生物活性炭技術(shù)在水處理中的研究進(jìn)展與應(yīng)用

許 亮，王文美，張 余，劉金冠

(1.天津市環(huán)境監(jiān)測總站，天津 300191；2.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津 300191)

生物活性炭技術(shù)在水處理中的研究進(jìn)展與應(yīng)用

許 亮1，王文美2，張 余2，劉金冠2

(1.天津市環(huán)境監(jiān)測總站，天津 300191；2.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津 300191)

總結(jié)了生物活性炭（BAC）技術(shù)在凈水處理、廢水處理和污水再生利用處理中的應(yīng)用;闡述了生物活性炭對污染物的去除機(jī)理;介紹了生物活性炭技術(shù)在水處理中（包括給水深度處理、多種工業(yè)廢水及生活污水處理） 的最新應(yīng)用研究成果及該技術(shù)的發(fā)展方向。

生物活性炭;污水處理;反沖洗

1 引言

生物活性炭（Biological Activated Carbon，BAC）技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的去除水中有機(jī)污染物的一種新技術(shù)。

生物活性炭技術(shù)即為利用粒狀活性炭巨大比表面積及發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)對水中有機(jī)物及溶解氧很強(qiáng)的吸附特性，將其作為生物載體替代傳統(tǒng)的生物填料，并充分利用活性炭的吸附以及活性炭層內(nèi)微生物有機(jī)分解的協(xié)同作用。BAC法可以去除活性炭和生物法單獨使用時不能去除的污染物，且處理效率也較兩者單獨使用時高。生物活性炭法是近年來發(fā)展起來的一種新型水處理工藝，目前，世界許多國家已在污染水源凈化、工業(yè)廢水處理及污水再利用的工程中應(yīng)用了該技術(shù)，尤其在西歐應(yīng)用更為廣泛。該工藝的研究在我國已有十多年的歷史，目前已進(jìn)入實用階段。雖然國內(nèi)外理論界對其作用機(jī)理解釋不盡一致，但其在實際應(yīng)用中所表現(xiàn)出來的去除效率高、操作管理簡便、活性炭使用周期大大延長和運行成本較低等優(yōu)點已被公眾所認(rèn)同。

生物活性炭技術(shù)在源水處理過程中已得到了有效普及利用，工業(yè)生產(chǎn)的快速增長和水資源的日益短缺在一定程度上加快了污水深度處理技術(shù)的發(fā)展，以粒狀活性炭為填料對二級生化處理后的出水進(jìn)行深度處理也引起了人們的廣泛注意，生物活性炭以其出水水質(zhì)穩(wěn)定可靠、無異味、處理成本低而逐步在生活污水、印染廢水、石化廢水等多種廢水深度處理中得到應(yīng)用。

2 生物活性炭（BAC）技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

2.1 飲用水源處理

以生物活性炭為中心的深度處理技術(shù)是提高飲用水水質(zhì)的最主要技術(shù)之一，在降低出水中溶解性有機(jī)物濃度、提高后續(xù)消毒功能、去除原水中的微量持久性有機(jī)物、改善感官指標(biāo)等方面發(fā)揮了重要的作用。生物活性炭能夠迅速地吸附水中的溶解性有機(jī)物，同時能夠富集水中的微生物，生物活性炭表面吸附的大量有機(jī)物也為微生物提供了充足的養(yǎng)分。Alexander等[1]研究表明：生物活性炭比單獨吸附和生物降解更有效，微生物活動對活性炭起到了再生作用，比例達(dá)20%～24%，活性炭的存在也減輕了水中有害物質(zhì)對微生物的影響。這可能是由于附著微生物能夠抵制難降解化合物的毒害以及自身的快速內(nèi)源呼吸，并擁有不斷增強(qiáng)的新陳代謝能力?；钚蕴繉由献畛醯幕蜃匀划a(chǎn)生的生物能的增加， 能促進(jìn)凈化水中吸附劑活性資源的增加。N.Klimenk等[2]提出吸附解吸過程受濃度梯度和溶液及孔隙的吉布斯自由能影響，與以往有關(guān)協(xié)同作用解釋觀點不同的是， 他們認(rèn)為影響生物吸附的因素是活性炭生物再生的強(qiáng)度，并且在整個生物吸附過程中微孔一直被吸附基質(zhì)所占用，沒有發(fā)生生物再生，只有過渡孔能夠通過微生物再生。Se-HanLee等[3]研究表明，吸附能力的不同還與活性炭上積累的鈣離子量有關(guān)，用酸洗活性炭去除鈣離子后，吸附能力得到恢復(fù)。吳紅偉等[4]認(rèn)為原水經(jīng)過臭氧氧化后，分子量在103～3×103的有機(jī)物含量增加了13.5%，104～105的有機(jī)物增加9.7%，但其他區(qū)間的有機(jī)物含量都減少了，尤以分子量大于105的有機(jī)物含量減少最多。此外還有研究結(jié)果表明，臭氧化可改善水的可生化性，增加水中有機(jī)營養(yǎng)基質(zhì)的含量，具體表現(xiàn)為生物可降解溶解性有機(jī)碳（BDOC）和可同化有機(jī)碳（AOC）濃度增高。

