生物活性炭工藝在水處理中的應用進展

張楠，高山雪，陳蕾

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

在過去的幾十年里，水環境污染是一個日益引起關注的問題。現在隨著社會和科學技術的發展，污水中含有多種污染，污水處理的難度也在增加。生物活性炭(BAC)技術是從1972年最先起源的，主要是利用活性炭的縫隙結構、比表面吸入有機污染物，能夠利用高效率對污水進行處理，用最短的時間達到預期的效果[1-3]。生物活性炭技術的水處理能力以及處理的效果，和單獨采用的生物法以及活性炭法相比，均有明顯的提高，因此這項技術目前在發達國家的污水再利用、工業廢水處理、污染水源等事業中已經得到了應用，在我國的水處理實踐過程中也采用了生物活性炭技術[2]。

1 生物活性炭的作用原理

基于生物活性炭的廢水處理技術過程稱為生物活性炭的處理過程。該生物活性炭方法是使用活性炭作為載體，在整個處理過程中，在炭的表面上形成生物膜來進行廢水處理，同時產生針對廢水污染的協同生物處理方法[4]。該方法利用活性炭吸附污染物并被微生物氧化分解來處理污染物，從而提高了廢水中有機物的清除率[5]。生物活性炭法增加了毒性和負荷變化的穩定性，同時也使得污泥的脫水和消化性能得到了改善，延長了活性炭的壽命，這是一種新的生物處理技術，本質上是生物學的，但同時還具有化學處理特性，通常與粉末碳活化污泥法一起使用，固定床催化氧化、流化床吸附、膨脹床吸附氧化等工藝也很常見[4]。實驗結果表明該方法可成功用于不同類型的工業廢水處理(化學、印刷、合成纖維等)，同樣也可用于生活污水的處理。目前生物活性炭技術已被廣泛用于處理國內外的水，并取得了較好的效果[3]。

2 生物活性炭工藝的影響因素

2.1 活性炭結構性質的影響

活性炭吸附污染物的效果受活性炭比表面積的影響。活性炭的比表面積越大，可吸附并容納污染物的面積就越大，吸附效果越好，自然對污染物的去除效果就越好。但是表面的大面積并不意味著它的效果好，孔洞的差異性和表面的特性也是影響活性炭吸附效果的一個重要因素[6]。Sung-Hyun等[7]研究了軟木生物濾池和活性炭生物濾池對不穩定有機化合物的去除效果。研究結果表明軟木生物濾池比活性炭生物濾池的降解量要高，盡管活性炭的比表面積比軟木大得多，但由于軟木的有機表面具有大量的孔結構，利于微生物生存，所以軟木的生物濾池的處理效果要比活性炭生物濾池好。王廣智等[8]經過研究發現，機械強度越高，表面越粗糙的活性炭在生物活性炭工藝中的處理效果更好。因此，活性炭的機械強度以及活性炭表面的粗糙光滑程度都會影響其對污水的處理效果。

2.2 進水濁度的影響

由于活性炭是多孔結構的物質，因此其容易被堵塞。若進水濁度較大，待處理廢水中所含懸浮物濃度較高，則很容易將活性炭的孔隙堵塞。此時活性炭的吸附能力會大大下降，這也就提高了后續生物處理的難度，同時，也會減小微生物與活性炭的接觸面積，也會使得微生物的氧氣受損量加大，使得生物處理環節的處理效果減小，因此會影響整個生物活性炭工藝的處理效果[6]。

2.3 預處理的影響

預備氧化能氧化分解水中的有機污染物，把大分子有機物分解為小分子的有機物，這樣提高了有機物的生物化可能性，對后續過程的有機污染物的消除更加方便[6]。研究人員通過研究不同水處理的組合過程的污染消除效果，包括化學前處理、通常處理、生物活性炭或臭氧生物活性炭技術的并用得出結果：臭氧預備氧化、生物預備氧化、過錳酸鹽復合藥劑預備氧化能提高生物活性炭或者臭氧生物活性炭過程的各指標的除去能力[9-10]。

3 生物活性炭技術在水處理中的應用

3.1 紡織廢水

紡織業被稱為“制造業中最長、最復雜的產業鏈之一”[4]。“紡織產業鏈”的每一步都可能向環境排放污染物或使用不可再生能源[4]。紡織工業被稱為釋放大量被大量化學物質污染的廢水。廢水成分在濃度和時間上都有顯著的變化。因此，紡織廢水的處理非常復雜。

然而，紡織行業的主要問題是巨大的水消耗，并轉化為高負荷廢水[11]。生物處理過程利用細菌、古細菌、真菌、藻類或植物的代謝能力，以氧化或還原有機和無機化合物[11-12]。通過確保適當的條件(氧氣濃度、pH值、營養物質的獲取等)強化了自然界中發生的過程。這些過程通常在生物反應器中實施，并配有足夠的曝氣和攪拌設備。生物降解方法被認為具有成本效益[12-13]。但是，投資成本可能很高，這取決于所使用的設備。

