生物活性炭技術(shù)在水處理中的應(yīng)用研究

摘要：BAC技術(shù)結(jié)合并優(yōu)化了活性炭吸附和生物降解兩種作用，在水處理方面凈水效果顯著。介紹了生物活性炭技術(shù)處 理污水的作用機(jī)理，簡(jiǎn)述了近年來國(guó)內(nèi)外生物活性炭技術(shù)在水處理中的研究與應(yīng)用，提出了生物活性炭技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：生物活性炭 水處理 作用機(jī)理 應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展，飲用水源的污染日益加劇，飲用水的 衛(wèi)生和安全也受到越來越廣泛的關(guān)注，水中所含污染物的種 類和數(shù)量不斷增多，污染成分也越來越復(fù)雜。采用常規(guī)的水 處理方法已不能滿足要求，必須進(jìn)行深度處理，一些作用單 一的材料和方法已不適用［1］。所以，來源廣泛且容易再生，能 反復(fù)利用的活性炭倍受關(guān)注，其發(fā)達(dá)的細(xì)孔結(jié)構(gòu)和特異的表 面特性使它不僅具有極強(qiáng)的吸附性能、氧化還原性能、電性 能，而且還可以與其它材料聯(lián)合應(yīng)用，作為催化劑及催化劑 和生物的載體，所有這些結(jié)構(gòu)特性使活性炭在水處理技術(shù)中 得以廣泛應(yīng)用［2］。

隨著顆粒活性炭（Granular Activated Carbon，GAC）廢水 處理技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)GAC表面極易于微生物的繁殖， 而且，具有微生物繁殖的活性炭使用壽命比無微生物的 GAC要長(zhǎng)。1978年，美國(guó)學(xué)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）這一術(shù)語。其實(shí)，從20世紀(jì)60年代開始，歐洲一些國(guó) 家就用到BAC技術(shù)來深度處理水，并取得良好的效果。我國(guó) 也于70年代開始對(duì)BAC進(jìn)行研究，而在廢水處理方面， BAC技術(shù)才剛剛起步，然而，該技術(shù)的優(yōu)越性在實(shí)際應(yīng)用當(dāng) 中為眾所公認(rèn)的［3］。

1 BAC作用機(jī)理

生物活性炭（BAC）技術(shù)以粒狀活性炭為載體，通過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來去除污染物。同時(shí)，生物膜通過生物降解活性炭吸附的部分污染物而再生活性炭，從而大大延長(zhǎng)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過活性炭固體表面具有多孔性 的特點(diǎn)，吸附去除污水或廢水中的有機(jī)物及有毒物質(zhì)，使之 達(dá)到凈化的目的。研究表明，活性炭對(duì)分子量500～1000范圍 內(nèi)的有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附能力［9］。活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附 受其孔徑分布和有機(jī)物的極性及分子大小的影響。同樣大小 的有機(jī)物，溶解度越大、親水性越強(qiáng)，活性炭對(duì)它的吸附性越差，反之，對(duì)溶解度小，親水性差、極性弱的有機(jī)物如苯類化 合物、酚類化合物等具有較強(qiáng)的吸附能力。

（2）微生物的生物降解作用

BAC借助微生物群體的新陳代謝活動(dòng)，微生物通過對(duì) 污染物的氧化分解過程獲取營(yíng)養(yǎng)和能量，同時(shí)水中污染物也 因此改變了其化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而改變了化學(xué)和物理性能，最終 達(dá)到去除水中污染物及活性炭獲得再生的目的。

總之，BAC通過活性炭與微生物的協(xié)同作用，提高了微 生物對(duì)水中污染物的降解能力，活性炭粒的表面成為微生物 的良好培養(yǎng)基，并對(duì)微生物進(jìn)行吸附。而且，其表面粗糙凹處 還具有遮擋水流剪斷力的作用。同時(shí)，好氧微生物可以提高活性炭的吸附容量，延長(zhǎng)其使用壽命〔4〕。

2 BAC在水處理中的應(yīng)用

20世紀(jì)20年代末、30年代初，國(guó)外開始用粉末活性炭 去除水中的臭味，并于1930年在美國(guó)費(fèi)城建立了第一個(gè)用 活性炭吸附池除臭的水廠。50年代后，歐美國(guó)家開始大量使 用活性炭處理城市飲用水和工業(yè)廢水。我國(guó)對(duì)BAC的研究 也已有30多年的歷史。20世紀(jì)60年代末開始利用活性炭去除受污染水源的臭味。80年代初，北京市政工程設(shè)計(jì)院在北京田村山水廠進(jìn)行了活性炭吸附試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明［5］，活性炭吸附去除微污染水源水中的有機(jī)物、有毒物質(zhì)是有效的。 近些年來，我國(guó)對(duì)活性炭的研究和應(yīng)用越來越重視，同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)都對(duì)活性炭做出了較為深入的研究，并已取得實(shí)用性的成果。

2.1 BAC在微污染水源處理中的應(yīng)用

目前，國(guó)外應(yīng)用BAC技術(shù)最廣泛的是對(duì)水進(jìn)行深度處 理，它能夠有效地去除水中的有機(jī)物。歐洲應(yīng)用BAC技術(shù)的 水廠已發(fā)展到70個(gè)以上。我國(guó)上海的楊樹浦水廠和南市水 廠于2002年10月開始也采用BAC技術(shù)處理原水，出廠水 質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

