BAC水質(zhì)凈化理論與技術(shù)

1、生物活性炭（BAC）水質(zhì)凈化 理論和技術(shù)楊玉立 121064目錄目錄BAC作用機(jī)制作用機(jī)制O3-BAC處理技術(shù)處理技術(shù)膜膜-BAC處理技術(shù)處理技術(shù)BAC在水處理中的應(yīng)用在水處理中的應(yīng)用目錄目錄BAC作用機(jī)制作用機(jī)制1.1 1.1 概述概述生物活性炭(Biological Activated Carbon，BAC)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概念概念 生物活性炭法是利用活性炭表面生長的微生物降解與活性炭吸附作用共同去除有機(jī)物。由于微生

2、物能優(yōu)先降解水中的有機(jī)物，降低了活性炭的吸附負(fù)荷，增加了炭床在達(dá)到“穿透”或“失效”時(shí)通水倍數(shù)，延長了活性炭的使用周期，減少了活性炭的再生頻率，從而降低生產(chǎn)成本與能耗。 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。生物活性炭技術(shù)在源水處理過程中已得到了有效普及利用，工業(yè)生產(chǎn)的快速增長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二級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。BAC優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)

3、點(diǎn)及應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)：a提高了出水水質(zhì)，可以增加水中溶解性有機(jī)物的去除效率；b延長了活性炭的再生周期，減少了運(yùn)行費(fèi)用；C水中氨氮可以被生物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而減少了后氯化的投氯量，降低了三鹵甲烷的生成量。1.2 BAC1.2 BAC作用過程中各因素的相互作用關(guān)系作用過程中各因素的相互作用關(guān)系 BAC作用過程中各因素的相互關(guān)系作用過程中各因素的相互關(guān)系BAC 法處理水的過程，涉及活性炭顆粒、微生物、水中污染物、溫度及溶解氧5個(gè)因素在水溶液中的相互作用。污染物質(zhì)活性炭顆粒微生物溫度溶解氧AE影響DDEBCE影響B(tài)的生長C的吸附作用會(huì)影響ED被C吸附被吸附與再生CB利用D生長 B和C疊加作用保護(hù)并促進(jìn)

4、B的生長對A進(jìn)行吸附富集被吸附對A氧化降解作為B的營養(yǎng)物1 1、活性炭對溶解氧的作用、活性炭對溶解氧的作用 2 2、微生物與溶解氧的作用、微生物與溶解氧的作用3 3、活性炭吸附與溫度的相互影響、活性炭吸附與溫度的相互影響4、活性炭與污染物的相互作用、活性炭與污染物的相互作用 BAC作用過程中各因素的相互關(guān)系作用過程中各因素的相互關(guān)系5、微生物與污染物的相互作用、微生物與污染物的相互作用 6、微生物與碳顆粒的相互作用、微生物與碳顆粒的相互作用 1）活性炭對微生物的吸附2）活性炭對微生物活性的影響3) 微生物種類對活性炭吸附容量的影響4）生物膜量對活性炭吸附的影響5）活性炭生物再生1.3 BAC1

5、.3 BAC生物吸附降解機(jī)制生物吸附降解機(jī)制1 1、簡單疊加、簡單疊加胞外酶分子很難溶入炭的微孔結(jié)構(gòu)，BAC過程只是生物降解和活性炭吸附的簡單疊加。2 2、協(xié)同作用、協(xié)同作用BAC生物吸附降解機(jī)制生物吸附降解機(jī)制1）胞外酶假說細(xì)胞分泌的胞外酶和因細(xì)胞解體而釋放出的酶類(1nm大小)，能直接進(jìn)入到活性炭的過渡孔和微孔中去，與孔隙內(nèi)吸附的有機(jī)物作用，使其從原吸附位上解脫下來，并被活性炭表面上的細(xì)菌所分解，構(gòu)成了吸附和降解的協(xié)同作用。2）濃度差解吸假說活性炭吸附的有機(jī)物遍布其表層和內(nèi)部的大、小、微孔中，由于大多數(shù)細(xì)菌的大小為103 nm。故細(xì)菌主要集中于炭顆粒的外表及鄰近大孔中，而不能進(jìn)入微孔中。細(xì)

6、菌能直接將活性炭表面和大孔中吸附的有機(jī)物降解掉，從而使活性炭表面的有機(jī)物濃度相對降低，造成炭粒內(nèi)存在一個(gè)由內(nèi)向外減小的濃度梯度，有機(jī)物就會(huì)向活性炭表面擴(kuò)散，可逆吸附的有機(jī)物因此被解析下來而被微生物利用。BAC生物吸附降解機(jī)制生物吸附降解機(jī)制3、先疊加后協(xié)同、先疊加后協(xié)同 通過流態(tài)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)可以得出，最初生物降解和吸附獨(dú)立發(fā)生，當(dāng)吸附達(dá)到平衡、生物適應(yīng)基質(zhì)后，發(fā)生協(xié)同作用。 在初始階段，由于廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)阻塞了活性炭的縫隙及其大孔，BAC反應(yīng)較低；接下來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。 在BAC系統(tǒng)中，最初的6-8h中吸附平衡與單獨(dú)活性炭的吸附平衡相同，說明最初階