3.2 含油廢水

廢水中含有石油有多種來源，如石油的提取、熔煉、運輸、存儲，以及生產石油所需經過的過程中，都能夠產生大量的此類廢水[14]。含有油類的廢水對環境產生了重大影響。例如，揮發性物質揮發后進入空氣中污染空氣，以及石油生產過程中，部分石油會進入地下水，從而對水質造成污染。除此之外，油類的主要組成元素是氫、碳等，碳氫化合物含量過高很可能引起燃燒，這也對人類的安全構成了嚴重的威脅[15]。研究人員在長期被石油污染的地區提取土壤，經過一系列的提取實驗，提取出了一種可降解油類的細菌，并將部分該細菌接種到生物活性炭工藝的設備中，接種后經過一段時間的觀察后發現，與接種細菌之前相比，該工藝對污水中油類以及COD的去除率均有明顯的升高[16]。李偉光、車春波等[17-18]利用生物活性炭工藝對含油廢水進行深度處理，結果顯示出水水質穩定，處理效果較好。

3.3 微污染原水

腐殖質是原水中主要的有機碳，且其容易與氯發生反應，因此原水在進入水廠進行處理時，由于腐殖質的作用，極容易形成具有致癌作用的消毒副產物，從而使得水源被污染。此外，自來水中殘留的腐殖質會降低殘留氯的穩定性，并導致管網中微生物的加速生長[19-20]。因此這類水若被飲用可能會對人類造成危害。世界衛生組織報告稱，每年約有 2 000 萬人死于飲用不衛生的水[21]。

目前水廠的生物活性炭工藝大多數采用臭氧-生物活性炭聯用的工藝，臭氧具有強氧化能力，能夠將水中的大分子且難降解的有機物氧化成小分子易降解有機物，便于后續生物活性炭工藝的處理，也有利于提高后整體工藝的去除率[22]。除此之外，還可以避免后續工藝中投入大量的氯，因為臭氧能夠起到殺菌消毒的作用，從而降低了氯的用量以及余氯與水中殘留物質生成副產物的可能性[23]。針對長江南京段微污染原水，研究人員采用臭氧-生物活性炭工藝對其進行深度處理，經臭氧氧化后，水中的難生物降解的大分子有機物均被氧化為小分子、易生物降解的有機物方便了后續工藝的處理，降低了后續的處理難度，與傳統工藝相比處理效果得到了明顯改善[24]。

3.4 印染廢水

陶瓷、食品、制藥和其他行業是這種污染的重要來源[25]。因為其使用大量的染料著色產品，因此各種陰離子和陽離子合成染料，通過這些行業的廢水釋放到水體中[26-27]。結晶紫染料是有機化合物，其具有復雜而穩定的分子結構，很難被降解[28]。這些染料具有毒性和致癌性，會對人體健康和水生生物產生危害[29]。因此，含染料的工業廢水需要適當的處理[28]。處理有色廢水的方法多種多樣[30]，其中，吸附因其高效、低成本、操作簡單和吸附劑的可用性而被認為是更合適的方法[28]。活性炭是目前應用最廣泛的水溶液脫色吸附劑之一，這種吸附劑是有效的。

3.5 生活廢水

李金波等[31]在生活污水處理中比較了生物學的活性炭流動層法和以往的活性污泥處理的差異，實驗結果表明，生物學的活性炭流動層法處理過程開始運行得更早，除去各類污染物的效率更高，穩定的耐沖擊負荷可以有效地避免淤泥膨脹。從俏等[32]選用了混凝-砂濾-固定BAC纖維的處理工藝，并利用該工藝對某學校澡堂的洗浴廢水進行處理，結果顯示，較傳統工藝出水濁度及其他指標均得到了提高，能達到符合國家標準的要求。

4 研究展望

生物凈化法和活性炭吸附法是兩種有效的水處理技術，具有各自的優、缺點。但將這兩者工藝運用在一起，可以大大提高其處理能力——活性炭對有機物質的吸附和微生物的氧化相互促進，協同進行，是一種經濟有效的方法。但生物活性炭法仍需要繼續改進。

(1)在微生物處理的這個過程中，降解污染物的微生物只能轉化可生物降解的化合物，難生物降解且分子量較大無法被活性炭吸附的污染物無法得到去除。

(2)若廢水中存在有毒物質，其可能抑制生物過程，甚至還可能殺死生物過程中的微生物，破壞整個工藝。

(3)活性炭具有一定的使用壽命，應繼續研究延長活性炭壽命的措施。