生物活性炭在生活污水处理中的基础研究

生物活性炭在生活污水处理中的基础研究

施　红1　吴云海1　努尔丁巴依2　杜　冰1

(1.河海大学环境科学与工程实验中心,江苏　南京210098;2.伊犁师范学院生物化学与环境科学系,　伊犁835000)

　　摘要　探讨利用粒状生物活性炭(GBAC)和固定粉状生物活性炭(IPBAC)对人工废水CODMn处理的效果。结果表明,GBAC

和IPBAC中微生物的生长(UV2)与运行周期密切相关。GBAC和IPBAC运行初期内,炭表面的生物膜逐步形成,微生物不稳定,从而导致UV2值波动较大。随着运行周期的延长,生物膜生长逐步趋于稳定。随着炭层高度的增长,生物活性炭对CODMn的去除率也越大。GBAC与IPBAC对CODMn都有很高的去除率,但GBAC对CODMn的去除率高于IPBAC。　　关键词　粒状生物活性炭　固定粉状生物活性炭　UV2　CODMn　生活污水Sewagetreatmentusingbiologicalactivatedcarbon　ShiHong

1

,WuYunhai

1

,Nuerdingbayi2,DuBing1.(1.Ex2

perimentCenterofEnvironmentalScienceandEngineering,HehaiUniversity,NanjingJiangsu210098;2.De2partmentofBiochemistryandEnvironmentalScience,XinjiangYiliNormalCollege,YiliXinjiang835000)

Abstract:　Granularbiologicalactivatedcarbon(GBAC)andimmobilizedpowderbiologicalactivatedcarbon(IP2BAC)wereusedtoremoveCODMnfromanartificialwastewater.TheexperimentalresultsshowthatthegrowthofthemicroorganismsintheGBACandIPBAC(UV2)hascloserelationshipswithGBACandIPBACoperationalcy2cle.ThenewbiomembraneofGBACandIPBACcarbonsurfacetakesshapesgradually.Ininitialstage,themicroor2ganismswereunstable,andcausedUV2valuetofluctuatewithtime.Withtheextensionofoperationalcycle,thebi2omembranegrewandbecamestabile.Withtheheightofcarbonlayerincreased,theCODMnremovalalsoincreased,withGBACwasmoreeffectivelythanIPBAC.

Keywords:　Granularbiologicalactivatedcarbon(GBAC)　Immobilizedpowderbiologicalactivatedcarbon(IP2BAC)　UV2　CODMn　Sewage

　　近年来,随着城市化进程不断加快,大量未经处

理或处理未达标的城市污水直接排放到江河湖泊,导致水环境污染加剧。据统计,我国目前城市生活污水排放量以年均5%的速度递增,并在1999年首次超过工业污水排放量,已成为江河湖泊水体的主要污染源。因此,治理生活废水已成为刻不容缓的课题。　　活性炭作为一种优良的吸附剂,因其独特的孔隙结构和表面活性官能团及稳定的化学性能,耐强酸及

强碱,能经受水浸、高温、高压等优点受到人们的青睐,在水处理方面发挥着日益重要的作用[1]。但是,活性炭存在着吸附易饱和、再生成本高等问题。于是,人们将微生物降解污染物的作用与活性炭的吸收作用结合来处理废水,即生物活性炭法。它包括生物降解与活性炭吸附两个过程,既延长了活性炭的吸附

第一作者:施　红,女,1981年生,硕士研究生,主要从事生物载体在水处理中的应用研究。

湖滨控制系统包括河口湖滨湿地的生态修复、河口水生系统修复等。5　结

语

　　研究区未经处理的生活污水,直接或间接地排入地表水体,已经成为引起当地水环境恶化的重要因素之一。除此之外,自然村庄周围的露天粪缸、垃圾堆、分布于房前屋后以及河流旁边分散养殖产生的畜禽粪便等污染源,在暴雨期转化为非点源,以暴雨径流的形式排向河网,冲刷至下游直至太湖,所有这些村落污染已成为非点源污染的重要组成部分。