7、段生物降解不影響活性炭吸附，此時(shí)吸附速率大大超過生物降解速率。當(dāng)吸附達(dá)到初步平衡，即生物降解速率和吸附率想當(dāng)時(shí)，微生物才起到生物降解作用。當(dāng)生物降解速率大于吸附率時(shí)，吸附平衡發(fā)生轉(zhuǎn)移，由于生物活性和反相濃度梯度，活性炭孔隙中的基質(zhì)解吸。3）胞外酶和濃度差解脫假說目錄目錄BAC在水處理中的應(yīng)用在水處理中的應(yīng)用1、飲用水源處理、飲用水源處理 2 2、生活污水處理、生活污水處理 3、工業(yè)廢水處理、工業(yè)廢水處理 1）印染廢水 2）制藥廢水 3）含油廢水 4）垃圾滲濾液BAC在水處理中的應(yīng)用在水處理中的應(yīng)用目錄目錄O3-BAC處理技術(shù)處理技術(shù) “O3-BAC”技術(shù)是一種臭氧氧化和生物活性炭吸附的組合法，

8、該工藝促使氧化、吸附和生物降解功能形成協(xié)同效應(yīng)，可以有效的去除有機(jī)物，并能夠?qū)⑾靖碑a(chǎn)物前質(zhì)及氨氮同時(shí)加以削減，并且使色、嗅、味等多項(xiàng)指標(biāo)全面得到改善；可將氰化物、酚等有毒有害物質(zhì)氧化為無害物質(zhì)；有效殺滅隱孢子蟲、賈第蟲等加氯不易滅活的病原原生動(dòng)物，從而更好地保障生活飲水衛(wèi)生、安全與優(yōu)質(zhì)。O3-BAC處理技術(shù)概念處理技術(shù)概念 經(jīng)O3 - BAC 工藝處理的出水水質(zhì)很好，對氧化過程中形成的可生物降解的溶解性有機(jī)物（BDOC）、DOC，包括可能轉(zhuǎn)變?yōu)槎竞ξ锏娜芙庑杂袡C(jī)物、臭氧化產(chǎn)物、合成有機(jī)化合物（如殺蟲劑）、產(chǎn)生嗅、味的化合物及氨的去除均十分有效。O3 - BAC 工藝中，臭氧化使惰性的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)

9、化為可生物降解的化合物，從而被后續(xù)生物活性炭去除。實(shí)驗(yàn)研究證明，在臭氧用量達(dá)30% 以上時(shí)，THM 前質(zhì)物的去除率將隨臭氧用量的增加呈系統(tǒng)性提高。但是，該去除率在低堿度的水中明顯降低，原因可能是因?yàn)槌粞醴肿訉HM 前質(zhì)物的作用更具選擇性。 1、臭氧臭氧的作用的作用1）預(yù)氧化作用2)消毒和有效地將水中難以生物降解的有機(jī)物斷鏈、開環(huán)作用3）為活性炭表面的好養(yǎng)微生物提供溶解氧O3-BAC處理技術(shù)機(jī)理處理技術(shù)機(jī)理 臭氧一生物活性炭工藝是將臭氧化學(xué)氧化、臭氧滅菌消毒、活性炭物理化學(xué)吸附、生物降解四種技術(shù)結(jié)合為一體的工藝，其工藝特征為在傳統(tǒng)水處理工藝的基礎(chǔ)上，以預(yù)臭氧氧化代替預(yù)氯化，在快濾池后設(shè)置生物活

10、性炭濾池。 但是后臭氧投量也不宜過高，否則不僅無助于提高水質(zhì)，還會(huì)過多地產(chǎn)生溴但是后臭氧投量也不宜過高，否則不僅無助于提高水質(zhì)，還會(huì)過多地產(chǎn)生溴酸鹽臭氧氧化副產(chǎn)物，有害健康，并增加投資與運(yùn)行費(fèi)用。再次投加臭氧的酸鹽臭氧氧化副產(chǎn)物，有害健康，并增加投資與運(yùn)行費(fèi)用。再次投加臭氧的水隨即進(jìn)入生物活性炭炭柱過濾。水隨即進(jìn)入生物活性炭炭柱過濾。 2、生物活性炭的作用、生物活性炭的作用1）吸附和借助生物膜降解作用2）對臭氧的作用破壞水中殘余臭氧，一般發(fā)生在最初炭層的幾厘米處；通過吸附去除化合物或臭氧副產(chǎn)物。O3-BAC處理技術(shù)機(jī)理處理技術(shù)機(jī)理3、活性炭吸附的、活性炭吸附的3個(gè)階段個(gè)階段1）快速吸附2）慢速

