生物活性炭技术在水处理中的应用研究
摘要：BAC技术结合并优化了活性炭吸附和生物降解两种作用，在水处理方面净水效果显著。介绍了生物活性炭技术处 理污水的作用机理，简述了近年来国内外生物活性炭技术在水处理中的研究与应用，提出了生物活性炭技术的发展方向。
关键词：生物活性炭 水处理 作用机理 应用
随着工业的发展，饮用水源的污染日益加剧，饮用水的 卫生和安全也受到越来越广泛的关注，水中所含污染物的种 类和数量不断增多，污染成分也越来越复杂。采用常规的水 处理方法已不能满足要求，必须进行深度处理，一些作用单 一的材料和方法已不适用［1］。所以，来源广泛且容易再生，能 反复利用的活性炭倍受关注，其发达的细孔结构和特异的表 面特性使它不仅具有极强的吸附性能、氧化还原性能、电性 能，而且还可以与其它材料联合应用，作为催化剂及催化剂 和生物的载体，所有这些结构特性使活性炭在水处理技术中 得以广泛应用［2］。
随着颗粒活性炭（Granular Activated Carbon，GAC）废水 处理技术的发展，人们发现GAC表面极易于微生物的繁殖， 而且，具有微生物繁殖的活性炭使用寿命比无微生物的 GAC要长。1978年，美国学者米勒（G.A.Miller）和瑞士R.W. Rice首次采用了“生物活性炭”（Biological Activated Carbon， BAC）这一术语。其实，从20世纪60年代开始，欧洲一些国 家就用到BAC技术来深度处理水，并取得良好的效果。我国 也于70年代开始对BAC进行研究，而在废水处理方面， BAC技术才刚刚起步，然而，该技术的优越性在实际应用当 中为众所公认的［3］。
1 BAC作用机理
生物活性炭（BAC）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，从而大大延长活性炭的作用周期。
（1）活性炭的吸附作用
活性炭的吸附作用是通过活性炭固体表面具有多孔性 的特点，吸附去除污水或废水中的有机物及有毒物质，使之 达到净化的目的。研究表明，活性炭对分子量500～1000范围 内的有机物具有较强的吸附能力［9］。活性炭对有机物的吸附 受其孔径分布和有机物的极性及分子大小的影响。同样大小 的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对它的吸附性越差，反之，对溶解度小，亲水性差、极性弱的有机物如苯类化 合物、酚类化合物等具有较强的吸附能力。
（2）微生物的生物降解作用
BAC借助微生物群体的新陈代谢活动，微生物通过对 污染物的氧化分解过程获取营养和能量，同时水中污染物也 因此改变了其化学结构，从而改变了化学和物理性能，最终 达到去除水中污染物及活性炭获得再生的目的。
总之，BAC通过活性炭与微生物的协同作用，提高了微 生物对水中污染物的降解能力，活性炭粒的表面成为微生物 的良好培养基，并对微生物进行吸附。而且，其表面粗糙凹处 还具有遮挡水流剪断力的作用。同时，好氧微生物可以提高活性炭的吸附容量，延长其使用寿命〔4〕。
2 BAC在水处理中的应用
20世纪20年代末、30年代初，国外开始用粉末活性炭 去除水中的臭味，并于1930年在美国费城建立了第一个用 活性炭吸附池除臭的水厂。50年代后，欧美国家开始大量使 用活性炭处理城市饮用水和工业废水。我国对BAC的研究 也已有30多年的历史。20世纪60年代末开始利用活性炭去除受污染水源的臭味。80年代初，北京市政工程设计院在北京田村山水厂进行了活性炭吸附试验，实验表明［5］，活性炭吸附去除微污染水源水中的有机物、有毒物质是有效的。 近些年来，我国对活性炭的研究和应用越来越重视，同济大学、哈尔滨建筑大学都对活性炭做出了较为深入的研究，并已取得实用性的成果。
2.1 BAC在微污染水源处理中的应用
目前，国外应用BAC技术最广泛的是对水进行深度处 理，它能够有效地去除水中的有机物。欧洲应用BAC技术的 水厂已发展到70个以上。我国上海的杨树浦水厂和南市水 厂于2002年10月开始也采用BAC技术处理原水，出厂水 质各项指标均达到国际先进水平。
近年来，由于对饮用水的色度、金属含量（Fe、Al、Mn等） 及三卤甲烷化合物（THM）的限制越来越严格，使人们愈发对 臭氧与生物过滤相结合的工艺产生了兴趣。
