活性炭在污水处理中的应用_科技论文发表
摘要：总结了活性炭的特征、作用及处理污水中污染物的机理，概述了生物活性炭净化污水的特点及处理的影响因素，并展望了生物活性炭技术的发展方向。
关键词：活性炭；污水处理；吸附；净化
0引言：
随着国内水资源污染、短缺矛盾的日益突出和可持续发展战略的实施，对污水进行处理变得日益重要。目前的污水深度处理技术主要是基于二级生化处理基础上进行消毒、混凝、过滤等工艺，最终出水一般仅能满足绿化、洗车、冲厕以及工企业内部冷却用水等用途，若想得到水质更好处理水则必须采用更加切实有效的处理工艺。其中活性炭以其比表面积大、吸附性能强等优点近年来被广泛利用，但其同时具有吸附容量有限、再生困难等缺陷大大限制了其应用范围。针对这些缺陷，生物活性炭技术应运而出，很好地解决了活性炭易饱和问题，大大促进其实际应用的程度。
1活性炭的特征
比表面积大。活性炭的比表面积一般高达500m2/g～1700m2/g，大的比表面积导致活性炭吸附能力强、吸附容积大；由于活性炭内部的细孔结构随原料、活化方法、活化条件不同而异，同时内部细孔分布不同，造成了相同比较面积的活性炭，对同一种物质的吸附容量也有差异；活性炭内部是由大量的微孔组成，微孔表面积占活性炭总表面积的95%以上，在进行液相吸附时，吸附质分子直径较大，这时有些吸附质通过过渡孔作为通道扩散到小微孔去，而大孔所起的作用也不大，因此，吸附质的扩散速度受孔径居中的过渡孔多少的影响，所以在液相吸附时对吸附剂过渡孔的数量也是有要求的。因此活性炭具有大量的微孔结构微孔与其他吸附剂相比具有优越的特征【1】。
2生物活性炭的作用
人类生产、生活对水环境的污染日趋严重，为了保护生态环境，在污水排放之前进行净化处理是当务之急。其中活性炭因其特殊的微晶结构、孔隙发达、比表面积大而具有极强的吸附功能，在水处理方面发挥着重要的作用。近年来，人们发明了生物活性炭新工艺，即在曝气池中投入一定量的活性炭，利用活性炭对有机物的密集作用和对水中溶解氧的选择吸附特性，在营养物适宜的温度条件下，使活性炭表面生长好气微生物，将活性炭的吸附作用和微生物的分解氧化作用协同起来，可以在很大程度上提高废水的处理效果、降低处理成本、简化运行操作。总之在污水治理过程中，活性炭能抑制藻类发生；除去由微生物产生的异臭、异味；去除妨碍生物处理的农药、塑料等有毒有害物质；去除腐植酸、BOD、COD、油等；降低污水色度；制造再循环用水等作用【2】。
3生物活性炭处理污水的机理【3】
活性炭的吸附机理是利用内部大量的微孔结构对污水中存在的杂质进行过滤、拦截，从而起到了去除的作用，当活性炭吸附能力下降后还可以利用再生的方法恢复其吸附功能；生物活性炭是利用微生物分解氧化污水中某些物质的特性与活性炭本身的吸附功能相结合的微生物与活性炭的结合体。其作用机理是在污水处理构筑物中布置活性炭床，并对其水环境内输入充足的氧，活性炭表面的粗糙特性在具有遮挡水流的剪断力作用的同时可以吸附大量的微生物，使微生物能够在活性炭床上生存繁衍，无数通过活性炭床时，活性炭床同时发挥本身的吸附功能和微生物对污水中有机物的降解功能对污水进行净化。过程中由于活性炭本身进行的是简单的物理吸附，该过程将水中的营养物质聚集起来，为炭床表面微生物降解有机物提供了有利条件，促进生物活性碳上的微生物对污染物的降解作用，消除或减轻污染物对微生物的抑制作用；在运行过程中，还可以通过控制污水中溶解氧浓度来调节生物活性炭床上的微生物种类，溶解氧浓度高时则有利于好养微生物的繁衍，相反溶氧值低则利于厌氧微生物生存，通过调节溶解氧值可以决定微生物种类从而对污水中不同污染物质进行去除；微生物与污染物相互作用。由于活性炭的吸附作用使大量的有机物质吸附在活性炭表面，而为微生物对污染物进行分解获取能量和营养提供了有利条件，可以在很大程度上消除或减轻污染物对微生物的抑制作用。
4生物活性炭工艺净化污水的特点及影响因素
4.1净化特点
使用周期延长、吸附容量提高。由于生物活性炭表面吸附了大量微生物和废水中的有机物，为微生物氧化分解有机物提供了便利条件，改变了原来仅仅是靠活性炭进行简单的物理吸附的状况，从而延长了活性炭的使用周期，也提高了活性炭的吸附容量以及其通水倍数；提高了污染物降解速率。由于活性炭本身的吸附功能，在污水尤其是有机污染物较低的污水通过时，活性炭的吸附功能对污染物起到了富集的作用，更有利于微生物对其降级的进行，从而提高了污染物的降解速率；处理功能加强。生物活性炭法具有微生物和活性炭的叠加和协同作用，由于这种相互作用使污染物的去除效果得到提高，不仅能够去除部分原来单独作用时不能去除的微生物种类，同时对部分污染物的处理的效率比二者单独作用也有所提高；增强抵抗性。生物活性炭能使微生物对污水中有机毒物和重金属的抗性提高，产生有凝聚力的炭体和微生物，形成坚实和稠密的污泥，改变内部结构【4】。
