生物活性炭技术在水处理中的应用

李 灿，赵燕军

（中国人民解放军92609部队，北京 100077）

生物活性炭技术在水处理中的应用

李 灿，赵燕军

（中国人民解放军92609部队，北京 100077）

生物活性炭技术是将吸附和生物分解结合起来的水处理新技术。本文简述了生物活性炭的净水原理和形成方式，以及生物活性炭在处理微污染水源水、生活污水和工业废水方面的研究进展，并对生物活性炭技术的发展进行了展望。

生物活性炭;水处理;净化作用

近年来，随着我国工农业生产的迅速发展，工业废水、城市污水排放量越来越大，河流和地下水污染日趋严重，许多地方的饮用水水源中有机污染物超标，不仅严重污染了环境，而且威胁了人类的健康。因此研究与探索先进的水深度处理技术受到了广泛的重视。

活性炭具有特殊的微观结构，孔隙发达、比表面积大，因而具有极强的吸附功能，在水处理方面可发挥重要的作用，20世纪初，发达国家就已将其应用于水质净化。但活性炭吸附饱和后即失去了吸附能力，需要经常进行脱附再生处理。但因脱附再生处理的成本较高而限制了活性炭的应用。20世纪60年代末发现，在用活性炭处理饮用水的过程中，由于生物膜的作用，活性炭的再生已不再是经常和必需的了，这就引起了人们广泛关注生物活性炭技术。

1 生物活性炭

生物活性炭（Biological Activated Carbon，BAC）技术是利用活性炭巨大的比表面积和发达的空隙结构对水中有机物和溶解氧的强吸附特性，以及其作为载体可成为微生物集聚、繁殖、生长的良好场所，在适当的温度和营养条件下，使吸附的有机物得以生物分解，同时不断地空出一些吸附空位以供其继续进行吸附。这种生物再生现象可使活性炭的使用寿命延长。水中一些较难降解的有机物因被吸附而在活性炭表面富集，延长了有机物与生物的接触时间，为微生物的分解提供了有利条件，因而使得难降解物质得以去除。这些特点使生物活性炭技术在西方发达国家的饮用水处理中得到了较广泛的应用[1]。

1.1 生物活性炭的净水原理[2]

（1）工程菌的再生作用

吸附饱和的活性炭经过驯化培养的菌种处理后，可恢复吸附能力。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机物浓度降低，破坏了原有的固液平衡关系，产生了逆浓度梯度脱附，从而使活性炭得以再生。再生处理只要求恢复活性炭的吸附能力，但不一定能形成生物活性炭。

（2）生物活性炭的协同净化作用

由于大多数细菌的大小均为微米量级，故工程菌主要集中于炭颗粒的外表及邻近的大孔中，而不能进入微孔中。工程菌能直接将活性炭表面及大孔中吸附的有机物降解掉，从而使活性炭表面的有机物浓度相对降低，造成炭粒内存在一个由内向外减小的浓度梯度，有机物就会向活性炭表面扩散，可逆吸附的有机物会因此脱附下来而被微生物利用。另外，细胞分泌的胞外酶和因细胞解体而释放出的酶类（纳米级大小），能直接进入BAC过渡孔和微孔中去，与孔隙内吸附的有机物产生作用，使其从原吸附位上解脱下来，并被BAC表面上的工程菌所分解，从而构成了吸附和降解的协同作用，即BAC具有的双重功能。这样就能保证BAC在生物降解和活性炭物理吸附的双重作用下长期稳定地运行，已有实验结果也证明了这一点。Mark等对吸附用和生物载体用的活性炭进行了研究[3]，结果表明BAC运行稳定，有机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的形成有两种方式：工程菌人工固定化与自然形成。人工固定化BAC是人为投加已经过筛选、驯化的工程菌，具有很高的生物活性；自然形成的BAC无选择性，生物相复杂，所以在短时间内难以适应环境，生物降解作用较小。在协同净化作用上两者也有很大差异：

（1）生物降解与活性炭吸附协同作用的起始时间不同

人工固定化BAC对有机物的降解自始至终是物理吸附和生物降解协同作用的结果，即处于稳定期；而自然形成BAC需要经过驯化阶段、增长阶段才能达到稳定。

（2）物理吸附作用的时间不同

人工固定化BAC一开始就存在工程菌，在物理吸附的同时又有生物降解作用，工程菌的存在也不影响物理吸附作用，所以有机物在 被吸附的同时就被降解掉，这样就大大延长了活性炭的吸附饱和期，即延长了活性炭的使用寿命。

