侯艷春，方萍，張亞雷
　　（同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）
 

　　摘要：對(duì)固定化生物活性碳技術(shù)的原理、特點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵進(jìn)行了綜述，總結(jié)了近年來(lái)該技術(shù)在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用狀況，并探討了該技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景和進(jìn)一步研究的方向。

　　關(guān)鍵詞：IBAC；水處理；固定化微生物；活性炭

        
 

　　1.2 技術(shù)關(guān)鍵
　　1.2.1活性炭材料
　　活性炭作為吸附介質(zhì)和優(yōu)勢(shì)菌附著的載體，其性質(zhì)對(duì)IBAC的凈水效果必然有著重要的影響。王廣智［8］等研究表明活性炭的大孔和中孔主要為優(yōu)勢(shì)菌種提供棲息的場(chǎng)所，微孔為優(yōu)勢(shì)菌種調(diào)節(jié)食物供給;粒徑的大小和均勻性對(duì)活性炭床過(guò)濾過(guò)程中的水力剪切力有著直接的影響，從而影響優(yōu)勢(shì)菌的固定；強(qiáng)度和修正摩擦系數(shù)代表了活性炭的耐破損能力，是優(yōu)勢(shì)菌種形成穩(wěn)定生物膜的重要原因。pH值表征的含氧官能團(tuán)和含氮官能團(tuán)影響優(yōu)勢(shì)菌種形成生物膜的區(qū)域性。
　　目前用于IBAC技術(shù)的活性炭材料多為顆粒活性炭。叢俏［4，9］等分別使用顆?；钚蕴亢突钚蕴坷w維作為載體，利用IBAC處理餐飲廢水，表明后者效果更佳。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合原水水質(zhì)（如污染物質(zhì)的分子大?。C合孔隙分布、粒徑、粒度、強(qiáng)度和pH值等參數(shù)，選擇合適的活性炭類型。另外對(duì)于待使用的活性炭，活化預(yù)處理也非常關(guān)鍵，常采用酸、堿浸泡、添加活化劑或高溫活化等方法［10］。
　　1.2.2工程菌選育及固定化
　　已有文獻(xiàn)中［4-7］，用于IBAC的優(yōu)勢(shì)菌種主要為從自然界分離篩選的菌株，即從受污染的環(huán)境中取樣，經(jīng)馴化、分離、篩選后形成理想的優(yōu)勢(shì)菌。這種方法對(duì)技術(shù)、設(shè)備的要求較低，安全可靠，易于實(shí)行。但隨著工業(yè)廢水中難降解毒性有機(jī)物的不斷增多，僅靠從自然界中獲取的菌種已對(duì)許多污染物的降解無(wú)能為力，必須通過(guò)誘變和雜交等方法來(lái)選育出適合于吸附固定化的高效菌種。選育出的優(yōu)勢(shì)菌種可以進(jìn)一步加工，使之形成固定化用菌劑，便于儲(chǔ)存和使用。
　　固定化過(guò)程是采用人工生物增強(qiáng)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。IBAC優(yōu)勢(shì)菌的固定化方法多采用間歇循環(huán)物理吸附法。例如，將微生物與廢水混合均勻，然后接入顆粒活性炭柱，以10 mL/min的流速進(jìn)行出水回流，每回流2 h停止1 h，回流5次［9］。也可先將載體活性炭置菌液中浸泡，再馴化培養(yǎng)直至用于正常處理［11］?；钚蕴勘砻婀潭ɑ锪颗c優(yōu)勢(shì)菌的特性有一定的相關(guān)性，因此應(yīng)選擇合適的溫度、pH值。采用單株菌依次固定與混合菌固定后，生物量沒(méi)有明顯差別［12］。
　　在IBAC的工程設(shè)計(jì)中，固定化菌株數(shù)從幾株到幾十株不一。石英砂墊層能夠有效保證出水水質(zhì)的生物安全性，最佳厚度為200～300 mm［13］。空床接觸時(shí)間和炭床高度直接影響處理成本，前者是凈水效果的決定性因素，取決于原水水質(zhì)情況和出水水質(zhì)要求［14］。其他控制參數(shù)主要為：有機(jī)負(fù)荷、DO、pH值。
　   1.2.3 IBAC在水處理中的應(yīng)用
　　上的工程菌一般都具有較強(qiáng)的抗氧化能力和載體附著能力，并具有很強(qiáng)的酶活性，在貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中可以很好地生長(zhǎng)和繁殖，可用于對(duì)微污染水的處理，還可以針對(duì)水中特定的有機(jī)污染物，馴化相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)菌種，強(qiáng)化降解水中的有毒有害成份，用于廢水處理。目前，該技術(shù)的應(yīng)用主要集中在國(guó)內(nèi)。