11、吸附、開始生物活動(dòng)3）出現(xiàn)明顯的生物活動(dòng)臭氧與有機(jī)物的最主要反應(yīng)是破壞含碳有機(jī)物的雙鍵產(chǎn)生酮和醛，這些產(chǎn)物臭氧與有機(jī)物的最主要反應(yīng)是破壞含碳有機(jī)物的雙鍵產(chǎn)生酮和醛，這些產(chǎn)物是管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌的養(yǎng)料，如果在處理過程中沒有去除這些養(yǎng)料，細(xì)菌就會(huì)是管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌的養(yǎng)料，如果在處理過程中沒有去除這些養(yǎng)料，細(xì)菌就會(huì)在管網(wǎng)中迅速滋生。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)纳锾幚?，如在管網(wǎng)中迅速滋生。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)纳锾幚?，如活性炭，使這類化合物被存在于濾料表面的細(xì)菌所降解。絕大部分可溶有機(jī)活性炭，使這類化合物被存在于濾料表面的細(xì)菌所降解。絕大部分可溶有機(jī)物被活性炭上的生物去除后，則需要

12、投加的氧化劑量會(huì)大大減少，這也同時(shí)物被活性炭上的生物去除后，則需要投加的氧化劑量會(huì)大大減少，這也同時(shí)減少了新的氣味和色度污染問題?？筛鶕?jù)檢測管網(wǎng)的細(xì)菌量來不斷調(diào)整臭氧減少了新的氣味和色度污染問題?？筛鶕?jù)檢測管網(wǎng)的細(xì)菌量來不斷調(diào)整臭氧的投加量，使加氯量降低。的投加量，使加氯量降低。O3-BAC處理技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)處理技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)這項(xiàng)聯(lián)合技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)能更有效地去除溶解性有機(jī)物；(2)臭氧可以提高生物活性炭的吸附容量，延長活性炭的使用壽命；(3)氨氮以生物轉(zhuǎn)化方式得到去除，取代了折點(diǎn)加氯法除氨氮，消除了大量有機(jī)氯化物的形成：(4)臭氧總投量要比單獨(dú)使用時(shí)少，比單一使用臭

13、氧或活性炭費(fèi)用低且效果好；(5)處理后水質(zhì)可全面提高，而且出水穩(wěn)定、管理方便。只需投加少量消毒殺菌劑，就可保證整個(gè)配水系統(tǒng)的全面衛(wèi)生一。但此方法也有其局限性：(1)臭氧的制作工藝復(fù)雜，一次性投資較高，而且臭氧在水中的溶解度小，因此操作的運(yùn)行成本高。(2)臭氧在水中分解很快，消毒作用難以持續(xù)，因此為了避免水在運(yùn)輸?shù)倪^程中產(chǎn)生二次污染，出廠前還必須投加液氯消毒。(3)生物活性炭的運(yùn)行效果受各種條件，如水溫、pH值、菌種的影響，效果不穩(wěn)定，特別是在掛膜期間，由于生物膜沒有形成，處理效果欠佳。尋求活性炭的適宜生長條件，優(yōu)勢菌種的篩選，成為此工藝的重點(diǎn)。(4)生物活性炭上附著的微生物在代謝過程產(chǎn)生的降解

14、物，未完全分解的有機(jī)物以及微生物本身進(jìn)入水體中，這部分物質(zhì)對人體是否會(huì)產(chǎn)生某些危害，需要進(jìn)一步的研究。(5)生物活性炭一般運(yùn)行1年以上需要更換，如果處理不當(dāng)會(huì)造成二次污染。(6)臭氧一生物活性炭法的投資和運(yùn)行費(fèi)用高于生物預(yù)處理方法。 O3-BAC 技術(shù)由于提高了進(jìn)水的可生化性從而提高了有機(jī)物的去除率，但同時(shí)臭氧也會(huì)對有機(jī)吸附造成破壞?；谶@一點(diǎn)，人們開始研究以比表面更大的其他吸附劑代替活性炭，這些吸附劑經(jīng)臭氧作用后可以獲得理想的吸附效率。被研究的這類吸附劑包括活性鋁、活性鐵礬土和骨碳。表2表明臭氧化作用后的活性鋁、鐵礬土對DOC 的去除率在臭氧投量較高時(shí)可以接近GAC 的處理效果。其優(yōu)點(diǎn)為：這