4.2影响因素
4.2.1吸附剂性质
用于水处理的活性炭一般有三点要求：吸附容量大、吸附速度快、机械强度好。吸附过程是在吸附剂表面进行，所以比表面积越大，微孔数量越多，可吸附在细孔壁上的吸附质就越多，吸附能力越强；同时吸附过程中的内扩散对吸附速度影响很大，所以活性炭的微孔分布也是影响吸附效果的重要因素，用于水处理的活性炭要求过渡孔发达，这有利于吸附质向微孔中扩散，但阻力损失要增大。此外活性炭的表面化学性质、极性及所带电荷，也影响吸附的效果；活性炭的机械强度，则直接影响活性炭的使用寿命。
4.2.2吸附质性质
对于相同的吸附剂，不同的吸附质，吸附效果也不同。对同一族物质的溶解度随分子链的加长而降低，而吸附容量随分子链加长或分子量的增大而增加，即溶解度越小，越易吸附；吸附速度受内扩散速度的影响，所以在吸附质(溶质)分子与活性炭孔径成一定比例时最利于吸附。在同系物中一般是分子大的较分子小的易吸附，不饱和键的有机物较饱和的易吸附，芳香族的有机污染物同其他类型相比易于吸附；由于活性炭是一种非极性物质，所以对污水中非极性污染物的吸附能力较高【5】。
4.2.3温度
吸附过程是一个散热过程，过程中产生的热量称为吸附热，即活性炭吸附单位重量的吸附质(溶质)放出的总热量。一般情况下吸附热越大则温度对吸附的影响越大，同时由于温度对物质的溶解度有影响造成对吸附也有影响，一般随着温度的升高吸附量会相应减小。
4.2.4浓度
吸附质浓度较低时，吸附等温线接近于一条直线，此时吸附剂表面很大部分是空的，该种状况下吸附质大部分被吸附，但随着浓度增加，吸附量虽有所增加，但其增加程度会逐渐变缓，当吸附剂表面被全部沾满时，吸附达到饱和状态，吸附量不随浓度的增加而增加。
4.2.5溶液pH
溶液pH值决定了溶液内部酸性或碱性化合物的离解度，因此，在PH出于某个范围时部分化合物会发生离解，从而影响其吸附；溶液的PH值还会影响吸附质的溶解度，影响胶体物质吸附质(溶质)的带电情况；同时，活性炭对水中氢、氧离子的吸附会对其他离子的吸附造成影响。
4.2.6接触时间
吸附效果与吸附剂和吸附质的性质有关，达到吸附平衡所用的时间也不同，因此，为了能够保证良好的吸附效果必须保证吸附剂与吸附质有充足的接触时间。
4.2.7多组分共存
通常所需处理的污水含有多种污染物质，是多组分污染物的混合物，因此，在吸附时，多种污染物质之间对吸附效果既可能相互促进也可能相互干扰。一般情况下，单组份污染物的吸附高于多组分污染物的吸附容量。
5生物活性炭技术发展
5.1新型品种开发
作为吸附和生物载体的活性炭颗粒有颗粒易松动移位形成孔隙，造成短流；机械强度不够，易产生碎屑，泄露时造成二次污染；再生相对困难等缺陷。针对以上缺陷，应着力开发吸附容量大、吸附和解吸速率快、再生条件温和等特点的活性炭品种。
5.2生物强化应用
生物强化技术是为了提高废水处理系统的处理能力和处理效果而向该系统中投加专项高效微生物菌种，以达到对某种或某一类有害物质的去除或某方面性能优化的目的，从而实现对目标污染物高效去除的方法。在过程中使用的专项高效菌种是利用生物工程手段，针对不同的污染物，培训出的具有针对性降解能力的微生物，再将其制配成干粉状，在污水生化工艺启动时直接投加使用。该菌种一般具有专一性强、活性高、抗冲击能力强、处理效率高、效果稳定、培养时间短，能快速启动和恢复系统运行等优点。但是，由于在使用中会受到水利的冲击，因此对该菌种的固定也成为近年来学者的研究新课题。尹艳娥等【6】发明了固定化生物活性炭纤维小球处理废水，结果由于活性炭纤维的加人大大提高了小球的强度，改善了其通透性，有利于小球成型。
6结语
活性炭吸附污水中污染物具有良好的效果，但是由于其易饱和，并且再生困难而在实际使用中受到限制，生物活性炭则在很大程度上解决了这一缺陷，但是其使用效果也受到多种因素的限制，因此，在以后的产品开发中，有针对性的进行产品开发，才能逐步解决其缺陷以及受影响程度，更好的为污水治理行业效力。
参考文献：
【1】许保玖．当代给水与废水处理原理讲义[M]．北京：清华大学出版社，1953．
【2】乌锡康，金青萍．有机水污染治理技术[M]．上海：华东化工学院出版杜，1989．
【3】尹艳娥，胡中华，李秋瑜．固定化生物活性炭纤维小球处理苯酚废水研究[J]．中国给水排水，2006，22(3)：93—95.
【4】张伟，刘显法，王贤清等.活性炭生物膜法处理生活污水[J].石油大学学报（自然科学版），1991年第15卷第5期.
【5】霍夫里特M，斯泰因比歇尔A编，郭圣荣译．2O04．生物高分子(1)[M]．北京：化学工业出版社，294—3O4.
【6】国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会．水和废水监测分析方法(第4版)[M]．北京：中国环境科学出版社．2002.
