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        生物活性炭工藝在水處理中的應(yīng)用進(jìn)展

        2021-02-05 01:16:48張楠高山雪陳蕾
        應(yīng)用化工 2021年1期
        關(guān)鍵詞:生物污染工藝

        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)注的問題。現(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,在我國的水處理實(shí)踐過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)過程稱為生物活性炭的處理過程。該生物活性炭方法是使用活性炭作為載體,在整個(gè)處理過程中,在炭的表面上形成生物膜來進(jìn)行廢水處理,同時(shí)產(chǎn)生針對廢水污染的協(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[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可成功用于不同類型的工業(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,對后續(xù)過程的有機(jī)污染物的消除更加方便[6]。研究人員通過研究不同水處理的組合過程的污染消除效果,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)被稱為“制造業(yè)中最長、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]。生物處理過程利用細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、藻類或植物的代謝能力,以氧化或還原有機(jī)和無機(jī)化合物[11-12]。通過確保適當(dāng)?shù)臈l件(氧氣濃度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)的獲取等)強(qiáng)化了自然界中發(fā)生的過程。這些過程通常在生物反應(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)過的過程中,都能夠產(chǎn)生大量的此類廢水[14]。含有油類的廢水對環(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)過程中,部分石油會(huì)進(jìn)入地下水,從而對水質(zhì)造成污染。除此之外,油類的主要組成元素是氫、碳等,碳?xì)浠衔锖窟^高很可能引起燃燒,這也對人類的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[15]。研究人員在長期被石油污染的地區(qū)提取土壤,經(jīng)過一系列的提取實(shí)驗(yàn),提取出了一種可降解油類的細(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,該工藝對污水中油類以及COD的去除率均有明顯的升高[16]。李偉光、車春波等[17-18]利用生物活性炭工藝對含油廢水進(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[19-20]。因此這類水若被飲用可能會(huì)對人類造成危害。世界衛(wèi)生組織報(bào)告稱,每年約有 2 000 萬人死于飲用不衛(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]。針對長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離子合成染料,通過這些行業(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、操作簡單和吸附劑的可用性而被認(rèn)為是更合適的方法[28]。活性炭是目前應(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)層法處理過程開始運(yùn)行得更早,除去各類污染物的效率更高,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法被活性炭吸附的污染物無法得到去除。

        (2)若廢水中存在有毒物質(zhì),其可能抑制生物過程,甚至還可能殺死生物過程中的微生物,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)研究延長活性炭壽命的措施。

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