生物活性炭处理

陈卫欣译；姚芳校

　　校者按：本文为作者通过52篇论文及本人经验写成。文中提出了饮用水使用生物活性炭的意义，其与臭氧组合使用的效果，以及具体实践情况，指出虽采用生物活性炭费用稍下，但处理效果好、水质高、经济意义更大。尤其与臭氧组合使用更有特殊作用。在当前饮用水水质要求越来越高的情况下，生物活性炭的使用，已经受到了给水界瞩目。

　　1、序言：
　　“生物活性炭”设计方针定义为：利用活性炭的吸附以及活性炭层内微生物有机分解作用，延长活性炭吸附能力的方式。也就是说，它不仅有着活性炭的吸附力，也有着以粒状活性炭为载体，在其上生长的微生物的作用。这种处理方法即称为生物活性炭处理。
　　在欧洲，特别是以德国为中心，过去就利用这种技术。自从饮用水中出现了三卤甲烷的问题以后，在各国都很快地对此技术引起了注意，并取Biological Activated Carbon的字头，缩写为BAC。
　　特别是1978年美国环保局发表了暂定第1种饮用水规划修定案，规定了三卤甲烷（THM总）的最大容许浓度为100ug/l，并规定必须安装颗粒活性炭处理装置，因此BAC方法越来越受到公众的观注。可是对于这种规定，反对意见很多，结果它被搁置起来。以此为契机又把引入生物活性炭处理，作为人们积极讨论的话题。
　　在日本，为了降低三卤甲烷和对付异臭味，或者为了接受1984年在生活环境审议会上所定的“迎接高普及时代，自来水行政今后的方针”等，作为新的自来水的课题，以解决水质问题，准备了引入高度净水处理的资金，并提出了对策。
　　高度净水处理是指活性炭处理、臭氧处理和生物处理而言。特别指臭氧和活性炭处理的组合，利用充分发挥生物活性炭最大限度效果作用的设施，以极大有效地改善水质。

