生物活性炭工艺在水处理中的应用进展

2021-02-05张楠高山雪陈蕾

应用化工 2021年1期

张楠，高山雪，陈蕾

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037)

在过去的几十年里，水环境污染是一个日益引起关注的问题。现在随着社会和科学技术的发展，污水中含有多种污染，污水处理的难度也在增加。生物活性炭(BAC)技术是从1972年最先起源的，主要是利用活性炭的缝隙结构、比表面吸入有机污染物，能够利用高效率对污水进行处理，用最短的时间达到预期的效果[1-3]。生物活性炭技术的水处理能力以及处理的效果，和单独采用的生物法以及活性炭法相比，均有明显的提高，因此这项技术目前在发达国家的污水再利用、工业废水处理、污染水源等事业中已经得到了应用，在我国的水处理实践过程中也采用了生物活性炭技术[2]。

1 生物活性炭的作用原理

基于生物活性炭的废水处理技术过程称为生物活性炭的处理过程。该生物活性炭方法是使用活性炭作为载体，在整个处理过程中，在炭的表面上形成生物膜来进行废水处理，同时产生针对废水污染的协同生物处理方法[4]。该方法利用活性炭吸附污染物并被微生物氧化分解来处理污染物，从而提高了废水中有机物的清除率[5]。生物活性炭法增加了毒性和负荷变化的稳定性，同时也使得污泥的脱水和消化性能得到了改善，延长了活性炭的寿命，这是一种新的生物处理技术，本质上是生物学的，但同时还具有化学处理特性，通常与粉末碳活化污泥法一起使用，固定床催化氧化、流化床吸附、膨胀床吸附氧化等工艺也很常见[4]。实验结果表明该方法可成功用于不同类型的工业废水处理(化学、印刷、合成纤维等)，同样也可用于生活污水的处理。目前生物活性炭技术已被广泛用于处理国内外的水，并取得了较好的效果[3]。

2 生物活性炭工艺的影响因素

2.1 活性炭结构性质的影响

活性炭吸附污染物的效果受活性炭比表面积的影响。活性炭的比表面积越大，可吸附并容纳污染物的面积就越大，吸附效果越好，自然对污染物的去除效果就越好。但是表面的大面积并不意味着它的效果好，孔洞的差异性和表面的特性也是影响活性炭吸附效果的一个重要因素[6]。Sung-Hyun等[7]研究了软木生物滤池和活性炭生物滤池对不稳定有机化合物的去除效果。研究结果表明软木生物滤池比活性炭生物滤池的降解量要高，尽管活性炭的比表面积比软木大得多，但由于软木的有机表面具有大量的孔结构，利于微生物生存，所以软木的生物滤池的处理效果要比活性炭生物滤池好。王广智等[8]经过研究发现，机械强度越高，表面越粗糙的活性炭在生物活性炭工艺中的处理效果更好。因此，活性炭的机械强度以及活性炭表面的粗糙光滑程度都会影响其对污水的处理效果。

2.2 进水浊度的影响

由于活性炭是多孔结构的物质，因此其容易被堵塞。若进水浊度较大，待处理废水中所含悬浮物浓度较高，则很容易将活性炭的孔隙堵塞。此时活性炭的吸附能力会大大下降，这也就提高了后续生物处理的难度，同时，也会减小微生物与活性炭的接触面积，也会使得微生物的氧气受损量加大，使得生物处理环节的处理效果减小，因此会影响整个生物活性炭工艺的处理效果[6]。

2.3 预处理的影响

预备氧化能氧化分解水中的有机污染物，把大分子有机物分解为小分子的有机物，这样提高了有机物的生物化可能性，对后续过程的有机污染物的消除更加方便[6]。研究人员通过研究不同水处理的组合过程的污染消除效果，包括化学前处理、通常处理、生物活性炭或臭氧生物活性炭技术的并用得出结果：臭氧预备氧化、生物预备氧化、过锰酸盐复合药剂预备氧化能提高生物活性炭或者臭氧生物活性炭过程的各指标的除去能力[9-10]。

3 生物活性炭技术在水处理中的应用

3.1 纺织废水

纺织业被称为“制造业中最长、最复杂的产业链之一”[4]。“纺织产业链”的每一步都可能向环境排放污染物或使用不可再生能源[4]。纺织工业被称为释放大量被大量化学物质污染的废水。废水成分在浓度和时间上都有显著的变化。因此，纺织废水的处理非常复杂。

