摘 要:總結(jié)了生物活性炭（BAC）技術(shù)在凈水處理、廢水處理和污水再生利用處理中的應(yīng)用;闡述了生物活性炭對(duì)污染物的去除機(jī)理;介紹了生物活性炭技術(shù)在水處理中（包括給水深度處理、多種工業(yè)廢水及生活污水處理） 的最新應(yīng)用研究成果及該技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:生物活性炭,污水處理,反沖洗

1 引言

生物活性炭（Biological Activated Carbon，BAC）技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的去除水中有機(jī)污染物的一種新技術(shù)。

生物活性炭技術(shù)即為利用粒狀活性炭巨大比表面積及發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水中有機(jī)物及溶解氧很強(qiáng)的吸附特性，將其作為生物載體替代傳統(tǒng)的生物填料，并充分利用活性炭的吸附以及活性炭層內(nèi)微生物有機(jī)分解的協(xié)同作用。BAC法可以去除活性炭和生物法單獨(dú)使用時(shí)不能去除的污染物，且處理效率也較兩者單獨(dú)使用時(shí)高。生物活性炭法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型水處理工藝，目前，世界許多國(guó)家已在污染水源凈化、工業(yè)廢水處理及污水再利用的工程中應(yīng)用了該技術(shù)，尤其在西歐應(yīng)用更為廣泛。該工藝的研究在我國(guó)已有十多年的歷史，目前已進(jìn)入實(shí)用階段。雖然國(guó)內(nèi)外理論界對(duì)其作用機(jī)理解釋不盡一致，但其在實(shí)際應(yīng)用中所表現(xiàn)出來(lái)的去除效率高、操作管理簡(jiǎn)便、活性炭使用周期大大延長(zhǎng)和運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)已被公眾所認(rèn)同。

生物活性炭技術(shù)在源水處理過(guò)程中已得到了有效普及利用，工業(yè)生產(chǎn)的快速增長(zhǎng)和水資源的日益短缺在一定程度上加快了污水深度處理技術(shù)的發(fā)展，以粒狀活性炭為填料對(duì)二級(jí)生化處理后的出水進(jìn)行深度處理也引起了人們的廣泛注意，生物活性炭以其出水水質(zhì)穩(wěn)定可靠、無(wú)異味、處理成本低而逐步在生活污水、印染廢水、石化廢水等多種廢水深度處理中得到應(yīng)用。

2 生物活性炭（BAC）技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

2.1 飲用水源處理

以生物活性炭為中心的深度處理技術(shù)是提高飲用水水質(zhì)的最主要技術(shù)之一，在降低出水中溶解性有機(jī)物濃度、提高后續(xù)消毒功能、去除原水中的微量持久性有機(jī)物、改善感官指標(biāo)等方面發(fā)揮了重要的作用。生物活性炭能夠迅速地吸附水中的溶解性有機(jī)物，同時(shí)能夠富集水中的微生物，生物活性炭表面吸附的大量有機(jī)物也為微生物提供了充足的養(yǎng)分。Alexander等[1]研究表明：生物活性炭比單獨(dú)吸附和生物降解更有效，微生物活動(dòng)對(duì)活性炭起到了再生作用，比例達(dá)20%~24%，活性炭的存在也減輕了水中有害物質(zhì)對(duì)微生物的影響。這可能是由于附著微生物能夠抵制難降解化合物的毒害以及自身的快速內(nèi)源呼吸，并擁有不斷增強(qiáng)的新陳代謝能力。活性炭層上最初的或自然產(chǎn)生的生物能的增加， 能促進(jìn)凈化水中吸附劑活性資源的增加。N.Klimenk等[2]提出吸附解吸過(guò)程受濃度梯度和溶液及孔隙的吉布斯自由能影響，與以往有關(guān)協(xié)同作用解釋觀點(diǎn)不同的是， 他們認(rèn)為影響生物吸附的因素是活性炭生物再生的強(qiáng)度，并且在整個(gè)生物吸附過(guò)程中微孔一直被吸附基質(zhì)所占用，沒(méi)有發(fā)生生物再生，只有過(guò)渡孔能夠通過(guò)微生物再生。Se-HanLee 等[3]研究表明，吸附能力的不同還與活性炭上積累的鈣離子量有關(guān)，用酸洗活性炭去除鈣離子后，吸附能力得到恢復(fù)。吳紅偉等[4]認(rèn)為原水經(jīng)過(guò)臭氧氧化后，分子量在103~3×103的有機(jī)物含量增加了13.5%，104~105的有機(jī)物增加9.7%，但其他區(qū)間的有機(jī)物含量都減少了，尤以分子量大于105的有機(jī)物含量減少最多。此外還有研究結(jié)果表明，臭氧化可改善水的可生化性，增加水中有機(jī)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的含量，具體表現(xiàn)為生物可降解溶解性有機(jī)碳（BDOC）和可同化有機(jī)碳（AOC）濃度增高。

