生物活性炭法设计要点及应用条件

有机废水经预处理和生物处理后，有时还会含有大量难降解有机物而达不到排放标准，此时，需在后续处理设施进一步处理。后处理方法主要有化学混凝气浮(沉淀)法、生物活性炭法、化学氧化法。化学氧化法主要是臭氧氧化法和其他氧化法。

一、生物活性炭法概况

活性炭最早用于给水净化，与臭氧氧化联合用于去除饮用水中微量的溶解性难降解有机物，如三氯甲烷。

所谓生物活性炭(BAC)技术就是以活性炭为载体集聚微生物，在适当的温度及营养条件下，既利用了活性炭对废水中有机物及溶解氧的吸附作用，又利用了微生物对有机物的降解代谢。

生物活性炭法操作方式分为静态和动态两种。

静态操作(或序批操作)是指将粉末活性炭(PAC)投入水中不断搅拌，靠活性炭的吸附性能和活性炭表面形成的生物膜降解有机物质，当生物活性炭达到吸附平衡时，再用沉淀或过滤的方法使炭水分离。

动态操作(或称连续操作)是指废水在连续流方式下进行吸附操作，一般使用粒状炭，有固定床、流动床和移动床三种方式。目前固定床的应用最多，流化床次之，移动床应用还较少。

二、生物活性炭法的机理

生物活性炭法处理水的过程涉及活性炭颗粒、微生物、水中污染物(基质)及溶解氧四个因素在水溶液中的相互作用。

①活性炭对污染物和溶解氧有着吸附作用。污染物的吸附情况受活性炭的比表面积孔隙结构、表面化学性质以及污染物的溶解度、分子量、分子极性、分子结构等因素的影响。目前国内用于水处理的活性炭，其微孔比较发达，一般占比表面积分配的95%以上，而过渡孔(中孔)只占5%以下。对于废水处理中应选用比孔容积大于0.2cm³/g的活性炭才能保证大分子有机污染物的吸附。

②微生物对污染物质和溶解氧有着利用作用。生物膜上的微生物可以利用水中的溶解氧或化合氧(如NO₂^-、NO₃^-、SO₄^2-)等降解污染物并从中获得能量和营养进行增殖。

③微生物与活性炭颗粒之间存在着协同降解作用。活性炭表面生长的微生物主要在活性炭外表面及大孔内，不影响过渡孔(中孔)及微孔对污染物的吸附作用。微生物可以通过对有机物的降解提高活性炭的吸附容量，延长活性炭的使用寿命。对此有两种观点。一种观点是生物活性炭胞外酶再生假说，认为在生物活性炭表面生长的微生物个体大约是1um大小，不能进入活性炭的主要吸附区--微孔区(直径<4nm)，而微生物分泌的细胞外酶直径是1nm的数量级，所以有一部分酶主要是水解酶可以扩散进入活性炭的微孔内，与吸附质进行生物反应，形成酶-基质复合体，使活性炭的吸附能力得以恢复。生物活性炭再生系统中，可能发生细胞自溶现象，细胞内的氧化还原酶仍有可能通过某些生物现象进入溶液中，与活性炭表面被吸附的物质直接反应。

另一种观点认为微生物的降解作用改变了活性炭的物理吸附平衡，使生物活性炭得以再生。人们从活性炭的物理吸附特性及微生物氧化作用分析:活性炭表面生长的微生物群，不但可以降解水中的有机物质，同时也降解活性炭内已吸附的有机物质。由于活性炭表面微生物膜内的有机污染物质浓度最低，所以引起水中有机物借助液相中的浓差推动力和活性炭对有机物的吸附势能，向活性炭表面微生物膜扩散。同时，活性炭内已吸附的有机物则由于其表面的浓度差，而获得保持吸附平衡的解吸力，也向活性炭表面微生物膜扩散。此时微生物在水和活性炭两个方向的有机物扩散供给下，得到充足的营养，生物活性高、繁殖快，在适宜的环境下提高了活性炭的吸附容量。

三、生物活性炭法的设计要点

在实际工程设计中，生物活性炭处理单元通常可采用与砂滤池类似的结构，只需在底部的承托层中增设一组布气管即可。为使炭层与被处理水接触充分以及布水均匀，池中最低水位应在炭层之上0.3m左右。

1.有机负荷

按照通常采用的生物活性炭工艺设计条件，若进水COD>200mg/L则不适合采用该工艺。由于炭床空间中生长的微生物总量是有限的，因而这些微生物在一定的时间内可以降解的有机污染物也就存在一个极限。当炭床在单位时间内从被处理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，生物活性炭就能够形成和保持有机物吸附截留量与微生物分解再生量的动态平衡，生物活性炭工艺就能够长期稳定运行。反之，如果进水浓度过高，炭床吸附截留下来的有机物总量超过微生物的最大分解再生量时，这种平衡将遭到破坏，炭床将很快饱和失效。工程实践表明，以进水COD<200mg/L作为采用生物活性炭工艺的前提条件时，未出现活性炭的过饱和问题。

