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摘要：随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的提高。活性炭作为最常用的吸附剂，具有吸附容量大、原料来源广和造价低廉的优点，被广泛应用于水处理过程中。但使用过程中，随着吸附容量不断趋于饱和，需要对其进行置换或再生，增加了处理成本和操作复杂度。在活性炭的使用过程中，研究人员发现微生物也在其中发挥着作用，SONTHEIMER等研究了饮用水处理中活性炭上的微生物作用，指出由于微生物对活性炭所吸附的有机物进行降解，故使得活性炭的使用寿命大幅延长。生物活性炭（BAC）这一概念于1978年由美国学者MILLER和瑞士学者RICE提出。但早在20世纪60年代，欧洲的一些国家就开始利用此技术进行废水的深度处理，我国对BAC技术的研究与应用也有30余年，技术已相对成熟，被广泛运用于微污染原水、工业废水和生活污水的处理过程中，取得了令人满意的处理效果。本文介绍BAC技术的原理、生物再生机理以及形成方法、间歇期保存方法和微生物泄漏控制措施，叙述BAC法在国内外水处理领域的研究与应用进展，并指出该技术存在问题以及未来的研究方向，以期为BAC技术的研究与应用提供一定的参考价值。
关键词：生物活性炭技术；水处理；研究；应用进展
引言
介绍了生物活性炭技术的原理、生物再生机理以及形成方法、间歇期保存方法和微生物泄漏控制措施，综述了该技术在微污染原水、工业废水、生活污水处理中的研究与应用进展。认为今后的主要研究内容包括活性炭的生物再生机理，建立污染物去除的吸附、解吸、生物降解、传质等过程的数学模型，活性炭自身的材质、孔径分布、表面性状以及吸附能力对生物膜的形成、有机物去除效果的影响，以及生物膜厚度的控制措施等。
1BAC及其生物再生
1.1原理
BAC本质是以活性炭作为载体，利用其对有机物和溶解氧的强吸附特性，通过自然富集或人工固定的方法，使活性炭表面形成生物膜。它可同时发挥活性炭的吸附作用和微生物的降解作用，二者既相互独立、又相互促进，协同起来达到对废水中有机物去除的目的，效果要大于二者单独作用效果之和。马放等认为，这种协同净化作用类似于菌藻互生系统。活性炭对微生物的促进作用包括：1）活性炭通过吸附作用富集了大量有机物质和溶解氧，为微生物提供了丰富的食物来源和适宜的生长条件；2）粗糙的表面为微生物提供了良好的附着位点，表面凹处可有效阻挡水流剪切力的作用，有利于生物膜的形成；3）活性炭的吸附作用可减轻重金属等有毒物质对微生物的抑制作用。而与此同时，微生物通过利用活性炭所吸附的有机物质对其进行生物再生，使其持续获得吸附容量，延长了活性炭的使用寿命。废水中的有机物质，按是否可被吸附与是否可被生物降解分成4类：1）可吸附可生物降解有机物（A&BDOC）；2）可吸附不可生物降解有机物（ADOC）；3）不可吸附可生物降解有机物（BDOC）；4）不可吸附不可生物降解有机物（NRDOC）。其中前3种有机物可通过活性炭自身的吸附作用与微生物降解作用进行去除，而NRDOC无法通过BAC工艺去除。此外，A&BDOC被吸附并进行生物降解后，之前的吸附位点有可能被ADOC所占据，这可能会降低后期BAC的去除效率。因此，确定所处理废水中4种有机物的比例是决定是否选用BAC工艺的先决条件。
1.2生物再生机理
目前关于活性炭的生物再生机理学界尚无定论，比较公认的假说有ANDREWS等提出的含量梯度假说与RODMAN等提出的胞外酶再生假说。1）含量梯度假说。含量梯度假说认为，微生物通过对有活性炭表面以及液相中有机物的降解，使活性炭由内而外产生含量梯度，内部所吸附的有机物因此发生解吸，进入液相，被微生物降解消耗。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在微生物的降解作用下，活性炭所吸附的有机物源源不断地进入液相继而被降解，从而使得活性炭得到再生。但这一假说是建立在有机物可解吸的前提下，对于那些不能解吸的物质，不能进行生物再生。2）胞外酶再生假说。