Summers[5]研究表明，對(duì)分子量在500~1000的腐殖質(zhì)可吸附面積達(dá)粒狀活性炭（GAC）可吸附面積的25%。Hu 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，GAC 對(duì)烷烴類(lèi)有機(jī)物的去除效率最高，其次是苯類(lèi)、硝基苯類(lèi)、多環(huán)芳烴類(lèi)和鹵代烴類(lèi)，對(duì)醇類(lèi)、酮類(lèi)、酚類(lèi)的去除效果相對(duì)較弱。Ribas等[7]認(rèn)為臭氧會(huì)引起B(yǎng)DOC 增加53.8%~63.6%，因?yàn)椴糠植豢山到庥袡C(jī)物被臭氧氧化成易降解有機(jī)物，使一些天然有機(jī)物氧化成小分子的有機(jī)物，而小分子有機(jī)物易被生物作為營(yíng)養(yǎng)吸收，如富里酸氧化后會(huì)產(chǎn)生烷烴、脂肪醛、酮、酸等有機(jī)物。這些小分子有機(jī)物易通過(guò)細(xì)胞膜被細(xì)胞代謝酶吸收降解，可使溶解性有機(jī)碳（DOC）去除率達(dá)29.9%~53.6%，BDOC去除率達(dá)到52%~70.7%。李秋瑜等[8]研究證明，運(yùn)用生物活性炭水處理技術(shù)處理水量較大，并且可以保證出水CODMn 完全滿(mǎn)足飲用凈水指標(biāo)要求；UV254的去除效果也非常顯著，平均去除率達(dá)94%。通過(guò)GC-MS分析處理前后的水中有機(jī)物種類(lèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證，生物活性炭技術(shù)對(duì)原水中有機(jī)物，尤其是不飽和烴類(lèi)和含氮有機(jī)物有十分顯著的去除效果。生物活性炭對(duì)親水性有機(jī)物的強(qiáng)降解作用可以有效抑制致癌風(fēng)險(xiǎn)較高的鹵乙酸的生成。親水性有機(jī)物氯化后，單位溶解性有機(jī)碳生成鹵乙酸的潛能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生成三鹵甲烷的潛能。張金松等[9]試驗(yàn)證明，與對(duì)三鹵甲烷前質(zhì)不同，生物活性炭對(duì)鹵乙酸前質(zhì)表現(xiàn)出良好的去除效果，去除率達(dá) 33.9%。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究成果也認(rèn)為粒狀活性炭是控制鹵乙酸前質(zhì)的較好方法。