Summers[5]研究表明，對分子量在500～1000的腐殖質(zhì)可吸附面積達(dá)粒狀活性炭（GAC）可吸附面積的25%。Hu等[6]研究發(fā)現(xiàn)，GAC 對烷烴類有機(jī)物的去除效率最高，其次是苯類、硝基苯類、多環(huán)芳烴類和鹵代烴類，對醇類、酮類、酚類的去除效果相對較弱。Ribas等[7]認(rèn)為臭氧會引起B(yǎng)DOC 增加53.8%～63.6%，因為部分不可降解有機(jī)物被臭氧氧化成易降解有機(jī)物，使一些天然有機(jī)物氧化成小分子的有機(jī)物，而小分子有機(jī)物易被生物作為營養(yǎng)吸收，如富里酸氧化后會產(chǎn)生烷烴、脂肪醛、酮、酸等有機(jī)物。這些小分子有機(jī)物易通過細(xì)胞膜被細(xì)胞代謝酶吸收降解，可使溶解性有機(jī)碳（DOC）去除率達(dá)29.9%～53.6%，BDOC去除率達(dá)到52%～70.7%。李秋瑜等[8]研究證明，運用生物活性炭水處理技術(shù)處理水量較大，并且可以保證出水CODMn完全滿足飲用凈水指標(biāo)要求；UV254的去除效果也非常顯著，平均去除率達(dá)94%。通過GC-MS分析處理前后的水中有機(jī)物種類，進(jìn)一步驗證，生物活性炭技術(shù)對原水中有機(jī)物，尤其是不飽和烴類和含氮有機(jī)物有十分顯著的去除效果。生物活性炭對親水性有機(jī)物的強(qiáng)降解作用可以有效抑制致癌風(fēng)險較高的鹵乙酸的生成。親水性有機(jī)物氯化后，單位溶解性有機(jī)碳生成鹵乙酸的潛能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生成三鹵甲烷的潛能。張金松等[9]試驗證明，與對三鹵甲烷前質(zhì)不同，生物活性炭對鹵乙酸前質(zhì)表現(xiàn)出良好的去除效果，去除率達(dá)33.9%。國內(nèi)的相關(guān)研究成果也認(rèn)為粒狀活性炭是控制鹵乙酸前質(zhì)的較好方法。

2.2 生活污水處理

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兩個過程，對于去除非離子合成表面活性劑（NISS）非常有效。Alexander等人[1]對此進(jìn)行了深入研究，證明了BAC技術(shù)對生物降解和活性炭吸附兩個過程的優(yōu)化主要體現(xiàn)為：微生物活動對活性炭起到了生物再生作用，其比例達(dá)到20%～24%；活性炭的存在也減輕了廢水中有害物質(zhì)對微生物的影響。在實際應(yīng)用中，BAC法處理生活污水在高負(fù)荷時能夠表現(xiàn)出穩(wěn)定的處理效果。德國的Schorder等學(xué)者在進(jìn)行城市生活污水處理的研究時，采用了新的總和參數(shù)分析及質(zhì)量光譜分析來檢測污染物的去除率，證明了用O3-BAC法處理城市生活污水，對其中烷基苯類化合物及其降解產(chǎn)物等極性化合物的去除率更好，這類化合物對一般水體中生物群落的內(nèi)分泌系統(tǒng)有很強(qiáng)的毒害作用。1997年寶鋼（集團(tuán)） 公司決定興建與寶鋼一、二期工程配套的廠區(qū)環(huán)保設(shè)施1.05萬m3/d的生活污水處理工程。針對廠區(qū)生活污水（衛(wèi)生間、食堂、浴室） 的水質(zhì)、水量，以及污水排放點分散等特點，采用SBRO生物活性炭工藝，分別在各廠區(qū)陸續(xù)建成十多套800m3/d的綜合污水處理及再生裝置。

