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【摘 要】生物活性炭技术(BAC)是一种有效的水处理方法。本文总结了近年来国内外有关生物活性炭技术在废水处理中的研究与应用现状。着重介绍了生物活性炭技术在饮用水处理、生活污水处理、工业印染废水处理、含油废水处理、制药废水处理、微污染水处理等领域的研究和应用情况。分析生物活性炭技术在水处理中的应用前景和发展方向。
【关键词】 生物活性炭;水处理;应用现状;前景
【中图分类号】 TU531.13 【文献标识码】 B【文章编号】 1727-5123(2010)03-045-02
Development of the application & research of biological activated carbon for wastewater treatment
【Abstract】 Biological activated carbon (BAC) is an efficient method for wastewater treatment. A summary on research and
application of using the BAC for wastewater treatment at home and abroad in recent years is made in this article. This technology applied
for drinking-water treatment, domestic wastewater treatment, industrial wastewater treatment, including printing and dyeing wastewater,
oil-bearing wastewater, pharmacy wastewater, tinily polluted wastewater have been introduced in detail. The application prospect and
development direction of BAC technology for wastewater treatment are analyzed in this article.
【Key words】 Biological activate carbon;Wastewater treatment;Application;Prospect
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[1]。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。
1物活性炭技术在水处理方面的应用
1.1用于饮用水处理。饮用水在进入城市污水管网之前一般需要进行消毒处理,而消毒后的副产物(DBP)、三卤甲烷(THM)和卤乙酸(HAAs)等对人体有较强的毒害作用,采取有效工艺降低饮用水中DBPs浓度成为目前研究的热点之一。T.Ramn等运用基于紫外-过氧化氢的预氧化法(AOP),结合生物活性炭技术处理饮用水中的DBPs、TOC和UV254,与未经处理的原水相比,这三种污染物质的浓度分别减少了43%、52%和59%,去除效果明显。刘军等实验证明,臭氧-活性炭工艺是去除饮用水中微量邻苯二甲酸酯的有效方法。2002年10月上海杨树浦水厂和南市水厂,采用BAC技术处理原水,各项出水指标均达到了国际先进水平。
1.2用于生活污水处理。H.Fr.Schroder[2]采用O3-BAC法处理城市生活污水,实验结果表明:该技术对烷基苯化合物及其降解产物等极性化合物的去除效率更好。
施红等探讨了粒状生物活性炭(GBAC)和固定粉状生物活性炭(IPBAC)对生活废水中CODMn的处理效果。结果表明,GBAC和IPBAC中微生物的生长(UV254)与运行周期密切相关。GBAC和IPBAC运行初期,炭表面的生物膜逐步形成,微生物不稳定参数,从而导致UV值波动较大。随着运行周期的延长,生物膜生长逐步趋于稳定。随着炭层高度的增长,生物活性炭对COD的去除率也提高。GBAC与IPBAC对CODMn都有很高的去除率,但GBAC对CODMn的去除率高于IPBAC。陆德滨用生物活性炭方法处理洗浴污水,出水的pH、SS、COD、BOD5、合成洗涤剂等各项指标均能达到排放标准。
1.3生物活性炭技术处理工业废水。