2.2 生活污水處理

B A C技術(shù)在生活污水處理中也取得了很好的效果，尤其由于B A C法結(jié)合了生物降解和吸附兩個(gè)過(guò)程，對(duì)于去除非離子合成表面活性劑（NISS）非常有效。Alexander等人[1]對(duì)此進(jìn)行了深入研究，證明了BAC 技術(shù)對(duì)生物降解和活性炭吸附兩個(gè)過(guò)程的優(yōu)化主要體現(xiàn)為：微生物活動(dòng)對(duì)活性炭起到了生物再生作用，其比例達(dá)到20%～24%；活性炭的存在也減輕了廢水中有害物質(zhì)對(duì)微生物的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，BAC法處理生活污水在高負(fù)荷時(shí)能夠表現(xiàn)出穩(wěn)定的處理效果。德國(guó)的Schorder 等學(xué)者在進(jìn)行城市生活污水處理的研究時(shí)，采用了新的總和參數(shù)分析及質(zhì)量光譜分析來(lái)檢測(cè)污染物的去除率，證明了用O3-BAC法處理城市生活污水，對(duì)其中烷基苯類(lèi)化合物及其降解產(chǎn)物等極性化合物的去除率更好，這類(lèi)化合物對(duì)一般水體中生物群落的內(nèi)分泌系統(tǒng)有很強(qiáng)的毒害作用。1997年寶鋼（集團(tuán)） 公司決定興建與寶鋼一、二期工程配套的廠區(qū)環(huán)保設(shè)施1.05萬(wàn)m3/d的生活污水處理工程。針對(duì)廠區(qū)生活污水（衛(wèi)生間、食堂、浴室） 的水質(zhì)、水量，以及污水排放點(diǎn)分散等特點(diǎn)，采用SBRO生物活性炭工藝，分別在各廠區(qū)陸續(xù)建成十多套800m3/d的綜合污水處理及再生裝置。

2.3 工業(yè)廢水處理

（1）印染廢水

對(duì)于染整類(lèi)生產(chǎn)企業(yè)所排放的生產(chǎn)廢水，由于廢水中含有一定量的染料、助劑及其他化學(xué)類(lèi)物質(zhì)，具有廢水色度高、COD含量高、難于生化處理等特點(diǎn)，采用“酸化預(yù)處理+生化處理+絮凝過(guò)濾+生物活性炭”的綜合處理流程，染整類(lèi)廢水經(jīng)過(guò)處理后基本可以達(dá)到生產(chǎn)回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。國(guó)內(nèi)已有多家生產(chǎn)企業(yè)采用此種工藝，運(yùn)行結(jié)果表明，生物活性炭用于生化后續(xù)處理，可以保證出水色度、異味及有機(jī)耗氧物的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。BAC技術(shù)與其他工藝相結(jié)合也可以處理難度較高的工業(yè)廢水。由英國(guó)Belfas皇后大學(xué)與新西蘭Canterbury大學(xué)聯(lián)合研制的生物活性炭攪拌池反應(yīng)器（STR）在印染廢水處理上取得了很好的效果。該研究對(duì)BAC、生物砂床、單純活性炭吸附及單純生物降解進(jìn)行了平行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)不同類(lèi)型染料廢水的處理效果進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示：四種處理方法均起到脫色作用。生物砂床的效果略?xún)?yōu)于單純生物降解，這是由于生物砂床上的生物增長(zhǎng)率高，可以促進(jìn)生物吸附及染料去除。過(guò)了初始階段的生物活性炭的染料去除率也優(yōu)于單純活性炭吸附，初始階段BAC反應(yīng)速率較低可能是由于廢水中的營(yíng)養(yǎng)物阻塞了活性炭的縫隙及大孔。而接下來(lái) BAC的高效反應(yīng)則是活性炭吸附、生物降解及生物吸附的共同作用。同時(shí)攪拌池反應(yīng)器系統(tǒng)中的高速攪拌也減少了粒狀活性炭上的過(guò)剩生物量，避免固定床系統(tǒng)吸附效率的降低。