2.3 工業(yè)廢水處理

（1）印染廢水

對于染整類生產(chǎn)企業(yè)所排放的生產(chǎn)廢水，由于廢水中含有一定量的染料、助劑及其他化學(xué)類物質(zhì)，具有廢水色度高、COD含量高、難于生化處理等特點，采用“酸化預(yù)處理+生化處理+絮凝過濾+生物活性炭”的綜合處理流程，染整類廢水經(jīng)過處理后基本可以達(dá)到生產(chǎn)回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。國內(nèi)已有多家生產(chǎn)企業(yè)采用此種工藝，運行結(jié)果表明，生物活性炭用于生化后續(xù)處理，可以保證出水色度、異味及有機(jī)耗氧物的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。BAC技術(shù)與其他工藝相結(jié)合也可以處理難度較高的工業(yè)廢水。由英國Belfas皇后大學(xué)與新西蘭Canterbury大學(xué)聯(lián)合研制的生物活性炭攪拌池反應(yīng)器（STR）在印染廢水處理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)行了平行實驗，并對不同類型染料廢水的處理效果進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示：四種處理方法均起到脫色作用。生物砂床的效果略優(yōu)于單純生物降解，這是由于生物砂床上的生物增長率高，可以促進(jìn)生物吸附及染料去除。過了初始階段的生物活性炭的染料去除率也優(yōu)于單純活性炭吸附，初始階段BAC反應(yīng)速率較低可能是由于廢水中的營養(yǎng)物阻塞了活性炭的縫隙及大孔。而接下來BAC的高效反應(yīng)則是活性炭吸附、生物降解及生物吸附的共同作用。同時攪拌池反應(yīng)器系統(tǒng)中的高速攪拌也減少了粒狀活性炭上的過剩生物量，避免固定床系統(tǒng)吸附效率的降低。

（2）制藥廢水

制藥廢水由于含有有機(jī)物種類多、濃度高、色度深、固體懸浮物濃度高、組分復(fù)雜，且含有難降解物質(zhì)和抑制細(xì)菌生長的抗生素而成為廢水處理中的難題。胡妙生[10]采用厭氧生物活性炭流化床來處理制藥廠生產(chǎn)氯苯胍和絡(luò)硝咪唑兩個車間的排放液，試驗發(fā)現(xiàn)，與其他工藝相比，該工藝停留時間短，耐沖擊負(fù)荷大，在高進(jìn)水負(fù)荷下出水穩(wěn)定，COD去除率達(dá)80%以上。比利時Gent大學(xué)研究的生物活性炭氧化過濾器系統(tǒng)（BACOF），在處理制藥廢水上取得了良好效果[11]。經(jīng)處理后的制藥廠出水中，COD去除率在70%以上，處理后出水的COD低于25mg/L。廢水中對硝化菌有害的微污染物被去除，使得難生物降解的含氮化合物被硝化。制藥廠廢水經(jīng)生化處理后的出水對魚類有較強(qiáng)的毒害作用，而再經(jīng)BACOF系統(tǒng)處理后的出水，在檢測范圍內(nèi)對魚類既無急性的亦無慢性的毒害作用。