哈尔滨工业大学的杨基先提供了具体的试验步骤[4]：1）固化BAC的形成流程：单株菌斜面培养活化（30℃，24h）→ 组合 → 摇瓶培养（30℃，24h）→ 炭在菌液内浸泡（固定化）（18℃，24h）→ BAC柱驯化培养（18℃，5mL/min，24h）；2）正常处理运行条件：出水量40mL/min，接触时间30min，连续24h曝气。

2 生物活性炭处理不同废水

2.1 微污染水源的处理

我国目前的饮用水水质明显低于国外发达国家，一方面是由于水环境污染造成的饮用水源水水质下降；另一方面是由于我国绝大多数污水处理厂主要采用的是“混凝、沉淀、过滤、氯消毒”等传统的净水工艺，导致有机污染物的去除效果不理想。饮用水中的这些微量有机物，特别是高稳定性的溶解性有机物，如卤代有机物、硝基化合物、多环芳烃等，都会严重威胁人体的健康[5]。针对水源普遍受到污染的现状，国内外发展了一些污染水源的处理技术，生物活性炭技术以及和其他方法联用的技术以其投资较少、对有机物的处理效果好而引起了研究者的重视。

王晨等[6]将工程菌循环固定在活性炭上，利用固定化生物活性炭（IBAC）工艺处理含硝基苯的微污染水源，并以活性炭在同样条件下进行对比试验。装置如图1。

图1 试验装置[6]

试验结果表明，IBAC启动速度快，对微污染物净化效果较高，对浊度去除效果较好；在进水硝基苯浓度低于26μg/L时，出水中检不出硝基苯；在硝基苯浓度突然增加时，其恢复净化能力的时间较短。与活性炭相比，IBAC对硝基苯具有更好的净化效果，利用固定化生物活性炭工艺深度处理含硝基苯的微污染水，可以完全吸附进水中的硝基苯，并且对硝基苯进行原位生物降解，出水中其他各项指标均可达到国家饮用水标准。

施东文等[7]利用常规/臭氧生物活性炭组合工艺处理受污染的黄河水，其工艺流程如图2。研究结果表明，仅用常规处理单元虽然对CODMn、UV254、三氯甲烷前体物、藻类、2-甲基异莰醇均有较好的去除效果，但出水水质不能满足我国生活饮用水标准。需增设深度处理单元，才能有效降低有机物的含量，并满足我国的饮用水标准。

图2 处理黄河水的组合工艺流程

2.2 生活污水的处理

生活污水主要来自家庭、商业、机关学校、旅游服务业及其他城市公用设施。城市生活污水中的污染物主要是有机物，如淀粉、脂肪、蛋白质、纤维素、糖类、矿物油等，其中CODCr（化学需氧量）、BODs（生物需氧量）、TKN（凯氏氮）、TN（总氮）、TP（总磷）也较高。将生活污水加以回收利用，实现污水资源化，是解决水资源短缺的经济而有效的途径。但随着对水质要求的提高，传统的水处理工艺已经不能满足安全、优质的供水水质要求，因此必须进行深度处理。BAC技术由于处理效果好、操作简单、成本低廉而成为生活污水深度处理的有效方法。

兰淑澄等[8]采用絮凝过滤—BAC工艺处理上海宝钢钢管分厂厂区洗浴污水，处理工艺流程如图3。混凝投药系统投加硫酸铝作为絮凝剂去除悬浮物和胶体。采用升流式常压过滤塔，塔径D=2m，以聚乙烯颗粒作为轻质滤料，滤层高度H=1m，滤速VL=7m/h，滤塔每天反冲一次，采用气水联合反冲；BAC装置采用降流式生物炭塔，塔径D=2.6m，空塔速度VL=4m/h，内装填宁夏太西煤为原料的优质水处理炭（Φ=1.5mm，H=3mm，柱状炭），炭层高度2m，炭层供氧气水比4：1。每天气水联合反冲一次炭层，反冲强度10L/s·m2。该装置采用PLC控制系统，可达到启动、运行、反洗、停车等完全自动控制操作，除配药及巡回检查外，可作到基本无人操作。运行3年多，SS、COD、BOD5和洗涤剂去除率分别为68.1%～74.5%、57.7%～69.2%、64.1%～77.6%、81.8%～90.6%，处理效果好，出水达到中水标准。

