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生物活性炭在饮用水处理中的应用

2013-04-18 来源:百源水处理 关注:1858
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1、生物活性炭
       粒状活性炭(GAC)已被广泛应用于去除饮用水中的溶解有机物。20世纪70年代有研究发现粒状活性炭过滤器中滋生繁殖的细菌可以去除一些有机物,并在此基础上发现预臭氧化可以大大增强粒状活性炭的生物活性。臭氧化和粒状活性炭的组合使用一般被称为生物活性炭工艺,又称为生物增强型活性炭工艺。生物活性能增强粒状活性炭的吸附能力,被称为生物一增强效应。
      1.1活性炭的物理特性根饮用水处理系统中机械和再生的要求,在选用活性炭时必须考虑一些其他特性,包括密度、硬度和磨损值、化学反应性、灰份和灰份组成。这些特性因活性炭原料(煤、木和椰壳)的不同而不同。
      活性炭的密度影响反洗的效率、热再生收率和产品数量。高密度的活性炭可以承受更大的反洗水流速,其热再生过程也具有更大的灵活性。与氯或臭氧等氧化剂相接触时,它能有更好的碳原子参与反应。
     具有高硬度值和磨损值的活性炭在处理、反洗、运输和热再生(高再生率)过程中的损失较低(即活性炭粉末)。
     对于高温热再生回收率,低化学活性非常重要。可以减少补充,节省成本。
     灰份和灰份组成决定活性炭的滤取特性。
     1.2活性炭在水处理中的作用
     由于其突出的多孔性,粒状活性炭与沙子或无烟煤相比,能承载更大密度的细菌,处理效率也更高。处理预臭氧化的水时,沙子或无烟煤滤料上细菌的数量为1.0×106~1.0×107/g,而活性炭上为1.0×108~1.0X109/g。不同原料和加工工艺生产出来的活性炭具有不同的性能,但都具有以下三方面的作用。
     (1)提供理想的场所
     通过压块破碎方法制得的活性炭具有粗糙的表面。压块破碎活性炭生产工艺由四个关键步骤组成:①将煤研磨成粉;②加入黏结剂并在高压下压成块状;③将块状破碎成涪陛炭所需的粒状;④最后进行炭化和活化。压块破碎潘f生炭在放大任何倍数的显微镜下都具有粗糙表面,就像一块多孔海绵。
     有关研究表明,细菌更喜欢附着在通过压块破碎方法生产的活性炭,而不是通过压条破碎法生产的活性炭,这是因为通过压块破碎方法制得的活性炭具有更加均匀的表面。而挤压生产的柱状活性炭具有肉眼或放大后可看到的圆形表面,不易细菌的附着和生长。
     原煤破碎活性炭在分子等级下具有粗糙的表物活性炭工艺的细菌聚积。但放大100倍和1微米分辨率条件下,表面就变得光滑。原煤破碎活性炭的外表是带菱角的扁状,显得平和光滑。
     (2)通过吸附调节细菌的食物供给
     活性炭能从水中吸附溶解有机物为细菌提供食物。当水中有机浓度较高时,活性炭会在床层的进适口处吸附过量的有机物,以防止细菌的过量繁殖,控制细菌的整体量。当水中的有机浓度低于活性炭处理的平均浓度时,一些有机物会从床层的进口处解吸下来,重新建立平均浓度。当水中的有机物浓度低于进口平均浓度,吸附在活性炭上的某些有机物会被释放出来,这些有机物将被细菌利用以达到压块破碎炭的表面稳定的生物水平。
     具有大吸附总体积(用碘值或丁烷值表示),并且孔结构分布均匀的活性炭,其调节食物供给的能直力最强。实践证明,通过压块破碎方法制得的活性接活化法生产的活性炭,这是因为通过压块破碎方炭的调节能力比其他方法制得的活性炭强。
