活性炭在水處理工藝中的應用

活性炭是由木質(zhì)、煤質(zhì)和石油焦等含碳的原料經(jīng)熱解、活化加工制備而成，具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和豐富的表面化學基團，特異性吸附能力較強的炭材料的統(tǒng)稱。活性炭又稱活性炭黑，呈黑色粉末狀或塊狀、顆粒狀、蜂窩狀，有排列規(guī)整的晶體碳，其中微晶是二維有序的六角形晶格，石墨微晶單位很小，厚度約為0.9~1.2nm，寬度約2~2.3nm，孔形狀有毛細管狀、狹縫形等。因此活性炭具有巨大的比表面積和復雜的孔隙結(jié)構(gòu)。活性炭由80%以上的碳元素組成，這也是活性炭疏水性吸附劑的原因。根據(jù)國際純化學與應用化學聯(lián)盟(IUPAC)分類標準，活性炭的孔結(jié)構(gòu)可分為大孔(r>50nm)、介孔(2nm<r<50nm)和微孔(r<2nm)。隨著技術(shù)的更新，來源廣泛且容易再生的活性炭得到了廣泛利用，其發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和豐富的表面化學基團不僅直接作為吸附劑應用于水處理工藝中，同時還可與其他材料或工藝聯(lián)用取得更好的處理效果。

厭氧生物技術(shù)具有工藝穩(wěn)定、剩余污泥少、設施占地小、運行簡單等優(yōu)點。隨著厭氧生物技術(shù)對一些有毒物質(zhì)和一般工業(yè)廢水中常見的污染物的降解能力得到證實，厭氧生物技術(shù)逐漸在工業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應用。為了厭氧生物技術(shù)應用于高效處理含抑制性物質(zhì)的工業(yè)廢水中，活性炭逐漸被應用于厭氧處理工藝中屏蔽污水中的抑制性物質(zhì)。

1、活性炭在厭氧生物處理技術(shù)中的作用

1.1 活性炭提高了產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率

活性炭的吸附性能有效緩沖了揮發(fā)性脂肪酸累積、氨氮濃度過高等對厭氧消化反應進程的影響，提高了厭氧反應器穩(wěn)定性。

1.2 促進生物膜的形成

活性炭巨大的表面積和孔隙是培養(yǎng)生物膜的理想的表面，能夠保護生物膜不被反應器內(nèi)的剪力環(huán)境消耗掉，使反應系統(tǒng)中的生物和物化處理能力得到充分發(fā)揮。

1.3 吸附可降解抑制性有機物

在應用厭氧工藝處理含可降解抑制性有機物時，活性炭的吸附作用將抑制性有機物濃度在水相中降到最小，從而對厭氧生物體的毒性作用也降到最小，為抑制性有機物的沖擊提供了一個很好的緩沖作用，提高了工藝的穩(wěn)定性，保證了主體有機物的厭氧消化。接著生物體可以對已吸附的可降解抑制性有機物進行生物降解，即對活性炭吸附能力進行生物再生。

1.4 從系統(tǒng)中排出活性炭以去除吸附的不可生物降解的抑制性有機物

不可生物降解的抑制物將逐漸耗盡活性炭的吸附容量，因此通過更換一定比例的活性炭以恢復活性炭對不可降解抑制性有機物的吸附能力，保證厭氧反應器主體進程的進行。

2、活性炭在厭氧工藝中的作用效果

2.1 活性炭對厭氧處理工藝各項參數(shù)的影響

活性炭的添加使厭氧系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，提高了反應器的抗沖擊負荷能力和產(chǎn)甲烷量。謝等“研究了在不同水力停留時間(HRT)添加顆?；钚蕴?/span>(GAC)載體的對厭氧序批式反應器(ASBR)產(chǎn)氫的影響，結(jié)果表明在HRT分別為48，24，16，12h時，PAC的添加使得ASBR反應器甲烷產(chǎn)率分別提高了65%，63%，54%，56%。MJCuetos等報道了分別添加不同比率(即家禽血液總固體TS與添加的活性炭質(zhì)量的比例)4.5、3.0、1.5GAC對厭氧消化的產(chǎn)氣量的研究，結(jié)果表明在比率為1.5時，產(chǎn)氣量達到最高為317.4±31.8mLCHrg-1VS-1，同時活性炭的添加降低了反應器中揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的積累量和氨氮濃度，保證了厭氧消化反應的順利進行。

