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固定化生物活性碳技术的原理

发布日期:发布人:科兰迪过滤

  固定化生物活性炭技术是从自然界中筛选驯化优势菌群,并将其固定在活性炭载体上,从而增强对有机物的降解效能、提高降解速率的一种措施。该技术处理水的过程涉及活性炭颗粒、微生物、水中污染物及溶解氧4个因素在溶液中的相互作用:活性炭表面对有机物和溶解氧的吸附富集作用;炭的有机负荷调节器作用;不同化合物共存时的吸附促进作用;活性炭表面的催化作用以及微生物对活性炭的吸附负荷的减轻和再生作用。
  其净化机理主要有两种[3]:一是浓度梯度说法。活性炭吸附的有机物遍布其表层和内部的大、小孔中,由于大多数细菌的大小为103 nm,故细菌主要集中于炭颗粒的外表及邻近大孔中,而不能进入微孔中。细菌能直接将活性炭表面和大孔中吸附的有机物降解掉,从而使活性炭表面的有机物浓度相对降低,造成炭粒内存在一个由内向外减小的浓度梯度,有机物就会向活性炭表面扩散,可逆吸附的有机物因此被解析下来而被微生物利用。二是胞外酶说法。细胞分泌的胞外酶和因细胞解体而释放出的酶类(1 nm大小),能直接进入到活性炭的过渡孔和微孔中去,与孔隙内吸附的有机物作用,使其从原吸附位上解脱下来,并被活性炭表面上的细菌所分解,构成了吸附和降解的协同作用。
  与BAC去除水中有机物的基本原理相同,是活性炭吸附和工程菌生物降解的协同净化的结果。但是,相对于传统的BAC技术,IBAC在工程应用中有一定优势,主要体现在:(1)IBAC是人为投加驯化、培养的工程菌,相对于BAC更易适应环境,具有更高的活性;(2)自然条件下GAC(颗粒活性炭)未形成BAC时,便已经吸附饱和,在一定程度上限制了BAC的协同净化作用,而IBAC一开始就存在吸附和降解的协同作用,能够延长活性炭的吸附饱和期;(3)处于IBAC上的菌是不连续分布的,活性炭表面没有堵塞,有利于活性炭的吸附。BAC与IBAC的性能比较见表1[3-7,14]。
  1.2 技术关键
  1.2.1活性炭材料
  活性炭作为吸附介质和优势菌附着的载体,其性质对IBAC的净水效果必然有着重要的影响。王广智[8]等研究表明活性炭的大孔和中孔主要为优势菌种提供栖息的场所,微孔为优势菌种调节食物供给;粒径的大小和均匀性对活性炭床过滤过程中的水力剪切力有着直接的影响,从而影响优势菌的固定;强度和修正摩擦系数代表了活性炭的耐破损能力,是优势菌种形成稳定生物膜的重要原因。pH值表征的含氧官能团和含氮官能团影响优势菌种形成生物膜的区域性。
  目前用于IBAC技术的活性炭材料多为颗粒活性炭。丛俏[4,9]等分别使用颗粒活性炭和活性炭纤维作为载体,利用IBAC处理餐饮废水,表明后者效果更佳。实际应用中,应结合原水水质(如污染物质的分子大小),综合孔隙分布、粒径、粒度、强度和pH值等参数,选择合适的活性炭类型。另外对于待使用的活性炭,活化预处理也非常关键,常采用酸、碱浸泡、添加活化剂或高温活化等方法[10]。
  1.2.2工程菌选育及固定化
  已有文献中[4-7],用于IBAC的优势菌种主要为从自然界分离筛选的菌株,即从受污染的环境中取样,经驯化、分离、筛选后形成理想的优势菌。这种方法对技术、设备的要求较低,安全可靠,易于实行。但随着工业废水中难降解毒性有机物的不断增多,仅靠从自然界中获取的菌种已对许多污染物的降解无能为力,必须通过诱变和杂交等方法来选育出适合于吸附固定化的高效菌种。选育出的优势菌种可以进一步加工,使之形成固定化用菌剂,便于储存和使用。
  固定化过程是采用人工生物增强技术的关键环节。IBAC优势菌的固定化方法多采用间歇循环物理吸附法。例如,将微生物与废水混合均匀,然后接入颗粒活性炭柱,以10 mL/min的流速进行出水回流,每回流2 h停止1 h,回流5次[9]。也可先将载体活性炭置菌液中浸泡,再驯化培养直至用于正常处理[11]。活性炭表面固定化生物量与优势菌的特性有一定的相关性,因此应选择合适的温度、pH值。采用单株菌依次固定与混合菌固定后,生物量没有明显差别[12]。
  在IBAC的工程设计中,固定化菌株数从几株到几十株不一。石英砂垫层能够有效保证出水水质的生物安全性,最佳厚度为200~300 mm[13]。空床接触时间和炭床高度直接影响处理成本,前者是净水效果的决定性因素,取决于原水水质情况和出水水质要求[14]。其他控制参数主要为:有机负荷、DO、pH值。
    1.2.3 IBAC在水处理中的应用
  上的工程菌一般都具有较强的抗氧化能力和载体附着能力,并具有很强的酶活性,在贫营养环境中可以很好地生长和繁殖,可用于对微污染水的处理,还可以针对水中特定的有机污染物,驯化相应的优势菌种,强化降解水中的有毒有害成份,用于废水处理。目前,该技术的应用主要集中在国内。
  微污染原水或饮用水深度处理
  随着水污染的日趋严重,不少地区的饮用水中出现的有害物质超过饮用水标准,安全、优质的供水水质要求也日益强烈。臭氧生物活性炭(O3-BAC)工艺是目前世界上公认的去除饮用水中有机污染物较为有效地深度处理工艺之一。近年来不少学者采用臭氧—固定化生物活性炭(O3-IBAC)工艺或单独的IBAC进行了饮用水深度处理或去除水中微量污染物的试验。结果表明,IBAC对微污染水中浊度、氨氮、CODMn、UV254和TOC都具有很好的去除效果;活性炭上的微生物量在长时期内保持相对稳定;人工IBAC技术处理滤池出水优于自然生成的生物活性炭技术;另外一些特殊指标,如三卤甲烷生成势(THMFP),去除率比普通活性炭工艺提高了11%~39%;对臭氧氧化副产物(甲醛)具有长期的去除效果。曝气式IBAC对滤池出水的深度净化,GC/MS结果表明总有机物由进水的24种减至出水的7种。对于含硝基苯微污染水,IBAC技术可以完全吸附进水中的硝基苯,并且对硝基苯进行原位生物降解,出水中其他各项指标均可达到国家饮用水标准[6,14-23]。


  2.展望
  的形成和作用原理已经比较清晰,但是活性炭表面催化作用的机理尚待研究。微生物自身特性对固定化效果影响很大,因此有必要针对微生物结构属性建立其选育过程中的评价指标。尽管已有实验表明,单株依次固定与混合固定对生物量的影响不明显,但考虑到活性炭孔隙分布与待固定的微生物大小仍有必要尝试顺序固定化。关于IBAC用优势菌本身的研究空间较大,王广智博士[2]研究过IBAC及BAC生物量和生物活性的稳定性,前者在运行开始一段时间内的生物量较高,而随着时间的延长,两者趋于一致,结合对水质处理效果的稳定性研究发现,IBAC的稳定性更好。尽管如此,仍需从分子生物学角度进一步深入探索和强化优势菌的稳定性,不同菌株之间的拮抗和协同效应也值得关注。目前还没有使用基因工程菌用于IBAC的研究,相关方面值得深入探试。另外,也需要进行较大规模的生产性应用尝试。

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