1.3.1印染废水。印染废水水量大、有机污染物含量高、色度深、水质变化大,是难处理的工业废水之一。G.M.Walke等[3]研究了生物活性炭搅拌池反应器对印染废水的处理效果,并对生物砂床+单纯活性炭、BAC、生物砂床、单纯活性炭吸附及单纯生物降解等工艺进行了平行对比实验。试验结果见表1。结果表明,五种处理方法均能起到脱色作用,但是过了初始阶段,生物活性炭对染料的去除率明显高于其他方法。
表1不同工艺对染料废水中染料的去除速率
注:Vo为染料去除速率;TB4R为酸性蓝,TB2R为酸性红,TO3G为酸性橘黄。
田晴等采用上流式曝气生物活性炭法处理印染废水二级生物处理出水,利用TTC-脱氢酶活性(DHA)法监测了生物活性炭反应器内的活性分布,同时利用该法证明了活性炭的吸附功能对附着生物膜活性的影响,以及反应器反冲洗对生物膜活性的影响,为生物活性炭法有效地去除印染废水中难降解的有机物提供了理论依据。
1.3.2含油废水。李伟光等采用人工固定生物活性炭处理含油废水,油去除效率达80～95%,COD平均去除率达53%,出水油质量浓度小于5mg/L,试验结果表明,该工艺对污染物的去除效果明显高于颗粒活性炭和传统的二级气浮工艺。李安捷等[4]用果壳颗粒活性炭为载体的内循环流化床反应器工艺,在好氧条件下净化采油废水。结果表明,果壳粒状活性炭投加质量分数为15%时处理效果较好,最优化水力停留时间为5h。借助有机物的表征参数COD、UV254、UV410、有机酸以及GC/MS分析方法对该工艺净化采油废水中的有机物能力进行了研究。结果表明,其对COD的去除率为25~45%,UV254、UV410、和有机酸的平均去除率分别为85.9%、73.6%和51.5%,油去除率达100%,但很难去除长链烷烃。研究还发现,由于采油废水中含有某些高浓度的无机离子,如Ca2+、Cl-,占据了活性炭吸附活性中心,从而对活性炭吸附和降解有机物的性能产生不利影响,采油废水温度较高也是影响生物活性炭处理效果的一个因素。
1.3.3制药废水。制药废水一直是废水处理中的难题,其含有机物种类多、浓度高、色度深、固体悬浮物质浓度高、组分复杂,且含有许多难降解物质和抑制细菌生长的抗生素。比利时Gent大学研究的生物活性炭过滤器系统(BACOF)在处理制药废水上取得了良好的效果,制药厂废水经生化处理后,若再经BACOF工艺处理,则出水对鱼类无毒害作用,其中,伯斯市某制药厂废水经BACOF处理后的效果见表2。
表2BACOF工艺对制药厂废水的处理效果
注:进水pH=7.8,出水pH=7.2。
P.A.C Bonne等采用活性炭生物膜(BACOF)法与反渗透法组合处理含杀虫剂的污染水,对杀虫剂的去除效率高达99.5%,且O3-BACF的作用明显减轻了反渗透膜的污染问题,处理效果优良且稳定。R.Vahala等[5]研究了臭氧-双级活性炭法,结果表明其对废水中可同化有机碳(AOC)的处理效果更好(出水AOC<10μg/L)。
胡妙生采用厌氧生物活性炭流化床处理制药厂生产氯苯胍和络硝咪唑两个车间的排放液。试验结果表明相对于其他厌氧工艺,该工艺停留时间短,耐冲击负荷大,在高进水负荷下出水稳定,COD去除率达80%以上。
1.3.3微污染水。甲醇是一种小分子极性物质,活性炭对它的吸附作用较弱,单纯的活性炭吸附处理甲醇废水去除率很低,但是甲醇的生物可降解性很好。余志坚就丙烯酸强碱树脂、专除甲醇大孔树脂、D301大孔树脂、颗粒活性炭(GAC)、BAC吸附甲醇的性能进行了对比试验。试验结果表明,BAC对甲醇的去除效率较单纯的活性炭吸附提高了2～30倍。实验发现,影响生物活性炭去除甲醇的因素有pH、温度、溶解氧、底物浓度、水力停留时间等。如弱碱性环境利于甲醇的去除,最佳pH为7～8.5,废水温度25～35°C条件下生物活性炭对甲醇的去除率最大。甲醇降解菌是好氧菌,随着溶解氧的增加,甲醇去除率增加,但是在实际运行中,有溶解氧就要考虑曝气,所以考虑到经济因素,溶解氧的质量浓度保持在3～5mg/L较为适宜。底物的质量浓度为11.3～23.8mg/L时,甲醇去除率达80%以上;底物质量浓度为27.5～37.6mg/L时,去除率达70%以上;底物质量浓度提高至40mg/L以上时,去除率仍可保持在50%以上。可见该方法对甲醇的去除是很有效的,力停留时间越长,甲醇的去除率越高。但停留时间超过40min后,去除率的增加不明显,因此水力停留时间控制在30～40min比较适宜。除以上所述,BAC技术还广泛应用于食品业废水及垃圾渗滤液等的处理。
2今后的研究趋势
生物活性炭技术在水处理方面发挥着越来越重要的作用,以下几个方面值得我们注意:
2.1微生物对污染物的生物降解途径研究较多,目前单一化合物的降解途径已有很深入的阐述。而生物活性碳吸附降解的是污染物的复杂体系,活性碳微生物群落本身也是一个复杂体系。微生物之间通过降解物和自身代谢物建立的相互关系,以及微生物对饱和活性炭吸附性能进行恢复的机理,目前尚缺乏深层的理论支持,有必要进行深入研究。