图3 生活污水处理工艺流程

崔福义等[9]采用固定化生物活性炭（IBAC）为主的处理工艺对洗浴废水进行处理。处理后水的浊度、高锰酸盐指数、LAS和浴臭平均值分别为2146NTU，312mg/L，0.113mg/L和0级臭味，IBAC可有效去除洗浴废水中的有机物。IBAC经过反冲洗后，仍具有良好的净化效果，在运行10个月后的IBAC上，人工固定化的工程菌仍占优势，活性炭也具有较高的碘值和亚甲兰值。

2.3 工业废水的处理

据统计，我国2006年工业废水排放总量为239.5亿t[10]。与其他工业废水的处理方法相比，生物活性炭法（BAC）在低浓度、难降解的有机废水的处理方面有较大优势，许多研究者将BAC技术成功应用于制药、炼钢、印染和石油废水等工业废水的处理。

刘瑛[11]采用BAC法对石油化工污水进行了以回用为目的的深度处理试验。试验以含油污水二级出水为原水，直接泵入生物活性炭柱进行处理。活性炭层高度为100cm，污水流量根据试验设计取1L/h、2L/h、4L/h三种情况。结果表明，此工艺具有良好的深度处理效果：试验出水的浊度、氨氮含量、COD及石油类含量，均达到回用标准。COD浓度由进水的107.88mg/L降低到21.05mg/L，平均去除率达到80.4%；氨氮平均含量由进水的14.53mg/L降低到4.30mg/L，平均去除率达到71.2%；浊度由进水的19.55NTU，降低到出水的0.74NTU，平均去除率为96.2%；石油类含量由进水的14.67mg/L，降低到4.87mg/L，平均去除率为66.8%。

徐竟成等[12]以生物活性炭滤柱采用自然挂膜的方式处理某大型钢铁企业的炼钢废水（流程如图4）。结果表明，BAC工艺对钢铁工业废水中浊度、有机物及氮、磷等营养物质都有较好的去除效果，在停留时间为45min的运行工况下，浊度、COD、氨氮和总磷的平均去除率分别达90%、55%、84%和44%；经过富含铁、锰废水的长时间过滤，活性炭填料表面形成的包括铁、锰氧化细菌在内的生物群系，对钢铁工业废水中的铁、锰有较好的去除效果。在滤柱滤速为1.6m/h、停留时间为45min的运行工况下，铁、锰平均去除率超过78%,基本达到GB/T19923-2005循环冷却水系统补充水水质要求。

图4 处理钢铁废水流程[12]

3 生物活性炭应用工程实例

某学院生活污水处理工程，处理量为2000m3/d。该工程投入运行后，性能十分稳定。工程设计布局合理，占地面积小，操作方便，出水水质清澈。

该工程总投资为380万元，主体设备寿命可达20年以上，其运行费用仅为0.30元/t（按投资建设费计算），由于处理水质好，进行了中水回用，产生了很好的社会效益和经济效益，扣除每年的综合运行费用后，约3年的时间可全部收回投资，且操作管理方便，只需要定时巡视即可，无须专人值守。

[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．环境污染防治中的生物技术[M]．北京：化学工业出版社，2004．

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

[4]杨基先，马放．利用工程菌处理含油废水的可行性研究[J]．东北师大学报自然科学版2001，33（2）．

[5]刘红，谢倍珍，李安婕．生物活性炭水质净化理论和技术[M]．北京：科学出版社，2007．

[6]王晨，马放，山丹，等．固定化生物活性炭处理含硝基苯微污染水的可行性研究[J]．环境科学，2007，28（7）：1490-1495．

[7]施东文，谢曙光，汪蕊，等．常规/臭氧生物活性炭组合工艺处理受污染黄河水研究[J]．北京大学学报（自然科学版）网络版（预印本），2001，1（3）：1-4．

[8]兰淑澄．过滤-生物活性炭技术处理洗浴废水[J]．环境保护工程与技术，2002，（8）： 16-17．

[9]崔福义，杨海燕，马放．IBAC工艺对洗浴废水中有机污染物的去除效能与机理[J]．东南大学学报（自然科学版），2005，35（2）： 275-279．

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

[11]刘瑛．生物活性炭法处理石油化工二级出水的试验研究[M]．西安：长安大学，2006．

[12]徐竟成，黄翔峰，王祯贞．生物活性炭深度处理和回用钢铁工业废水[J]．环境污染与防治，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