15、類無機(jī)吸附劑可用化學(xué)法再生，比GAC 的熱再生經(jīng)濟(jì)得多。但這類吸附劑對微生物的媒介作用還沒有確論，因而其對可生物降解有機(jī)化合物的處理能力還有待進(jìn)一步研究。 O3-BAC技術(shù)展望技術(shù)展望目錄目錄膜膜-BAC處理技術(shù)處理技術(shù)膜膜-BAC處理技術(shù)概述處理技術(shù)概述本工藝主要結(jié)合微濾膜的分離、活性炭的吸附及微生物降解三者的共同作用。本工藝主要結(jié)合微濾膜的分離、活性炭的吸附及微生物降解三者的共同作用。 微濾膜通過其機(jī)械篩分過程, 將大分子的懸浮物、細(xì)菌微粒等作為濃縮液截留, 而一些小分子的有機(jī)物可以透過膜表面; 活性炭是一種良好的吸附劑, 憑借其發(fā)達(dá)的孔隙和巨大的比表面積不僅對水中有機(jī)物表現(xiàn)出良好的吸附性

16、能, 同時(shí)還為微生物提供生活場所; 微生物則以水中基質(zhì)污染物作為其獲得能量和營養(yǎng)的源泉, 通過其自身的新陳代謝過程完成對有機(jī)物的降解。 正是這三種作用的完美結(jié)合才保證反應(yīng)器對水中有機(jī)物的良好的去除效果。 膜-BAC反應(yīng)器工藝具有凈化效果顯著、凈化效果穩(wěn)定、構(gòu)筑物緊湊、占地少等優(yōu)點(diǎn)，社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，雖基本建設(shè)投資稍高，且運(yùn)行費(fèi)用較高，但是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ墓に嚒?在膜分離系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，膜的通量會(huì)逐漸降低，其主要原因是膜污染，膜在膜分離系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，膜的通量會(huì)逐漸降低，其主要原因是膜污染，膜污染是系統(tǒng)運(yùn)行中的主要問題。污染是系統(tǒng)運(yùn)行中的主要問題。1 1、膜污染概念、膜污染概念

17、膜污染是指廢水中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)分子由于與膜之間存在物理化學(xué)作用而在膜表面及膜孔中沉積，使膜孔堵塞或變小，膜阻變大，膜的滲透速率下降的現(xiàn)象。2 2、膜污染的防治、膜污染的防治膜生物反應(yīng)器由于生物量的存在，污染情況尤為嚴(yán)重。目前研究出的膜污染預(yù)防及減輕措施包括:1)膜過濾前對濾料進(jìn)行預(yù)處理，去除一些較大的粒子；2）調(diào)節(jié)PH遠(yuǎn)離蛋白質(zhì)等電點(diǎn)以減輕吸附；3）采用親水性膜；4）選擇膜材料電荷與溶質(zhì)電荷相同的膜；5）錯(cuò)流過濾；6）間歇操作；7）機(jī)械方法（振動(dòng)膜組件或加強(qiáng)攪拌）8）附加場的辦法（電場、超聲波）。膜污染防治膜污染防治微濾膜定期要進(jìn)行清洗，以保證正常的膜通量。膜清洗的方法如下：1 1、化

18、學(xué)方法、化學(xué)方法有機(jī)污染的清除：0.05%-0.1%的NaOH或H2O2或NaClO溶液清洗；無機(jī)污染的清除：PH2-4的鹽酸。2、物理方法、物理方法 利用超聲波裝置進(jìn)行物理清洗，對膜片的損傷遠(yuǎn)小于化學(xué)清洗，且減少了化學(xué)藥劑的消耗和污染。膜清洗膜清洗1 1、超聲波強(qiáng)化生物作用分析、超聲波強(qiáng)化生物作用分析1）超聲波處理對反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷的影響超聲波強(qiáng)化生物作用時(shí)功率密度的選擇有一最佳值。2）超聲波對BAC的TTC-脫氫酶活性的影響低強(qiáng)度的超聲輻射可以提高膜生物反應(yīng)器中BAC的活性。3）超聲波對反應(yīng)器出水有機(jī)物分子質(zhì)量的影響對小分子去除效率更好，因此設(shè)置超聲波的反應(yīng)器中BAC凈化效果更好。2、超聲波強(qiáng)化生物作用機(jī)理超聲波強(qiáng)化生物作用機(jī)理1）低強(qiáng)度、短周期的超聲波處理可提高胞外酶的產(chǎn)率；2）超聲波穩(wěn)態(tài)空化可以加強(qiáng)液體介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，可以加速生物反應(yīng)器中的物質(zhì)傳遞，這一過程發(fā)生在細(xì)胞壁周圍這對反應(yīng)底物進(jìn)入酶催化的活性部位及產(chǎn)物進(jìn)入介質(zhì)中的傳質(zhì)有利；3）超聲波促進(jìn)微生物酶產(chǎn)生變異。膜膜-BAC反應(yīng)器中超聲波強(qiáng)化生物作用的