2.2活性炭作为微生物群落集结地和降解污染物的场所,对微生物的吸附和建立群落层次有着重要的作用。活性碳本身有材质之分,包括木质、煤质等,其中,活性炭材质对生物活性炭的形成及降解能力的强弱有无影响值得我们关注。
2.3污水、废气的处理,在工业化过程中必然追求高通量高效率,在一定时间内处理最多的污染物。活性碳处理污染物要在工业上得到更大规模的推广应用,需要建立氧传质动力学等理论模型。
2.4生物活性碳处理工业用水,目前已能达到国家污水排放标准;但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,保障饮用水的安全是亟待解决的问题。
3结语
由于国内外对BAC研究工作的重视,BAC技术作为一种低能耗、无污染的绿色处理技术,其工艺和实际应用水平在不断提高,将更广泛地应用于工业废水和生活废水处理中[6]。我国生活饮用水新标准即将出台,其中常规检验项目由原先的35个增加到42个,并增加非常规检验项目63个,在新标准中首次对亚硝酸盐、溴酸盐、贾第虫、隐孢子虫以及镉等物质的标准限值作出规定。可以预见BAC技术在保障饮用水安全方面需要更进一步的研究,以使其发挥更大的作用。
参考文献
1张书雅等.生物活性炭技术的应用及发展趋势[J].辽宁化工,2007;36(11):286～289
2Schroder H Fr.Characterization and monitoring of persistent toxicorganics in the aquatic environment[J].Wat.Sci.Tech,1998;38(7):151~158
3Walker G M,Weatherley L R.Biological activated carbon treatment of industrial wastewater in stirred tank reactors [J].Chemica Engineering Journal,1999;75(3):201~206
4李安婕等.生物活性炭流化床净化采油废水的效能及特性[J].环境科学,2006;27(5):918~923
5Vahala R,Ala-peijari T,Rintala J. Evaluating ozone dose for AOC removal in two-step GAC filters[J].Wat.Sci.Tech,1998;37(9):113~120
6 张宝安等.生物活性炭技术在水处理中的研究应用进展[J].工业水处理,2008;8(7):6~8
【关键词】 生物活性炭;水处理;应用现状;前景
【中图分类号】 TU531.13 【文献标识码】 B【文章编号】 1727-5123(2010)03-045-02
Development of the application & research of biological activated carbon for wastewater treatment
【Abstract】 Biological activated carbon (BAC) is an efficient method for wastewater treatment. A summary on research and
application of using the BAC for wastewater treatment at home and abroad in recent years is made in this article. This technology applied
for drinking-water treatment, domestic wastewater treatment, industrial wastewater treatment, including printing and dyeing wastewater,
oil-bearing wastewater, pharmacy wastewater, tinily polluted wastewater have been introduced in detail. The application prospect and
development direction of BAC technology for wastewater treatment are analyzed in this article.
