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BAC 生物活性炭法及其在水处理中的应用 田 晴 陈季华 东华大学环境学院, 上海 200051 摘要 介绍了生物活性炭 BAC 法去除有机物的方式, 不同进水水质条件下的特征穿透曲线。 总结了 BAC 法的优缺 点以及国、内外对 BAC生物再生的研究与观点, 以及 BAC技术的研究与应用进展。 关键词 生物活性炭 微生物降解 活性炭吸附 吸附容量 生物再生 有机物 1 概述 早在 1970 年 ,Weber 等人在用活性炭 GAC 处理 废水 时 首 次 发 现 了 微 生 物 的 降 解 作 用, 并 由 Sontheimer 研究小组首次在饮用水的处理中研究了 GAC 上的生物作用 , 指出由于微生物对有机物的降 解作用可以大幅延长 GAC 的使用期限。而“生物活 性炭” BAC 一词, 是在 1978 年, 在总结欧洲水处理 经验时首次由Miller G. W . 与 Rice 正式提出 ,并将这 一提法沿用至今 。同时期 ,Ying ,Weber 等研究小组开 始研究并验证 BAC 中生物降解与GAC 吸附的关系, 并建立了数学模型来描述两者之间的关系, 至此, 人 们开始重视关于 BAC 的研究, 至今仍有新的研究结 果不断提出。 在饮用水与废水深度处理中, 生物活性炭法是利 用活性炭表面生长的微生物降解与活性炭吸附作用 共同去除有机物。由于微生物能优先降解水中的有 机物, 降低了活性炭的吸附负荷, 增加了炭床在达到 “穿透”或“失效”时通水倍数, 延长了活性炭的使用周 期,减少了活性炭的再生频率, 从而降低生产成本与 能耗 。 2 BAC技术中的有机物去除与生物降解 BAC 技术中对有机物的去除可归纳为吸附去除 与生物降解两种作用 ,去除途径取决于有机物的可吸 附性与可生物降解性 。 根据有机物的吸附性与生物降解性, 可分为 ① 可吸附可生物降解有机物 A ②可吸附但非 生物降解性有机物 ADOC ; ③非吸附但可生物降解 的有机物 BDOC ; ④非吸附非生物降解的有机物 NRDOC ; 对第一类有机物, 强化生物活性 ,提高微生 物活动 ,可减小炭柱的吸附负荷, 延长炭柱的使用寿 命,该类有机物包括苯酚 、 部分溶解性芳香族化合物 等; 第二类有机物只能靠吸附去除, 与微生物生命活 动无关 , 如氯仿及饮 用水水源 水中的三卤 甲烷 THMs 等物质都属于这一类。第三类有机物只能靠 微生物降解来去除 ,加强炭柱中的生物活动 ,能增加 它们的去除率, 如葡萄糖 、淀粉 、低分子酮 、 低分子脂 肪烃等属于此类物质 。第四类物质, 会在 BAC 的使 用初期 ,就出现在出水中 ,只能通过预处理去除或转 化成为前三类物质, 再通过 BAC 系统去除 。 判定 BAC 处理水中上述 4 类有机组分组成比例 的方法及分析结果报道不多,Woo hang kim 等人曾利 用以下方法对水样中 4 种组分比例进行分类测试 ,如 图1。 图 1 4 组分分析方法及步骤 根据步骤 1,步骤 2 中的数据进行差和处理便可 分析出进水中 4 种性质 可吸附可生物降解性 、 可吸 附但非生物降解性 、 非吸附但可生物降解性 、 非吸附 非生物降解性的有机组分的组成比例, 以决定采用 BAC 法处理的可行性, 同时也可对已运行的 BAC 反 应器的进、出水进行以上过程的水质分析 ,以评价反 应器内生物降解和吸附功能的发挥程度 。 此外, 在决定采用 BAC 处理工艺之前, 应对拟处 理水进行水质分析, 判断上述 4 类物质所占比例, 再 辅之以一定形式的预处理措施, 以便发挥 BAC 中生 物降解与活性炭吸附的最大优势。 理论上 ,进水中有机物的吸附与可降解性不同, BAC 中穿透曲线的所呈现的趋势也会不同, 形状取决 于4 组分的组成比例, 见图 2。 84 环 境 工 程 2006年 2 月第24 卷第1 期 图 2 BAC中不同进水水质下的穿透曲线 由图 2 可见 ,废水中含有NRDOC 时 ,便会在炭柱 运行初期, 出现在出水中 。当含有 BDOC 时, 穿透曲 线不会达到 C C0 1. 0,而会随吸附质的生物降解性 不同呈现出不同程度的压缩。 3 BAC技术可提高 GAC的吸附容量 一般情况下 ,单纯采用GAC 吸附时, 炭床设计时 选取GAC 的平衡吸附容量的0. 4～ 0. 8 倍作为有效吸 附容量。Bouwer 、 McCarty 及 Spetiel 等发现 , 进水中有 机物浓度低时 ,BAC 对有机物的去除高于 GAC 的平 衡吸附容量。Ying 与Weber 采用甲苯磺酸质酯实验, 认为微生物存在, 可以提高 GAC 的吸附容量 , 延长 GAC 的使用周期 。GAC 强大的吸附功能 , 为微生物 生长提供了有利条件 ,与普通生物法比, BAC 法在处 理低浓度 ,难降解废水具有很大优势,主要因为 1 活性炭表面对有机物的富集功能 Rittmann 与McCarty 提出最小基质 Smin理论, 有机物浓度低于 Smin时生物膜无法形成, 如乙酸的 Smin为0. 