生物活性炭技术在水处理中的作用机理与应用

　　1前言

　　“生物活性炭”（BiologicalActivatedCarbon，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。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得到应用。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孔隙结构，对水中有机物及溶解氧有很强的吸附特性，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。同时BAC法常可以去除活性炭和生物法单独使用时不能去除的污染物，且其处理效率也较两者单独使用时高。这种处理方法即称为生物活性炭处理。生物活性炭法是近年来发展起来的一种新型水处理工艺，已在世界上许多国家采用，尤其在西欧更为广泛。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。虽然其作用机理依据不同的使用场所不同国内外理论界解释不尽一致，但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低等优点已被公众所认同。

　　尽管生物活性炭技术在源水处理过程中得到了有效普及利用，可传统的污水处理技术仍局限在活性污泥法、生物膜法上，工业生产的快速增长和水资源的日益短缺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生物活性炭技术在水处理中的作用机理

　　2.1生物活性炭的吸附机理

　　传统意义上活性炭吸咐作用的工序和机理主要是考虑到活性炭表面的大孔隙和巨大比表面积的吸附作用，以及活性炭内部细孔内进行的吸附。从生物活性炭流掉的生物，与过滤速度的变化和浊度的增加有影响，一般来说范围为50～1000个/ml。生物活性炭过滤不仅利用了活性炭具有巨大表面吸附作用和各种基团的静电亲和力，对水中残余物质进行进一步吸附，而且利用生长在其上的微生物分解水中残余有机物，更加保证了饮用水处理的彻底性，大大降低了后续用氯气消毒产生消毒副产物的可能性，增加了饮用水的生物稳定性。

　　除了孔隙特征以外，活性炭对有机物的去除也受有机物特性的影响，主要是有机物的极性和分子大小的影响。同样大小的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对其的吸附性能就越差；反之对溶解度小、亲水性差、极性弱的有机物却具有较强的吸附能力。试验结果表明[5]，活性炭对分子量在500～3000的有机物有十分明显的去除效果，去除率一般为70%～86.7%，而对分子量小于500和大于3000的有机物则达不到有效去除的效果。

　　2.2生物氧化和活性炭吸附联合作用机理

　　国内外多项研究结果论述了生物活性炭对有机物的吸附作用机理，结论表明该技术可看作是物理吸附和生物降解的简单组合。吸附饱和的生物炭在不需要再生的情况下，可利用其生物降解能力，继续发挥控制污染物的作用，这一点正是其它方法所不具备的。

　　在生物预处理和常规处理工艺之后采用生物活性炭作为深度处理，较之单独增设生物预处理工艺具有以下优点。

　　（1）增加了水中溶解性有机物的去除效率，提高了出水水质；

　　（2）水中氨氮可以进一步转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，对三卤甲烷的生成起到进一步的抑制作用；

　　（3）对活性炭而言，延长了活性炭的再生周期，减少了运行费用。

　　大量的试验结果表明：活性炭具有良好的脱除余氯的能力，可将余氯由0.15mg/L降至0.01mg/L；在有机物大部被去除的情况下，出厂水投加0.18mg/L以下的ClO2，通过控制一定的回流比，可以保证较高的卫生学安全性且口感良好。通过各单元的处理可以将浊度降至0.01NTU以下。

　　2.3影响生物活性炭去除有机物的因素

　　（1）滤速的影响

　　随着停留时间的增加，CODCr和UV254的去除率有一定程度的提高，但有机物去除率的增加并不与停留时间的增加成正比。试验表明，当滤速为5m/h时，即炭层停留时间为12min时，生物活性炭—砂滤柱获得较为理想的去除效果。

　　（2）滤层深度的影响

　　生物活性炭对CODCr的去除是微生物的生物氧化降解作用的结果，因而与生物量沿滤层深度的分布密切相关。为了便于研究CODCr随滤柱深度的沿程去除情况，比较了各取样口的CODCr去除率。

　　2.4生物活性炭反冲方式的研究

　　在生物活性炭深度处理港口生活、含油污水技术应用中，生物活性炭(BAC)滤池的反冲洗问题非常棘手又亟需解决。随着BAC滤池运行时间的延长，炭粒表面和滤床中积累的生物和非生物颗粒量不断增加，导致炭粒间隙减小，影响滤池的出水水质和产水量。反冲洗方式与相关参数直接影响BAC滤池的运行效果和成本。有研究表明，采用单独水冲的滤池出水中生物可同化有机碳(AOC)和细菌量高于采用气水联合反冲的滤池，而充分去除过量的生物膜是保证滤池成功运行的重要前提。

　　综合各项研究结果表明，应用于水处理过程中的生物活性炭在运行时的反冲洗方式应满足并遵循下述条件。

　　（1）炭粒表面生物颗粒的脱附难于非生物颗粒，建议生产中反冲洗结束的控制指标为反冲废水浊度达到3～5NTU。

　　（2）两段式气、水联合反冲洗的效果优于单独水反冲，并可节约耗水量，推荐采用先以高强度空气擦洗、再以微膨胀水漂洗的方式。适宜的气冲强度为11～14L/(m2•s)、历时为3～5min，水冲强度为8L/(m2•s)、历时为5～7min。

　　（3）如采用单独水反冲，建议适宜的反冲强度为12～14L/(m2•s)、滤层膨胀率为20%左右，反冲历时为6～8min。

　　（4）炭床上表面与反冲废水排水槽间的高度差对反冲洗效果有一定影响，实际应用中以1.5～2.0m为宜。