生物活性炭纖維在給水處理中的應(yīng)用-楊龍(共5頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上生物活性炭纖維在給水處理中的應(yīng)用楊龍（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 ）摘要 作為一種新型的水處理技術(shù)，生物活性炭纖維（BACF）有很好的應(yīng)用前景。目前水環(huán)境中出現(xiàn)了許多新型污染物和微生物，這對(duì)水質(zhì)安全性提出了挑戰(zhàn)。采用BACF處理技術(shù)，不僅能有效的去除水中的有機(jī)物，同時(shí)也能去除水中的重金屬和氮磷等物質(zhì)。BACF處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定，再生周期長(zhǎng)。BACF是以活性炭纖維（ACF）作為載體，在ACF表面形成生物膜，因此BACF具有吸附和生物降解的雙重效應(yīng)。BACF的聯(lián)用技術(shù)能夠提高污染物的去除率。因此，BACF能夠保障飲用水的水質(zhì)安全性，促進(jìn)水的健康循環(huán)。關(guān)鍵詞 生物活性

2、炭纖維 處理機(jī)理 BACF的制備 污染物的去除 前景與問(wèn)題The application of biological activated carbon fiber in feedwater treatmentYANG Long(The college of Architecture and civil engineering, Beijing University of Technology, Beijing )Abstract: As an advanced water treatment technology, biological activated carbon fiber (BACF

3、) has a brilliant application potential for drinking water treatment. With pollutants and microorganisms of concerns emerging in water environment nowadays, the safety of water quality is in problem. Not only can BACF technology remove the organic matter effectively in water, but also it can remove

4、heavy metals, phosphorus and other substances. BACF technology has merits of good treatment effect, stable operation and long regeneration cycle. Microbes are incubated on the vector of activated carbon fiber (ACF) to form biofilm, so BACF technology has the dual effect of adsorption and biodegradat

5、ion. The combined technologies of BACF show high performance in water purification. Therefore, BACF can guarantee the safety for drinking water quality and promote the healthy cycle of the water.Keywords: Biological activated carbon fiber; treatment mechanism; preparation and production of BACF; pol

6、lutants removal; potential and problems 隨著新型有機(jī)污染物和微生物出現(xiàn)在水環(huán)境中，以及生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006）頒布，對(duì)給水處理技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)，常規(guī)的處理技術(shù)已難以滿足現(xiàn)行的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此誕生了處理效果更好的深度處理技術(shù)，如膜濾技術(shù)、活性炭吸附技術(shù)、光催化氧化技術(shù)等。這些技術(shù)不僅能保障供水水質(zhì)安全性，同時(shí)也有利于水資源的可持續(xù)發(fā)展。關(guān)于活性炭吸附技術(shù)，人們研究很多?；钚蕴孔鳛槿嗽觳牧?，是在1900年和1901年才發(fā)明的，發(fā)明者是Raphael von Ostrejko。隨著活性炭應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，活性炭從單一的應(yīng)用發(fā)展到活性炭的聯(lián)

7、用技術(shù)，起初主要是粉末活性炭、顆?；钚蕴康膽?yīng)用，現(xiàn)在有生物活性炭、臭氧-生物活性炭、高錳酸鉀-生物活性炭、活性炭纖維以及生物活性炭纖維等。生物活性炭纖維（BACF）是集吸附與生物降解于一體的新型的吸附材料，與粉末活性炭（PAC）、顆?；钚蕴浚℅AC）以及生物活性炭（BAC）相比，BACF吸附能力強(qiáng)，并且能夠在其生物膜上進(jìn)行硝化作用，常用于微污染水源的處理以及飲用水的深度處理中。PAC雖然使用方便，但是再生比較困難。BAC機(jī)械強(qiáng)度有限，使用中易剝落,污染物質(zhì)容易泄漏1,2?；钚蕴坷w維（ACF）的孔隙中，90%以上為微孔，孔徑范圍狹窄,限制了其對(duì)大分子污染物的吸附。BACF改變了ACF的孔徑結(jié)構(gòu)，