（2）制藥廢水

制藥廢水由于含有有機(jī)物種類(lèi)多、濃度高、色度深、固體懸浮物濃度高、組分復(fù)雜，且含有難降解物質(zhì)和抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的抗生素而成為廢水處理中的難題。胡妙生[10]采用厭氧生物活性炭流化床來(lái)處理制藥廠生產(chǎn)氯苯胍和絡(luò)硝咪唑兩個(gè)車(chē)間的排放液，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與其他工藝相比，該工藝停留時(shí)間短，耐沖擊負(fù)荷大，在高進(jìn)水負(fù)荷下出水穩(wěn)定，COD去除率達(dá)80%以上。比利時(shí)Gent 大學(xué)研究的生物活性炭氧化過(guò)濾器系統(tǒng)（BACOF），在處理制藥廢水上取得了良好效果[11]。經(jīng)處理后的制藥廠出水中，COD去除率在70%以上，處理后出水的COD低于25mg/L。廢水中對(duì)硝化菌有害的微污染物被去除，使得難生物降解的含氮化合物被硝化。制藥廠廢水經(jīng)生化處理后的出水對(duì)魚(yú)類(lèi)有較強(qiáng)的毒害作用，而再經(jīng)BACOF 系統(tǒng)處理后的出水，在檢測(cè)范圍內(nèi)對(duì)魚(yú)類(lèi)既無(wú)急性的亦無(wú)慢性的毒害作用。

（3）含油廢水

含油廢水來(lái)自鋼鐵、機(jī)械、石油化工和油的運(yùn)輸，具有量大面廣的特點(diǎn)。隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，含油廢水的排放量逐年增加，成分也日趨復(fù)雜。若直接排入水體，其表面的油膜會(huì)阻隔氧氣融入水中，致使水中缺氧、生物死亡、產(chǎn)生惡臭，嚴(yán)重污染環(huán)境。傳統(tǒng)的含油污水處理技術(shù)多是以吸附、聚結(jié)、凝聚等物理化學(xué)處理方式為主，近年來(lái)隨著環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，單純的物理、化學(xué)處理技術(shù)僅能保證出水水質(zhì)中油類(lèi)物質(zhì)的達(dá)標(biāo)排放，而好氧類(lèi)有機(jī)污染物卻往往超標(biāo)排放，嚴(yán)重影響附近水域水質(zhì)。同時(shí)由于多數(shù)企業(yè)所排放的含油廢水具有水質(zhì)、水量波動(dòng)幅度大，生化指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定且不太高的特點(diǎn)，如采取傳統(tǒng)的生化處理工藝去除廢水中的有機(jī)好氧物，將帶來(lái)一系列運(yùn)行、管理、操作問(wèn)題，進(jìn)而影響出水水質(zhì)。生物活性炭技術(shù)由于其獨(dú)特的處理機(jī)理和穩(wěn)定可靠的出水水質(zhì)、靈活的啟動(dòng)方式而引起人們的日益關(guān)注。李偉光[12]等采用人工固定化生物活性炭技術(shù)處理含油廢水，其對(duì)油的去除率在80%～95%之間，COD平均去除率達(dá)53%，出水油質(zhì)量濃度小于5mg/L，試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝對(duì)污染物的去除效果明顯高于顆�；钚蕴亢蛡鹘y(tǒng)的二級(jí)氣浮工藝。陳洪斌[13]等采用進(jìn)水-懸浮載體生物處理-絮凝氣浮和砂濾-充氧-生物活性炭處理- 氯氣消毒工藝對(duì)中國(guó)石油大港石化公司的達(dá)標(biāo)煉化外排水進(jìn)行深度處理。近一年的連續(xù)運(yùn)行表明，該工藝對(duì)COD 的平均去除率達(dá)69.6%，在進(jìn)水COD超過(guò)150mg/L時(shí)，出水 COD也保持在40mg/L以下，對(duì)污染物去除效果良好，出水 COD、NH3-N、BOD、含油量和濁度均優(yōu)于回用水標(biāo)準(zhǔn)。廣州石油化工總廠煉油廠在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，于1987年將原廢水處理流程改為隔油-浮選-生物曝氣-后浮選-生物活性炭工藝，并增加3座同樣的活性炭塔，成為6塔并聯(lián)操作。每塔處理量360～600m3/h，進(jìn)粒狀生物活性炭（GBAC）塔DO為 3～4mg/L，接觸時(shí)間為1～2h，LV為2.5～4.5m/h，反沖周期為5～7d，反沖速度為20m/h，反沖時(shí)間為15～20min。當(dāng)進(jìn)水COD為31～240mg/L時(shí)，GBAC出水COD為23.3～119mg/L，出水波動(dòng)在4 0～8 0 m g / L范圍的占出水總分析次數(shù)的 73%。GBAC塔運(yùn)行10個(gè)月后，炭的碘值仍為新炭的75%。