66 mg L。 但采用 BAC 法时 , 即使液相中有机物浓度低于 Smin 时,由于活性炭的吸附,能提高炭粒周围有机物浓度, 利于 BAC 中生物降解作用的发生 。此外, 一些基质 浓度高于 Smin, 也可以作为一级基质促进生物膜形 成,然后将其它浓度低于 Smin的有机物作为二级基质 共代谢去除。 2 活性炭吸附, 可去除大部分对微生物有毒害 作用的有机物, 降低处理水的毒性, 减小废水对微生 物的抑制性,利于微生物生长 。活性炭有发达的孔隙 结构 , 一 般 活 性 炭 的 微 孔 的 孔 隙 容 积 为 高 达 0. 95 mL g ,孔隙数量约为1 020 个 g ,能吸附达自身重 量几倍的有机物 。Eherhadt 与 Rehm 分别采用游离与 固定化菌种降解苯酚 ,结果发现游离细菌对苯酚的耐 受浓度为1. 5 g L,而活性炭固定菌种对苯酚的耐受浓 度最高可达 15 g L , 对炭粒吸附酚的 降解率高达 90。W .Nishijima 指出 ,GAC 作为生物载体 ,可将有 机物的生物降解速率由无烟煤的 1. 7 提高到 4. 9, 采 用GAC 作为生物载体能刺激生物活性 , 但不改变细 菌的组成与菌数 。 3 活性炭粗糙的表面与巨大的比表面积 ,利于 微生物栖息 ; 而且炭粒在表面由于对流与扩散受到限 制,活性炭表面的 pH ,温度及各种物质的浓度变化相 对于外界较为缓和。活性炭具有强大的吸附功能 ,使 微生物能比较牢固地吸附在活性炭表面, 在受到水 流、 气流冲刷时 ,微生物损失较少。 4 BAC技术中的生物再生作用 除了延长活性炭使用周期外 , 微生物对 GAC 有 一定的再生功能 ,微生物对活性炭的再生前题条件可 逆型吸附, 吸附质有较强的脱附能力与可生化性。对 BAC 的生物再生作用存在以下几种观点 尽管吸附质吸附性强 ,其饱和活性炭依然能够生 物再生 。Andrens及 Fein 采用吸附力强的戊酸实验, 证明活性炭能够生物再生 。Li 及 Di Ginao 采用安息 香酸与甲酚与苯酚实验也证实这一结论 。Di Giant 与 Speitel 采用 14C 标记过的苯酚实验 , 在出水中发现了 以CO2存在的 14C 标记物 ,说明预先吸附下的苯酚可 脱附后被炭表面的生物膜降解,Speitel 等用同样方法 采用 2,4 取代酚实验得到相同结论 。 提高溶解氧可以强化微生物的生命活动 ,促进活 性炭的再生 ,Rice 与 Roberson 在 BAC 中通入空气, 提 高好氧微生物的活性 ,Chudyk 与Snoeyink 在较高的溶 解氧条件下 ,对吸附苯酚饱和的GAC 生物再生成功。 Perritti 与 Rodamn 首先提出了生物胞外酶再生假 说 虽然细菌细胞较活性炭孔径大, 而难以进入活性 炭的微孔结构, 但细菌分泌的胞外酶能轻易的扩散到 微孔中 ,与吸附质发生反应 ,使反应产物的吸附性降 低,最终解吸并扩散到生物膜表面, 被微生物进一步 降解去除。但 Li 与 Di Giano 认为胞外酶与吸附质反 应前首先被吸附 ; 张晓建等人也认为活性炭的胞外酶 再生这一假设不成立 ,他认为由于胞外酶的分子直径 通常在 3 ～ 4 nm , 难以扩散进入活性炭的微孔孔隙, 所以活性炭吸附与生物降解只是简单组合。 而Olmstead 与 Weber 推断活性炭的生物再生是 当吸附质浓度在炭粒周围低时 ,被吸附的吸附质会解 吸, 而 后 被 生 物 降 解。 G. M . Walker, 与 L. R. Weatherley 认为 ,活性炭孔隙可作为吸附平衡“仓库” , 有机物液相浓度高时, 吸附质进入活性炭 ,液相浓度 低时 ,吸附质扩散出活性炭, 被生物降解 。马放等人 85 环 境 工 程 2006年 2 月第24 卷第1 期 同样认为, 水中的有机物浓度通过微生物分解降低 后,有机物在炭粒内存在由内到外下降的浓度梯度, 吸附可逆性有机物会因此解吸下来被微生物所利用。 5 BAC技术的缺点 作为处理系统的“Polishing”把关工艺 ,BAC 的使 用不如 GAC 法普遍。特别是在给水处理中, 微生物 的繁殖带来滤料的堵塞, 增加了反应器内的水头损 失,反冲洗频率升高 , 反冲洗需要水力反冲与气体冲 刷共同作用, 增加运行与管理难度。GAC 吸附在降 低毒物对微生物的抑制性同时 ,也保护了病原性微生 物,影响到水质安全。Olmsted 与 Weber 认为 ,细菌活 动会降低吸附质的表面扩散率 ,引起活性炭的吸附力 下降 ,细菌分泌的胞外多聚物的存在会降低活性炭的 吸附容量。而 Lowery 与 Burkhead 认为, 生物膜生长 过厚 ,吸附质不易扩散通过生物膜 ,会降低吸附速率。 Ying 与Weber 发现 ,微生物降解虽然能够延长炭柱的 总TOC 穿透时间,但当易降解的蔗糖 、 葡萄糖等存在 时会降低GAC 对一些难降解化合物的吸附容量。 6 BAC技术的进展 从最早出现的臭氧- BAC 技术至今 , 生物技术已 有近半个世纪的发展历史 ,BAC 技术通常与其它技术 联用 ,除在饮用水预处理与废水深度处理中与臭氧技 术联用以外,还开发了厌氧 BAC 技术 、 BAC 流化床技 术、 BAC-膜分离 超滤或微滤 等联用技术 。