生物活性炭技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

李 燦，趙燕軍

（中國(guó)人民解放軍92609部隊(duì)，北京 100077）

生物活性炭技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

李 燦，趙燕軍

（中國(guó)人民解放軍92609部隊(duì)，北京 100077）

生物活性炭技術(shù)是將吸附和生物分解結(jié)合起來(lái)的水處理新技術(shù)。本文簡(jiǎn)述了生物活性炭的凈水原理和形成方式，以及生物活性炭在處理微污染水源水、生活污水和工業(yè)廢水方面的研究進(jìn)展，并對(duì)生物活性炭技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

生物活性炭;水處理;凈化作用

近年來(lái)，隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工業(yè)廢水、城市污水排放量越來(lái)越大，河流和地下水污染日趨嚴(yán)重，許多地方的飲用水水源中有機(jī)污染物超標(biāo)，不僅嚴(yán)重污染了環(huán)境，而且威脅了人類的健康。因此研究與探索先進(jìn)的水深度處理技術(shù)受到了廣泛的重視。

活性炭具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，孔隙發(fā)達(dá)、比表面積大，因而具有極強(qiáng)的吸附功能，在水處理方面可發(fā)揮重要的作用，20世紀(jì)初，發(fā)達(dá)國(guó)家就已將其應(yīng)用于水質(zhì)凈化。但活性炭吸附飽和后即失去了吸附能力，需要經(jīng)常進(jìn)行脫附再生處理。但因脫附再生處理的成本較高而限制了活性炭的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代末發(fā)現(xiàn)，在用活性炭處理飲用水的過(guò)程中，由于生物膜的作用，活性炭的再生已不再是經(jīng)常和必需的了，這就引起了人們廣泛關(guān)注生物活性炭技術(shù)。

1 生物活性炭

生物活性炭（Biological Activated Carbon，BAC）技術(shù)是利用活性炭巨大的比表面積和發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)對(duì)水中有機(jī)物和溶解氧的強(qiáng)吸附特性，以及其作為載體可成為微生物集聚、繁殖、生長(zhǎng)的良好場(chǎng)所，在適當(dāng)?shù)臏囟群蜖I(yíng)養(yǎng)條件下，使吸附的有機(jī)物得以生物分解，同時(shí)不斷地空出一些吸附空位以供其繼續(xù)進(jìn)行吸附。這種生物再生現(xiàn)象可使活性炭的使用壽命延長(zhǎng)。水中一些較難降解的有機(jī)物因被吸附而在活性炭表面富集，延長(zhǎng)了有機(jī)物與生物的接觸時(shí)間，為微生物的分解提供了有利條件，因而使得難降解物質(zhì)得以去除。這些特點(diǎn)使生物活性炭技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的飲用水處理中得到了較廣泛的應(yīng)用[1]。

1.1 生物活性炭的凈水原理[2]

（1）工程菌的再生作用

吸附飽和的活性炭經(jīng)過(guò)馴化培養(yǎng)的菌種處理后，可恢復(fù)吸附能力。生物的再生作用是由于工程菌的降解作用可使活性炭表面和水中的有機(jī)物濃度降低，破壞了原有的固液平衡關(guān)系，產(chǎn)生了逆濃度梯度脫附，從而使活性炭得以再生。再生處理只要求恢復(fù)活性炭的吸附能力，但不一定能形成生物活性炭。

（2）生物活性炭的協(xié)同凈化作用

由于大多數(shù)細(xì)菌的大小均為微米量級(jí)，故工程菌主要集中于炭顆粒的外表及鄰近的大孔中，而不能進(jìn)入微孔中。工程菌能直接將活性炭表面及大孔中吸附的有機(jī)物降解掉，從而使活性炭表面的有機(jī)物濃度相對(duì)降低，造成炭粒內(nèi)存在一個(gè)由內(nèi)向外減小的濃度梯度，有機(jī)物就會(huì)向活性炭表面擴(kuò)散，可逆吸附的有機(jī)物會(huì)因此脫附下來(lái)而被微生物利用。另外，細(xì)胞分泌的胞外酶和因細(xì)胞解體而釋放出的酶類（納米級(jí)大?。?，能直接進(jìn)入BAC過(guò)渡孔和微孔中去，與孔隙內(nèi)吸附的有機(jī)物產(chǎn)生作用，使其從原吸附位上解脫下來(lái)，并被BAC表面上的工程菌所分解，從而構(gòu)成了吸附和降解的協(xié)同作用，即BAC具有的雙重功能。這樣就能保證BAC在生物降解和活性炭物理吸附的雙重作用下長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。Mark等對(duì)吸附用和生物載體用的活性炭進(jìn)行了研究[3]，結(jié)果表明BAC運(yùn)行穩(wěn)定，有機(jī)物的去除率主要是靠生物降解的作用。