（4）垃圾滲濾液

受流動(dòng)過(guò)程中諸多因素的影響，滲濾液的性質(zhì)包括物理因素、化學(xué)因素以及生物因素等在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，其pH值在4～9之間，COD 在2000～62,000mg/L的范圍內(nèi)，BOD在60～45,000mg/L 的范圍內(nèi)，城市垃圾填埋場(chǎng)滲濾液是一種成分復(fù)雜的高濃度有機(jī)廢水，若不加處理而直接排入環(huán)境，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。通過(guò)采用生物活性炭技術(shù)與其他工藝進(jìn)行聯(lián)合，可以有效去除垃圾滲濾液中的難降解物質(zhì)、色度和異味，保證出水穩(wěn)定可靠，為污水達(dá)標(biāo)處理提供有力的保障。

2.4 其他方面

在用水日益緊張的趨勢(shì)下，小區(qū)生活污水經(jīng)過(guò)二級(jí)生化處理后再進(jìn)行生物活性炭深度處理，可滿(mǎn)足于生活雜用水和小區(qū)景觀補(bǔ)充用水、綠化用水等需求，既有效減輕了污水排放對(duì)城市水體環(huán)境的污染影響，又能節(jié)約大量的城市自來(lái)水。BAC技術(shù)在歐洲還被很多國(guó)家，尤其是地中海附近國(guó)家廣泛用于處理垃圾填埋場(chǎng)的滲濾液。如希臘、意大利等國(guó)由于對(duì)城市固體廢棄物的處理目前還廣泛采用衛(wèi)生填埋法，所產(chǎn)生的滲濾液對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的處理方法包括生物、化學(xué)、膜分離法及熱處理法等，物化處理費(fèi)用高而效率低。傳統(tǒng)的活性污泥法可以有效去除有機(jī)碳及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但在實(shí)際處理過(guò)程中常會(huì)遇到污泥沉降性能不佳、需要較長(zhǎng)時(shí)間的曝氣和較大體積沉淀池，并要求循環(huán)全部生物量等問(wèn)題。Loukidou等人[14]利用生物活性炭序批式反應(yīng)器（BACSBR）處理這類(lèi)廢水，不僅降低了對(duì)曝氣的要求，同時(shí)減少了內(nèi)部循環(huán)，可很好地控制硝化過(guò)程，有效脫氮。該法對(duì)垃圾滲濾液中COD的去除率為81%，BOD的去除率達(dá)90%，氨的去除率為85%，同時(shí)減少色度80%。該法存在的問(wèn)題是由于摩擦使少量活性炭微小顆粒隨水流流出造成活性炭損失及出水濁度升高。