     (3)保护细菌不受生物杀灭剂、杀虫剂和其他毒素的侵扰
     水处理过程中,有两种主要的化学剂会影响生物活性炭工艺的细菌聚积。一种是用于水杀菌的化学剂,如0,、KMn0。、CIO:、NH:C1等,通常是典型的变强氧化剂。活性炭具有天然的石墨形状,可与氧化剂发生化学反应从而有效降低其含量。在活性炭吸附器的顶部与氧化剂发生反应,使炭床其他部分的细菌生活在比较安全的水域中。高密度的活性炭最适合该过程,这是因为单位颗粒中有更多的石墨结构,在丧失结构完整性之前,可以与更多氧化剂发生反应。
     第2种对细菌有害的化学剂是有机毒药,如农药。大多数有毒的有机分子量,是卤代化合物或者具有芳香烃结构,能稳定地吸附在活性炭的微孔区域内。测量活性炭去除这些低含量农药能力的最好方法是通过微量吸附能力试验,以微孔区域内具有最强吸附能力的吸附点的数量表示。过去曾采用复杂并且昂贵的真空系统中气相吸附方法,后来开发出新的气相和液相微量吸附能力的试验。具有均一活化度的压块破碎活性炭提供了丰富的孔结构,能够有效防止“有毒”分子对细菌的侵害。
     1.3活性炭的使用寿命
     当决定活性炭更换或再生时,需要考虑几点因素。最重要的标准是活性炭的剩余吸附能力。如果以溶解有机碳(DOC)作为去除目标,活性炭必须有大的吸附能力,在这种条件下,粒状活性炭的使用寿命在6到12个月左右。
     用于控制臭和味的产生时,活性炭寿命在2~5年。如果水中连续或偶尔含有微量污染物,如合成有机化合物、杀虫剂等,活性炭可以使用1~2年。但为了更好地预测活性炭寿命,应监测污染物的穿透情况。
     当原水水质较好,稍微降低溶解有机碳和消毒副产物前质含量就可满足处理目标时,由于没有待处理的微量污染物或产生臭味和气味的化合物,粒状活性炭的生物活性可完全胜任处理工作,无需非常强的物理吸附。在这种条件下,活性炭的使用时间受金属累积量和可大大削弱生物活性的难溶有机物含量限制。最后,金属的积累和高有机物含量会对活性炭的质量和其后的再生产品产生负面影响。因此一般建议活性炭的使用寿命在2~5年。
     2、生物活性炭工艺
     生物活性炭工艺去除可生物降解有机物的最重要参数是空床层接触时间,这取决于处理目标、媒介种类和水温。例如法国几个主要水厂的接触时间在10~15min;在某些案例中,接触时间低于5min即可有效去除可同化有机碳;在某些特定情况下,也有采用15~30min的接触时间来降低天然有机化合物。
     生物活性炭过滤器中的微生物和高级生命形态会导致压降的快速增加,从而需要更频繁和有效的反冲洗。这一影响在温水中比在冷水中更加明显。生物活性炭过滤器必须保持经常性的反洗以防止微生物在媒介中的繁殖,并保持低营养水平。反冲洗可去除聚集在粒状活性炭上的一部分细菌体。在冷水中,反洗后可降解物质的去除效率会明显降低,但冬天不需要频繁的反洗。如果用含氯的水进行反洗,去除效率的下降更加明显。
     在充足的接触时间条件下,可将现有的砂滤和双媒介改造成生物活性炭过滤器。当活性炭既具有过滤功能又具有吸附功能时,必须慎重选择活性炭的均一系数和有效粒径。均一系数较小的活性炭在具有双功能的深床层滤池中具有较长的停留时间,而不会存在压降的问题和吸附性能的降低。
     在考虑采用生物活性炭工艺时,必须对出水中的细菌量进行风险评价。由于活性炭颗粒被发现可以为生物提供避护场所,并保护其不被灭活。为防止细小的活性炭流到产品水中,可增加15~25cm厚的砂滤作为补充。

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