　　2、生物活性炭吸咐作用的工序相比，当前考虑由于活性炭表面的生物膜内产生的有机的分解，以及活性炭内部细孔内进行的吸附，或者伴随生物再生吸附的相互作用的结果，延长至其再生之前的生物活性炭作用时间是有可能的。
　　但是，也有研究人员对这种想法提出疑问。Benedek在法国的莫桑进行小型实验的结果，否定生物再生的论断。Peel Ben-edek,Mellevialle否定了生物活化的说法，得出了生物活性炭比吸附寿命长的原因，是各种物质在吸附速度上存在差异的结论。但是，Speitel Jr. Lu通过室内的柱状实验，研究了生物再生，而得出了如下结论：原水中加入和生物易分解性对硝基苯酚，加上相反的生物难分解性三氯乙烯，对硝基苯酚一开始分解，三氯乙烯吸附作用也开始发生，所以，生物再生是存在的。
　　新鲜活性炭开始使用不久活性炭产生穿透，在活性炭上的生物发挥活性，变成生物活性炭的时期，根据水温，微生物利用的原水中所含基质的种类、流入水中细菌浓度和种类，以及逆洗的方法和和频率的不同而异。Vander kooij根据的研究为20～30天即可完全成。Speitel Turakhia惠斯通湖的原水，在实验基地研究了生物活性炭公的时期，探讨了生物的再生有无恢复吸附能力的结果，报告了苯酚的生物分解从第30天开始，吸附的苯酚有约50%受到生物分解作用，对于在生物活性炭上生长的生物，有很多研究成果，多数研究者都提出优势种是假单胞菌属。另外观察报告中还有黄杆菌属、芽孢菌属、节杆菌属、气单胞菌属、不动杆菌属等。特别是Beek Bonde一致认同假单胞菌属，认为假单胞菌属产碱菌属是优越种。Rollinger Dott在室内也进行了在灭菌活性炭上种植菌株的实验，确认了肺炎克雷伯氏菌和链环菌属粪便类在活性炭上不能生存。而埃氏大肠菌、假单胞aerug-inosa，假单胞putide能附着繁殖。Cummins和Nash在宾夕法尼亚洲的Beaver Fall市做实验，报告了流水中并不存在的大肠菌群经过粒状活性炭滤池流出的水中检验出730个/100ml。但是，实际上没有报告表明，在粒状活性炭滤池中活性炭上附着生长有害的微生物或者流出水中有病原生原泄漏的现象。
　　Den Blanken对活性炭上的生物进生观察，发现活性炭表面有多糖类、细菌类的生殖，在表面上形成聚集。但是明确了生物不形成膜状。并且，生物附着以后，过滤继续进行，经过一年到一年半，活性炭的细孔内充满了多糖类和细菌。
　　Hansen证实了活性炭颗粒从滤池流出这一事实。在密执安州Mt.Clemens市净水厂，从操作者那里调查自来水中有黑色颗粒的结果上，得知絮凝形成不好，粉未活性炭就可能从滤池中漏掉。因为粉未炭微粒不反光，浊度很难检查出来。Camper Le Chev-allier等收集了9处净水厂的201个水样，用纱布过滤检查结果，证实了确有41。4%的水样有活性炭细片流出，其中存在一般细菌。
　　从生物活性炭流掉的生物，与过滤速度的变化和浊度的增加有影响，一般来说范围为50～1000个/ml.
　　从生物活性炭流掉的生物，多与活性灰的细片一起流出情况，考虑会影响以后的消毒效果。和等用仪器测定了从生物活性炭滤柱中流出和活性炭细片，对其消毒效果做了报告。根据此报告，证实了在模型试验中平均有36个/l（10～62个）活性炭颗粒（平均粒径6um）从滤柱中流出，并证实其中存在细菌。而且，用氯胺和游离氯进行消毒，接触了40分钟细菌只减少了0.5log。
　　如上所述，有已成为生物活性炭的颗粒活性炭已经确认从滤池流出，是带有大肠杆菌的报告。因为其中含有粪便性物质，所以，在使用生物活性炭时，消毒成为重要的讨论课题。Camper把几种水做为媒介，将病原体附着于未使用过的活性炭上，病原体能够较长时期内附着在活性炭上。重新将自来水原水那样含细菌的水过滤，进行同样的试验，病原体几乎没有被附着带出，所以一般为必考虑病原菌的繁殖和流出。
　　如果说生物活性炭作为载体，在其上生长的微生物可以发挥它的功能，活性炭以外的媒体，例如砂和无烟煤，促使微生物在其上繁殖，认可能看到差别。Camper Broadway用活性炭、砂和无烟煤做室内实验，测定流出水中的一般细菌数。活性炭与其他的载体相比，在其上附着的生物数要多。黑泽和真柄等人在室内实验中用活性炭和砂作比较，不论是悬浊物质的去除，还是氨的硝化，活性炭都要优越。
　　其理由是：Ying Webrt认为活性炭之所以比其他载体要好，是因为活性炭表面的吸咐氧较多，生物膜内有足够的基质，在生物再生上保持持续的吸咐力。

