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生物活性炭的制备与应用

作者:点击:136 发布时间:2022-02-22

一、生物活性炭的定义与特性

    生物活性炭(简称BAC)是指在活性炭的孔内使微生物繁殖,使这些微生物产生活性的水质净化法(生物活性炭法)中所用的炭材料,是一种新型的水净化用炭材料。

    活性炭是一种多孔性物质,其中由微孔(孔径小于2mm)构成的内表面积约占总面积的95%以上,过度孔和大孔仅5%左右。根据活性炭的形状和制作方法不同,可以对活性炭进行分类,一般包括粉末活性炭、颗粒活性炭、破碎状活性炭等类别。活性炭的化学性质稳定,能耐酸、碱,耐高温高压,因此适应性很广。活性炭吸附技术是饮用水深度处理中成熟有效的技术之一,它对水中多种污染物有很好的去除效果。活性炭吸附是完善常规处理工艺以去除水中有机污染物成熟有效的方法之一,可以除去水中的臭味、色度、微量有机污染物(如烷烃类、多环芳烃类等)、重金属、合成洗涤剂、放射性物质等多种污染物,并对水中COD、TOC和Ames致突变性都有不同程度的降低。在20世纪六十年代末至七十年代末,发达开展了利用活性炭吸附去除水中微量有机物的研究工作,对饮用水进行了深度处理。

    随着生物活性炭应用状况的不同,微生物的种类、浓度及个数,活性炭的种类、形状以及装置的形状等也不一样。在高度净水处理的场合,一方面,由于要处理的物质在水中的浓度非常低,而且,微生物还往往难以分解这些物质,因此,除去这样的物质就需要活性炭的吸附作用,而微生物具有让活性炭的处理效果持续进行下去的机能。另一方面,在处理有机物浓度高的废水的场合,结果就变成主要依靠微生物分解除去,而活性炭吸附仅仅起到辅助作用。

    生物活性炭的机能就是随着其应用场合的不同而有相当大的差异,但共同点在于在利用活性炭吸附的同时,还积极地利用微生物的分解机能,可以认为这就是生物活性炭的特征。

    目前对生物活性炭的去除机理没有统一公认的解释,国内外学者有两种机理来解释BAC的生物降解。其中之一是:由于活性炭和水中的有机物浓度梯度,生物活性炭的生物降解作用使得活性炭再生。该理论认为由活性炭释放到水中的有机物由于生物降解作用是逐级减少的,使得水中有机物的浓度较低。因此,吸附的有机物由于浓度梯度而得以再生。与以往有关协同作用解释观点不同的是,他们任务影响生物吸附的因素是活性炭生物再生的强度,并且在整个生物吸附过程中微孔一直被吸附基质所占用,没有发生生物再生,只有过度孔能够通过微生物再生。

    生物活性炭作为深度处理工艺的一种有效形式对去除水中天然有机物有着重要的作用。生物活性炭的形成,活性炭上微生物能够生长繁殖,其重要原因有以下几点:

    1、饮用水中的微生物属于贫营养微生物,对水中的微量有机污染物在生存环境上能够适应;

    2、活性炭作为微生物的载体,能够吸附富集有机物,为微生物的生长储存了营养,并且活性炭能够防止有毒、有害物质对微生物的冲击,防止水流变化的冲击;

    3、臭氧化将难降解有机物氧化分解为易降解有机物,有利于微生物利用,而且对水体富氧,使水体为好氧环境

    这几种作用是微生物在活性炭表面生长繁殖,进而形成生物活性炭。

    活性炭吸附技术在实际应用中,依靠吸附法去除有机物的使用寿命只有3-6个月,并且再生困难,生物活性炭是以活性炭为载体,用生长在炭表面的微生物,在水处理中同时发挥活性炭的物理吸附和微生物的生物降解作用,因此既能有效去除水中微量有机污染物,又能延长活性炭的使用寿命。依靠活性炭自然形成的生物活性炭,其生物较为复杂,生物降解的速率不高,通过人工强化技术如投加高活性微生物,采用人工固定化技术形成的生物活性炭,则具有高效、长效、运行稳定和出水无病原微生物等优点,因此以人工固定化技术为代表的活性炭生物强化工艺也越来越收到人们的重视。

二、生物活性炭的制备

    人工形成的生物活性炭的微生物,是采用新型生物菌种筛选和驯化技术,使得生物菌种针对水中微量有机物具有高效降解性,同时也保证了生物菌种的生物安全性;对生物菌种采用人工固定化方法,限度地提高了活性炭上固定生物菌种的数量,增加了生物菌种与活性炭结合的紧密程度,保证微生物菌种的高活性,使得生物活性炭能够快速有效地降解水中微量的水中有机污染物。

    固定化生物活性炭是以活性炭为载体,人为采用吸附载体法将工程菌吸附在活性炭表面形成生物膜,通过工程菌的生物降解作用和活性炭纤维的物理吸附作用对污染物进行去除,而工程菌是经过针对性筛选、驯化得到的活性极高的微生物。

三、生物活性炭的应用

    从生物活性炭技术发现至今,BAC已在许多成功地应用于污染水源净化、工业废水处理和污水的深度净化等。生物活性炭技术的应用研究有以下几个方面。

    1、饮用水处理

    生物活性炭目前在日本、西欧等的水厂有着较为广泛的应用,其中有代表性的应用实例有:法国鲁昂市夏佩尔水厂,该水厂是世界上运行久的生物活性炭处理厂,是BAC工艺有代表性的生产应用,其处理流程为:源水→预臭氧化→砂滤→粒状生物炭滤池→二次臭氧化→后氯化出水。该厂处理量为5万立方米/天,采用生物活性炭主要是去除氨及合成有机物。进水COD为0.15mg/L,去除率为20%左右。运转到26个月时出水水质仍然很好,活性炭不必再生。

    2、污水处理

    生物活性炭对水中有机物有较好的吸附性能,可以促进有机物在炭表面集中,减缓高冲击负荷的压力,提高微生物的降解速率,有效地去除有机污染物。活性炭对溶解氧的吸附,可保持微生物的活性,促进微生物对有机物的降解,提高活性炭的吸附容量,大大延长活性炭的使用周期,起到活性炭的生物再生作用。

    生物活性炭法处理有机废水时,不仅运行稳定、除去率高,同时可去除活性炭和微生物单独作用时不能去除的污染物。目前,生物活性炭技术已经在饮用水、工业燃料废水、生活污水的处理中得到了广泛的应用研究。

    生物活性炭处理苯酚废水时,可借助于活性炭的吸附和微生物的降解作用。研究表明,活性炭吸附与生物相结合能有效地去除废水中的苯酚,利用微生物的生物降解可以很好地解决活性炭的再生问题。

    3、臭氧-生物活性炭工艺

    目前,臭氧-生物活性炭工艺在水的深度处理上应用较为广泛,国内外对03-BAC技术也开展了大量的研究工作。在微污染源水处理中,生物活性炭对去除原水中有机物和部分消毒副产物。给水处理中常采用臭氧预氧化,发挥臭氧的强氧化能力,提高有机物的可生化性。臭氧分解后产生的氧保持滤柱内有好的好氧条件,好氧微生物在活性炭表面繁殖生长,对吸附的有机物生物降解,于万波等人采用人工配水方式,通过中试研究03-BAC工艺对有机微污染原水深度净化处理的效果,结果表面,选择适应投加臭氧环境的优势菌种,人工固定化形成生物活性炭,可以在水温较低时,较短时间内达到生物活性炭的稳定性期