（3）含油廢水

含油廢水來自鋼鐵、機(jī)械、石油化工和油的運輸，具有量大面廣的特點。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，含油廢水的排放量逐年增加，成分也日趨復(fù)雜。若直接排入水體，其表面的油膜會阻隔氧氣融入水中，致使水中缺氧、生物死亡、產(chǎn)生惡臭，嚴(yán)重污染環(huán)境。傳統(tǒng)的含油污水處理技術(shù)多是以吸附、聚結(jié)、凝聚等物理化學(xué)處理方式為主，近年來隨著環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，單純的物理、化學(xué)處理技術(shù)僅能保證出水水質(zhì)中油類物質(zhì)的達(dá)標(biāo)排放，而好氧類有機(jī)污染物卻往往超標(biāo)排放，嚴(yán)重影響附近水域水質(zhì)。同時由于多數(shù)企業(yè)所排放的含油廢水具有水質(zhì)、水量波動幅度大，生化指標(biāo)相對穩(wěn)定且不太高的特點，如采取傳統(tǒng)的生化處理工藝去除廢水中的有機(jī)好氧物，將帶來一系列運行、管理、操作問題，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。生物活性炭技術(shù)由于其獨特的處理機(jī)理和穩(wěn)定可靠的出水水質(zhì)、靈活的啟動方式而引起人們的日益關(guān)注。李偉光[12]等采用人工固定化生物活性炭技術(shù)處理含油廢水，其對油的去除率在80%～95%之間，COD平均去除率達(dá)53%，出水油質(zhì)量濃度小于5mg/L，試驗結(jié)果表明，該工藝對污染物的去除效果明顯高于顆?；钚蕴亢蛡鹘y(tǒng)的二級氣浮工藝。陳洪斌[13]等采用進(jìn)水-懸浮載體生物處理-絮凝氣浮和砂濾-充氧-生物活性炭處理-氯氣消毒工藝對中國石油大港石化公司的達(dá)標(biāo)煉化外排水進(jìn)行深度處理。近一年的連續(xù)運行表明，該工藝對COD的平均去除率達(dá)69.6%，在進(jìn)水COD超過150mg/L時，出水COD也保持在40mg/L以下，對污染物去除效果良好，出水COD、NH3-N、BOD、含油量和濁度均優(yōu)于回用水標(biāo)準(zhǔn)。廣州石油化工總廠煉油廠在試驗基礎(chǔ)上，于1987年將原廢水處理流程改為隔油-浮選-生物曝氣-后浮選-生物活性炭工藝，并增加3座同樣的活性炭塔，成為6塔并聯(lián)操作。每塔處理量360～600m3/h，進(jìn)粒狀生物活性炭（GBAC）塔DO為3～4mg/L，接觸時間為1～2h，LV為2.5～4.5m/h，反沖周期為5～7d，反沖速度為20m/h，反沖時間為15～20min。當(dāng)進(jìn)水COD為31～240mg/L時，GBAC出水COD為23.3～119mg/L，出水波動在40～80mg/L范圍的占出水總分析次數(shù)的73%。GBAC塔運行10個月后，炭的碘值仍為新炭的75%。

（4）垃圾滲濾液

受流動過程中諸多因素的影響，滲濾液的性質(zhì)包括物理因素、化學(xué)因素以及生物因素等在一個相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動。一般來說，其pH值在4～9之間，COD在2000～62,000mg/L的范圍內(nèi)，BOD在60～45,000mg/L的范圍內(nèi)，城市垃圾填埋場滲濾液是一種成分復(fù)雜的高濃度有機(jī)廢水，若不加處理而直接排入環(huán)境，會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。通過采用生物活性炭技術(shù)與其他工藝進(jìn)行聯(lián)合，可以有效去除垃圾滲濾液中的難降解物質(zhì)、色度和異味，保證出水穩(wěn)定可靠，為污水達(dá)標(biāo)處理提供有力的保障。

2.4 其他方面

在用水日益緊張的趨勢下，小區(qū)生活污水經(jīng)過二級生化處理后再進(jìn)行生物活性炭深度處理，可滿足于生活雜用水和小區(qū)景觀補(bǔ)充用水、綠化用水等需求，既有效減輕了污水排放對城市水體環(huán)境的污染影響，又能節(jié)約大量的城市自來水。BAC技術(shù)在歐洲還被很多國家，尤其是地中海附近國家廣泛用于處理垃圾填埋場的滲濾液。如希臘、意大利等國由于對城市固體廢棄物的處理目前還廣泛采用衛(wèi)生填埋法，所產(chǎn)生的滲濾液對環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的處理方法包括生物、化學(xué)、膜分離法及熱處理法等，物化處理費用高而效率低。傳統(tǒng)的活性污泥法可以有效去除有機(jī)碳及營養(yǎng)物質(zhì)，但在實際處理過程中常會遇到污泥沉降性能不佳、需要較長時間的曝氣和較大體積沉淀池，并要求循環(huán)全部生物量等問題。Loukidou等人[14]利用生物活性炭序批式反應(yīng)器（BACSBR）處理這類廢水，不僅降低了對曝氣的要求，同時減少了內(nèi)部循環(huán)，可很好地控制硝化過程，有效脫氮。該法對垃圾滲濾液中COD的去除率為81%，BOD的去除率達(dá)90%，氨的去除率為85%，同時減少色度80%。該法存在的問題是由于摩擦使少量活性炭微小顆粒隨水流流出造成活性炭損失及出水濁度升高。

