生物活性炭处理废水中有机物的研究探讨(1)

近年， 利用生物活性炭处理废水中的有机物受 到许多研究者的重视。生物活性炭法将微生物的降 解作用与活性炭的吸附作用协同发挥， 这样增强了
收稿日期： ２００６－ ０７－ ２６ 作者简介： 刘敏敏（１９８１－ ）， 女， 河北张家口人， 硕士， 研究方向为物质多
样性技术．
微生物的降解能力， 同时， 活性炭的吸附时间和吸附 量增加， 使活性炭的再生简单， 节省了运行费用。而 且颗粒活性炭表面极利于微生物的繁殖， 并且发现 具有微生物繁殖的活性炭使用寿命比无微生物繁殖 的活性炭要长［６］。大量的实验研究表明， 生物活性炭 对废水中的 ＶＯＣ、生活污水中的表面活性剂、苯酚、 甲醇都有较好的处理效果， 比单独的活性炭吸附和 单 独 的 生 物 降 级 更 有 效［７－ ９］。
中图分类号： Ｘ７
文献标识码： Ｂ
文章编号： １００４－ ８６４２（ ２００６） Ｓ２－ ００４０－ ０３
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｒ ｇａｎｉｃ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒ ｂｏｎ ＬＩＵ Ｍｉｎ－ ｍｉｎ， ＷＵ Ｙｕｎ－ ｈａｉ， ＹＡＮＧ Ｆｅｎｇ
含酚废水污染范围广， 危害性大， 已被列为废水 处理中重点处理的有害废水之一。大量的实验研究
第 １９ 卷 增刊第 ２ 期
刘敏敏等 生物活性炭处理废水中有机物的研究探讨
４１
表明， 生物活性炭法是去除废水中酚类一种经济可
行的处理方法。国外对生物活性炭处理含酚废水的
研究结果表明， 当苯酚为唯一炭源废水时， 用厌氧生
第 １９ 卷 增刊第 ２ 期 ２００６ 年 １２ 月
江苏环境科技 Ｊ ｉａｎｇｓｕ Ｅｎｖｉｒ ｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．１９ ｓｕｐｐ．２ Ｄｅｃ．２００６
生物活性炭处理废水中有机物的研究探讨
刘敏敏， 吴云海， 杨 凤
（ 河海大学环境科学与工程实验中心， 江苏 南京 ２１００９８）
炭上附着微生物可以显著提高甲醇的去除效率， 较
单纯的活性炭吸附去除效率提高 ２ ～３０ 倍［１２］。下面
选用丙烯酸强碱树脂、专除甲醇大孔树脂、Ｄ３０１ 大
孔树脂、颗粒活性炭（ ＧＡＣ） 、ＢＡＣ 吸附甲醇进行对比
试验。甲醇吸附效果的比较见图 １［１ຫໍສະໝຸດ ］。甲 醇 去 除 率 ／％
８０ ７０ ６０ ５０ ４０ ３０ ２０ １０ ０
厌氧消化研究［Ｊ］． 上海环境科学， ２００４， ２３（ １） ： １６ － １９．
［２］ 郑 骅， 叶均分． 渗透蒸发在挥发性有机污水处理中的应
用［Ｊ］． 上海化工， １９９９， ２４（ ７） ： １３ － １５．
３ 结论
综上， 生物活性炭处理废水中的有机物效果显 著。今后生物活性炭技术的研究趋势主要集中在生 物活性炭技术强化和系统优化运行； 技术安全性、活 性炭选型和再生方式等 ３ 个方面。并与其它物理、化 学方法相结合， 使废水中各种有机物都达到较好的 处理效果。
［参考文献］
［１］ 虞嘉东， 张振家， 何圣兵． 城市污水的混凝处理及混凝污泥
物降解法处理苯酚质量浓度为 １ ０００ ｍｇ·Ｌ－１的废水
时， 酚的降解速度每天为 ３．６ ｇ·Ｌ－１ ［１１］。
影响生物活性炭去除酚的因素有 ｐＨ 值、温度、
