張楠，高山雪，陳蕾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

在過(guò)去的幾十年里，水環(huán)境污染是一個(gè)日益引起關(guān)注的問(wèn)題?，F(xiàn)在隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(shù)是從1972年最先起源的，主要是利用活性炭的縫隙結(jié)構(gòu)、比表面吸入有機(jī)污染物，能夠利用高效率對(duì)污水進(jìn)行處理，用最短的時(shí)間達(dá)到預(yù)期的效果[1-3]。生物活性炭技術(shù)的水處理能力以及處理的效果，和單獨(dú)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(xiàng)技術(shù)目前在發(fā)達(dá)國(guó)家的污水再利用、工業(yè)廢水處理、污染水源等事業(yè)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，在我國(guó)的水處理實(shí)踐過(guò)程中也采用了生物活性炭技術(shù)[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(shù)過(guò)程稱(chēng)為生物活性炭的處理過(guò)程。該生物活性炭方法是使用活性炭作為載體，在整個(gè)處理過(guò)程中，在炭的表面上形成生物膜來(lái)進(jìn)行廢水處理，同時(shí)產(chǎn)生針對(duì)廢水污染的協(xié)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(lái)處理污染物，從而提高了廢水中有機(jī)物的清除率[5]。生物活性炭法增加了毒性和負(fù)荷變化的穩(wěn)定性，同時(shí)也使得污泥的脫水和消化性能得到了改善，延長(zhǎng)了活性炭的壽命，這是一種新的生物處理技術(shù)，本質(zhì)上是生物學(xué)的，但同時(shí)還具有化學(xué)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(jiàn)[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可成功用于不同類(lèi)型的工業(yè)廢水處理(化學(xué)、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(shù)已被廣泛用于處理國(guó)內(nèi)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(jié)構(gòu)性質(zhì)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?；钚蕴康谋缺砻娣e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(duì)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(gè)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(duì)不穩(wěn)定有機(jī)化合物的去除效果。研究結(jié)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(jī)表面具有大量的孔結(jié)構(gòu)，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(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度以及活性炭表面的粗糙光滑程度都會(huì)影響其對(duì)污水的處理效果。

2.2 進(jìn)水濁度的影響

由于活性炭是多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，因此其容易被堵塞。若進(jìn)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(shí)活性炭的吸附能力會(huì)大大下降，這也就提高了后續(xù)生物處理的難度，同時(shí)，也會(huì)減小微生物與活性炭的接觸面積，也會(huì)使得微生物的氧氣受損量加大，使得生物處理環(huán)節(jié)的處理效果減小，因此會(huì)影響整個(gè)生物活性炭工藝的處理效果[6]。

2.3 預(yù)處理的影響

預(yù)備氧化能氧化分解水中的有機(jī)污染物，把大分子有機(jī)物分解為小分子的有機(jī)物，這樣提高了有機(jī)物的生物化可能性，對(duì)后續(xù)過(guò)程的有機(jī)污染物的消除更加方便[6]。研究人員通過(guò)研究不同水處理的組合過(guò)程的污染消除效果，包括化學(xué)前處理、通常處理、生物活性炭或臭氧生物活性炭技術(shù)的并用得出結(jié)果：臭氧預(yù)備氧化、生物預(yù)備氧化、過(guò)錳酸鹽復(fù)合藥劑預(yù)備氧化能提高生物活性炭或者臭氧生物活性炭過(guò)程的各指標(biāo)的除去能力[9-10]。

3 生物活性炭技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

3.1 紡織廢水

紡織業(yè)被稱(chēng)為“制造業(yè)中最長(zhǎng)、最復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈之一”[4]?！凹徔棶a(chǎn)業(yè)鏈”的每一步都可能向環(huán)境排放污染物或使用不可再生能源[4]。紡織工業(yè)被稱(chēng)為釋放大量被大量化學(xué)物質(zhì)污染的廢水。廢水成分在濃度和時(shí)間上都有顯著的變化。因此，紡織廢水的處理非常復(fù)雜。

然而，紡織行業(yè)的主要問(wèn)題是巨大的水消耗，并轉(zhuǎn)化為高負(fù)荷廢水[11]。生物處理過(guò)程利用細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)或植物的代謝能力，以氧化或還原有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物[11-12]。通過(guò)確保適當(dāng)?shù)臈l件(氧氣濃度、pH值、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的獲取等)強(qiáng)化了自然界中發(fā)生的過(guò)程。這些過(guò)程通常在生物反應(yīng)器中實(shí)施，并配有足夠的曝氣和攪拌設(shè)備。生物降解方法被認(rèn)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(shè)備。