2.吸附容量

在满足出水要求的条件下，单位质量活性炭可吸附的有机物的总质量为活性炭的吸附容量。生物活性炭对有机物的吸附容量要较单纯活性炭吸附容量(0.3~0.5gCOD/g炭)高4~20倍，但这需要根据水质特性来确定。

3.停留时间

延长水力停留时间可以明显提高出水水质，但会增大炭床体积，增加投资和占地面积。具体到每个实际工程时，最好先进行小试，然后综合考虑进水水质、出水要求指标及经济因素，最终确定出合理的停留时间。根据工程经验，对于近似生活污水经生化处理出水的水质，生物活性炭床的停留时间可选用0.5~1h；而对于浓度相对较高的工业废水的深度处理，则停留时间宜为1~1.5h。

4.炭层高度

每座生物活性炭反应器的炭层高度不宜过高，一般为1~2m。

5.供气量

目前已有的生物活性炭处理系统中，供气基本上是采用在承托层内设置穿孔管曝气系统的方法。穿孔管鼓出的气泡在穿过承托层后不规则地穿透炭床层并与水流逆向接触。由于炭床的孔隙较小并且很密实，因此气泡被切割得很小，这样可以大大提高氧的利用效率。根据实际设计及工程运行经验，供气量可以按气水比为(3~5):1考虑。气水比过小容易造成曝气不均匀，有时会引起反冲洗不彻底，而进一步增大供气量也无必要。根据实际运行结果，当气水比>3:1、进水 COD<200mg/L、出水COD<50mg/L时，出水可保持DO>3~5mg/L。

6.反冲洗周期与强度

由于进入生物活性炭单元的水中通常带有一定量的悬浮物，这样在生物活性炭工作一定周期后，在炭床表面或表层形成的悬浮物截留层会使炭床表面“板结”，造成水在通过炭床时的阻力逐渐增加，当炭床上面的水面上升到一定高度时，就应进行反冲洗。经过反冲洗，悬浮物及生物膜类的堵塞物可以基本得到清除，生物活性炭会恢复到运行初期的工作状况反冲洗的周期一般根据进水悬浮物及有机污染物浓度来确定，有时也要参考出水水质要求，在进水悬浮物及有机物浓度较高时，反冲洗周期要短，可考虑间隔8~16h冲洗一次；在进水悬浮物及有机物浓度较低时(例如在大多数中水回用工程中或者进水为砂滤出水时)，反冲洗周期可适当延长，可以间隔1~3d冲洗一次。反冲洗强度可选用8~10L/(m²·s)。

四、生物活性炭法的应用条件及操作要点

正确的应用方法和严格的操作管理，是发挥生物活性炭技术优势的重要前提。

1.选炭

作为生物活性炭工艺的活性炭，应具有发达的孔隙结构，特别是过滤孔(中孔)，选择以挥发分高的煤为原料生产的优质炭可满足这一要求。

2.进水水质

生物活性炭的处理对象，应是低浓度(一般炭塔进水宜COD<100mg/L，BOD<30mg/L)、可被吸附和可被生物降解的有机废水。

3.与过滤配合使用

生物活性炭前需设过滤，为了充分截留污水中的悬浮物，有时在过滤前尚需投加絮凝剂，使进入生物活性炭装置的浊度达到规定的要求。保证生物活性炭作用的正常发挥，一定不能将生物活性炭作为过滤器来运行。

4.供氧

为使生物活性炭能正常运行，可采用臭氧预氧化，或是向炭塔内供气，保持炭塔内有良好的好氧条件。

5.定期反冲

如前所述，炭层定期反冲是运行操作的重要内容，而且要求每次反冲进行彻底。

6.换炭再生

生物活性炭较单纯活性炭吸附大大延长了再生(使用)周期，但并不是不需换炭再生使用一定时间后必须更换新活性炭，饱和活性炭进行就地再生或是外运委托再生，否则将影响出水水质。

五、臭氧氧化与生物活性炭组合工艺

臭氧氧化与生物活性炭（O₃-BAC）组合工艺在工业废水处理中具有显著优势，尤其适用于处理成分复杂、毒性高、难降解的工业废水（如化工、制药、印染废水等）。工业废水中常含毒性物质（如重金属、有机氯化合物），直接进入生化系统会抑制微生物活性。臭氧氧化可破坏毒性物质结构（如络合态重金属、有机氯键），降低其生物毒性，保障微生物活性。臭氧氧化过程中产生的羟基自由基（·OH）可部分氧化活性炭表面吸附的有机物，延缓活性炭吸附饱和，减少更换频率。

臭氧氧化与生物活性炭组合工艺通过“化学氧化+吸附+生物降解”的协同作用，在工业废水处理中展现出高效、稳定、经济的优势，尤其适合处理高毒性、难降解的工业废水，是工业废水深度处理与回用的优选技术之一。