胞外酶再生假说认为，细菌虽然尺寸过大，不能进入微孔，只能在活性炭表面和大孔中生长繁殖，但可以分泌胞外酶进入微孔，胞外酶与微孔中的吸附物质反应后生成吸附力较弱的反应产物，扩散到活性炭外部被微生物所降解。但ZHANG等认为胞外酶的分子直径一般在3～4nm，难以进入孔径小于2nm的活性炭微孔，所以生物降解与吸附仅仅是简单组合。不过也有研究者指出，胞外酶虽然不能进入活性炭微孔，但并不妨碍其进入其中孔（孔径2～50nm）和大孔（孔径大于50nm）并发挥作用。AKTAS等研究发现，吸附了苯酚的活性炭，生物再生速率要远高于解吸速率，也侧面证实了胞外酶作用发生的可能性。
2水处理中的应用
2.1微污染原水
水是生命之源，人类的生存离不开洁净的水源。据世界卫生组织报道，每年约有2000万人因饮用不卫生的水而死。近年来，不少地区环境污染加剧，饮用水中有毒有害物质超标，这给环保从业者提出了新的挑战。原水中的有机碳主要是腐殖质，在水厂的加氯过程中极易形成具有致癌作用的消毒副产物（DBPs）。2.2垃圾渗滤液
卫生填埋是目前处理城市垃圾最经济有效的方法，但垃圾在堆放和填埋过程中，由于雨水冲淋、自身发酵、地表水和地下水浸泡等原因，会产生含大量难降解有机物、氨氮、重金属、有机氯化物、无机盐的垃圾渗滤液，处理不当会给地表水、地下水、大气、土壤以及人类健康带来严重威胁。使用曝气BAC滤池深度处理河南某垃圾焚烧厂的铁碳包容微电解出水，考察了填料填充度、曝气位置、气水比等因素对COD、氨氮、TN去除效果的影响。实验证明，在填料填充度80%、底部曝气、气水体积比3:1、HRT为8h、进水pH为7～8的优化工艺条件下，出水COD和氨氮、TN的质量浓度分别降为61mg/L和9、47mg/L，满足实验出水要求。后期通过抗冲击负荷实验，证明了曝气BAC滤池具有很强的抗有机负荷能力，但氨氮的去除效果受进水浓度影响较大。
2.3生活污水
生活污水如不及时进行处理，会对自然环境以及人类健康造成极大威胁。李金波等对比了BAC流化床与传统活性污泥法在处理生活污水上的差异，实验结果表明，BAC流化床工艺启动速度更快、对有机物和氨氮去除率更高、运行稳定、抗冲击负荷、能有效避免污泥膨胀。生活污水经BAC流化床工艺处理后，COD≤50mg/L、BOD5≤10mg/L，氨氮、TP的质量浓度分别≤5、≤0.5mg/L，达到GB18918－2002规定的国家一级A排放标准，而传统活性污泥法仅达到二级排放标准。采用混凝-砂滤-固定化BAC纤维（IBACF）组合工艺处理渤海大学浴池洗浴废水，在聚合氯化铝、聚丙烯酰胺投加量分别为20、0.1mg/L，砂滤滤速6m/h，IBACF停留时间30min的工艺条件下，对废水的浊度、LAS、CODMn的平均去除率分别达到95.2%、94.7%、84.8%，出水达到GB5749－2006或CJ/T206－2005，可用于洗浴用水或生活杂用水的回用，具有推广价值。
结语
BAC作为一种优水质、低能耗、无污染的绿色技术被广泛应用于水处理领域，取得了令人满意的处理效果。但该技术尚存在一些问题与不足之处，主要有以下几点：1）生物再生机理研究不足，无论是含量梯度假说还是胞外酶假说，目前都仅仅是基于实验结果的推测，缺乏有力的数据支撑，且不同研究者藉由自己的实验结果常常得出相左的结论。因此，活性炭的生物再生机理应是该技术下一步的主要研究内容。2）BAC不是活性炭吸附与生物降解的简单加和，二者事实上构成了较为复杂的协同机制。BAC对污染物的去除包括了吸附、解吸、生物降解、传质等过程，如能对其建立相应的数学模型，将会对该工艺的设计与应用提供极大的指导作用。
参考文献
[1]马放,时双喜,杨基先,等.固定化生物活性炭的形成及功能研究[J].哈尔滨建筑大学学报,2000,33(1):46-50.
论文作者:赵宏亮,王鹏
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/15
标签：活性炭论文; 有机物论文; 微生物论文; 生物论文; 假说论文; 作用论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2018年第31期论文;