生物活性炭技术在水处理中的研究进展与应用
2012-03-07 15:45:13
许亮1，王文美2，张余2，刘金冠2
(1.天津市环境监测总站，天津 300191；2.天津市环境保护科学研究院，天津 300191)
摘要:总结了生物活性炭（BAC）技术在净水处理、废水处理和污水再生利用处理中的应用;阐述了生物活性炭对污染物的去除机理;介绍了生物活性炭技术在水处理中（包括给水深度处理、多种工业废水及生活污水处理）的最新应用研究成果及该技术的发展方向。
关键词:生物活性炭;污水处理;反冲洗
中图分类号:X703.1 文献标志码:A 文章编号:1006-5377（2010）05-0030-05
1 引言
生物活性炭（Biological Activated Carbon，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。
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的孔隙结构对水中有机物及
溶解氧很强的吸附特性，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。BAC法可以去除活性炭和生物法单独使用时不能
去除的污染物，且处理效率也较两者单独使用时高。生物活性炭法是近年来发展起来的一种新型水处理工艺，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应用了该技术，尤其在西欧应用更为广泛。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。虽然国内外理论界对其作用机理解释不尽一致，但其在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较低等优点已被公众所认同。
生物活性炭技术在源水处理过程中已得到了有效普及利用，工业生产的快速增长和水资源的日益短缺在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（BAC）技术在水处理中的应用
2.1 饮用水源处理
以生物活性炭为中心的深度处理技术是提高饮用水水质的最主要技术之一，在降低出水中溶解性有机物浓度、提高后续消毒功能、去除原水中的微量持久性有机物、改善感官指标等方面发挥了重要的作用。生物活性炭能够迅速地吸附水中的溶解性有机物，同时能够富集水中的微生物，生物活性炭表面吸附的大量有机物也为微生物提供了充足的养分。Alexander 等[1]研究表明：生物活性炭比单独吸附和生物降解更有效，微生物活动对活性炭起到了再生作用，比例达20%~24%，活性炭的存在也减轻了水中有害物质对微生物的影响。这可能是由于附着微生物能够抵制难降解化合物的毒害以及自身的快速内源呼吸，并拥有不断增强的
新陈代谢能力。活性炭层上最初的或自然产生的生物能的增加，能促进净化水中吸附剂活性资源的增加。N.Klimenk等[2]提出吸附解吸过程受浓度梯度和溶液及孔隙的吉布斯自由
能影响，与以往有关协同作用解释观点不同的是，他们认为影响生物吸附的因素是活性炭生物再生的强度，并且在整个生物吸附过程中微孔一直被吸附基质所占用，没有发生生物再生，只有过渡孔能够通过微生物再生。Se-HanLee等[3]研究表明，吸附能力的不同还与活
性炭上积累的钙__离子量有关，用酸洗活性炭去除钙离子后，吸附能力得到恢复。吴红伟等[4]认为原水经过臭氧氧化后，分子量在103~3×103的有机物含量增加了13.5%，104~105
的有
机物增加9.7%，但其他区间的有机物含量都减少了，尤以分子量大于105的有机物含
量减少最多。此外还有研究结果表明，臭氧化可改善水的可生化性，增加水中有机营养基质的含量，具体表现为生物可降解溶解性有机碳（BDOC）和可同化有机碳（AOC）浓度增高。
Summers[5]研究表明，对分子量在500~1000的腐殖质可吸附面积达粒状活性炭（GAC）可吸附面积的25%。Hu等[6]研究发现，GAC 对烷烃类有机物的去除效率最高，其次是苯类、硝基苯类、多环芳烃类和卤代烃类，对醇类、酮类、酚类的去除效果相对较弱。Ribas等[7]认为臭氧会引起BDOC 增加53.8%~63.6%，因为部分不可降解有机物被臭氧氧化成易降解有机物，使一些天然有机物氧化成小分子的有机物，而小分子有机物易被生物作为营养吸收，如富里酸氧化后会产生烷烃、脂肪醛、酮、酸等有机物。这些小分子有机物易通过细胞膜被细胞代谢酶吸收降解，可使溶解性有机碳（DOC）去除率达29.9%~53.6%，BDOC去除率达到52%~70.7%。李秋瑜等[8]研究证明，运用生物活性炭水处理技术处理水量较大，并且可以保证出水CODMn 完全满足饮用净水指标要求；UV254的去除效果也非常显著，平均去除率达94%。通过GC-MS分析处理前后的水中有机物种类，进一步验证，生物活性炭技术对原水中有机物，尤其是不饱和烃类和含氮有机物有十分显著的去除效果。生物活性炭对亲水性有机物的强降解作用可以有效抑制致癌风险较高的卤乙酸的生成。亲水性有机物氯化后，单位溶解性有机碳生成卤乙酸的潜能远远高于生成三卤甲烷的潜能。张金松等[9]试验证明，与对三卤甲烷前质不同，生物活性炭对卤乙酸前质表现出良好的去除效果，去除率达33.9%。国内的相关研究成果也认为粒状活性炭是控制卤乙酸前质的较好方法。
2.2 生活污水处理
B A C技术在生活污水处理中也取得了很好的效果，尤其由于B A C法结合了生物降解和吸附两个过程，对于去除非离子合成表面活性剂（NISS）非常有效。Alexander等人[1]
对此进行了深入研究，证明了BAC技术对生物降解和活性炭吸附两个过程的优化主要体现为：微生物活动对活性炭起到了生物再生作用，其比例达到20%～24%；活性炭的存在也减轻了
废水中有害物质对微生物的影响。在实际应用中，BAC法处理生活污水在高负荷时能够表现出稳定的处理效果。德国的Schorder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O3-BAC法处理城市生活污水，对其中烷基苯类化合物及其降解产物等极性化合物的去除率更好，这类化合物对一般水体中生物群落的内分泌系统有很强的毒害作用。1997年宝钢（集团）公司决定兴建与宝钢一、二期工程配套的厂区环保设施1.05万m3/d的生活污水处理工程。针对厂区生活污水