1.2 生物活性炭的形成

BAC的形成有兩種方式：工程菌人工固定化與自然形成。人工固定化BAC是人為投加已經(jīng)過(guò)篩選、馴化的工程菌，具有很高的生物活性；自然形成的BAC無(wú)選擇性，生物相復(fù)雜，所以在短時(shí)間內(nèi)難以適應(yīng)環(huán)境，生物降解作用較小。在協(xié)同凈化作用上兩者也有很大差異：

（1）生物降解與活性炭吸附協(xié)同作用的起始時(shí)間不同

人工固定化BAC對(duì)有機(jī)物的降解自始至終是物理吸附和生物降解協(xié)同作用的結(jié)果，即處于穩(wěn)定期；而自然形成BAC需要經(jīng)過(guò)馴化階段、增長(zhǎng)階段才能達(dá)到穩(wěn)定。

（2）物理吸附作用的時(shí)間不同

人工固定化BAC一開(kāi)始就存在工程菌，在物理吸附的同時(shí)又有生物降解作用，工程菌的存在也不影響物理吸附作用，所以有機(jī)物在 被吸附的同時(shí)就被降解掉，這樣就大大延長(zhǎng)了活性炭的吸附飽和期，即延長(zhǎng)了活性炭的使用壽命。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊基先提供了具體的試驗(yàn)步驟[4]：1）固化BAC的形成流程：?jiǎn)沃昃泵媾囵B(yǎng)活化（30℃，24h）→ 組合 → 搖瓶培養(yǎng)（30℃，24h）→ 炭在菌液內(nèi)浸泡（固定化）（18℃，24h）→ BAC柱馴化培養(yǎng)（18℃，5mL/min，24h）；2）正常處理運(yùn)行條件：出水量40mL/min，接觸時(shí)間30min，連續(xù)24h曝氣。

2 生物活性炭處理不同廢水

2.1 微污染水源的處理

我國(guó)目前的飲用水水質(zhì)明顯低于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，一方面是由于水環(huán)境污染造成的飲用水源水水質(zhì)下降；另一方面是由于我國(guó)絕大多數(shù)污水處理廠主要采用的是“混凝、沉淀、過(guò)濾、氯消毒”等傳統(tǒng)的凈水工藝，導(dǎo)致有機(jī)污染物的去除效果不理想。飲用水中的這些微量有機(jī)物，特別是高穩(wěn)定性的溶解性有機(jī)物，如鹵代有機(jī)物、硝基化合物、多環(huán)芳烴等，都會(huì)嚴(yán)重威脅人體的健康[5]。針對(duì)水源普遍受到污染的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了一些污染水源的處理技術(shù)，生物活性炭技術(shù)以及和其他方法聯(lián)用的技術(shù)以其投資較少、對(duì)有機(jī)物的處理效果好而引起了研究者的重視。

王晨等[6]將工程菌循環(huán)固定在活性炭上，利用固定化生物活性炭（IBAC）工藝處理含硝基苯的微污染水源，并以活性炭在同樣條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。裝置如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置[6]

試驗(yàn)結(jié)果表明，IBAC啟動(dòng)速度快，對(duì)微污染物凈化效果較高，對(duì)濁度去除效果較好；在進(jìn)水硝基苯濃度低于26μg/L時(shí)，出水中檢不出硝基苯；在硝基苯濃度突然增加時(shí)，其恢復(fù)凈化能力的時(shí)間較短。與活性炭相比，IBAC對(duì)硝基苯具有更好的凈化效果，利用固定化生物活性炭工藝深度處理含硝基苯的微污染水，可以完全吸附進(jìn)水中的硝基苯，并且對(duì)硝基苯進(jìn)行原位生物降解，出水中其他各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

施東文等[7]利用常規(guī)/臭氧生物活性炭組合工藝處理受污染的黃河水，其工藝流程如圖2。研究結(jié)果表明，僅用常規(guī)處理單元雖然對(duì)CODMn、UV254、三氯甲烷前體物、藻類、2-甲基異莰醇均有較好的去除效果，但出水水質(zhì)不能滿足我國(guó)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。需增設(shè)深度處理單元，才能有效降低有機(jī)物的含量，并滿足我國(guó)的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 處理黃河水的組合工藝流程