3.2 含油廢水

廢水中含有石油有多種來(lái)源，如石油的提取、熔煉、運(yùn)輸、存儲(chǔ)，以及生產(chǎn)石油所需經(jīng)過(guò)的過(guò)程中，都能夠產(chǎn)生大量的此類(lèi)廢水[14]。含有油類(lèi)的廢水對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。例如，揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)后進(jìn)入空氣中污染空氣，以及石油生產(chǎn)過(guò)程中，部分石油會(huì)進(jìn)入地下水，從而對(duì)水質(zhì)造成污染。除此之外，油類(lèi)的主要組成元素是氫、碳等，碳?xì)浠衔锖窟^(guò)高很可能引起燃燒，這也對(duì)人類(lèi)的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[15]。研究人員在長(zhǎng)期被石油污染的地區(qū)提取土壤，經(jīng)過(guò)一系列的提取實(shí)驗(yàn)，提取出了一種可降解油類(lèi)的細(xì)菌，并將部分該細(xì)菌接種到生物活性炭工藝的設(shè)備中，接種后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察后發(fā)現(xiàn)，與接種細(xì)菌之前相比，該工藝對(duì)污水中油類(lèi)以及COD的去除率均有明顯的升高[16]。李偉光、車(chē)春波等[17-18]利用生物活性炭工藝對(duì)含油廢水進(jìn)行深度處理，結(jié)果顯示出水水質(zhì)穩(wěn)定，處理效果較好。

3.3 微污染原水

腐殖質(zhì)是原水中主要的有機(jī)碳，且其容易與氯發(fā)生反應(yīng)，因此原水在進(jìn)入水廠進(jìn)行處理時(shí)，由于腐殖質(zhì)的作用，極容易形成具有致癌作用的消毒副產(chǎn)物，從而使得水源被污染。此外，自來(lái)水中殘留的腐殖質(zhì)會(huì)降低殘留氯的穩(wěn)定性，并導(dǎo)致管網(wǎng)中微生物的加速生長(zhǎng)[19-20]。因此這類(lèi)水若被飲用可能會(huì)對(duì)人類(lèi)造成危害。世界衛(wèi)生組織報(bào)告稱(chēng)，每年約有 2 000 萬(wàn)人死于飲用不衛(wèi)生的水[21]。

目前水廠的生物活性炭工藝大多數(shù)采用臭氧-生物活性炭聯(lián)用的工藝，臭氧具有強(qiáng)氧化能力，能夠?qū)⑺械拇蠓肿忧译y降解的有機(jī)物氧化成小分子易降解有機(jī)物，便于后續(xù)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(xù)工藝中投入大量的氯，因?yàn)槌粞跄軌蚱鸬綒⒕镜淖饔?，從而降低了氯的用量以及余氯與水中殘留物質(zhì)生成副產(chǎn)物的可能性[23]。針對(duì)長(zhǎng)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(duì)其進(jìn)行深度處理，經(jīng)臭氧氧化后，水中的難生物降解的大分子有機(jī)物均被氧化為小分子、易生物降解的有機(jī)物方便了后續(xù)工藝的處理，降低了后續(xù)的處理難度，與傳統(tǒng)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(yè)是這種污染的重要來(lái)源[25]。因?yàn)槠涫褂么罅康娜玖现a(chǎn)品，因此各種陰離子和陽(yáng)離子合成染料，通過(guò)這些行業(yè)的廢水釋放到水體中[26-27]。結(jié)晶紫染料是有機(jī)化合物，其具有復(fù)雜而穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，很難被降解[28]。這些染料具有毒性和致癌性，會(huì)對(duì)人體健康和水生生物產(chǎn)生危害[29]。因此，含染料的工業(yè)廢水需要適當(dāng)?shù)奶幚韀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(jiǎn)單和吸附劑的可用性而被認(rèn)為是更合適的方法[28]?；钚蕴渴悄壳皯?yīng)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(xué)的活性炭流動(dòng)層法和以往的活性污泥處理的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生物學(xué)的活性炭流動(dòng)層法處理過(guò)程開(kāi)始運(yùn)行得更早，除去各類(lèi)污染物的效率更高，穩(wěn)定的耐沖擊負(fù)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(duì)某學(xué)校澡堂的洗浴廢水進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，較傳統(tǒng)工藝出水濁度及其他指標(biāo)均得到了提高，能達(dá)到符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，具有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)。但將這兩者工藝運(yùn)用在一起，可以大大提高其處理能力——活性炭對(duì)有機(jī)物質(zhì)的吸附和微生物的氧化相互促進(jìn)，協(xié)同進(jìn)行，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。但生物活性炭法仍需要繼續(xù)改進(jìn)。

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

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

(3)活性炭具有一定的使用壽命，應(yīng)繼續(xù)研究延長(zhǎng)活性炭壽命的措施。