活性炭

生物活性炭技术的应用及发展趋势

1 前言
活性炭具有巨大的比表面积，发达的孔隙结构，独特的表面活性官能团及稳定的化学性能，能耐强酸强碱，可经受水浸、高温、高压，是一种优良的吸附剂。但是，活性炭也存在吸附易饱和，再生成本高等问题。而一些微生物能分解氧化某些物质，同时，活性炭特殊的表面结构也极易于微生物的生长繁殖，由此，产生了生物活性炭（BAC）技术。生物活性炭技术以粒状活性炭为载体，通过富集或人工固定化微生物，在活性炭表面形成生物膜，利用活性炭的吸附作用和生物膜的生物降解作用来去除污染物，同时，生物膜通过生物降解活性炭吸附的部分污染物而再生活性炭，从而大大延长了活性炭的使用周期。
由于生物活性炭将活性炭的吸附作用和微生物的分解氧化作用协同起来，微生物可优先降解污染物，降低活性炭的吸附负荷，延长活性炭使用周期，减少活性炭再生频率，提高污染物的处理效果，降低处理成本。因此，生物活性炭技术在水处理和废气治理等方面发挥了很大作用。
2 生物活性炭技术在水处理方面的应用
2．1生物活性炭技术处理饮用水
天然有机物（NOM）是饮用水源中有机碳的主要来源，饮用水源中的NOM能引起嗅、味、消毒副产物如三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）的形成。NOM主要由腐殖质、亲水性酸、烃类、苯甲酸、羧酸、氨基酸、糖类等组成。其中，腐殖质约占50%，而在高色度水中达50～90%，因此，腐殖质是NOM的最主要的组成成分，对它的清除尤为重要。通常，絮凝、沉淀、快砂滤等常规处理可除去大约30%的NOM，由于腐殖质分子量很高，可被部分去除，但对具有致癌作用的卤乙酸的去除极其有限[1]。生物活性炭技术由于综合了物理吸附和生物降解两种作用，因此是去除有机物质的最有效手段之一。
NOM中含有难生物降解有机物，如将该部分有机物转化成可生物降解溶解性有机碳（BDOC），将大大延长活性炭的使用寿命，同时，为了确保配水系统的生物安全性，在用生物法处理后，要进行消毒。当用氯模式处理饮用水时，氯与水中有机物质反应会产生大量卤代有机副产物，其中前面提到的三卤甲烷（THMs）、卤乙酸（HAAs）等具有致癌作用。因此，在用生物活性炭进行处理前，人们广泛采用臭氧进行预氧化[2-3]。投加臭氧可使水中难生物降解大分子转化为可生物降解小分子，加速有机物氧化分解，减轻活性炭的有机负荷，而且，臭氧可以杀菌消毒，并能够很好去除三卤甲烷前质，降低氯消毒副产物，减少氯用量。
李伟光等[3]对TOC浓度为0.82~2.36mg/L的原水预氧化后，采用人工挂膜形成的生物强化活性炭对其进行处理，实验发现在活性炭柱空床接触时间（EBCT）为25min时，对卤乙酸前体物质（HAAFP）的去除率达62.3%。刘山立等[4]采用生物活性炭膨胀床工艺处理北京市门头沟区三家店水库内源水，在生物活性碳物理吸附和生物降解能力趋于稳定时，出水CODMn满足二类地表水要求。汪晶等[5]采用预臭氧化—常规处理—后臭氧化—生物活性炭深度处理工艺对黄浦江原水进行了中试实验，处理后CODMn，UV254，DOC的去除率分别达62.3%，91.8%，63.7%。张金松等[6]采用臭氧化—生物活性炭深度处理工艺，对三卤甲烷前体（THMFP）含量为283μg，CODMn含量为5.45mg/L的原水进行处理，对三卤甲烷前体去除率超过50%，对卤乙酸前质（HAAFP）的去除率达到68.9%。实验表明，采用臭氧预氧化—生物活性炭处理工艺，可大幅度降低有机物含量，有效去除消毒副产物前质，较好地控制氯化消毒副产物的产生，提高了饮用水质量和安全性。
微囊藻毒素（MC）主要由富营养化水体发生水华的微囊藻产生，传统净水工艺不能将其有效去除。朱光灿等[7]对太湖富营养化水进行混凝，沉淀，砂滤后投加适量蓝藻粗提液，以此为原水，用生物活性炭反应器对其进行处理，结果表明，对微囊藻毒素的去除率最高达47.4%。
氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮简称“三氮”，是微量水体毒理性和富营养化程度的指标。申石泉等[8]采用臭氧—生物活性炭工艺对“三氮”浓度之和为1.367mg/L，硝酸盐氮浓度平均值为0.065mg/L的原水进行处理，出水“三氮”总浓度基本无变化，但未检出硝酸盐氮。该系统显示了对硝酸盐氮优异的去除能力。
2．2生物活性炭技术处理工业废水