2.2 生活污水的處理

生活污水主要來(lái)自家庭、商業(yè)、機(jī)關(guān)學(xué)校、旅游服務(wù)業(yè)及其他城市公用設(shè)施。城市生活污水中的污染物主要是有機(jī)物，如淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、糖類、礦物油等，其中CODCr（化學(xué)需氧量）、BODs（生物需氧量）、TKN（凱氏氮）、TN（總氮）、TP（總磷）也較高。將生活污水加以回收利用，實(shí)現(xiàn)污水資源化，是解決水資源短缺的經(jīng)濟(jì)而有效的途徑。但隨著對(duì)水質(zhì)要求的提高，傳統(tǒng)的水處理工藝已經(jīng)不能滿足安全、優(yōu)質(zhì)的供水水質(zhì)要求，因此必須進(jìn)行深度處理。BAC技術(shù)由于處理效果好、操作簡(jiǎn)單、成本低廉而成為生活污水深度處理的有效方法。

蘭淑澄等[8]采用絮凝過(guò)濾—BAC工藝處理上海寶鋼鋼管分廠廠區(qū)洗浴污水，處理工藝流程如圖3?；炷端幭到y(tǒng)投加硫酸鋁作為絮凝劑去除懸浮物和膠體。采用升流式常壓過(guò)濾塔，塔徑D=2m，以聚乙烯顆粒作為輕質(zhì)濾料，濾層高度H=1m，濾速VL=7m/h，濾塔每天反沖一次，采用氣水聯(lián)合反沖；BAC裝置采用降流式生物炭塔，塔徑D=2.6m，空塔速度VL=4m/h，內(nèi)裝填寧夏太西煤為原料的優(yōu)質(zhì)水處理炭（Φ=1.5mm，H=3mm，柱狀炭），炭層高度2m，炭層供氧氣水比4：1。每天氣水聯(lián)合反沖一次炭層，反沖強(qiáng)度10L/s·m2。該裝置采用PLC控制系統(tǒng)，可達(dá)到啟動(dòng)、運(yùn)行、反洗、停車(chē)等完全自動(dòng)控制操作，除配藥及巡回檢查外，可作到基本無(wú)人操作。運(yùn)行3年多，SS、COD、BOD5和洗滌劑去除率分別為68.1%～74.5%、57.7%～69.2%、64.1%～77.6%、81.8%～90.6%，處理效果好，出水達(dá)到中水標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 生活污水處理工藝流程

崔福義等[9]采用固定化生物活性炭（IBAC）為主的處理工藝對(duì)洗浴廢水進(jìn)行處理。處理后水的濁度、高錳酸鹽指數(shù)、LAS和浴臭平均值分別為2146NTU，312mg/L，0.113mg/L和0級(jí)臭味，IBAC可有效去除洗浴廢水中的有機(jī)物。IBAC經(jīng)過(guò)反沖洗后，仍具有良好的凈化效果，在運(yùn)行10個(gè)月后的IBAC上，人工固定化的工程菌仍占優(yōu)勢(shì)，活性炭也具有較高的碘值和亞甲蘭值。

2.3 工業(yè)廢水的處理

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2006年工業(yè)廢水排放總量為239.5億t[10]。與其他工業(yè)廢水的處理方法相比，生物活性炭法（BAC）在低濃度、難降解的有機(jī)廢水的處理方面有較大優(yōu)勢(shì)，許多研究者將BAC技術(shù)成功應(yīng)用于制藥、煉鋼、印染和石油廢水等工業(yè)廢水的處理。

劉瑛[11]采用BAC法對(duì)石油化工污水進(jìn)行了以回用為目的的深度處理試驗(yàn)。試驗(yàn)以含油污水二級(jí)出水為原水，直接泵入生物活性炭柱進(jìn)行處理?；钚蕴繉痈叨葹?00cm，污水流量根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)取1L/h、2L/h、4L/h三種情況。結(jié)果表明，此工藝具有良好的深度處理效果：試驗(yàn)出水的濁度、氨氮含量、COD及石油類含量，均達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。COD濃度由進(jìn)水的107.88mg/L降低到21.05mg/L，平均去除率達(dá)到80.4%；氨氮平均含量由進(jìn)水的14.53mg/L降低到4.30mg/L，平均去除率達(dá)到71.2%；濁度由進(jìn)水的19.55NTU，降低到出水的0.74NTU，平均去除率為96.2%；石油類含量由進(jìn)水的14.67mg/L，降低到4.87mg/L，平均去除率為66.8%。