8、擴(kuò)大了處理的范圍。BACF不僅處理效果明顯，而且再生周期較長(zhǎng)。BACF與BAC的處理原理相似，但是微生物的固著載體不同，BACF的載體為活性炭纖維，而B(niǎo)AC的載體為顆粒活性炭。BACF的載體ACF強(qiáng)度大，比表面積大，吸附與解吸速率快3。BACF不僅繼承了ACF和BAC的優(yōu)點(diǎn)，而且在某些方面其性能優(yōu)于ACF和BAC。BACF處理技術(shù)4是新興的水處理技術(shù)，是以ACF作為載體，并在其表面固定微生物，形成BACF,其集活性炭吸附和生物降解于一體，生長(zhǎng)在ACF表面的微生物能降解吸附在活性炭上的有機(jī)物，從而延長(zhǎng)了活性炭的使用周期。BACF在微污染水源處理中有著很好的應(yīng)用前景。1 BACF的處理機(jī)理生物活性

9、炭纖維(BACF)處理機(jī)理主要包括活性炭的吸附和生物降解?；钚蕴康奈叫阅?是由它的表面基團(tuán)類(lèi)型、比表面積和孔徑的分布等因素決定的。活性炭液相吸附的測(cè)定標(biāo)志6是吸附平衡和吸附速度，它們?nèi)Q于被吸附物質(zhì)的濃度，溶液的溫度，接觸時(shí)間，PH值和活性炭的顆粒直徑等各種因素。BACF吸附與其表面的基團(tuán)類(lèi)型相關(guān)，有人認(rèn)為活性炭表面的基團(tuán)可以分為含氮基團(tuán)和含氧基團(tuán)，一般來(lái)說(shuō)，活性炭的氧含量越高，其酸性也就越強(qiáng)7。另外有研究將活性炭表面的氧化物分為酸性和堿性兩類(lèi)8，酸堿性基團(tuán)對(duì)不同物質(zhì)吸附性能不同，其酸堿性基團(tuán)形成與活性炭的制備條件有關(guān)。有研究表明活性炭表面的金屬離子對(duì)活性炭的吸附是有利的8。研究BACF的表

10、面特性，有助于理解BACF的吸附機(jī)理，并且對(duì)活性炭表面進(jìn)行改性，以改善其處理效果。BACF的吸附過(guò)程包括溶質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入活性炭?jī)?nèi)和吸附反應(yīng)兩個(gè)步驟，溶質(zhì)擴(kuò)散與溶液濃度和孔隙孔徑有關(guān)，吸附反應(yīng)時(shí)間很短。BACF的吸附過(guò)程可以用雙速率擴(kuò)散理論說(shuō)明，首先是在大孔隙中進(jìn)行快速擴(kuò)散，然后再在微孔中進(jìn)行慢速擴(kuò)散。由BACF的表面特性可知，其吸附質(zhì)擴(kuò)散是慢速擴(kuò)散為主。對(duì)于單一吸附層的活性炭的吸附機(jī)理，通常用Langmuir方程計(jì)算平衡時(shí)的濃度。而對(duì)于多層吸附理論，常用BET公式來(lái)進(jìn)行分析8。另外還有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式Freundlich等溫方程式，即qe=kC1/n，式中 k和n皆為常數(shù)。有研究表明6：K值越大，活性

11、炭的吸附能力就越大，所以當(dāng)1/n數(shù)值為0.1-0.5時(shí)吸附容易進(jìn)行，而在1/n>2時(shí)則吸附則難以進(jìn)行。BACF上的微生物，能夠降解活性炭上吸附的有機(jī)物，從而延長(zhǎng)了活性炭的使用周期。微生物的固定與馴化是BACF處理技術(shù)的關(guān)鍵，固定化生物技術(shù)9有表面吸附固定化、交聯(lián)固定化、包埋固定化、共價(jià)結(jié)合法、自身固定法。Takayukinishio10等利用固定化小球內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)特點(diǎn)來(lái)研究同步硝化反硝化的過(guò)程，結(jié)果表明固定化生物小球在廢水脫氮領(lǐng)域具有很好的效果。有研究表明21BACF上形成的假單胞菌對(duì)基質(zhì)的降解具有廣譜性，它們能夠利用雜環(huán)和芳香環(huán)化合物。2 生物活性炭纖維的制備BACF的制備過(guò)程包括

