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生物活性炭的定义与特征

发布时间:2020-05-22 浏览

生物活性炭是指在活性炭的孔内使微生物繁殖,使这些微生物产生活性的水质净化法(生物活性炭法)中所用的炭材料,是一种新型的水净化用炭材料。

活性炭是一种多孔性物质,其中由微孔(孔径小于2nm)构成的内表面积约占总面积的95%以上,过渡孔和大孔仅占5%左右。根据活性炭的形状和制作方法不同,可以对活性炭进行分类,一般包括粉状活性炭、颗粒活性炭、破碎状炭等类别。活性炭的化学性质稳定,能耐酸、碱,耐高温高压,因此适应性很广。活性炭吸附技术是饮用水深度处理中成熟有效的技术之一,它对水中多种污染物有很好的去除效果。活性炭吸附是完善常规处理工艺以去除水中有机污染物成熟有效的方法之一,可以去除水中的臭味、色度、微量有机污染物(如烷烃类、多环芳烃类等)、重金属、合成洗涤剂、放射性物质等多种污染物,并对水中CODMn、TOC和Ames致突变性都有不同程度的降低。在20世纪六十年代末至七十年代初,发达国家开展了,利用活性炭吸附去除水中微量有机物的研究工作,对饮用水进行了深度处理。如美国以地面水为水源的水厂已有90%以上采用了活性炭吸附工艺。法国南希市水厂处理能力10万m3/天,采用颗粒活性炭,主要用于去除水中的臭味。

生物活性炭技术是20世纪60至70年代发展起来的一项新的水处理工艺,由美国米勒和里根等人头次提出,它是指水处理过程中,有意识地助长在粒状活性炭吸附中的好氧生物活性的处理工艺。德国ALLLstaad水厂在60年代开始使用生物活性炭,并引起了西欧水处理界的广泛重视。活性炭是一种兼有吸附、催化和化学反应活性的多功能载体。微生物附着其上,可以发挥生化和物化处理的协同作用,从而延长活性炭的工作周期,大大提高处理效率,改善出水水质,并能处理那些采用单纯生化处理或炭吸附法所不能去除的污染物质。生物活性炭在生物降解和活性炭物化吸附的双重作用下能保持长期稳定的运行,并且具有稳定的去除效率。国内外研究和实际应用表明,在对饮用水的深度处理中,生物活性炭对水中化学需氧量(COD)、浊度、色度有很好的去除作用。

所谓广义的生物活性炭法,可以认为是指同时利用在活性炭表面上生息的微生物的机能与活性炭的机能的水处理方法。而且,在生物脱臭的领域也有利用活性炭作为微生物载体的,有时它也称作生物活性炭。

随着生物活性炭应用状况的不同,微生物的种类、浓度及个数,活性炭的种类、形状以及装置的形状等也不一样。在高度净水处理的场合,一方面,由于要处理的物质在水中的浓度非常低。而且,微生物还往往难以分解这些物质,因此,除去这样的物质就要靠活性炭的吸附作用,而微生物具有让活性炭的处理效果持续进行下去的机能。另一方面,在处理有机物浓度高的废水的场合,结果就变成主要依靠微生物分解除去,而活性炭吸附仅仅起到辅助作用。

生物活性炭的机能就是随着其应用场合的不同而有相当大的差异。但共同点在于在利用活性炭吸附的同时,还利用微生物的分解机能,可以认为这就是生物活性炭的特征。

目前对生物活性炭的去除机理没有统一公认的解释,国内外学者有两种机理来解释生物活性炭的生物降解。其中之一是:由于活性炭和水中的有机物浓度梯度,生物活性炭的生物降解作用使得活性炭再生。该理论认为由活性炭释放到水中的有机物由于生物降解作用是逐级减少的,使得水中有机物的浓度较低。因此,吸附的有机物由于浓度梯度而得以再生。与以往有关协同作用解释观点不同的是,他们认为影响生物吸附的因素是活性炭生物再生的强度,并且在整个生物吸附过程中微孔一直被吸附基质所占用,没有发生生物再生,只有过渡孔能够通过微生物再生。此外得到更多承认和研究的生物降解机理是胞外酶作用。Perrotti等人针对生物再生现象提出炭内吸附物质与胞外酶反应产生脱附的假说,认为细菌虽然不能进入微孔,但所分泌的胞外酶可以通过扩散作用进入微孔,与炭吸附的物质反应,形成酶-底物复合体或反应产物从原吸附位上脱附,并扩散到炭的外部,而被微生物降解,从而使活性炭得以再生。此外,很多研究者认为解吸作用是生物降解的必要条件,不能解吸则不能被生物降解。胞外酶在与吸附的物质反应前先被活性炭吸附。此外,有研究学者认为微孔中吸附的分子很大程度上限制了胞外酶的通过。

随着研究的深入和应用的开展,生物活性炭可以认为是指同时利用在活性炭表面上生长的微生物的机能与活性炭的机能的水处理方法。在水处理过程中,同时发挥了活性炭的物理吸附作用和微生物的生物降解作用,使活性炭再生周期延长,使用寿命大大延长。因此在水处理过程中,有意识助长粒状活性炭表面好氧微生物的生长,去除可生物降解的有机物,以降低消毒副产物前体物的浓度和管网中细菌再生的潜能。

生物活性炭作为深度处理工艺的一种有效形式对去除水中天然有机物有着重要的作用。生物活性炭的形成,活性炭上微生物能够生长繁殖,其主要原因有以下几点:

1、饮用水中的微生物属于贫营养微生物,对水中的微量有机污染物在生存环境上能够适应;

2、活性炭作为微生物的载体,能够吸附富集有机物,为微生物的生长储存了营养,并且活性炭能够防止有毒、有害物质对微生物的冲击,防止水流变化的冲击;

3、臭氧化将难降解有机物氧化分解为易降解有机物,有利于微生物利用,而且对水体富氧,使水体为好氧环境。

这几种作用使得微生物在活性炭表面生长繁殖,进而形成生物活性炭。

活性炭吸附技术在实际应用中,依靠吸附去除有机物的使用寿命只有3至6个月,并且再生困难,生物炭是以活炭为载体,用生长在炭表面的微生物,在水处理中同时发挥活性炭的物理吸附和微生物的生物降解作用,因此既能有效去除水中微量的有机污染物,又能延长活性炭的使用寿命。依靠活性炭自然形成的生物活性炭,其生物相较为复杂,生物降解的速率不高,通过人工强化技术如投加高活性微生物,采用人工固定化技术形成的生物活性炭,则具有长效、运行稳定和出水无病原微生物等优点,因此以人工固定化技术为代表的活性炭生物强化工艺也越来越受到人们的重视。

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