　　随着农村人们生活水平的逐步提高,水冲厕所推广使用比例的增高,生活污水的排放量会逐年增加,由于当地环境基础设施建设严重滞后,农村生活引起的非点源污染问题会日益突出,水网区农村生活引起的非点源污染控制问题需要逐步得到加强。参考文献

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责任编辑:闵　怀　(修改稿收到日期:2005205208)

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　环境污染与防治　第27卷　第8期　2005年11月

饱和时间,又强化了活性炭的吸附处理效果[2],因而受到广泛的关注。目前,世界上许多国家都已经采用这一新技术,尤其在欧美国家更为广泛[3,4]。我国也有企业使用这一技术,如北京某毛纺厂就采用生物活性炭处理染料废水[5]。本实验研究粒状生物活性炭(GBAC)和固定粉状生物活性炭(IPBAC)对生活污水处理的效果及其机理。由于实际的生活污水成分复杂,因而实验采用人工废水模拟生活污水。1　实　验1.1　实验材料

CODMn值。1.5.2　炭柱实验

　　取两根由有机玻璃制成的高1m,内径0.026m

的柱体。间隔0.10m设一个取水孔(如图1)。分别装入221.61g粒状生物活性炭和293.87g固定粉状生物活性炭。用蠕动泵(BTOOM21515Z)将人工废水以0.435L/h的流量从下方进口引入,经炭层后从上方出口流出。连续进水,温度在17～26℃。

　　粒径>0.9mm的粒状活性炭(煤质型,宜兴市某活性炭有限公司)用蒸馏水煮沸20min后冷却至室温。然后将其放置在105℃的烘干箱内干燥24h。冷却得到洗净的粒状活性炭,备用。　　由于粉末活性炭直接投入反应器内后,易造成出水时粉末活性炭随水流失。故将粉末活性炭(木质型,宜兴市某活性炭有限公司)与海藻酸钠溶液搅拌混匀,滴入10%CaCl2溶液中。形成直径在4～6mm范围内的球形体,即粉末活性炭被固定,备用。　　将上述制备好的粒状活性炭和固定粉状活性炭分别浸入20L的含菌合成废水(废水中的细菌总数为1.36×107个/mL)中7d,制得粒状生物活性炭和固定粉状生物活性炭。1.2　试　剂　　高锰酸钾(江苏宜兴某化学试剂厂)、草酸钠(上海某化工厂)、浓硫酸(南京某试剂厂,98%)、无水氯化钙(江苏常州某试剂厂)、葡萄糖(广东某化工厂)、尿素(上海某生物科技有限公司)、磷酸二氢钾(汕头市某试剂厂),以上试剂均为分析纯。海藻酸钠(化学纯,中国医药集团某化学试剂公司)。1.3　人工废水　　取0.5g葡萄糖,0.01g尿素,0.01g磷酸二氢钾溶于1000mL自来水中,测得CODMn236.60mg/L,UV20.3,pH5.16。1.4　分析方法

　　CODMn:参照GB112-[6];UV2:使用UV21201紫外可见分光光度计(北京某仪器公司);pH:使用6010型pH计(上海某电子有限公司)。1.5　实验装置及条件1.5.1　吸附实验　　量取150mL人工废水加入250mL烧瓶中,分别加入不同质量的粒状或粉末状活性炭。在恒温(20℃)震荡器上震荡4h达到吸附平衡。测其・578・

图1　实验装置

2　结果与讨论

2.1　GBAC和IPBAC对UV2影响

　　不可见紫外光谱波长范围为200～400nm,即

近紫外区,也称为石英紫外区,分子量不同的有机物在这一区域通常具有不同的紫外吸收特性。UV2表示的是波长2nm处有吸收峰的有机物[7]。UV2可以作为三卤甲烷(THMs)的前驱物(THM2FP)、总有机碳(TOC)、溶解性有机碳(DOC)等指标的替代参数[8],同时,这些物质也与微生物细胞生长密切相关。因此,可用UV2间接表征微生物的生长状况。从图2可以看出,用GBAC和IPBAC处理的废水中UV2值变化趋势基本相同。在本实验运行的25d中,UV2值波动较大,可能是由于温度