12、ACF的制備和掛膜過(guò)程。ACF制備過(guò)程11包括預(yù)處理過(guò)程、炭化過(guò)程、活化過(guò)程。預(yù)處理過(guò)程通過(guò)低溫或者有無(wú)機(jī)鹽進(jìn)行處理。炭化過(guò)程主要是利用高溫時(shí)的原料纖維中可揮發(fā)的非炭組分分解，提高產(chǎn)品的效率?；罨^(guò)程使活性炭各孔隙之間相互貫通，以增加比表面積和形成活性官能團(tuán)。日本是開(kāi)發(fā)活性炭纖維最早的國(guó)家，目前ACF的種類(lèi)繁多，作為新型功能吸附材料，具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可以做成氈、布、紙等不同的形狀。ACF主要以微孔為主，近年來(lái)有人開(kāi)始研制中孔型ACF, 使得ACF 的應(yīng)用范圍增大12。在ACF上固定微生物，形成BACF。由于活性炭纖維具有很好的生物相容性，考慮到這一點(diǎn)，周娟娟等13分別對(duì)活性炭纖維采用自然掛膜

13、和人工掛膜，經(jīng)出水水質(zhì)的比較，采用人工掛膜的方式優(yōu)于自然掛膜。并且菌液掛膜與活性污泥上清液掛膜相比，其出水效果好25。這是由于活性污泥中的雜質(zhì)在掛膜期間，占據(jù)了ACF的一些空間。劉巍15利用ACF的生物相容性好、吸附與脫附速度快等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)微生物固定形成穩(wěn)定的固定化生物活性炭纖維小球,發(fā)現(xiàn)其處理效果好，并且循環(huán)利用效果良好。BACF 法的單位處理量大，最高達(dá)到了1600mL/g，而B(niǎo)AC 法僅僅為500mL/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于BACF 法。這是由于ACF 掛膜后，微生物主要包裹在纖維束的表面，或生長(zhǎng)在纖維束與束之間14。3 BACF對(duì)污染物的去除3.1 BACF去除氨氮（NH4+-N）和亞硝酸鹽氮(

14、NO2- -N)飲用水中的亞硝酸鹽氮(NO2- -N)具有“三致”作用，高含量的氮是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的因素，氮用一般的物理處理方法是很難去除的，NH4+-N 和NO2- -N的去除常采用生化處理法，活性炭對(duì)NH4+-N 和NO2- -N的吸附也是有限的，而B(niǎo)ACF對(duì)NH4+-N 和NO2- -N的去除效果很好，主要是由于BACF上的微生物對(duì)NH4+-N 和NO2- -N的生物轉(zhuǎn)化和吸附所致，不過(guò)對(duì)于去除NH4+-N 和NO2- -N的微生物，要進(jìn)行篩選和馴化，才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。尹艷娥16等對(duì)BACF去除NH4+-N 和NO2- -N的研究表明，通過(guò)微生物鑒定儀鑒定，最終確定去除NH4+-N

15、和NO2- -N的優(yōu)勢(shì)菌是惡臭假單胞菌和芽孢桿菌屬。同時(shí)通過(guò)BACF表面上的生物膜上生物降解過(guò)程，從而降低了氨氮和亞硝酸氮。NH4+-N 和NO2- -N的最佳去除率達(dá)到90.0%以上。馬放等17 篩選出去除氨氮的工程菌,通過(guò)連續(xù)循環(huán)固定化后進(jìn)行試驗(yàn)研究。BACF去除NH4+-N 和NO2- -N的效果明顯，但是與許多因素有關(guān)，比如菌屬的選擇、溫度、處理時(shí)間、溶解氧等。隨著B(niǎo)ACF逐漸達(dá)到飽和，生物膜上微生物可利用的溶解氧量逐漸減少，其硝化作用會(huì)明顯的減弱。BACF處理初期，由于溶解氧充分，亞硝酸氮會(huì)轉(zhuǎn)化為硝酸氮，出水的亞硝酸氮會(huì)降低，但是有可能硝酸氮會(huì)累積。3.2 BACF對(duì)磷和重金屬的去除