在荷蘭有學(xué)者利用活性炭生物膜（BACF）法與反滲透法組合來(lái)處理含殺蟲(chóng)劑的污染水，對(duì)殺蟲(chóng)劑的去除率高達(dá) 99.5% ，同時(shí)O3- BACF的作用明顯減輕了反滲透膜的污染問(wèn)題，得到了優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的處理效果。在芬蘭，人們研究了臭氧-雙級(jí)活性炭法，對(duì)AOC的處理效果更好（出水AOC < 10μg/ L）。 由于經(jīng)BAC工藝處理，水質(zhì)優(yōu)良，近十年來(lái)，歐洲各國(guó)對(duì)BAC技術(shù)機(jī)理及工業(yè)應(yīng)用的研究興趣日趨增加。除以上所述，BAC 技術(shù)的最新應(yīng)用研究還包括處理膠片廢水、石化工業(yè)廢水及食品廢水等。

3 結(jié)論

生物活性炭作為一項(xiàng)新型水處理技術(shù)，在以后的50 年，BAC處理技術(shù)會(huì)大力開(kāi)展開(kāi)來(lái)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和水質(zhì)指標(biāo)的逐步提高，會(huì)制出特殊性能的新型BAC 燃燒爐，以去除以往難以除掉的目標(biāo)污染物。制出新的配布孔率的BAC，以增強(qiáng)預(yù)栽于BAC表層的污染物質(zhì)能力，加之BAC對(duì)微生物的精心培育，更能最大限度地加強(qiáng)對(duì)其有機(jī)物的去除，特制BAC在熱再生相隔的一段時(shí)間，對(duì)部分失效的BAC進(jìn)行漂洗，能延長(zhǎng)BAC使用時(shí)間�，F(xiàn)場(chǎng)再生有利于BAC降低再生費(fèi)用和加大去除效果。歸納起來(lái)，由于新型填料—生物活性炭的應(yīng)用，使得該項(xiàng)技術(shù)無(wú)論是在源水處理或是廢水處理工藝選擇中都具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（1）增加了水中溶解性有機(jī)物的去除效率，提高了出水水質(zhì)。

（2）水中氨氮可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而減少了后氯化的投氯量，對(duì)三鹵甲烷的生成起到進(jìn)一步的抑制作用。

（3）對(duì)活性炭而言，延長(zhǎng)了活性炭的再生周期，減少了運(yùn)行費(fèi)用。

（4）生物活性炭作為飲用水深度處理工藝，碘值及亞甲基藍(lán)值對(duì)這一工藝單元影響甚微，生物活性炭主要是靠生物的作用而對(duì)水中有機(jī)污染物進(jìn)行分解，吸附作用處于次要地位。因此，對(duì)于初期活性炭的選擇可主要從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)加以選擇。

（5）對(duì)于生物活性炭運(yùn)行失效指標(biāo)可以參考CODMn 及UV254，用于常規(guī)微污染源水處理時(shí)，其UV254的變化值域?yàn)?0%～25%，而CODMn的變化值域?yàn)?0%～45%，當(dāng)運(yùn)行監(jiān)控指標(biāo)連續(xù)數(shù)日達(dá)到最低值時(shí)，可考慮換炭。

（6）由于活性炭對(duì)氯的吸附能力較強(qiáng)，因此，為防止氯對(duì)生物的毒害，生物活性炭的反沖洗不宜采用出廠加含氯水的方法，尤其是在生物活性炭掛膜的初期。因此在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮采用專(zhuān)用沖洗水池或水箱。

（7）生物活性炭的運(yùn)行周期一般都長(zhǎng)達(dá)3～4年，如果考慮每年對(duì)破損炭、反沖洗流失炭5%左右的更換和補(bǔ)充，可對(duì)生物活性炭運(yùn)行失效指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，在有條件的情況下可定期測(cè)試TOC值及BOD值。在COOMn、UV254 指標(biāo)連續(xù)下降的情況下，除考慮生物活性炭失效外，還要考慮是否是BOD值下降的原因。

（8）對(duì)于生物活性炭的沖洗需采用較高的強(qiáng)度以利于較薄的生物膜形成，并可起到減少運(yùn)行中阻力和保持微生物活性的作用。

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