活性炭的添加不僅增加了厭氧消化的產(chǎn)甲烷量，同時也提高了產(chǎn)甲烷速率。YanW等通過試驗對比添加粉末活性炭(PAC)和空白對照組發(fā)現(xiàn)PAC的添加顯著加快了產(chǎn)甲烷速率，PAC試驗組產(chǎn)甲烷速率(49.81mL?g-1VS?d-1)約為空白對照組(13.64mL?g-1VS?d-1)的3倍。

2.2 活性炭促進生物膜的形成

活性炭巨大的表面積和孔隙是培養(yǎng)生物膜的理想的表面。YuZ等研究了添加PAC后動態(tài)膜生物反應器(DMBR)對微生物種群的影響。采集添加PAC的DMBR污泥樣品(PAC-DMBR)與空白對照組(C-DMBR)提取DNA進行高通量測序，檢測微生物多樣性。結(jié)果如表1所示。

OTUs：可操作分類單元。

Chao1指數(shù)：估計群落中含OTUs數(shù)目的指數(shù)。數(shù)值越大說明樣本物種數(shù)越多。

Shannon指數(shù)：估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一。數(shù)值越大群落多樣性越高。

Simpson指數(shù)：估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一。數(shù)值越低群落多樣性越高。

Coverage：各樣品文庫的覆蓋率。數(shù)值越高，則樣品中序列被測出的概率越高。

根據(jù)表1細菌16SrRNA基因測序結(jié)果表明，共有1358個(C-DMBR)和1735個(PAC-DMBR)OTUs聚集，序列相似度為97%，表面PAC-DMBR生物多樣性增加。進一步比較Chaol指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)，表明PAC-DMBR的微生物豐富度和多樣性高于C-DMBR。說明添加PAC創(chuàng)造了更多的生存空間，更有利于菌落的富集和增殖。

微生物在活性炭表面和孔隙中的富集，使得生物炭用作厭氧反應器接種劑成為可能。HeP等對形成生物膜的活性炭(生物炭)進行了掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)<5μm的生物炭累積了6.6~7.1E+1116Scopies?g，約為>1mm生物炭的27~51倍，可與新鮮污泥接種物媲美。在去除懸浮微生物不接種額外生物炭的條件下，生物炭上的生物膜仍能保持穩(wěn)定的甲烷產(chǎn)量。

2.3 吸附可降解抑制性有機物

在厭氧消化過程中，活性炭的存在被證實能夠一定程度吸附可降解抑制性有機物，為抑制性有機物的沖擊提供了一個很好的緩沖作用，提高工藝穩(wěn)定性。勞等在處理高濃度含酚廢水的試驗結(jié)果表明活性炭充分發(fā)揮了對酚的吸附性能，為厭氧發(fā)酵創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件，含酚量從952mg?L-1降至0.5mg?L-1以下。ZhangJ等探索了活性炭對餐廚垃圾與雞糞厭氧共消化反應過程中各類抗生素的去除率，試驗結(jié)果表明，相對于不添加粒狀活性炭試驗組氧氟沙星的去除率33%~60%，添加活性炭的試驗組去除率接近100%。

2.4 從系統(tǒng)中排出活性炭以去除吸附的不可生物降解的抑制性有機物

通過置換厭氧系統(tǒng)中的活性炭，維持一定的活性炭吸附容量，達到減輕或者消除抑制物對厭氧反應進程的抑制作用。Flora等通過每天置換1%厭氧流化床反應器中的粒狀活性炭來控制反應器中氯酚的積累。模型預測96%的4-氯酚被吸附，4%隨出水流出，因此通過置換粒狀活性炭在一定程度上削弱了有毒物質(zhì)對厭氧微生物的抑制作用，保證反應器的運行。

3、活性炭在厭氧處理技術(shù)中的發(fā)展趨勢

隨著厭氧工藝在工業(yè)上的應用逐漸成熟，工業(yè)廢水中的一些生物抑制物可能會影響厭氧工藝的應用。在含難降解物質(zhì)的工業(yè)廢水生物處理中，活性炭的存在可以在一定程度上起到緩沖抑制作用。基于活性炭的吸附性能，目前也常用于污水廠尾水的深度處理。研究發(fā)現(xiàn)，活性炭對厭氧處理含酚廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水、制革廢水等均有一定的促進作用。因此，活性炭再一次開發(fā)了厭氧反應器的應用潛能，在快速啟動、提高處理效率、保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、處理難降解化合物等均有較好的表現(xiàn)。