16、磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的元素，有機(jī)磷農(nóng)藥會(huì)導(dǎo)致人慢性中毒。磷能為BACF表面上的微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，BACF對(duì)磷的去除是隨著生物膜上微生物的逐漸成熟而增加。尹艷娥等18研究表明：BACF 與BAC相比，BACF的除磷能力更強(qiáng)，BAC 對(duì)總磷的最佳去除率達(dá)到了51.0，BACF則達(dá)到了72.0，總磷濃度由0.15mg/L降到了0.045mg/L 左右。天然水中的微量的重金屬就會(huì)產(chǎn)生毒性效應(yīng)，并且重金屬有富集作用，可通過(guò)食物鏈不斷累積。BACF表面含有酸性和堿性的官能團(tuán)，能夠與飲用水中的重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，吸附水中的重金屬離子。BACF的比表面積大，其吸附能力強(qiáng)。在一些水源突發(fā)性污染事件中，可以選擇投加

17、活性炭。對(duì)活性炭表面進(jìn)行改性處理，會(huì)增加離子交換能力和吸附能力。BACF對(duì)重金屬的吸附比較容易，這是由于BACF是束狀的纖維結(jié)構(gòu)，而顆?；钚蕴渴强谞罱Y(jié)構(gòu)，束狀纖維結(jié)構(gòu)開(kāi)口在纖維表面，所以吸附容易。但是BACF吸附過(guò)量的重金屬后，可能會(huì)對(duì)生物膜上的微生物產(chǎn)生毒害作用。有研究表明18：BACF對(duì)鋅離子的去除率達(dá)到了60%-70%，并且在運(yùn)行后期去除率也較高。Bundit Channarong等20采用膠束強(qiáng)化超濾和活性炭混合過(guò)程同時(shí)去除水中的鎳和鋅。BACF對(duì)重金屬吸附機(jī)理很復(fù)雜，一般認(rèn)為有離子交換機(jī)理、表面絡(luò)合機(jī)理、氧化還原及無(wú)機(jī)微沉淀機(jī)理。BACF表面微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)重金屬的吸附產(chǎn)生影響。

18、3.3 BACF對(duì)有機(jī)物的去除水中有機(jī)物有天然有機(jī)物和人工合成有機(jī)物，天然有機(jī)物如腐殖質(zhì)，人工合成的有機(jī)物如持久性有機(jī)污染物等。有些難降解的有機(jī)物只有通過(guò)活性炭吸附的方式加以去除。但是天然水中的有機(jī)物分子屬于大分子有機(jī)物，在活性炭吸附中容易堵塞，造成活性炭的表面積沒(méi)有充分利用。有研究表明7，對(duì)于活性炭吸附水中的腐殖質(zhì)、NOM等，可采用修正的Freundrich方程：q=k(CeD)1/n,其中用平衡濃度和劑量的比值（Ce/D）來(lái)表達(dá)平衡液相條件更合理。為了使得活性炭吸附的有機(jī)物分子范圍擴(kuò)大，可以對(duì)BACF的載體ACF先進(jìn)行改性，使得ACF的微孔結(jié)構(gòu)變?yōu)橹锌捉Y(jié)構(gòu)。李秋瑜等22采用生物活性炭纖維去

19、除水中的有機(jī)污染物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)BACF對(duì)CODMn、UV254和濁度有很高的去除率，其中UV254 的平均去除率高達(dá)94%，水中的CODMn降到了2.5mg/L（飲用水的標(biāo)準(zhǔn)）以下。活性炭吸附是去除天然有機(jī)物的一種途徑，一些天然有機(jī)物（NOM）如腐殖質(zhì)是氯消毒副產(chǎn)物的前驅(qū)物質(zhì)，另外，水中還有一些人工合成有機(jī)物（SOCs），活性炭吸附時(shí)各種物質(zhì)之間會(huì)產(chǎn)生相互競(jìng)爭(zhēng)。BACF對(duì)有機(jī)物的吸附有物理作用、化學(xué)作用、生物作用，物理作用與活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)有關(guān)?；瘜W(xué)作用與活性炭表面官能團(tuán)有關(guān)，并且與吸附質(zhì)的溶解性有關(guān)，吸附質(zhì)的溶解度與吸附劑對(duì)吸附質(zhì)的吸附能力成反比。生物作用主要是降解一些大分子有機(jī)物，使其變?yōu)樾?/p>