在荷蘭有學(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，對殺蟲劑的去除率高達(dá)99.5% ，同時O3- BACF的作用明顯減輕了反滲透膜的污染問題，得到了優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的處理效果。在芬蘭，人們研究了臭氧-雙級活性炭法，對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，近十年來，歐洲各國對BAC技術(shù)機(jī)理及工業(yè)應(yīng)用的研究興趣日趨增加。除以上所述，BAC 技術(shù)的最新應(yīng)用研究還包括處理膠片廢水、石化工業(yè)廢水及食品廢水等。

3 結(jié)論

生物活性炭作為一項新型水處理技術(shù)，在以后的50年，BAC處理技術(shù)會大力開展開來。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和水質(zhì)指標(biāo)的逐步提高，會制出特殊性能的新型BAC燃燒爐，以去除以往難以除掉的目標(biāo)污染物。制出新的配布孔率的BAC，以增強(qiáng)預(yù)栽于BAC表層的污染物質(zhì)能力，加之BAC對微生物的精心培育，更能最大限度地加強(qiáng)對其有機(jī)物的去除，特制BAC在熱再生相隔的一段時間，對部分失效的BAC進(jìn)行漂洗，能延長BAC使用時間?，F(xiàn)場再生有利于BAC降低再生費用和加大去除效果。歸納起來，由于新型填料—生物活性炭的應(yīng)用，使得該項技術(shù)無論是在源水處理或是廢水處理工藝選擇中都具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。

（1）增加了水中溶解性有機(jī)物的去除效率，提高了出水水質(zhì)。

（2）水中氨氮可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而減少了后氯化的投氯量，對三鹵甲烷的生成起到進(jìn)一步的抑制作用。

（3）對活性炭而言，延長了活性炭的再生周期，減少了運行費用。

（4）生物活性炭作為飲用水深度處理工藝，碘值及亞甲基藍(lán)值對這一工藝單元影響甚微，生物活性炭主要是靠生物的作用而對水中有機(jī)污染物進(jìn)行分解，吸附作用處于次要地位。因此，對于初期活性炭的選擇可主要從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)加以選擇。

（5）對于生物活性炭運行失效指標(biāo)可以參考CODMn及UV254，用于常規(guī)微污染源水處理時，其UV254的變化值域為20%～25%，而CODMn的變化值域為30%～45%，當(dāng)運行監(jiān)控指標(biāo)連續(xù)數(shù)日達(dá)到最低值時，可考慮換炭。

（6）由于活性炭對氯的吸附能力較強(qiáng)，因此，為防止氯對生物的毒害，生物活性炭的反沖洗不宜采用出廠加含氯水的方法，尤其是在生物活性炭掛膜的初期。因此在設(shè)計時可考慮采用專用沖洗水池或水箱。

（7）生物活性炭的運行周期一般都長達(dá)3～4年，如果考慮每年對破損炭、反沖洗流失炭5%左右的更換和補(bǔ)充，可對生物活性炭運行失效指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，在有條件的情況下可定期測試TOC值及BOD值。在COOMn、UV254指標(biāo)連續(xù)下降的情況下，除考慮生物活性炭失效外，還要考慮是否是BOD值下降的原因。

（8）對于生物活性炭的沖洗需采用較高的強(qiáng)度以利于較薄的生物膜形成，并可起到減少運行中阻力和保持微生物活性的作用。

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Progress Research and Application of Biological Activated Carbon Technology in Water Treatment

XU Liang1, WANG Wen-mei1, ZHANG Yu2, LIU Jin-guan2
(1. Tianjin Environmental Monitering Center Tianjin 300191;2. Tianjin Academy of Environmental Sciences, Tianjin 300191, China)

Biological activated carbon (BAC) technology applies granular activated carbon as filler in micro-polluted source water and wastewater treatment. The mechanism of BAC is to use the adsorption of activated carbon and the degradation of micro-organisms inside activated carbon layer, through the biofilm degradation of a part of pollutant which adsorbed by biofilm,and regeneration of activated carbon, which effectively extends the life time of active carbon. The paper summarizes the application of BAC in water treatment, wastewater treatment and wastewater reclamation. And it further elaborates the pollutants removal mechanism of BAC.

BAC; sewage water treatment; contrawashing

X703.1

A

1006-5377（2010）05-0030-05