生物活性炭工艺在废水处理中的应用
摘要：介绍活性炭在水处理过程中的应用原理。结合工程实例来说明生物活性炭工艺实际的运用效果，包括投加粉末活性炭在生物接触氧化池中(处理印染废水)、在生物接触氧化池后串联颗粒状生物活性活性炭滤池(处理玻璃纤维废水)。并对在实际应用过程中存在的问题进行探讨。
关键词：活性炭 生物处理 废水
1.活性炭吸附净水原理
活性炭是一种非极性吸附剂。外观为暗黑色，有粒状和粉状两种。近几年又了球状活性炭，浸透型活性炭和高分子涂层活性炭等新的品种。主要成分除炭以外还含少量的氧、氢、硫等元素，以及水分、灰分。其具有巨大的比表面积(通常比表面积高达500～1700 m2/g)和特别发达的微孔，吸附性能和化学稳定性良好，可以耐强酸、强碱，能经受水浸、高温、高压作用，不易破碎。
活性炭吸附水中溶质分子是一个复杂的过程，是几种力综合作用的结果，包括离子吸引力、范德华力、化学杂和力。根据吸附的双速率扩散理论认为，吸附是一个由迅速扩散和缓慢扩散两阶段构成的双速过程，迅速扩散在数小时内即完成，发挥了60%－80%活性炭的吸附容量。迅速扩散是溶质分子在碳粒内沿径向均匀分布的阻力小的大孔隙中扩散的过程。这些大孔隙产生径向的扩散阻力。当分子从大孔进一步进入与大孔相通的微孔中扩散时，由于受到狭窄孔径所产生的很大阻力，从而极为缓慢。微孔也是在碳粒内均匀分布，但不构成径向的扩散阻力。影响粉末活性炭吸附的因素涉及溶质分子极性、分子量大小、空间结构，这一点取决于水源水质的特征。活性炭对不同的物质分子具有选择吸附性。
投加粉末活性碳后，水体相当部分有机物得到去除，水体中胶状物质含量减少，表面粘度下降。粉末活性碳吸附在絮凝物上，有利于絮体的架桥，能改善絮体的结构。除有良好的去除有机污染能力，同时还具有良好的助凝作用，使出水CODcr、色度、浊度大幅度下降。同时活性炭对水中的致癌物与致突变物及其含酚化合物均有良好的去除效果。
粉末活性炭对人工合成化学物的吸附去除主要取决于该化合物的类型。在选择投加点时，要有充足的搅拌条件，使粉末活性炭能快速与处理水有良好的混合接触；尽量延长粉末活性炭与水体接触吸附时间，充分利用粉末活性炭的吸附能力，提高吸附率；选取粒径小和中孔较发达的木质粉末活性炭，使同等重量的活性炭吸附面积相对大，提高活性炭对有机物的吸附效能；尽量减少水处理药剂对吸附的干扰(如氯、高锰酸钾、等)；根据投加量的多少、场地条件选取干式或湿式投加。
2.粉末活性炭活性污泥法在印染废水处理中的应用
某印染产品以化纤织物和棉布染色为主，废水中含有纤维、浆料、染料、助剂、油、漂白剂以及等。废水排放方式为半连续，具有色度深、水温高、悬浮物高、瞬时排放浓度高、水质变化大、难降解有机物比例高，可生化性差等特点，属于较难处理的工业废水之一。日排放织物染色废水500～1200m3/d，采用物化预沉——物化二沉工艺，出水要求达到国家纺织染整工业水污染排放标准（GB4287-1992）中的一级排放标准。经物化和生化处理后，其色度等指标已能达标，但CODcr在150mg/l左右。经小试后在生化池末段投加少量活性炭，对生物处理进行强化，最终做到达标排放。工艺流程如下：
该工艺中冷却塔根据水温情况选择性使用，确保进生化池水温在30℃左右，一般冬季基本能满足要求，勿需开启。粉末活性炭投加品种及量由水样小试确定，首次投加量为100mg/l，以后视出水水质补加少量，循环使用周期约为一周。初沉所用混凝药剂为石灰和硫酸亚铁，控制PH在7.5～8.5间；生化后使用聚合氯化铝和聚丙烯酰胺，主要为确保絮凝沉淀效果，用量很少。
表一 主要构筑物设计说明
| 编号 | 构筑物 | 说明 |
| 1 | 调节池 | 地下钢砼结构；30m×20m×2m，有效容积1000m3，停留时间19h |
| 2 | 初沉池 | 地上钢制；多斗重力排泥；5m×10m×5m，有效停留时间2h；表面负荷1.0m3/m2.h |
| 3 | 池 | 半地上式钢砼结构；15m×18m×3.3m，有效容积约800m3，停留时间16h；风机(Q=13.8 m3/min P=0.35 kg/cm2 W=15kw)；内置弹性填料 |
| 4 | 斜板二沉池 | 地上钢制；多斗污泥泵排泥；2.5m×6.5m×2.5m；表面负荷3.0m3/m2.h |
表二 各构筑物实际平均处理效率
| 序号 | 指标 | 单位 | 调节池 | 初沉池 | 去除率 | 生化池 | 去除率 | 二沉池 | 去除率 | 标准 |
| 1 | CODcr | mg/l | 1500～3000 | 700 | 69% | 150 | 78% | 100 | 33% | 100 |