臭氧—生物活性炭技术以预臭氧化代替预氯化，可以使 水中一些原来不易生物降解的有机物变成可生物降解的有 机物，臭氧化的同时还可提高水中溶解氧的含量。此外，水中溶解臭氧的浓度很低，自分解速度又快，活性炭对溶解臭氧有催化分解作用，因此不会抑制床中微生物的生长，与预氯化时的情况完全不同。
国内外不少学者还研究应用BAC技术与臭氧相结合处 理污染原水的方法，均表明对微染原水的处理非常有效。吕 炳南等［6］的研究结果（见表1）表明，BAC技术大大减少出水 的有机物种类。日本Kanamachi水质净化厂［7］1984年开始使 用粉末活性炭处理水中的产生的霉臭的物质2-甲基异冰片 （MIB），取得了良好的效果。W.Nishijima等［8］研究了臭氧预 氧化后生物可降解溶解有机碳（BDOC）在BAC上的吸附和 解吸特性，以及BDOC在BAC上被非生物可降解溶解有机 碳（non.BDOC）置换，实验结果表明，臭氧预氧化后产生的 BDOC的吸附性能略低于生物降解后残余的non.BDOC。因 此，BAC之前的臭氧预氧化能够延长活性炭的使用寿命，降低BAC段的有机负荷。
2.2 BAC在工业废水处理中的应用
国外一些大学研制的生物活性炭搅拌池反应器，在处理 印染废水上取得了很好的效果，该研究对BAC、生物砂床、 单纯活性炭吸附及单纯生物降解进行了平行实验，并对不同 类型染料废水的处理效果进行了分析。由表2可见BAC系 统的染料去除速率比单纯生物降解及单纯活性炭吸附两过 程染料去除速率的和要高。
F.Nishimura等［9］采用BAC—BZ（生物沸石）组合工艺处 理同时含有抑制硝化作用的有机物和高浓度氨氮的污泥干 化废水。实验结果显示，抑制性有机物浓度经过BAC反应器 后大幅度降低，氨氮浓度在经过BZ反应器后大大降低，污 染物的降低均为介质吸附过程和生物降解过程共同作用的 结果。
荷兰学者利用活性炭生物膜（BACF）法与反渗透法组合来处理含杀虫剂的污染水，对杀虫剂的去除率高达99.5%，且臭氧-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［10］。
2.3 BAC在生活污水处理中的应用
BAC技术在生活污水处理中也取得了很好的效果，尤 其由于BAC法结合了生物降解和吸附2个过程，对于去除 非离子合成表面活性剂（NISS）非常有效。
德国的Schroder等学者在进行城市生活污水处理的研 究时，采用了新的总和参数分析及质量光谱分析来检测污染 物的去除率，证明了用臭氧-生物活性炭法处理城市生活污 水，对其中烷基苯灰化合物及其降解产物等极性化合物的去 除率更好，这类化合物对水体中生物群落的内分泌系统有很 强的毒害作用［11］。
在芬兰，人们研究了臭氧-双级活性炭法［12］，对可同化有 机碳(AOC)的处理效果更好(出水AOC＜10μg/L)，由于经 BAC工艺处理，水质优良。
A.S.Sirotkin等［13］采用BAC工艺处理含非离子表面活 性剂的废水，实验结果表明，在系统运行初始阶段，活性炭的 物理吸附发挥主要作用，随着吸附逐渐达到饱和以及微生物 活性的逐渐增强，生物降解作用也逐渐增强，最终二者协同 作用，这种协同作用表现为微生物对活性炭吸附能力的再 生，再生度为20%～24%。
3 结语
BAC技术处理微污染水源、工业废水、生活污水，具有 诸多的优势，在未来的发展中将发挥着越来越重要的作用。 为进一步提高处理水的出水水质，增加去除有机污染物的效 率，在以后BAC技术的发展中应当加强对BAC技术与臭 氧、膜技术，超滤技术等其他水处理工艺的结合工艺的研究 和开发。同时，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， 因此活性炭材质对BAC的形成及降解能力强弱有无影响值 得我们关注。
参考文献
1郭瑞霞，李宝华.活性炭在水处理应用中的研究进展.炭素技术， 2006，25（1）
2马青兰，王增长，李敏敏，等.活性炭净化废水处理研究.新型炭材 料，2002，17（1）
3张自杰，张忠祥，龙腾锐，等.废水处理理论与设计.北京:中国建筑 工业出版社，2002
4聂凤明.生物活性炭（BAC）技术在水处理中的应用现状与前景.南 方冶金学院学报，2005，26（4）
5金伟，李怀正，范瑾初.粉末活性炭吸附技术应用的关键问题.给水 排水，2001，27（10）
6吕炳南，张金松，朱佳.用臭氧-生物活性炭（BAC）法深度处理饮用 水.中国给水排水，1993，9(3)
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