生物活性碳工艺

生物活性碳工艺综述

简介

生物活性炭工艺是始于20世纪70年代的去除水中有机污染物的一种新工艺。该技术实质是利用活性炭具有巨大比表面积、发达孔隙结构以及优良的吸附性能等特点，以活性炭作为载体构建生物膜，从而形成生物活性炭以对污染物质进行降解。近年来，生物活性碳技术在国内外水处理领域得到了广泛应用,并取得了较好成果。这一技术在国内的研究多为微污染原水中有机物的充分去除、印染废水与石油化工废水等有毒或难降解有机废水的深度处理。

以生物活性炭为基础所形成的处理污水的技术方法叫做生物活性炭法，生物活性碳法是利用活性炭为载体，使炭在处理废水过程中炭表面上生成生物膜，产生活性炭吸附和微生物氧化分解有机物的协同作用的废水生物处理过程。此法提高了对废水中有机物的去除率，增加了对毒物和负荷变化的稳定性，改善了污泥脱水及消化的性能，延长了活性炭的使用寿命，是一种以生物处理为主，同时具有物化处理特点的一项生物处理新技术。一般常用的有粉末炭活性污泥法、固定床催化氧化、流化床吸附、膨胀床吸附氧化等不同工艺流程。实验结果表明，这种方法可用于不同的工业废水（化工、印染、合成纤维等）和生活污水处理，效果良好。

生物活性炭法的操作方式分为静态和动态两种。静态操作（或序批操作）是指将粉末活性炭（PAC）投入水中不断搅拌，靠活性炭的吸附性能和活性炭表面形成的生物膜降解有机物质，当生物活性炭达到吸附平衡时，再用沉淀或过滤的方法使炭水分离。动态操作（或连续操作）指废水在连续流方式下进行吸附操作，一般使用粒状炭，有固定床、流化床和移动床三种方式。目前固定床的应用最多，流化床次之，移动床应用还较少。

由于生物活性炭技术突出的优越性，目前这一新工艺已经在国外实际应用于受污染水源净化、工业废水处理及再生等方面，在我国有关的研究和应用还比较少，由于生物活性碳技术的影响因素较多、反应过程复杂，到目前为止，对其作用机理的解释存在多种假说，尚不统一，工程运行条件也还不够成熟，但在实际应用中它显示出的优越性是众所公认的。因此很有必要进一步研究经济合理、技术适用又具有一定创新性的生物活性炭对废水的处理技术，以提高污水废水的处理水平，改善废水再生利用率较低的状况。

实现机理

1.活性炭吸附净水原理

活性炭是一种非极性吸附剂。外观为暗黑色，有粒状和粉状两种。近几年又发展了球状活性炭，浸透型活性炭和高分子涂层活性炭等新的品种。主要成分除炭以外还含少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。其具有巨大的比表面积(通常比表面积高达500～1700 m2/g，即每克活性炭的表面积为500~1700平方米)和特别发达的微孔，吸附性能和化学稳定性良好，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。

活性炭吸附水中溶质分子是一个复杂的过程，是几种力综合作用的结果，包括离子吸引力、范德华力、化学杂和力。根据吸附的双速率扩散理论认为，吸附是一个由迅速扩散和缓慢扩散两阶段构成的双速过程，迅速扩散在数小时内即完成，发挥了60%－80%活性炭的吸附容量。迅速扩散是溶质分子在碳粒内沿径向均匀分布的阻力小的大孔隙中扩散的过程。这些大孔隙产生径向的扩散阻力。当分子从大孔进一步进入与大孔相通的微孔中扩散时，由于受到狭窄孔径所产生的很大阻力，从而极为缓慢。微孔也是在碳粒内均匀分布，但不构成径向的扩散阻力。影响粉末活性炭吸附的因素涉及溶质分子极性、分子量大小、空间结构，这一点取决于水源水质的特征。活性炭对不同的物质分子具有选择吸附性。