4、活性炭在水處理中的應用

活性炭具有微孔結(jié)構(gòu)多、比表面積大，吸附性能強等特點，因此在水處理應用中有多種應用方法。

4.1 活性炭改性

活性炭表面官能團的數(shù)量和種類決定了其化學性質(zhì)，孔徑分布和比表面積決定了其物理性質(zhì)，活性炭的物化性質(zhì)決定了吸附性能。

4.1.1 酸堿改性

不同改性方式對活性炭的作用差異性很大。劉等分別用酸溶液(H2SO4、HNO3、HPO4)和堿溶液(NaOH或NH?H2O)浸漬方法對活性炭進行改性，結(jié)果表明，酸改性使活性炭比表面積、微孔面積、微孔容積減少、表面酸性官能團增加，而堿改性呈現(xiàn)相反的理化特征變化。因此改性應以活性炭微孔容積和表面官能團變化為目標導向。

4.1.2 氧化改性

利用氧化劑改變活性炭表面含氧官能團數(shù)量，增強活性炭表面的親水性、酸性和極性，提高吸附性能。何等采用KMnO4對活性炭進行改性，研究改性后對甲醛的吸附性能。結(jié)果表明KMnO4改性顯著提高了活性炭對甲醛的吸附能力，且KMnO4濃度為2%時效果最佳。

4.1.3 還原改性

在一定條件下，利用還原劑對活性炭進行改性，改性后的堿性官能團數(shù)量增加，使得活性炭堿性、非極性何疏水性增加，增強了對非極性物質(zhì)的吸附能力。方采用N2和NH3對無煙煤基活性炭、長焰煤基活性炭、褐煤基活性炭和椰殼基活性炭進行改性，對比改性后4種活性炭對苯的吸附效果，結(jié)果表明，經(jīng)還原改性的4種活性炭表面的堿性官能團含量均有增加，椰殼基活性炭對苯的吸附量顯著增加，且NH改性更能提高活性炭對苯的吸附性能。

活性炭作為水處理的吸附劑，可同時吸附水中一種或多種污染物質(zhì)。在水處理過程中，根據(jù)污染物的種類對活性炭進行特殊的改性，實現(xiàn)活性炭對水中特定難處理污染物的吸附。隨著活性炭改性技術(shù)的優(yōu)化，活性炭改性化學改性不僅僅包括酸堿改性、氧化改性和還原改性，同時還有金屬負載改性、等離子體改性。物理改性方式包括高溫熱處理改性和微波改性。因此通過不同方式的改性拓展了活性炭在更廣泛領域的應用。

4.2 活性炭與膜的聯(lián)用

在水處理中，根據(jù)孔徑，膜分為反滲透膜(RO)、納濾膜(NF)和超濾膜(UF)。在飲用水深度處理中，活性炭與膜聯(lián)用為生產(chǎn)安全飲用水提供了保障。謝等對超濾膜、粉狀活性炭及二者組合工藝去除藻毒素效果進行研究對比。結(jié)果表明，超濾膜工藝對水體中溶解性藻毒素去除率一般低于5%;粉狀活性炭吸附技術(shù)在投加量高于20mg?L-1時，對藻毒素的去除效率可達82.16%;粉狀活性炭和超濾膜聯(lián)用工藝在粉狀活性炭投加量為20mg?L-1時，出水未檢測出微囊藻毒素。

4.3 活性炭與電化學聯(lián)用

活性炭與電化學的聯(lián)用，多數(shù)是運用活性炭的物化性能作為陽極的外延，活性炭吸附污染物質(zhì)再通過電解作用氧化電解，達到去除污染物的目的。傅等通過正交試驗研究活性炭纖維吸附電解法處理含油廢水效果，結(jié)果表明在實驗條件含油廢水初始質(zhì)量濃度為100mg?L-1、pH值為3~4，電壓為14V，NaCl質(zhì)量濃度為15gL-1，吸附電解120min，油的去除率能達到90%，且活性炭纖維作為陽極多次循環(huán)使用后，油的去除率仍然保持在80%以上。

5、結(jié)束語

活性炭在水處理中的應用已經(jīng)有了很大的進展，活性炭與多種工藝的聯(lián)用也逐漸取得顯著效果。在實際應用過程中應進行多工藝的對比，從處理效果、工程造價、處理成本等方面綜合考慮。隨著水質(zhì)標準的提高，活性炭在水處理工藝中將得到更廣泛的研究和應用。（來源：天津市政工程設計研究總院有限公司）