| 2 | 色度 | 倍 | 500～2000 | 150 | 90% | 60 | 60% | 35 | 40% | 40 |
| 3 | pH | 6～7 | 8 | / | 6～7 | / | 6～7 | / | 6～9 | |
| 4 | 水温 | 0C | 70～80 | 30～35 | / | 25～30 | / | 20～25 | / | / |
3.颗粒状活性炭在玻璃纤维废水深度处理中的应用
某玻璃纤维生产主要产品是IT行业用一级玻璃纤维纱、增强型玻璃纤维纱和短切毡等五大类九个品种，近百个不同规格的产品。生产污水主要来自玻璃纤维表面处理工序，水中的污染物质主要是“浸润剂”组分(环氧乳液、PVAC乳液、聚氨酯乳液、润滑剂及抗静电剂、各种偶联剂等)以及微细玻璃纤维等悬浮物。除溶剂外大部分是些热稳定性高、难溶于水的高分子有机物，具有比重轻、颗粒细、可生化性差等物点。设计日排放废水量800吨，采用气浮—接触氧化—炭砂过滤工艺，出水排放执行国家《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)的一级排放标准。工艺流程如下：
该工艺中：由于废水表面活性物质较多，悬浮物疏水性较强且质量轻，预处理特别适合采用气浮工艺。气浮技术采用进口气液混合泵，较传统气浮溶气水气泡粒径在10～30微米，效果稳定，浮选效率高，操作管理简便；炭砂过滤器承托层采用石英砂，内装￠2～3mm、h=6mm的柱状活性炭，其进水CODcr(控制<150 mg/l)及悬浮物已近达标，反冲洗根据过滤器内压力控制(正常运行为0.02～0.06Mpa)，一般周期为3～5天，原水浓度较低时，终沉后已能达标，可跨越生物炭床直接排放；自动控制化程度较高，气浮及过滤器前提升泵均采用Key牌液位计自动控制，气浮反应池投加的PAC、NaOH(PH计自动控制PH值在7～8间)、PAM都与提升泵一起联锁控制，大大节约了劳动力；污泥脱水采用带式压滤机，该机滤布应用进口方向性立毛纤维技术(滤布宽度1.5m)，脱水后污泥含水率低，易剥离，滤布较清洁易冲洗。
表三 主要构筑物设计说明
| 编号 | 构筑物 | 说明 |
| 1 | 调节池 | 半地上式钢砼结构；8.0m×7.5m×3.5m，容积210m3，停留时间约6h；环状穿孔管曝气 |
| 2 | 气浮池 | 地上钢制成套； 2.5m×4.5m×2.5m，停留时间0.8h；表面负荷3.1m3/m2.h；不锈钢链轮刮泥机 |
| 3 | 池 | 半地上式钢砼结构；15m×13m×3.5m，有效容积约600m3，停留时间18h；内置立体填料 |
| 4 | 二/终沉池 | 半地上式钢砼；中间进水周边出水； 周边传动刮泥机；￠8m×4.1m；表面负荷0.7m3/m2.h |
| 5 | 炭砂过滤器 | 钢制，数量两个；￠3m×3.5m，炭层有效高度1.2m，石英砂0.3m；滤速2.5m/h，气水比为3：1，连续供气；采用气水联舍反冲洗方式(反冲气强度为10L/ m2.s,反冲水强度为3.2L/ m2.s)；每年补充反洗损失活性炭 |
表四 各构筑物实际平均处理效率
| 序号 | 指标 | 单位 | 调节池 | 气浮池 | 去除率 | 生化/二沉 | 去除率 | 终沉池 | 去除率 | 炭滤器 | 去除率 | 标准 |
| 1 | CODcr | mg/l | 1200～1900 | 350～550 | 71% | 150 | 67% | 100～120 | 27% | 60～80 | 36% | 100 |
| 3 | pH | 5～6.5 | 7.5～8.0 | 7.2～7.8 | 7.0～7.5 | 6.8～7.0 | 6～9 | |||||
4. 工程应用中应解决的问题
(1)粉尘飞扬的污染问题。由于粉末活性炭在诸多环节如装卸、拆包、配制、投加过程中劳动强度大、容易引起粉尘飞扬，造成工作环境恶劣，成为制约粉末活性炭技术应用的一个关键的、实质性的问题。
(2)投资、成本控制。粉末活性炭作为一种有效的强化或废水深度处理方法，必须确保待处理废水水质较好，尽量延长其循环使用周期，以减少活性炭用量，节约运营费用。
(3)对于生物活性炭池，由于炭床空间中生长的微生物总量有限，因此只有当炭床在单位时间内从废水中吸附截留下来的有机物总量小于炭床微生物的最大分解再生能力时，才能维持动态平衡，确保长期稳定运行。一般设计时应控制进水CODcr在200mg/l以下，同时考虑设置跨越管，以免事故排放时对炭床造成不易恢复的损害。
(4)加强生物炭池的操作管理，制定相关操作规程。加强反冲洗并控制好强度，防止活性炭流失；运转时保证连续曝气，不进水或水量少时可适当减少供气量。