图2　GBAC和IPBAC柱UV2随时间变化

变化,导致活性炭对污染物的吸附发生变化,而这些物质又是微生物的营养物,从而使得微生物生长代谢受到影响。但随时间的延长UV2的值总体呈下降趋势。这可能是因为此时活性炭表面的生物膜正逐步形成,微生物不断生长与脱落。随着时间的推移,生物膜逐步趋于稳定,而使游离在人工废水中的

施　红等　生物活性炭在生活污水处理中的基础研究

微生物量减少的缘故。

2.2　不同高度炭层对CODMn去除率的影响

　　从图3可以看出,随着炭层高度的增加,对CODMn的去除率也在增加。这是因为当炭层高度不同时,活性炭总量也不同,高度越大时,活性炭总量越多,因而吸附位点也越多,吸附量越大,且同时微生物的量也越多,从而导致对CODMn的去除率增加。

IPBAC柱中的污染物吸附则分两步,大分子的物质

被海藻酸钠截留,小分子的物质则穿过海藻酸钠膜,被粉末炭吸收。与粉末活性炭相比,单位质量的颗粒活性炭的吸附量比较少[11]。而在炭柱运行的后期,IPBAC柱对CODMn的去除率却小于GBAC柱,这可能是因为炭内的微生物得到被吸附在炭内的污染物质作为营养源提供充足的营养,生物活性提高、繁殖加快。测定此时IPBAC柱和GBAC柱内的微生物总数分别为2.83×106个/g炭和1.63×106个/g炭。由于海藻酸钠吸附大量大分子有机物后,其表面吸附容积减少,使得小分子有机物难以进入粉末活性炭内部,造成粉末活性炭吸附解吸附困难,从而引起微生物降解作用难以充分发挥。3　结　论

(1)处理后废水中UV2值与GBAC和IPBAC

图3　不同高度炭层对CODMn去除率的影响

2.3　对CODMn去除率的影响　　生物活性炭对有机污染物的去除中,起主要作

用的是微生物的降解作用,活性炭只是作为供微生物繁殖和栖息的生物载体[9,10]。表1和表2表示的是吸附实验中粒状活性炭和粉末状活性炭对CODMn的吸附值。从表1和表2可以看出,活性炭在单纯的吸附作用下能较好地吸附废水中的污染物质,而这些污染物质又是微生物的营养物,因而也就能促进微生物的生长代谢,提高生物活性炭对废水的处理效果。从图4可以看出,GBAC和IPBAC对合成废水中的CODMn的平均去除率分别高达82.12%和79.36%。

表1　粒状活性炭对CODMn的吸附值

粒状活性炭投加量

/g0.100.300.50

CODMn平衡浓度

/(mg・L-1)

232.09225.92181.80

CODMn的吸附量

/(mg・g-1)

6.775.3416.44

运行周期有密切的关系。GBAC和IPBAC短期内

运行炭表面新的生物膜逐步形成,微生物不稳定,从而导致UV2值波动较大。随着运行周期的延长,生物膜生长逐步趋于稳定。

(2)随着炭层高度的增长,生物活性炭对CODMn的去除率也增大。

(3)GBAC对CODMn的去除率高于IPBAC对CODMn的去除率。主要原因在于由于海藻酸钠吸附大分子有机物后,造成其表面吸附容积减少,使得粉末活性炭吸附解吸附困难,从而引起微生物降解作用难以充分发挥。参考文献

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京:东南大学出版社,2002.429

表2　粉末活性炭对CODMn的吸附值

粉末活性炭投加量

/g0.751.20

CODMn平衡浓度

/(mg・L-1)

216.91209.24

CODMn的吸附量

/(mg・g-1)

3.943.42

图4　GBAC和IPBAC柱CODMn的去除率随时间的变化

　　同时,从图4可以看出,在炭柱运行的初期,IP2

BAC柱对CODMn的去除率大于GBAC柱,这可能是因为在运行初期,生物膜尚未成熟,炭柱对CODMn的去除主要还是依靠炭的吸附作用,GBAC柱中的污染物直接被吸附在颗粒炭的孔隙中,而

责任编辑:陈泽军　(修改稿收到日期:2005204227)

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