溶解氧、底物浓度、水力停留时间。生物活性炭处理
酚一般选择 ｐＨ 值在 ６．３ ～７．６， 在这个范围内活性
炭的吸附与微生物的降解都比较强。废水的温度要
利于微生物生存繁殖， 充分发挥微生物的活性， 通常
选择为 ２８～３５ ℃。由于该生物活性炭中的微生物是
厌氧微生物， 溶解氧的质量浓度不易太高， 最好控制
在 ０．２ ｍｇ·Ｌ－１以下。水力停留时间一般控制在 ５ ｈ 左
右。底物浓度增加有利于苯酚、氯苯酚、氨基酚的去
除， 但当底物浓度增大至一定程度去除率增加缓慢。
摘 要： 生物活性炭（ ＢＡＣ） 是一种处理有机废水的有效方法。现以 ＢＡＣ 处理废水中的酚和甲醇为例，综述 ＢＡＣ 处
理废水中有机物的机理和影响因素。并通过生物活性炭吸附降解四氯乙烯（ ＰＣＥ） 的综合模型得到 ＢＡＣ 作用与吸附和
生物降解的关系。最后简单介绍了 ＢＡＣ 中活性炭与微生物的选择。
关键词： 生物活性炭； 有机废水； 吸附降解
０ 引言
生 产 、生 活 过 程 中 排 放 的 可 溶 性 有 机 物 在 污 水 中含量虽低， 但它包含多种难以生物降解的物质， 具有潜在的致畸， 致癌和致突变作用。例如， 酚和其 它有害物质相互作用产生协同效应， 变得更加有 害 ， 促 进 致 癌 化 。 多 数 挥 发 性 有 机 物 （ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ， ＶＯＣ） 有 毒 、有 恶 臭 ， 可 致 癌 、致 突变。处理废水中有机物常用的方法， 如生物处理 法 、活 性 炭 吸 附 法 、臭 氧 氧 化 处 理 、物 理 化 学 法 。 但 是传统的生物处理方法受自然条件约束多， 占地 广， 流程长， 处理速度慢， 基建与运行费用高［１］。活性 炭由于材料自身孔径范围及表面性质的限制， 对多 数有机物， 特别是危害较大的卤代烃及其前体物质 的一些大分子吸附效果较差。并且活性炭再生困 难， 使其成本较高［２－ ３］， 臭氧发生器由于费用昂贵， 在 我国达不到推广应用［４］。物理化学法处理成本高， 操 作复杂， 会造成二次污染［５］。
所以， 在处理含苯酚， 氯苯酚， 氨基酚时将底物的质
量浓度控制在 １ ０００ ｍｇ·Ｌ－１左右即可。但邻苯二酚
随着底物的质量物浓度的增加， 去除率反而降低。
１．２ 生物活性炭处理废水中的甲醇
甲醇是一种小分子极性物质， 活性炭对它的吸
附作用较弱， 所以， 单纯的活性炭吸附处理甲醇废水
去除率很低。但是甲醇的生物可降解性很大， 在活性
丙烯酸 专除甲醇 Ｄ３０１
吸附材料
ＧＡＣ
ＢＡＣ
图 １ 不同吸附材料对甲醇的去除效果
由图 １ 可以看出， ＢＡＣ 对甲醇的去除率明显高 于其它材料。
影 响 生 物 活 性 炭 去 除 甲 醇 的 因 素 有 ｐＨ 值 、温 度、溶解氧、底物浓度、水力停留时间。弱碱性环境利 于甲醇的去除， 最佳的 ｐＨ 值在 ７ ￣ ８．５ 的范围内。 废水温度在 ２５ ￣ ３５ ℃的条件下生物活性炭对甲醇 的去除率最大。甲醇降解菌是好氧菌， 随着溶解氧的 增加， 甲醇的去除率增大， 则溶解氧的供给是必要 的。但是在实际运行中， 有溶解氧就要考虑曝气， 所 以， 考虑到经济因素， 溶解氧的质量浓度保持在 ３ ￣ ５ ｍｇ·Ｌ－１。底物的质量浓度为 １１．３ ￣ ２３．８ ｍｇ·Ｌ－１时，
４２
江苏环境科技
２００６年 １２ 月