近年來，由于對(duì)飲用水的色度、金屬含量（Fe、Al、Mn等） 及三鹵甲烷化合物（THM）的限制越來越嚴(yán)格，使人們愈發(fā)對(duì) 臭氧與生物過濾相結(jié)合的工藝產(chǎn)生了興趣。

臭氧—生物活性炭技術(shù)以預(yù)臭氧化代替預(yù)氯化，可以使 水中一些原來不易生物降解的有機(jī)物變成可生物降解的有 機(jī)物，臭氧化的同時(shí)還可提高水中溶解氧的含量。此外，水中溶解臭氧的濃度很低，自分解速度又快，活性炭對(duì)溶解臭氧有催化分解作用，因此不會(huì)抑制床中微生物的生長(zhǎng)，與預(yù)氯化時(shí)的情況完全不同。

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者還研究應(yīng)用BAC技術(shù)與臭氧相結(jié)合處 理污染原水的方法，均表明對(duì)微染原水的處理非常有效。呂 炳南等［6］的研究結(jié)果（見表1）表明，BAC技術(shù)大大減少出水 的有機(jī)物種類。日本Kanamachi水質(zhì)凈化廠［7］1984年開始使 用粉末活性炭處理水中的產(chǎn)生的霉臭的物質(zhì)2-甲基異冰片 （MIB），取得了良好的效果。W.Nishijima等［8］研究了臭氧預(yù) 氧化后生物可降解溶解有機(jī)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機(jī) 碳（non.BDOC）置換，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，臭氧預(yù)氧化后產(chǎn)生的 BDOC的吸附性能略低于生物降解后殘余的non.BDOC。因 此，BAC之前的臭氧預(yù)氧化能夠延長(zhǎng)活性炭的使用壽命，降低BAC段的有機(jī)負(fù)荷。

2.2 BAC在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

國(guó)外一些大學(xué)研制的生物活性炭攪拌池反應(yīng)器，在處理 印染廢水上取得了很好的效果，該研究對(duì)BAC、生物砂床、 單純活性炭吸附及單純生物降解進(jìn)行了平行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)不同 類型染料廢水的處理效果進(jìn)行了分析。由表2可見BAC系 統(tǒng)的染料去除速率比單純生物降解及單純活性炭吸附兩過 程染料去除速率的和要高。

F.Nishimura等［9］采用BAC—BZ（生物沸石）組合工藝處 理同時(shí)含有抑制硝化作用的有機(jī)物和高濃度氨氮的污泥干 化廢水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，抑制性有機(jī)物濃度經(jīng)過BAC反應(yīng)器 后大幅度降低，氨氮濃度在經(jīng)過BZ反應(yīng)器后大大降低，污 染物的降低均為介質(zhì)吸附過程和生物降解過程共同作用的 結(jié)果。

荷蘭學(xué)者利用活性炭生物膜（BACF）法與反滲透法組合來處理含殺蟲劑的污染水，對(duì)殺蟲劑的去除率高達(dá)99.5%，且臭氧-BACF的作用明顯減輕了反滲透膜的污染問題，處理效果優(yōu)良且穩(wěn)定［10］。

2.3 BAC在生活污水處理中的應(yīng)用

BAC技術(shù)在生活污水處理中也取得了很好的效果，尤 其由于BAC法結(jié)合了生物降解和吸附2個(gè)過程，對(duì)于去除 非離子合成表面活性劑（NISS）非常有效。

德國(guó)的Schroder等學(xué)者在進(jìn)行城市生活污水處理的研 究時(shí)，采用了新的總和參數(shù)分析及質(zhì)量光譜分析來檢測(cè)污染 物的去除率，證明了用臭氧-生物活性炭法處理城市生活污 水，對(duì)其中烷基苯灰化合物及其降解產(chǎn)物等極性化合物的去 除率更好，這類化合物對(duì)水體中生物群落的內(nèi)分泌系統(tǒng)有很 強(qiáng)的毒害作用［11］。

在芬蘭，人們研究了臭氧-雙級(jí)活性炭法［12］，對(duì)可同化有 機(jī)碳(AOC)的處理效果更好(出水AOC＜10μg/L)，由于經(jīng) BAC工藝處理，水質(zhì)優(yōu)良。

A.S.Sirotkin等［13］采用BAC工藝處理含非離子表面活 性劑的廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段，活性炭的 物理吸附發(fā)揮主要作用，隨著吸附逐漸達(dá)到飽和以及微生物 活性的逐漸增強(qiáng)，生物降解作用也逐漸增強(qiáng)，最終二者協(xié)同 作用，這種協(xié)同作用表現(xiàn)為微生物對(duì)活性炭吸附能力的再 生，再生度為20%～24%。

3 結(jié)語

BAC技術(shù)處理微污染水源、工業(yè)廢水、生活污水，具有 諸多的優(yōu)勢(shì)，在未來的發(fā)展中將發(fā)揮著越來越重要的作用。 為進(jìn)一步提高處理水的出水水質(zhì)，增加去除有機(jī)污染物的效 率，在以后BAC技術(shù)的發(fā)展中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)BAC技術(shù)與臭 氧、膜技術(shù)，超濾技術(shù)等其他水處理工藝的結(jié)合工藝的研究 和開發(fā)。同時(shí)，活性炭作為微生物群落集結(jié)地和降解污染物 的場(chǎng)所，對(duì)微生物的吸附和建立群落層次有著重要的作用， 因此活性炭材質(zhì)對(duì)BAC的形成及降解能力強(qiáng)弱有無影響值 得我們關(guān)注。

參考文獻(xiàn)
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