随着工业的发展，工业废水的排放量越来越大，成分越来越复杂。为了保护环境，必须采取有效的净化措施。生物活性炭技术因其独特的优势，在废水处理领域发挥着越来越重要的作用。
单景森[9]采用人工固定化活性炭技术处理大庆石化公司化肥厂的低浓度甲醇废水，处理后的水质能够达到脱盐水系统的进水要求，实现了废水资源化。该化肥厂年排放量约130×104m3，采用该工艺后每年可节省资金300余万元。我国氮肥厂每天排放出数十万吨低浓度甲醇废水，该工艺为废水资源化提供了一种新途径，可节约大量资金。
陈洪斌等[10]采用进水—悬浮载体生物处理—絮凝气浮和砂滤—充氧—生物活性炭处理—氯气消毒工艺对中国石油大港石化公司的达标炼化外排水进行深度处理。近一年的连续运行表明，该工艺对COD的平均去除率达69.6%，在进水COD超过150mg/L时，出水COD也保持在40mg/L以下，对污染物去除效果良好，出水COD、NH3—N、BOD5、油和浊度均优于回用水标准。
聚醚废水中含大量大分子聚合物，降解难度很大。王慧等[11]采用中和混凝—厌氧+好氧—生物活性炭组合工艺处理聚醚废水，当进水COD为3000—4000mg/L时，处理后COD总去除率达96%，去除效果十分显著。
皮革制造工业需要大量难生物降解有机物如鞣酸，复鞣剂等，由于这些有机物或代谢产物的毒性,传统污水处理装置里的微生物难以降解这些有机物。L.John Kennedy等[12]选取由谷糠制备而成的活性炭，在其上人工固定化厌氧和好氧菌，对制革废水进行处理。制革废水原水COD、BOD、SO42-、S2-浓度分别为1716±392mg/L，393±114mg/L，940±217mg/L，193±56mg/L。在水力停留时间为2h时，对它们的去除率分别为87%，96%，40%和100%。
3 生物活性炭技术处理废气
食品加工厂、皮革厂、污水处理厂、垃圾处理厂等每天排放大量具有刺激性气味，嗅阈值很低的臭味气体，工业生产过程中产生的废气若未经处理直接进入大气,往往会引起严重的环境污染,其中挥发性有机物具有光氧化活性和对人体的毒害作用，其排放受到日益严格的限制。生物活性炭技术既可用于恶臭气体如NH3、H2S的处理,也可用于卤代化合物、芳香族化合物等有毒有害气体处理。
蔡伟娜等[13]对污水处理系统中的恶臭气体采用不同处理方案进行处理，结果发现，当干活性炭总处理气量达到1.3m3/L时，出现穿透，但当吸附饱和的活性炭填料塔转为生物滴滤反应器后，仍能较快实现挂膜生长，达到满意的处理效果，而直接运行的生物活性炭滴滤器对H2S的去除率在95%以上。徐桂芹等[14]采用生物过滤法处理H2S，分别以陶粒和活性炭作为填料，结果发现随着进气浓度增加，以活性炭为填料的滤柱处理效果明显优于陶粒滤柱。当进气浓度为1.5×10-3mol/L,陶粒柱停留时间为150s时,出气H2S浓度仍为1×10-6mol/L,而活性炭滤柱在停留时间为74.8s时出气中已检不出H2S。由此可以看出，生物活性炭技术在处理废气方面强大的优势。
NH3和H2S是工业生产中排出废气的重要成分。Ying-Chien Chung等[15]筛选出降解NH3和H2S的菌株，对活性炭进行人工固定化，以此作为生物滴滤器填料处理NH3和H2S混合气。实验发现，在140天的运行时间里，系统稳定后，H2S的存在并不影响NH3的去除，当H2S进气浓度为6.25g—S/m3/h，停留时间高于65s时，95%的NH3可被去除。NH3的临界负荷为4.2g—N/m3/h。
甲苯是一种工业生产中排放的气态挥发性有机污染物，对人体有毒害作用。季学李等[16]以甲苯为唯一碳源驯化而得微生物菌株，以纤维附着活性炭为填料进行甲苯废气的净化实验，结果表明，该系统对甲苯的最大消除能力在280g/ m3•h左右，实现了较难溶气体的高效净化。
4 今后研究方向
生物活性炭技术在水处理、废气净化等方面发挥着越来越重要的作用，笔者认为，以下几个方面值得我们注意：
（1）到目前为止，微生物对饱和活性炭吸附性能进行恢复的机理仍然存在争议，有必要进行深入研究。
（2）活性炭有木质、煤质等，活性炭材质对生物活性炭的形成及降解能力强弱有无影响值得我们关注。
（3）采用生物活性炭对饮用水进行深度处理时，如何控制出水细菌数，解决生成的新化学物质的毒性，保障饮用水的安全。
（4）如何将生物活性炭技术和超滤等技术有机结合，达到更好的处理效果。
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