【Key words】 Biological activate carbon;Wastewater treatment;Application;Prospect
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[1]。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。
1物活性炭技术在水处理方面的应用
1.1用于饮用水处理。饮用水在进入城市污水管网之前一般需要进行消毒处理,而消毒后的副产物(DBP)、三卤甲烷(THM)和卤乙酸(HAAs)等对人体有较强的毒害作用,采取有效工艺降低饮用水中DBPs浓度成为目前研究的热点之一。T.Ramn等运用基于紫外-过氧化氢的预氧化法(AOP),结合生物活性炭技术处理饮用水中的DBPs、TOC和UV254,与未经处理的原水相比,这三种污染物质的浓度分别减少了43%、52%和59%,去除效果明显。刘军等实验证明,臭氧-活性炭工艺是去除饮用水中微量邻苯二甲酸酯的有效方法。2002年10月上海杨树浦水厂和南市水厂,采用BAC技术处理原水,各项出水指标均达到了国际先进水平。
1.2用于生活污水处理。H.Fr.Schroder[2]采用O3-BAC法处理城市生活污水,实验结果表明:该技术对烷基苯化合物及其降解产物等极性化合物的去除效率更好。
施红等探讨了粒状生物活性炭(GBAC)和固定粉状生物活性炭(IPBAC)对生活废水中CODMn的处理效果。结果表明,GBAC和IPBAC中微生物的生长(UV254)与运行周期密切相关。GBAC和IPBAC运行初期,炭表面的生物膜逐步形成,微生物不稳定参数,从而导致UV值波动较大。随着运行周期的延长,生物膜生长逐步趋于稳定。随着炭层高度的增长,生物活性炭对COD的去除率也提高。GBAC与IPBAC对CODMn都有很高的去除率,但GBAC对CODMn的去除率高于IPBAC。陆德滨用生物活性炭方法处理洗浴污水,出水的pH、SS、COD、BOD5、合成洗涤剂等各项指标均能达到排放标准。
1.3生物活性炭技术处理工业废水。
1.3.1印染废水。印染废水水量大、有机污染物含量高、色度深、水质变化大,是难处理的工业废水之一。G.M.Walke等[3]研究了生物活性炭搅拌池反应器对印染废水的处理效果,并对生物砂床+单纯活性炭、BAC、生物砂床、单纯活性炭吸附及单纯生物降解等工艺进行了平行对比实验。试验结果见表1。结果表明,五种处理方法均能起到脱色作用,但是过了初始阶段,生物活性炭对染料的去除率明显高于其他方法。
表1不同工艺对染料废水中染料的去除速率
注:Vo为染料去除速率;TB4R为酸性蓝,TB2R为酸性红,TO3G为酸性橘黄。
田晴等采用上流式曝气生物活性炭法处理印染废水二级生物处理出水,利用TTC-脱氢酶活性(DHA)法监测了生物活性炭反应器内的活性分布,同时利用该法证明了活性炭的吸附功能对附着生物膜活性的影响,以及反应器反冲洗对生物膜活性的影响,为生物活性炭法有效地去除印染废水中难降解的有机物提供了理论依据。
1.3.2含油废水。李伟光等采用人工固定生物活性炭处理含油废水,油去除效率达80～95%,COD平均去除率达53%,出水油质量浓度小于5mg/L,试验结果表明,该工艺对污染物的去除效果明显高于颗粒活性炭和传统的二级气浮工艺。李安捷等[4]用果壳颗粒活性炭为载体的内循环流化床反应器工艺,在好氧条件下净化采油废水。结果表明,果壳粒状活性炭投加质量分数为15%时处理效果较好,最优化水力停留时间为5h。借助有机物的表征参数COD、UV254、UV410、有机酸以及GC/MS分析方法对该工艺净化采油废水中的有机物能力进行了研究。结果表明,其对COD的去除率为25~45%,UV254、UV410、和有机酸的平均去除率分别为85.9%、73.6%和51.5%,油去除率达100%,但很难去除长链烷烃。研究还发现,由于采油废水中含有某些高浓度的无机离子,如Ca2+、Cl-,占据了活性炭吸附活性中心,从而对活性炭吸附和降解有机物的性能产生不利影响,采油废水温度较高也是影响生物活性炭处理效果的一个因素。
1.3.3制药废水。制药废水一直是废水处理中的难题,其含有机物种类多、浓度高、色度深、固体悬浮物质浓度高、组分复杂,且含有许多难降解物质和抑制细菌生长的抗生素。比利时Gent大学研究的生物活性炭过滤器系统(BACOF)在处理制药废水上取得了良好的效果,制药厂废水经生化处理后,若再经BACOF工艺处理,则出水对鱼类无毒害作用,其中,伯斯市某制药厂废水经BACOF处理后的效果见表2。
表2BACOF工艺对制药厂废水的处理效果
注:进水pH=7.8,出水pH=7.2。