由于长 期担心 BAC 出水细菌含量超标, BAC-膜分离技术 BAC- UF 、 BAC- MF 的产生, 是生物活性炭技术的一 个重要突破。研究发现, 联用技术对有机物及细菌的 去除极为有效。 由于超滤或微滤对水中悬浮固体有较高的去除 效率 ,但对水中溶解性固体、 浊度、细菌的去除能力有 限,而活性炭以其巨大的比表面积及其强大的吸附功 能,恰能弥补膜分离技术的不足之处,因此,目前研究 较多的是将超滤 UF 或微滤 MF 与活性炭联用技 术,采用活性炭吸附去除溶解性有机物 , 采用超滤膜 分离颗粒性固体 。如生物炭-超滤、微滤技术 BAC- UF ,BAC- MF 、活性炭吸附-膜生物反应器系统 PAC- MBR ,活性污泥-粉末炭吸附-超滤膜 AS- PAC-UF 混 合系统等 。结果表明 ,联用技术比传统的吸附工艺在 满足严格出水水质要求方面以及去除微污染物方面, 有较强的竞争性。活性炭的作用不仅在于吸附难降 解有机物, 而且能作为悬浮性生物载体 , 提高系统的 生物量, 此外, 还有研究表明, 采用超滤-生物炭联用 技术 UF-PAC , BPAC 在超滤膜表面由形成的滤饼减 小了膜过滤时的过滤孔径 ,同样能够提高系统的去除 率。而且采用超滤-活性炭吸附联用技术 UF-PAC , 在去除各类有机物同时, 由于 PAC 的加入, 能大大降 低膜过滤阻力。 总之, 生物活性炭与众多高级氧化预处理、膜分 离组成的联用技术已被广泛地应用在净水及废水的 深度处理的研究与实践中 ,目前国内外生物活性炭技 术的研究已成为热点内容 。 参考文献 [ 1] Committee Report An Assessment of MicrobialActivity on GAC. 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The experimental results show that the minimal adding ratio of suspended media is 15which can satisfy the requirement of nitrification, the adding mode is apt to centralized and should be added to the tail end of aeration tank which is not only helpful to enhance the quantity of biofilm, but also beneficial to nitrification. Moreover, controlling DO to the suituable concentration, the addition of suspended media is also helpful to carry out the synchronous nitrification -denitrification. Keywords suspended media, adding ratio, adding mode, nitrification and synchronous denitrification EXPERIMENT ON THE FEEDWATER FLOCCULATION IN POWER PLANT OF TONGHUA STEEL COMPANYHuang Jiguo Li Yueqian Yang Shaohua et al 81 Abstract The water from Tonghua SteelCo . usedin productionwasprovidedby it swater plant. so inthewinter, the sludge in the reaction often float on the water surface and the outlet water quality was under the standard. After using a new kind of the flocculating agent of PAFC with PAM, the outled water could be used, and itwas cheap. On the best experiment condition, when the dosage of PAFC was 30mg L and PAM was 0. 1 mg L, the value of nephelometer was 4. 