然而，纺织行业的主要问题是巨大的水消耗，并转化为高负荷废水[11]。生物处理过程利用细菌、古细菌、真菌、藻类或植物的代谢能力，以氧化或还原有机和无机化合物[11-12]。通过确保适当的条件(氧气浓度、pH值、营养物质的获取等)强化了自然界中发生的过程。这些过程通常在生物反应器中实施，并配有足够的曝气和搅拌设备。生物降解方法被认为具有成本效益[12-13]。但是，投资成本可能很高，这取决于所使用的设备。

3.2 含油废水

废水中含有石油有多种来源，如石油的提取、熔炼、运输、存储，以及生产石油所需经过的过程中，都能够产生大量的此类废水[14]。含有油类的废水对环境产生了重大影响。例如，挥发性物质挥发后进入空气中污染空气，以及石油生产过程中，部分石油会进入地下水，从而对水质造成污染。除此之外，油类的主要组成元素是氢、碳等，碳氢化合物含量过高很可能引起燃烧，这也对人类的安全构成了严重的威胁[15]。研究人员在长期被石油污染的地区提取土壤，经过一系列的提取实验，提取出了一种可降解油类的细菌，并将部分该细菌接种到生物活性炭工艺的设备中，接种后经过一段时间的观察后发现，与接种细菌之前相比，该工艺对污水中油类以及COD的去除率均有明显的升高[16]。李伟光、车春波等[17-18]利用生物活性炭工艺对含油废水进行深度处理，结果显示出水水质稳定，处理效果较好。

3.3 微污染原水

腐殖质是原水中主要的有机碳，且其容易与氯发生反应，因此原水在进入水厂进行处理时，由于腐殖质的作用，极容易形成具有致癌作用的消毒副产物，从而使得水源被污染。此外，自来水中残留的腐殖质会降低残留氯的稳定性，并导致管网中微生物的加速生长[19-20]。因此这类水若被饮用可能会对人类造成危害。世界卫生组织报告称，每年约有 2 000 万人死于饮用不卫生的水[21]。

目前水厂的生物活性炭工艺大多数采用臭氧-生物活性炭联用的工艺，臭氧具有强氧化能力，能够将水中的大分子且难降解的有机物氧化成小分子易降解有机物，便于后续生物活性炭工艺的处理，也有利于提高后整体工艺的去除率[22]。除此之外，还可以避免后续工艺中投入大量的氯，因为臭氧能够起到杀菌消毒的作用，从而降低了氯的用量以及余氯与水中残留物质生成副产物的可能性[23]。针对长江南京段微污染原水，研究人员采用臭氧-生物活性炭工艺对其进行深度处理，经臭氧氧化后，水中的难生物降解的大分子有机物均被氧化为小分子、易生物降解的有机物方便了后续工艺的处理，降低了后续的处理难度，与传统工艺相比处理效果得到了明显改善[24]。

3.4 印染废水

陶瓷、食品、制药和其他行业是这种污染的重要来源[25]。因为其使用大量的染料着色产品，因此各种阴离子和阳离子合成染料，通过这些行业的废水释放到水体中[26-27]。结晶紫染料是有机化合物，其具有复杂而稳定的分子结构，很难被降解[28]。这些染料具有毒性和致癌性，会对人体健康和水生生物产生危害[29]。因此，含染料的工业废水需要适当的处理[28]。处理有色废水的方法多种多样[30]，其中，吸附因其高效、低成本、操作简单和吸附剂的可用性而被认为是更合适的方法[28]。活性炭是目前应用最广泛的水溶液脱色吸附剂之一，这种吸附剂是有效的。

3.5 生活废水

李金波等[31]在生活污水处理中比较了生物学的活性炭流动层法和以往的活性污泥处理的差异，实验结果表明，生物学的活性炭流动层法处理过程开始运行得更早，除去各类污染物的效率更高，稳定的耐冲击负荷可以有效地避免淤泥膨胀。从俏等[32]选用了混凝-砂滤-固定BAC纤维的处理工艺，并利用该工艺对某学校澡堂的洗浴废水进行处理，结果显示，较传统工艺出水浊度及其他指标均得到了提高，能达到符合国家标准的要求。