等）及三卤甲烷化合物（THM）的限制越来越严格，使人们愈发对臭氧与生物过滤相结合的工艺产生了兴趣。

臭氧—生物活性炭技术以预臭氧化代替预氯化，可以使水中一些原来不易生物降解的有机物变成可生物降解的有机物，臭氧化的同时还可提高水中溶解氧的含量。此外，水中溶解臭氧的浓度很低，自分解速度又快，活性炭对溶解臭氧有催化分解作用，因此不会抑制床中微生物的生长，与预氯化时的情况完全不同。

国内外不少学者还研究应用BAC技术与臭氧相结合处理污染原水的方法，均表明对微染原水的处理非常有效。吕炳南等［6］的研究结果（见表1）表明，BAC技术大大减少出水的有机物种类。日本Kanamachi水质净化厂［7］1984年开始使用粉末活性炭处理水中的产生的霉臭的物质2-甲基异冰片（MIB），取得了良好的效果。W.Nishijima等［8］研究了臭氧预氧化后生物可降解溶解有机碳（BDOC）在BAC上的吸附和解吸特性，以及BDOC在BAC上被非生物可降解溶解有机碳（non.BDOC）置换，实验结果表明，臭氧预氧化后产生的 BDOC的吸附性能略低于生物降解后残余的non.BDOC。因此，BAC之前的臭氧预氧化能够延长活性炭的使用寿命，降低BAC段的有机负荷。

2.2 BAC在工业废水处理中的应用

国外一些大学研制的生物活性炭搅拌池反应器，在处理印染废水上取得了很好的效果，该研究对BAC、生物砂床、单纯活性炭吸附及单纯生物降解进行了平行实验，并对不同类型染料废水的处理效果进行了分析。由表2可见BAC系统的染料去除速率比单纯生物降解及单纯活性炭吸附两过程染料去除速率的和要高。

F.Nishimura等［9］采用BAC—BZ（生物沸石）组合工艺处理同时含有抑制硝化作用的有机物和高浓度氨氮的污泥干化废水。实验结果显示，抑制性有机物浓度经过BAC反应器后大幅度降低，氨氮浓度在经过BZ反应器后大大降低，污染物的降低均为介质吸附过程和生物降解过程共同作用的结果。

荷兰学者利用活性炭生物膜（BACF）法与反渗透法组合来处理含杀虫剂的污染水，对杀虫剂的去除率高达99.5%，且臭氧-BACF的作用明显减轻了反渗透膜的污染问题，处理效果优良且稳定［10］。

2.3 BAC在生活污水处理中的应用

BAC技术在生活污水处理中也取得了很好的效果，尤其由于BAC法结合了生物降解和吸附2个过程，对于去除非离子合成表面活性剂（NISS）非常有效。

德国的Schroder等学者在进行城市生活污水处理的研究时，采用了新的总和参数分析及质量光谱分析来检测污染物的去除率，证明了用臭氧-生物活性炭法处理城市生活污水，对其中烷基苯灰化合物及其降解产物等极性化合物的去除率更好，这类化合物对水体中生物群落的内分泌系统有很强的毒害作用［11］。

在芬兰，人们研究了臭氧-双级活性炭法［12］，对可同化有机碳(AOC)的处理效果更好(出水AOC＜10μg/L)，由于经 BAC工艺处理，水质优良。

A.S.Sirotkin等［13］采用BAC工艺处理含非离子表面活性剂的废水，实验结果表明，在系统运行初始阶段，活性炭的物理吸附发挥主要作用，随着吸附逐渐达到饱和以及微生物活性的逐渐增强，生物降解作用也逐渐增强，最终二者协同作用，这种协同作用表现为微生物对活性炭吸附能力的再生，再生度为20%～24%。

3 结语

BAC技术处理微污染水源、工业废水、生活污水，具有诸多的优势，在未来的发展中将发挥着越来越重要的作用。为进一步提高处理水的出水水质，增加去除有机污染物的效率，在以后BAC技术的发展中应当加强对BAC技术与臭氧、膜技术，超滤技术等其他水处理工艺的结合工艺的研究和开发。同时，活性炭作为微生物群落集结地和降解污染物的场所，对微生物的吸附和建立群落层次有着重要的作用，因此活性炭材质对BAC的形成及降解能力强弱有无影响值得我们关注。

参考文献
1郭瑞霞，李宝华.活性炭在水处理应用中的研究进展.炭素技术， 2006，25（1）
2马青兰，王增长，李敏敏，等.活性炭净化废水处理研究.新型炭材料，2002，17（1）
3张自杰，张忠祥，龙腾锐，等.废水处理理论与设计.北京:中国建筑工业出版社，2002
4聂凤明.生物活性炭（BAC）技术在水处理中的应用现状与前景.南方冶金学院学报，2005，26（4）
5金伟，李怀正，范瑾初.粉末活性炭吸附技术应用的关键问题.给水排水，2001，27（10）
6吕炳南，张金松，朱佳.用臭氧-生物活性炭（BAC）法深度处理饮用水.中国给水排水，1993，9(3)来源：商静宇