　　3、生物活性炭与臭氧组合效果
　　生物活性炭多与臭氧组合使用，通过臭氧处理，原水中的生物难分解性有机物变成易分解的物质，改善后期的生物活性炭的去除能力，使臭氧处理和生物活性处理继续成为高度净水处理的主流。以往交净水的前处理多采用前氯剂处理，由于增加大量的THM，所以逐渐有失推行在水处理程序中间进行氯剂处理、废止前氯剂处理的倾向，现在考虑引入臭氧处理代替，也是这个理由。
　　Heiker等将鲁尔河水做为原水在西德的米尔海姆的净水厂实验基地进行研究结果为，前氯剂处理会降低滤池中生物活性炭的生物活性，取而代之使用臭氯处理，不仅增加活性炭的吸咐量，还延长活炭的寿命。Neukrug等在费城的托里斯尔净水厂，引用特拉华河作为原水进行小型实验，使用前氯剂、凝聚、过滤处理并和未经处理的两种原水，进行臭氧处理，生物活性炭比较，未经前氨剂处理的更有效果。既然我们期待着生物活性炭处理中活性炭上微生物的作用，那么具有消毒力和氯剂浸入活性炭过滤层不很理想，也上当然的结果。
　　关于臭氧的处理效果有很多报告，即有说期待着好的处理效果的，又有说引入臭氧处理效果不变的等等，得至少没有报告说明臭氧处理成为障碍的。现在利用生物活性炭结合臭氧处理组合使用已成为主流。
　　Glaze Wallace在路易安娜州进行模型实验，以克罗斯湖水做为原水，关于臭氧处理的效果为：经过25周～44周生物活性炭处理的水稳定，三氯甲烷母体(THMFP)和总有机炭(TOC)去除50%，有无臭氧处理都于实验结果无关。Neukrug等在上述的费城的实验中，认为不会因为臭氧的处理而特别改善挥发性有机氯化合物与臭气的去除。丹保堤等人得到如下结论：臭氧处理可以提高生物分解能力，但却降低整体的吸咐能力。中道和皆川等人引用相模川的水作为原水试验，认为臭氧处理并没有什么效果。
　　但是，认为臭氧处理有效果的还是占多数。Dewaters D-iano将含有天然有机物的原水中在每的投入的臭氧，在每mg的TOC投入1mg的臭氧，提高原水中有机物质有生物分解能力，在短短的空塔接触时间内（3.9）去除了TOC（原水浓度为7mg/l）43%。Stephen等在天巴市用下水处理水做实验，仅用生物活性炭，TOC的去除率为55～61%，如果结合臭氧处理，则提高到72～82%。Wang等在哈尔滨以松花江水作原水进行小型实验，用臭氧与活性炭可去除COD70～80%，，用气体色谱法确定，只有活性炭的话只能去除原水中存在的9种峰值里的3种，如果配合臭氧处理，能去除4种。Svervais等在滤柱实验中，认为低水温也可去除TOC。
　　Rook等将莱茵河与缪期水河做为原水，调查了4个净水厂的有机物质去除情况，认为臭氧活性炭组合是有效的。但是，要充分去除，就要充分延长活性炭组合处理是有效的。但是，要充分去除TOC，就要充分延长活性炭的空塔接触时间，如果可能的话以采取多段接触处理最好。Speitel Turakhia用惠期通湖的湖水作原水做小型实验得出，如果没有臭氧处理，TOC只能去除20%，组合臭氧处理，去除率则增加到31%，提高生物活性，Beck也有同样报告。Maloney等做的实验也证实了通过臭氧处理可以提高生物分解能力，组合臭氧处理可以改善生物活性炭的有机物质去除率。但是，正如还需有一些持否定结果那样，由于原水水质关系，几乎不能过分期望着那种好的效果。
　　Beck等引用荷兰Sjelse湖水，用臭氧处理，TOC中只有低分子部分发生效力，用生物活性炭高、低两部分都容易去除。在全工程中TOC能去除25%，其中60%的分了量为700～1，000，20%的分了量为1000～5000，整个过程和前后THMFP TOC与这比不变。海贺等人的报告表明：以臭氧处理对于生物活性炭中的TOC除去有效的方面上，生物活性炭较易于除去低分子的TOC。关于臭氧处理的效果，土井等人总结了在大阪府庭洼净水厂的模型实验的结果，，在臭氧处理过程中，萤光强度，UV吸收率都明显的减少，海贺等人取印幡沼的水作为原水进行水厂实验，得出臭氧处理对E260的吸收及对异臭味物质有效，将E260吸收物质变成了生物分解能力强的物质的报告。
　　象这样与臭氧处理组合使用提高效果的例子很多，可以认为其并没有使生物活性炭上的生物相变化，只是使其改变生物分解能力而产生效果。
　　对于变异原性物质，Kool等人在莱茵河与缪期水河为水源的净水厂内，对每一净水工程变异原性物质的变化，以Ames实验判断，显示出臭氧处理即可降低变异功能，又可能起到相反的作用。究其原因，是因为生物活性炭内有机物的去除率有差异。