投加粉末活性碳后，水体相当部分有机物得到去除，水体中胶状物质含量减少，表面粘度下降。粉末活性碳吸附在絮凝物上，有利于絮体的架桥，能改善絮体的结构。除有良好的去除有机污染能力，同时还具有良好的助凝作用，使出水CODcr、色度、浊度大幅度下降。同时活性炭对水中的致癌物与致突变物及其含酚化合物均有良好的去除效果。

粉末活性炭对人工合成化学物的吸附去除主要取决于该化合物的类型。在选择投加点时，要有充足的搅拌条件，使粉末活性炭能快速与处理水有良好的混合接触；尽量延长粉末活性炭与水体接触吸附时间，充分利用粉末活性炭的吸附能力，提高吸附率；选取粒径小和中孔较发达的木质粉末活性炭，使同等重量

的活性炭吸附面积相对大，提高活性炭对有机物的吸附效能；尽量减少水处理药剂对吸附的干扰(如氯、高锰酸钾、混凝剂等)；根据投加量的多少、场地条件选取干式或湿式投加。

2.生物活性炭的作用机理：生物活性炭内吸附与生物降解协同去除有机污染物

生物活性炭法处理水的过程，涉及活性炭颗粒、微生物、水中污染物（基质）及溶解氧4个因素在水溶液中的相互作用。图1为生物活性炭法的相互作用简化模型示意。

①活性炭对污染物和溶解氧有着吸附作用。前面已经详细解释了活性炭吸附净水的原理。

②微生物对污染物质和溶解氧有着利用作用。生物膜上的微生物可以利用水中的溶解氧或化合氧（如NO2、NO3、SO4等）降解污染物并从中获得能量和营养进行增殖。

③微生物与活性炭颗粒之间存在着协同降解作用。活性炭表面生长的微生物主要在活性炭外表面及大孔内，不影响过渡孔（即中孔）及微孔的吸附作用。微生物可以通过对有机物的降解提高活性炭的吸附容量，延长活性炭的使用寿命。对此有两种观点。一种观点是生物活性炭胞外酶再生假说，认为在生物活性炭表面生长的微生物个体大约是1μm大小，不能进入活性炭的主要吸附区——微孔区（直径＜4 nm），而微生物分泌的细胞外酶直径是1nm数量级，所以有一部分酶主要是水解酶可以扩散进入活性炭的微孔内，与吸附质进行生物反应，形成酶-基质复合体，使活性炭的吸附能力得以恢复。国内20世纪80年代末有人对生物活性炭胞外酶再生假说进行试验与分析，认为胞外酶假说不适合美国环保署于1997年发布的129种重点污染物，因此，也就不适用于水质净化。也有人进行了吸酚饱和炭的生物再生试验，通过试验结果分析认为：生物活性炭再生系统中，可能发生细胞自溶现象，细胞内的氧化还原酶仍有可能通过某些生物现象进入溶液中，与活性炭表面被吸附的物质直接反应。另一种观点认为微生物的降解作用改变了活性炭的物理吸附平衡，使生物活性炭得以再生。人们从活性炭的物理吸附特性及微生物氧化作用分析：活性炭表面生长的微生物群，不但可以降解水中的有机物质，同时也降解活性炭内已吸附的有机物质。由于活性炭表面微生物膜内的有机污染物浓度最低，所以引起水中有机物借助液相中的浓差推动力和活性炭对有机物的吸附势能，向活性炭表面微生物膜扩散。同时，活性炭内已吸附的有机物则由于其表面的浓度差，而获得保持吸附平衡的解吸力，也向活性炭表面微生物膜扩散。此时微生物在水和活性炭两个方向的有机物扩散供给下，得到充足的营养，生物活性高、繁殖快，在适宜的环境下提高了活性炭的吸附容量。

在常规的颗粒生物活性炭反应器中，由于载体外观形状的不规则性，活性炭颗粒上不同位点在循环流化体系中受到流体剪切的程度也相应表现出不均匀性，导致微生物在载体上的分布表现出独特的空间和微生物生理分布特征。即在载体表面某些部位生物膜始终较厚，该部位微生物在载体上生长代谢周期较长，