生物活性炭技術(shù)在水處理中的應用研究

摘要：BAC技術(shù)結合并優(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(zhù)。介紹了生物活性炭技術(shù)處 理污水的作用機理，簡(jiǎn)述了近年來(lái)國內外生物活性炭技術(shù)在水處理中的研究與應用，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 作用機理 應用

隨著(zhù)工業(yè)的發(fā)展，飲用水源的污染日益加劇，飲用水的 衛生和安全也受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，水中所含污染物的種 類(lèi)和數量不斷增多，污染成分也越來(lái)越復雜。采用常規的水 處理方法已不能滿(mǎn)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(lái)源廣泛且容易再生，能 反復利用的活性炭倍受關(guān)注，其發(fā)達的細孔結構和特異的表 面特性使它不僅具有極強的吸附性能、氧化還原性能、電性 能，而且還可以與其它材料聯(lián)合應用，作為催化劑及催化劑 和生物的載體，所有這些結構特性使活性炭在水處理技術(shù)中 得以廣泛應用［2］。

隨著(zhù)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(wú)微生物的 GAC要長(cháng)。1978年，美國學(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(yǔ)。其實(shí)，從20世紀60年代開(kāi)始，歐洲一些國 家就用到BAC技術(shù)來(lái)深度處理水，并取得良好的效果。我國 也于70年代開(kāi)始對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)際應用當 中為眾所公認的［3］。

1 BAC作用機理

生物活性炭（BAC）技術(shù)以粒狀活性炭為載體，通過(guò)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(lái)去除污染物。同時(shí)，生物膜通過(guò)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(cháng)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(guò)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物及有毒物質(zhì)，使之 達到凈化的目的。研究表明，活性炭對分子量500～1000范圍 內的有機物具有較強的吸附能力［9］。活性炭對有機物的吸附 受其孔徑分布和有機物的極性及分子大小的影響。同樣大小 的有機物，溶解度越大、親水性越強，活性炭對它的吸附性越差，反之，對溶解度小，親水性差、極性弱的有機物如苯類(lèi)化 合物、酚類(lèi)化合物等具有較強的吸附能力。

（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(guò)對 污染物的氧化分解過(guò)程獲取營(yíng)養和能量，同時(shí)水中污染物也 因此改變了其化學(xué)結構，從而改變了化學(xué)和物理性能，最終 達到去除水中污染物及活性炭獲得再生的目的。

總之，BAC通過(guò)活性炭與微生物的協(xié)同作用，提高了微 生物對水中污染物的降解能力，活性炭粒的表面成為微生物 的良好培養基，并對微生物進(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(cháng)其使用壽命〔4〕。

2 BAC在水處理中的應用

20世紀20年代末、30年代初，國外開(kāi)始用粉末活性炭 去除水中的臭味，并于1930年在美國費城建立了第一個(gè)用 活性炭吸附池除臭的水廠(chǎng)。50年代后，歐美國家開(kāi)始大量使 用活性炭處理城市飲用水和工業(yè)廢水。我國對BAC的研究 也已有30多年的歷史。20世紀60年代末開(kāi)始利用活性炭去除受污染水源的臭味。80年代初，北京市政工程設計院在北京田村山水廠(chǎng)進(jìn)行了活性炭吸附試驗，實(shí)驗表明［5］，活性炭吸附去除微污染水源水中的有機物、有毒物質(zhì)是有效的。 近些年來(lái)，我國對活性炭的研究和應用越來(lái)越重視，同濟大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)都對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用

目前，國外應用BAC技術(shù)最廣泛的是對水進(jìn)行深度處 理，它能夠有效地去除水中的有機物。歐洲應用BAC技術(shù)的 水廠(chǎng)已發(fā)展到70個(gè)以上。我國上海的楊樹(shù)浦水廠(chǎng)和南市水 廠(chǎng)于2002年10月開(kāi)始也采用BAC技術(shù)處理原水，出廠(chǎng)水 質(zhì)各項指標均達到國際先進(jìn)水平。

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

臭氧—生物活性炭技術(shù)以預臭氧化代替預氯化，可以使 水中一些原來(lái)不易生物降解的有機物變成可生物降解的有 機物，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(cháng)，與預氯化時(shí)的情況完全不同。

國內外不少學(xué)者還研究應用BAC技術(shù)與臭氧相結合處 理污染原水的方法，均表明對微染原水的處理非常有效。呂 炳南等［6］的研究結果（見(jiàn)表1）表明，BAC技術(shù)大大減少出水 的有機物種類(lèi)。日本Kanamachi水質(zhì)凈化廠(chǎng)［7］1984年開(kāi)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 氧化后生物可降解溶解有機碳（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 碳（non.BDOC）置換，實(shí)驗結果表明，臭氧預氧化后產(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之前的臭氧預氧化能夠延長(cháng)活性炭的使用壽命，降低BAC段的有機負荷。

2.2 BAC在工業(yè)廢水處理中的應用

國外一些大學(xué)研制的生物活性炭攪拌池反應器，在處理 印染廢水上取得了很好的效果，該研究對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，并對不同 類(lèi)型染料廢水的處理效果進(jìn)行了分析。由表2可見(jiàn)BAC系 統的染料去除速率比單純生物降解及單純活性炭吸附兩過(guò) 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物和高濃度氨氮的污泥干 化廢水。實(shí)驗結果顯示，抑制性有機物濃度經(jīng)過(guò)BAC反應器 后大幅度降低，氨氮濃度在經(jīng)過(guò)BZ反應器后大大降低，污 染物的降低均為介質(zhì)吸附過(guò)程和生物降解過(guò)程共同作用的 結果。

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

2.3 BAC在生活污水處理中的應用

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法結合了生物降解和吸附2個(gè)過(guò)程，對于去除 非離子合成表面活性劑（NISS）非常有效。

德國的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分析及質(zhì)量光譜分析來(lái)檢測污染 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(lèi)化合物對水體中生物群落的內分泌系統有很 強的毒害作用［11］。

在芬蘭，人們研究了臭氧-雙級活性炭法［12］，對可同化有 機碳(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)驗結果表明，在系統運行初始階段，活性炭的 物理吸附發(fā)揮主要作用，隨著(zhù)吸附逐漸達到飽和以及微生物 活性的逐漸增強，生物降解作用也逐漸增強，最終二者協(xié)同 作用，這種協(xié)同作用表現為微生物對活性炭吸附能力的再 生，再生度為20%～24%。

3 結語(yǔ)

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，在未來(lái)的發(fā)展中將發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。 為進(jìn)一步提高處理水的出水水質(zhì)，增加去除有機污染物的效 率，在以后BAC技術(shù)的發(fā)展中應當加強對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合工藝的研究 和開(kāi)發(fā)。同時(shí)，活性炭作為微生物群落集結地和降解污染物 的場(chǎng)所，對微生物的吸附和建立群落層次有著(zhù)重要的作用， 因此活性炭材質(zhì)對BAC的形成及降解能力強弱有無(wú)影響值 得我們關(guān)注。

參考文獻
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2馬青蘭，王增長(cháng)，李敏敏，等.活性炭凈化廢水處理研究.新型炭材 料，2002，17（1）
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5金偉，李懷正，范瑾初.粉末活性炭吸附技術(shù)應用的關(guān)鍵問(wèn)題.給水 排水，2001，27（10）
6呂炳南，張金松，朱佳.用臭氧-生物活性炭（BAC）法深度處理飲用 水.中國給水排水，1993，9(3)來(lái)源：商靜宇