Ｂｎ ＝ （Ｃ１ ＋ Ｃ２ ＋ … ＋ ＣＮ）［１ － （１ － ｋ）ｎ］ Ｓｎ ＝ Ｒｎ ＋ Ｂｎ ＝ （Ｃ１ ＋ Ｃ２ ＋…＋ ＣＮ） ［１ － （１ － ｋ）ｎ］／ｋ 式中： Ｒｎ — 生物活性炭上残留的 ＰＣＥ 的总量； Ｂｎ — 生物活性炭生物转化的 ＰＣＥ 的总量； Ｓｎ — 废水中 ＰＣＥ 减少的总量。 所以， 处理废水中有机物时要根据废水中污染 物质的分子结构选择活性炭和微生物， 如果污染物 易被活性炭吸附不易被生物降解， 可选择吸附性能 强的活性炭和活性较差的微生物做生物活性炭， 如 氯仿， 饮用水中的三氯甲烷。如果污染物不易被活性 炭吸附易被微生物降解， 可选择吸附性较差的活性 炭着重加强活性炭表面的生物活动， 以增加对有机 物 的 去 除 率 ， 如 甲 醇 、葡 萄 糖 、淀 粉 、低 分 子 酮 、低 分 子脂肪烃等。如果污染物既易被活性炭吸附又易被 生物降解， 可根据现有材料选择，但是强化生物活性 可以减小活性炭的吸附负荷， 延长活性炭的吸附周 期 ， 如 苯 酚 、部 分 溶 解 性 芳 香 族 化 合 物 。 生 物 活 性 炭 是利用活性炭的吸附和微生物的降解处理废水中的 有机物， 在讨论 ＢＡＣ 中活性炭吸附作用和生物降解 作用时， 假设生物活性炭对污染物的处理效率为 １， 则 ∶１ ＝ 吸 附 率 ＋ 降 解 率 ； 如 果 活 性 炭 吸 附 率 ＞ １／２， 此时生物降解较小； 反之， 如果生物降解 率 ＞ １／２， 那么活性炭吸附较小。
１ 生物活性炭吸附处理废水中的酚与甲醇
生物活性炭是利用生物技术中的微生物能分解 氧化某些有机物，从而与活性炭吸附技术相结合。其 作用机理为：在处理废水时， 曝气使水中有足够的溶 解氧，同时活性炭吸附水中可供微生物生长的营养物 质， 使好氧微生物在炭粒上具有良好的生长环境，在 废水通过生物活性炭时充分利用活性炭的吸附性能， 并利用活性炭上大量生长的微生物将有机物大分子 或长链分子分解为小分子或短链分子，被活性炭更小 孔径的位点吸附， 这样可以增加活性炭的吸附能力， 延长活性炭的吸附饱和时间， 提高处理效果［１０］。 １．１ 生物活性炭处理废水中的酚
２ 生物活性炭吸附降解模型
２０００ 年， Ｗｕ Ｙ Ｈ 等 ［１４］ 通过研究生物活性炭对 ＰＣＥ 的吸附降解， 并得出生物活性炭处理 ＰＣＥ 的吸 附降解综合模型。见图 ２。
图 ２ 生物活性炭吸附降解 ＰＣＥ 模型 模型说明：
Ｃ０ — 废水中 ＰＣＥ 的总量； Ｔｎ — 时间； ｋ — 生物活性炭对 ＰＣＥ 的生物转化系数； Ｃ１ — 在 Ｔ１ 时间内生物活性炭从废水中吸附的 ＰＣＥ 的量； Ｃ１ｋ — 在 Ｔ１ 时 间 内 生 物 活 性 炭 生 物 转 化 ＰＣＥ 的量； Ｃ１（１－ ｋ） — 在 Ｔ１ 时间生物活性炭上残留的 ＰＣＥ 的量； Ｃ２ — 在 Ｔ２ 时间内生物活性炭从废水中吸附的 ＰＣＥ 的量； Ｃ２ｋ — 在 Ｔ２ 时 间 内 生 物 活 性 炭 生 物 转 化 ＰＣＥ 的量； Ｃ２（１－ ｋ） — 在 Ｔ２ 时间生物活性炭上残留的 ＰＣＥ 的量； ＣＮ — 在 Ｔ２ 时间内生物活性炭从废水中吸附的 ＰＣＥ 的量； ＣＮｋ — 在 ＴＮ 时 间 内 生 物 活 性 炭 生 物 转 化 ＰＣＥ 的量； ＣＮ（１－ ｋ） — 在 ＴＮ 时间生物活性炭上残留的 ＰＣＥ 的量。 废水中 ＰＣＥ 减少的总量 Ｓｎ 可由以下公式求得： Ｒｎ ＝ （Ｃ１ ＋ Ｃ２ ＋…＋ ＣＮ）（１ － ｋ）［１ － （１ － ｋ）ｎ］／ｋ