20、分子后，有利于BACF的吸附。3.4 O3-BACF的聯(lián)用技術(shù)由于BACF的微孔結(jié)構(gòu)對(duì)一些大分子有機(jī)物的去除很困難，有人采用O3-BACF的聯(lián)用技術(shù)，O3與BACF相互協(xié)同，其去除UV254、濁度、CODMn的效果較BACF好，處理水量也比BACF處理量大19。強(qiáng)氧化性的O3將難以吸附的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易于吸附的小分子物質(zhì)，O3破壞了膠體對(duì)有機(jī)物的保護(hù)作用。同時(shí)O3還具有殺菌消毒功能。臭氧氧化分解的氧，可以為BACF表面微生物利用，從而提高了微生物活性，提高了降解有機(jī)物能力。O3-BACF的聯(lián)用提高了對(duì)有機(jī)物的去除能力，但是對(duì)總氮的去除效果不好，反而會(huì)增加總氮的量。水中氮分為有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮，

21、有機(jī)氮與無(wú)機(jī)氮之間可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因此水中氮是以多種形式的氮存在的。采用硝化反應(yīng)是去除氮的主要工藝23。水中總氮的去除要通過(guò)反硝化作用去除，然而臭氧氧化分解的氧抑制了反硝化菌屬的生長(zhǎng)，O3-BACF的聯(lián)用使得含氮的有機(jī)物快速轉(zhuǎn)化為硝酸氮，因此水中硝酸氮去除并不明顯。陸燕勤等24就O3-BACF聯(lián)用工藝對(duì)氮的去除進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：掛膜前期，氨氮的去除效果并不好，但是隨著載體活性炭纖維上微生物量增加，氨氮的去除率增高。氨氮和亞硝酸氮被轉(zhuǎn)化為硝酸氮，因此氨氮和亞硝酸氮得到了一定程度的去除，但是硝酸氮去除并不是很好，這是由于BACF上反硝化作用發(fā)生很困難，因此，在O3-BACF聯(lián)用工藝中，硝酸氮的去

22、除是一個(gè)需要重視的問(wèn)題。4.BACF處理技術(shù)發(fā)展前景與存在問(wèn)題由于BACF優(yōu)良的處理效果，BACF處理技術(shù)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用研究。BACF集活性炭吸附與生物降解于一體。BACF處理技術(shù)中微生物的馴化和篩選是一個(gè)很重要的過(guò)程。BACF去除有機(jī)物、氨氮和亞硝酸氮的效果好， BACF的聯(lián)用技術(shù)能夠提高對(duì)污染物質(zhì)的去除能力，BACF的聯(lián)用技術(shù)也會(huì)得到進(jìn)一步的研究應(yīng)用。目前BACF處理技術(shù)所面臨的問(wèn)題有： BACF上的微生物會(huì)對(duì)后續(xù)的消毒產(chǎn)生影響；BACF處理技術(shù)受外界環(huán)境的影響，這是由于BACF上的微生物對(duì)水處理環(huán)境有著嚴(yán)格的要求，比如溫度、PH值等；BACF處理成本高；O3-BACF的聯(lián)用雖然提

23、高了對(duì)有機(jī)物的去除能力，但是對(duì)總氮的去除效果并不好。參考文獻(xiàn):1Mochidzuki K,Takeuchi Y.The effects of some inhibitory components on biological activated carbon processesJ.Wat.Res.,1999,33(11):2609-2616.2Scholz M,Martin J R.Ecological equilibrium on biological activated carbonJ.Wat.Res.,1997, 31(12):2959-2968.3 Kruk M,Jaroniec M,B

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