　　微污染原水或飲用水深度處理
　　隨著水污染的日趨嚴(yán)重，不少地區(qū)的飲用水中出現(xiàn)的有害物質(zhì)超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，安全、優(yōu)質(zhì)的供水水質(zhì)要求也日益強(qiáng)烈。臭氧生物活性炭（O3-BAC）工藝是目前世界上公認(rèn)的去除飲用水中有機(jī)污染物較為有效地深度處理工藝之一。近年來(lái)不少學(xué)者采用臭氧—固定化生物活性炭（O3-IBAC）工藝或單獨(dú)的IBAC進(jìn)行了飲用水深度處理或去除水中微量污染物的試驗(yàn)。結(jié)果表明，IBAC對(duì)微污染水中濁度、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長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定；人工IBAC技術(shù)處理濾池出水優(yōu)于自然生成的生物活性炭技術(shù)；另外一些特殊指標(biāo)，如三鹵甲烷生成勢(shì)（THMFP），去除率比普通活性炭工藝提高了11%～39%；對(duì)臭氧氧化副產(chǎn)物（甲醛）具有長(zhǎng)期的去除效果。曝氣式IBAC對(duì)濾池出水的深度凈化，GC/MS結(jié)果表明總有機(jī)物由進(jìn)水的24種減至出水的7種。對(duì)于含硝基苯微污染水，IBAC技術(shù)可以完全吸附進(jìn)水中的硝基苯，并且對(duì)硝基苯進(jìn)行原位生物降解，出水中其他各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)［6，14-23］。
　　2.廢水處理
　　2.1含油廢水
　　隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，含油廢水的排放量逐年增加，成分也日趨復(fù)雜。若直接進(jìn)入水體，其表層的油膜會(huì)阻隔氧氣融入水中，致使水中缺氧，以至生物死亡發(fā)出惡臭，嚴(yán)重污染環(huán)境。目前，生物化學(xué)法除油趨向于針對(duì)含油廢水進(jìn)行分離篩選優(yōu)勢(shì)菌種的研究。李偉光等［23］采用人工IBAC技術(shù)處理含油廢水，其對(duì)油的去除率在80%～95%之間，COD平均去除率達(dá)53%。出水中，油質(zhì)量濃度小于5 mg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝對(duì)污染物的去除效果明顯高于顆?；钚蕴亢蛡鹘y(tǒng)的二級(jí)氣浮工藝。姚宏等［24］針對(duì)石化廢水中不同特征污染物，采用人工分離篩選去除COD和油工程菌6株、硝化工程菌10株構(gòu)建高效混合菌群，通過(guò)O3-IBAC濾池除污染效能中試研究表明，該系統(tǒng)深度處理石化難降解有機(jī)廢水是可行的，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)去除COD、油類、NH3-N等污染物的功效，3種指標(biāo)及色度的平均去除率分別為73.0%、90.5%、81.2%和90%，相應(yīng)的出水分別為33.2 mg/L、0.4 mg/L、4.5 mg/L和10倍，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)家循環(huán)冷卻水的用水要求。
　　2.2含酚廢水
　　酚污染主要是揮發(fā)酚，如苯酚、甲酚、二甲酚。含酚廢水處理技術(shù)的選擇取決于含酚廢水中的酚濃度、CODCr值及其他因素如處理費(fèi)用等。隨著生物技術(shù)和轉(zhuǎn)基因工程的發(fā)展，生物法去除高濃度的含酚廢水已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。MA Fang等采用O3-IBAC工藝處理煤氣廢水，對(duì)COD和酚類去除率可達(dá)到80%和92%，并發(fā)現(xiàn)工程菌可以長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，保持較高的生物活性［25］。焦化廢水中進(jìn)水總酚在200 mg/L以下時(shí)，出水的總酚含量基本在20 mg/L以下，各污染物指標(biāo)經(jīng)混凝—IBAC工藝深度處理后可達(dá)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB897821996）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［26］。
