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1、城市给排水 生物活性炭技术及在污水处理中的应用兰淑澄提要 从实际应用角度出发在目前有关机理研究的基础上根据研究成果及实际应用经验对 生物活性炭用于污水处理及再生的适用范围!条件及与其他技术配合等方面进行论述与分析并举例说明关键词 生物活性炭 污水处理 再利用生物活性炭是世纪年代发展起来的去除 水中有机污染物的一种新工艺年由美国学者米勒 和瑞士 首次采用了/生物活性炭0 缩写为这一术语目前这一新工艺已在世界许多国 家实际应用于污染水源净化!工业废水处理及再生等方面我国研究及应用生物活性炭技术已有多年的历史虽然对其机理的解释在国内外均尚不统一但在实际应用中它显示出的优越性是众所公认的 生物活性炭
2、活性炭最初在欧洲用于给水净化即在臭氧工艺后设置粒状活性炭吸附装置即指与臭氧氧化联合使用的活性炭工艺近年来由于附着生物膜的活性炭处理水的实例逐渐多起来因此生物活性炭技术可定义为利用具有巨大比表面积及发达孔隙结构的活性炭对水中有机物及溶解氧有强的吸附特性以及将其作为载体是微生物集聚!繁殖生长的良好场所在适当的温度及营养条件下同时发挥活性炭的物理吸附作用和微生物生物降解作用的水处理技术或称为生物活性炭法 生物活性炭机理的分析 生物活性炭法处理水的过程涉及活性炭颗粒!微生物!水中污染物基质及溶解氧个因素在水溶液中的相互作用图为生物活性炭法的相互作用简化模型示意1 活性炭与污染物之间的相互作用 属于单纯
3、活性炭吸附与活性炭的比表面积!孔隙结构!表面化学性质有关与污染物的溶解度!分图 生物活性炭的相互作用简化模型示意子量!分子极性!分子结构等有关目前国内用于水处理的活性炭其微孔比较发达一般占比表面积分配的 以上但过渡孔中孔只占 以下对于废水处理需要比孔容积1 活性炭这样大分子和大分子量的有机污染物才能被吸附1 活性炭对溶解氧的作用主要是化学吸附这部分氧有时可起到催化作用1 微生物与溶解氧的作用 当水中溶解氧足够时好氧微生物得以生长溶解氧不足时兼性微生物及厌氧微生物得以生长1 微生物与污染物质的相互作用 微生物对基质的降解过程是微生物获取能量和营养的过程但有时基质也可以是微生物代谢活动的抑制剂因此
4、通常用的比值近似地衡量污水中污染物质是否容易被微生物所降解1 微生物与炭颗粒的相互作用11 活性炭对微生物的吸附活性炭对水中微生物有很好的吸附作用包括给水排水 128 112 20021 对细菌!真菌!原生动物!藻类及病毒等影响活性炭对微生物吸附的主要因素有微生物的特征与浓 度活性炭的特性及环境条件等11 微生物对活性炭吸附作用的影响好氧微生物的存在可以提高活性炭的吸附 容量延长活性炭的使用寿命厌氧及兼氧微生物 的存在将使废水中一些化合物还原如对 及 等有时会对吸附装置的正常运行带来麻烦炭表面生长的微生物是否会影响炭的正常 吸附过程活性炭的吸附速率主要取决于过渡孔中孔及微孔的吸附速率炭表面生长
5、的微生物主 要在活性炭外表面及大孔内活性炭表面上的微生 物量与水中基质浓度有关通过控制适当的基质浓度以及在操作上采用相应的措施如定期反冲炭床 等这样就对活性炭吸附速率的影响不大但到目 前为止人们还没有研究出基质浓度活性炭外膜传质速率或生物膜厚活性炭外膜传质速率的定量关系活性炭吸附与微生物降解的协同作用 生物活性炭胞外酶再生假说年 和 等人提出的细胞外酶假说认为在生物活性 炭表面生长的微生物个体大约是大小不能进 入活性炭的主要吸附区) ) )微孔区直径 而微生物分泌的细胞外酶直径是 的数量级所 以有一部分酶主要是水解酶可以扩散进入炭的微孔内与吸附质进行生物反应形成酶基质复合体使活性炭的吸附能力得
6、以恢复这一假说曾被一些学 者作为生物再生的理论加以引用但因只是理论推测缺乏试验的证明国内年代末有人对这一假 说进行试验与分析认为胞外酶假说不适用于美国于年发布规定的种重点污染物因 此也就不适用于水质净化也有人进行了吸酚饱 和炭的生物再生试验通过试验结果分析认为生物活性炭再生系统中可能发生细胞自溶现象细胞内 的氧化还原酶仍有可能通过某些生物现象进入溶液中与炭表面被吸附的物质直接反应 微生物的降解作用改变了活性炭的物理吸附平衡使生物活 性炭得以再生人们从活性炭的物理吸附特性及微生物氧化作用分析炭表面生长的微生物群不但可以降解水中的有机物质同时也降解炭内已吸附的有机物质由于炭表面微生物膜内的有机污染