1 NTU. During studying the problem of the sludge float, it was found that the main reason was pump nip cells. So the pump was adjusted and heightened the inlet water surface. Keywords air -lined, coagulation, sludge float and industrialwater standard APPLICATION OF BIOACTIVATED CARBON BACPROCESS INWATERAND WASTEWATER TREATMENTTian Qing Chen Jihua 84 Abstract It is introduced that the removalmode of organics by biological activated carbon BACprocess, and the characristic penetration curves of different water quality of influent. It is also summarized that the merits demerits of BAC, studies and views of bioregeneration of BAC both at home and abroad, as well as progress in research and use of BAC. Keywords biological activated carbon process, characteristic penetration curve and application APPLICATIONOFUNITANKWASTEWATERTREATMENTPROCESSINMUNICIPAL WASTEWATER TREATMENTChen Guihong Liu Hongtao Ye Jipeng et al 87 Abstract The running principles, process characters and running effect of the Unitank Wastewater Treatment Process are described. It is proved that the technology is suitable for municipalwasterwater treatment, the water quality of pH, BOD5, CODCr, SS, NH3-N andTP canmeet the first -order of National Discharge Standard, the effect is continuously stable. Keywords ZT unitank, municipalwastewater, and running effect EXPLORATION OF MEASURING SULPHUR DIOXIDE BY EDTA INSTEAD OF CDTA Chen Bo Li Yan 89 Abstract It is verified through experiment that it is feasible to shield the interference of metal ions by EDTA instead of CDTA when determining SO2in atmosphere using spectrophotometry of pararosaniline hydrochloride. This is convenient and economic. Keywords CDTA, EDTA, accuracy and standard deviation Sponsor Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group Publisher Industrial Construction Magazine Agency Editor The Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road, Haidian District , Beijing 100088, China Telephone 01082227637、82227638 Fax 01082227637 Chief EditorWeng Zhongying Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O. Box 399, Beijing China Journalistic Code ISSN1000-8942 CN11-2097 X E-mail Addresshjgc mail . yj. cn. net hjgcpublic. yj . cn. net WWW Addresshttp www. hjgc. com. cn http www. hjgc. net. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 1,Feb. , 2006