P.A.C Bonne等采用活性炭生物膜(BACOF)法与反渗透法组合处理含杀虫剂的污染水,对杀虫剂的去除效率高达99.5%,且O3-BACF的作用明显减轻了反渗透膜的污染问题,处理效果优良且稳定。R.Vahala等[5]研究了臭氧-双级活性炭法,结果表明其对废水中可同化有机碳(AOC)的处理效果更好(出水AOC<10μg/L)。
胡妙生采用厌氧生物活性炭流化床处理制药厂生产氯苯胍和络硝咪唑两个车间的排放液。试验结果表明相对于其他厌氧工艺,该工艺停留时间短,耐冲击负荷大,在高进水负荷下出水稳定,COD去除率达80%以上。
1.3.3微污染水。甲醇是一种小分子极性物质,活性炭对它的吸附作用较弱,单纯的活性炭吸附处理甲醇废水去除率很低,但是甲醇的生物可降解性很好。余志坚就丙烯酸强碱树脂、专除甲醇大孔树脂、D301大孔树脂、颗粒活性炭(GAC)、BAC吸附甲醇的性能进行了对比试验。试验结果表明,BAC对甲醇的去除效率较单纯的活性炭吸附提高了2～30倍。实验发现,影响生物活性炭去除甲醇的因素有pH、温度、溶解氧、底物浓度、水力停留时间等。如弱碱性环境利于甲醇的去除,最佳pH为7～8.5,废水温度25～35°C条件下生物活性炭对甲醇的去除率最大。甲醇降解菌是好氧菌,随着溶解氧的增加,甲醇去除率增加,但是在实际运行中,有溶解氧就要考虑曝气,所以考虑到经济因素,溶解氧的质量浓度保持在3～5mg/L较为适宜。底物的质量浓度为11.3～23.8mg/L时,甲醇去除率达80%以上;底物质量浓度为27.5～37.6mg/L时,去除率达70%以上;底物质量浓度提高至40mg/L以上时,去除率仍可保持在50%以上。可见该方法对甲醇的去除是很有效的,力停留时间越长,甲醇的去除率越高。但停留时间超过40min后,去除率的增加不明显,因此水力停留时间控制在30～40min比较适宜。除以上所述,BAC技术还广泛应用于食品业废水及垃圾渗滤液等的处理。
2今后的研究趋势
生物活性炭技术在水处理方面发挥着越来越重要的作用,以下几个方面值得我们注意:
2.1微生物对污染物的生物降解途径研究较多,目前单一化合物的降解途径已有很深入的阐述。而生物活性碳吸附降解的是污染物的复杂体系,活性碳微生物群落本身也是一个复杂体系。微生物之间通过降解物和自身代谢物建立的相互关系,以及微生物对饱和活性炭吸附性能进行恢复的机理,目前尚缺乏深层的理论支持,有必要进行深入研究。
2.2活性炭作为微生物群落集结地和降解污染物的场所,对微生物的吸附和建立群落层次有着重要的作用。活性碳本身有材质之分,包括木质、煤质等,其中,活性炭材质对生物活性炭的形成及降解能力的强弱有无影响值得我们关注。
2.3污水、废气的处理,在工业化过程中必然追求高通量高效率,在一定时间内处理最多的污染物。活性碳处理污染物要在工业上得到更大规模的推广应用,需要建立氧传质动力学等理论模型。
2.4生物活性碳处理工业用水,目前已能达到国家污水排放标准;但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,保障饮用水的安全是亟待解决的问题。
3结语
由于国内外对BAC研究工作的重视,BAC技术作为一种低能耗、无污染的绿色处理技术,其工艺和实际应用水平在不断提高,将更广泛地应用于工业废水和生活废水处理中[6]。我国生活饮用水新标准即将出台,其中常规检验项目由原先的35个增加到42个,并增加非常规检验项目63个,在新标准中首次对亚硝酸盐、溴酸盐、贾第虫、隐孢子虫以及镉等物质的标准限值作出规定。可以预见BAC技术在保障饮用水安全方面需要更进一步的研究,以使其发挥更大的作用。
参考文献
1张书雅等.生物活性炭技术的应用及发展趋势[J].辽宁化工,2007;36(11):286～289
2Schroder H Fr.Characterization and monitoring of persistent toxicorganics in the aquatic environment[J].Wat.Sci.Tech,1998;38(7):151~158
3Walker G M,Weatherley L R.Biological activated carbon treatment of industrial wastewater in stirred tank reactors [J].Chemica Engineering Journal,1999;75(3):201~206
4李安婕等.生物活性炭流化床净化采油废水的效能及特性[J].环境科学,2006;27(5):918~923
5Vahala R,Ala-peijari T,Rintala J. Evaluating ozone dose for AOC removal in two-step GAC filters[J].Wat.Sci.Tech,1998;37(9):113~120
6 张宝安等.生物活性炭技术在水处理中的研究应用进展[J].工业水处理,2008;8(7):6~8