徐竟成等[12]以生物活性炭濾柱采用自然掛膜的方式處理某大型鋼鐵企業(yè)的煉鋼廢水（流程如圖4）。結(jié)果表明，BAC工藝對(duì)鋼鐵工業(yè)廢水中濁度、有機(jī)物及氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都有較好的去除效果，在停留時(shí)間為45min的運(yùn)行工況下，濁度、COD、氨氮和總磷的平均去除率分別達(dá)90%、55%、84%和44%；經(jīng)過(guò)富含鐵、錳廢水的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)濾，活性炭填料表面形成的包括鐵、錳氧化細(xì)菌在內(nèi)的生物群系，對(duì)鋼鐵工業(yè)廢水中的鐵、錳有較好的去除效果。在濾柱濾速為1.6m/h、停留時(shí)間為45min的運(yùn)行工況下，鐵、錳平均去除率超過(guò)78%,基本達(dá)到GB/T19923-2005循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)充水水質(zhì)要求。

圖4 處理鋼鐵廢水流程[12]

3 生物活性炭應(yīng)用工程實(shí)例

某學(xué)院生活污水處理工程，處理量為2000m3/d。該工程投入運(yùn)行后，性能十分穩(wěn)定。工程設(shè)計(jì)布局合理，占地面積小，操作方便，出水水質(zhì)清澈。

該工程總投資為380萬(wàn)元，主體設(shè)備壽命可達(dá)20年以上，其運(yùn)行費(fèi)用僅為0.30元/t（按投資建設(shè)費(fèi)計(jì)算），由于處理水質(zhì)好，進(jìn)行了中水回用，產(chǎn)生了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，扣除每年的綜合運(yùn)行費(fèi)用后，約3年的時(shí)間可全部收回投資，且操作管理方便，只需要定時(shí)巡視即可，無(wú)須專人值守。

[1]Kim,Woo Hang, et al．Pilot plant study on ozonation and biological activated carbon process for drinking water treatment． Water Science and Technology,1997,35(8)：21-28．

[2]任南琪，李建政．環(huán)境污染防治中的生物技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

[3]Mark A．Carlson, kerin M．Heffernan, et．a(chǎn)l． Comparing two GAC for Adsorption and Biostabilization． J．AWWA,1994,86(3)．

[4]楊基先，馬放．利用工程菌處理含油廢水的可行性研究[J]．東北師大學(xué)報(bào)自然科學(xué)版2001，33（2）．

[5]劉紅，謝倍珍，李安婕．生物活性炭水質(zhì)凈化理論和技術(shù)[M]．北京：科學(xué)出版社，2007．

[6]王晨，馬放，山丹，等．固定化生物活性炭處理含硝基苯微污染水的可行性研究[J]．環(huán)境科學(xué)，2007，28（7）：1490-1495．

[7]施東文，謝曙光，汪蕊，等．常規(guī)/臭氧生物活性炭組合工藝處理受污染黃河水研究[J]．北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）網(wǎng)絡(luò)版（預(yù)印本），2001，1（3）：1-4．

[8]蘭淑澄．過(guò)濾-生物活性炭技術(shù)處理洗浴廢水[J]．環(huán)境保護(hù)工程與技術(shù)，2002，（8）： 16-17．

[9]崔福義，楊海燕，馬放．IBAC工藝對(duì)洗浴廢水中有機(jī)污染物的去除效能與機(jī)理[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，35（2）： 275-279．

[10]http：//www．sepa．gov．cn/cont/swrkz/shzl/200804/t20080428_121711．htm

[11]劉瑛．生物活性炭法處理石油化工二級(jí)出水的試驗(yàn)研究[M]．西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006．

[12]徐竟成，黃翔峰，王禎貞．生物活性炭深度處理和回用鋼鐵工業(yè)廢水[J]．環(huán)境污染與防治，2007，29（11）： 862-866．

Application of Biological Activated Carbon Technology in Water Treatment

LI Can, ZHAO Yan-jun
(Unit 92609, PLA, Beijing 100077, China)

The biological activated carbon (BAC) technology is a new water treatment technology which shows the su?periority of adsorption and biodegradation. This paper summarizes the pollutants removal mechanism of BAC. And it further elaborates the progress research of BAC in the treatment of micro-polluted water source, domestic sewage treatment and industrial wastewater treatment.

biological activated carbon; water treatment; purification

X703

A

1006-5377（2012）05-0027-04