7、物质浓度最低所以引起水中有机物借助液相中的浓差推动力和炭对有机物的吸附势能向炭表面微生物膜扩散同时炭内已吸附的有机物则由于其表面的浓度差而获得保持吸附平衡的解吸力也向炭表面微生物膜扩散此时微生物在水和炭两个方向的有机物扩散供给下得到充足的营养生物活性高!繁殖快在适宜的环境下提高了活性炭的吸附容量 生物活性炭工艺的特点适用于低浓度有机废水的深度处理一般 情况下微生物对有机物的降解存在一个最小基质浓度水中有机物低于这一浓度时微生物降解反应速率很低由于对水中有机物有较好的吸附性能炭表面对有机物的富集提高了微生物的降解速率对于城市污水及工业废水的二级处理出水有机物浓度低且可生化性差采用可有效地去除有机
8、污染物处理出水达到回用水水质指标提高活性炭的吸附容量和通水倍数大大延 长活性炭使用周期降低了活性炭再生成本法运行稳定去除率高可去除活性炭 和微生物单独作用时不能去除的污染物由于活性炭对溶解氧的吸附活性炭表面具有催化作用促进有机物生物降解活性炭对水中有毒物质的吸附提高了处理工艺的耐冲击负荷的能力工艺设备简单占地面积小易于实现 完全自动控制运行管理方便节省人力 系统设计及主要工艺参数1 生物活性炭系统的设计首先对污水的性质!组分!浓度进行详细的 调查与分析对污水的可吸附性及可生化性进行必要的试验根据试验结果确定是否适于采用生物活性炭法根据处理对象和处理目标要求选择确定与 生物炭工艺相结合的其他水处
9、理工艺技术摆正生物活性炭在整个处理工艺流程中的地位充分发挥生物活性炭的作用针对要处理的废水进行活性炭的静态吸附 等温线试验以选取最适宜的活性炭品种进行活性炭动态吸附试验或根据已有的经2 给水排水 128 112 2002验手册选取与确定主要工艺参数如吸附容量!通水倍数!炭层高度等根据处理规模及现场条件选取确定生物活 性炭吸附装置的类型!构造以及与之相配套的辅助设施根据设计确定的吸附容量及通水倍数计算 活性炭需要的再生或是更换委托再生量及再生设施从而可以估算造价!运行成本1 主要工艺参数吸附容量 在满足出水要求的条件下 单位重量活性炭可吸附的有机物的总重量生物活性炭对有机物的吸附容量要较单纯活性
10、炭吸附容量1 1 炭高 倍但这需要根据 水质特性来确定通水倍数 在满足出水要求的条件下 单位重量活性炭的累积通水倍数通水倍数与吸附容量一样要根据水质确定空塔速度 即每平方米空塔面积每 小时可通过的水的体积为满足微生物对有机物的降解速率要求有足够的接触时间一般空塔速度为 炭层高度 每座生物炭塔的炭层高度 不宜过高一般为 气水比对于好氧生物炭法炭层内应有足 够的溶解氧一般以生物炭出水中溶解氧 为好因此以 的气水比设计具体要根据炭层高度!水中有机污染物的浓度而定反冲洗强度长期运行的生物炭床内有微 生物的生长以及进水携带的悬浮物易造成炭层的堵塞同时生物炭表面的生物膜是肉眼难以看到的一旦过厚将影响活性炭
11、的吸附能力因此炭层要定期冲洗一般每天反冲洗一次反冲洗强度 # 反冲洗时间为 有时也采用 气水联合反冲洗工作周期在整个水处理工艺流程设计合 理生物活性炭在工艺流程中所处的位置适当设计参数选用正确同时运行操作得当的情况下生物活性炭的使用周期可按年设计 应用条件及操作要点 正确的应用方法和严格的操作管理是发挥生物活性炭技术优势的重要前提1 选炭 作为生物活性炭工艺的活性炭应具有发达的孔隙结构特别是过滤孔中孔 选择以挥发份高的煤为原料生产的优质炭可满足这一要求1 进水水质 生物活性炭的处理对象应是低浓度一般生物炭塔进水 !可被吸附和可被生物降解的有机废水1 与过滤配合使用 生物活性炭前需设过滤为了充分
12、截留污水中的悬浮物有时在过滤前尚需投加絮凝剂使进入生物炭装置的浊度达到规定的要求保证生物活性炭作用的正常发挥一定不能将生物活性炭作为过滤器来运行因此一般生物活性炭进水的浊度 1 供氧 为使生物活性炭能正常运行采用臭氧预氧化或是向生物炭塔内供气保持炭塔内有良好的好氧条件1 定期反冲如前所述炭层定期反冲是运行操作的重要内容而且要求每次反冲进行彻底1 换炭再生生物活性炭较单纯活性炭吸附大大延长了再生使用周期但并不是不需换炭再生使用一定时间后必须更换新炭饱和炭进行就地再生或是外运委托再生否则将影响出水水质 应用实例1 工业废水深度处理11 印染废水 表为用于纺织印染废水深度处理的几个实例由表可以看出对
13、于纺织印染废水采用生物接触氧化 颗粒生物活性炭工艺处理效果稳定出水可满足工业废水排放要求而且还可以作为工业用水回用 对色度有较高的去除率 北京清河毛纺厂毛纺染色废水治理工程连续运行年没有更换新炭达到年时对给水排水 128 112 20023 表 生物活性炭用于纺织印染废水实例序号工程名称规模及处理工艺主要工艺参数处理效果投运时间北京清河毛纺厂毛纺染色废水治理工程 生物接触氧化两级为两组塔塔径 炭层 1 接触时间 气水比满足出水 1 炭层气水联合反冲反冲周期级 级 进水出水 左右色度倍 年建成连续运转 北京第三毛线厂废水治理工程 生物接触氧化 塔两塔并联 1 气水比 气水联合反冲反冲时气水比 反冲强度 #进水出水