　　2.3微污染廢水
　　微污染的廢水是潛力巨大的資源，具有很高的回收利用價(jià)值。我國(guó)的氮肥廠每天排放的工業(yè)冷凝和尿素水解水達(dá)到數(shù)10萬(wàn)噸，其最主要的污染物為低濃度甲醇，回收利用該類廢水是廢水資源化的一條重要途徑。在小試和中試研究的基礎(chǔ)上，單景森提出了采用固定化生物活性炭處理低濃度甲醇廢水并回用的工藝路線。工程運(yùn)行表明，該系統(tǒng)可將混合液的COD由40 mg/L降至12 mg/L以下，對(duì)甲醇的去除率達(dá)到93.6％~100%，其出水水質(zhì)滿足回用到鍋爐脫鹽水系統(tǒng)進(jìn)水的水質(zhì)要求［26］。洗浴行業(yè)是一種需要消耗大量水資源的行業(yè)，而且洗浴廢水水量大、污染輕、水質(zhì)穩(wěn)定。楊海燕等［27］采用原水—混凝—沉淀—過(guò)濾—IBAC—微濾膜（MF）—UV消毒—出水的工藝流程處理洗浴廢水，IBAC生化處理單元能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)污染物、LAS、浴臭等的有效去除，出水水質(zhì)達(dá)到《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T206－2005），是保證出水合格的根本措施。
　　2.4 其他廢水
　　叢俏等砂濾—固定化生物活性炭纖維（IBACF）聯(lián)合工藝處理餐飲廢水，處理后水樣的濁度、UV254、COD、油去除率分別為為83%、67%、84%、91%，認(rèn)為采用砂濾—IBACF技術(shù)處理餐飲廢水是可行的。
　　3.展望
　　的形成和作用原理已經(jīng)比較清晰，但是活性炭表面催化作用的機(jī)理尚待研究。微生物自身特性對(duì)固定化效果影響很大，因此有必要針對(duì)微生物結(jié)構(gòu)屬性建立其選育過(guò)程中的評(píng)價(jià)指標(biāo)。盡管已有實(shí)驗(yàn)表明，單株依次固定與混合固定對(duì)生物量的影響不明顯，但考慮到活性炭孔隙分布與待固定的微生物大小仍有必要嘗試順序固定化。關(guān)于IBAC用優(yōu)勢(shì)菌本身的研究空間較大，王廣智博士［2］研究過(guò)IBAC及BAC生物量和生物活性的穩(wěn)定性，前者在運(yùn)行開(kāi)始一段時(shí)間內(nèi)的生物量較高，而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，兩者趨于一致，結(jié)合對(duì)水質(zhì)處理效果的穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，IBAC的穩(wěn)定性更好。盡管如此，仍需從分子生物學(xué)角度進(jìn)一步深入探索和強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)菌的穩(wěn)定性，不同菌株之間的拮抗和協(xié)同效應(yīng)也值得關(guān)注。目前還沒(méi)有使用基因工程菌用于IBAC的研究，相關(guān)方面值得深入探試。另外，也需要進(jìn)行較大規(guī)模的生產(chǎn)性應(yīng)用嘗試。
　　對(duì)各種污染物如NOMs、消毒副產(chǎn)物、PAHs、殺蟲(chóng)劑、氰化物和雌激素等，BAC被證明有很好的去除效果，IBAC作為在此基礎(chǔ)上的生物強(qiáng)化技術(shù)，其針對(duì)性更強(qiáng)，必將得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。在其他應(yīng)用BAC技術(shù)處理廢水的行業(yè)，如印染、紡織、電子、制藥等，IBAC的應(yīng)用亦具有廣闊前景。
　　4.結(jié)語(yǔ)
　　具有生物濃度高、反應(yīng)啟動(dòng)快、反沖洗周期短等優(yōu)點(diǎn)。其針對(duì)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，是一種較為理想的深度水處理技術(shù)，在固定化后，優(yōu)勢(shì)菌群的穩(wěn)定性還需要深入探討。
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