　　4、引入生物活性炭，改善净水处理设施
　　在引入生物活性炭处理，对付污染日趋严重的原水水质的对策上，原水污染到何种程度引入生物活性炭处理，以及在某个系统的哪个环节上引入这种处理都是问题。根据1988年出版的《高度净水设施引入准则》，引入现在高度净水处理或是或要引入净水厂原水的水质的95%值如表-1所示，以及锈臭气味和色度及氨氮的浓度已达到药品处理的限度都是生物活性炭处理的对象。

表一　　　高度净水设施引入净水厂的原水95%值的最低值 水质项目 处理方法 粉末活性炭 颗泣活性炭 臭味氧 组合处理 色度（度） 5 10 25 40 具味强度 3 25 25 25 过锰酸钾消耗量（mg/l） 3 7.5 7.5 7.5

　　

　　根据《高度净水设施技术资料（活性炭处理设施）》，在引入整个系统中，工序的位置应安在图－1所示的凝聚过滤以后或者凝聚过滤之间。
　　　但是，在最早引入活性炭技术的欧洲，有在活性炭处理的后面进一步安置慢速过滤的例子。如图－2所示，以慕尼黑制的露露河水为原水，在凝聚池沉淀水中投加臭氧，双层过滤生物活性炭后进行慢速过滤，地下不水一旦注入后再提升，加氯剂后配水。瑞士以苏黎世湖为湖水源的净水厂，进行凝聚、直接过滤，加入臭氧，活性炭过滤后进行慢速过滤，二氧化氯消毒，将水送出。

　　引入生物活性炭多以水中含THM情况如何为对策，原水中存在的有机物在氯剂处理过滤中与氯剂反应，形成THM或全有机卤化合物（TOX）。因此，如果在前氯剂处理或处理设施中向加氯剂处理的后面设置活性炭设备，生成的THM或TOX，说就由于被吸咐而除去。考虑THM的吸咐容量比较小，或者一旦吸咐的TOX使THM变化，活性炭的效果不会象预想的那样。但是，生物活性炭不经过氯剂处理而只昌通过活性炭，为了去除THMFP或TOXFP等有机物，整体来讲THM或TOX的降低效果都增加。同时氨的硝化也是其特点。
　　Meijers等以缪斯河水的水为原水，在鹿特丹市的净水厂内做的实验，在夏季原水中含THMFP为160，经过生物活性炭处理降低到84，比之没有场合降低到102来讲是相当有效果的。生物活性炭可降低氯醛的浓度10～15。大住等人以川水作为原水，在大阪府的庭洼净水厂做小型实验的结果为：TOC与THMFP可去除12%，铁、锰去除80%，MIB可去除100%，海贺等人以印幡沼为原水做小型实验，生物活性炭将TH-MFP60%，TOXFP85%。但是，McGuire等提出，生物活性炭将THMFP和TOXFP全部去除是困难的，所以当引入时，做实验认定其效果是必要的。
　　活性炭的接触池有以活性炭作固定层接触的下向流式和流动状态接触的向上流式两种。通水速度以活性炭每单位体积的通水量而定的空间速度(Space Celocity略为SV)表示：固定层是5～10hr-1，为了能在流动层式上使用小颗粒的活性炭，采用大一些的为10～15 hr-1。但是，从运转操作方面来看，固定层式容易操作，采用固定层的实际成绩多。西德的活性炭设置基准为：滤速（线速度linear velocity略为lv）　8～12m/hr，滤床厚度2～4米　空塔接触时间为12～25min，到再生为止的通水量为每立方米活性面料100，000m3，结合臭氧处理到再生为止，时间可延长到2～3倍。
　　固定层式滤床需要经常清洗，通常采取反冲洗和空气清洗合用方法，反冲洗的膨胀率以30～40%为好，根据颗粒大小不同，清洗速度为20～50m/hr。但是，由于水温变化关系膨胀率有所不同，这一点必须注意。
　　虽然进行清洗，但处理性能还不能完全还原的情况下，有必要使活性炭再生。由于再生量不同，在经济上处理也不同。根据情况或者委托专业厂家再生，或者自行增置再生设备再生。通常选用水蒸气活化作用再生法。再生会有10%损耗，所以有必要补充新炭。再生时在排气中有氯化二笨索代喹啉、氯化二苯氧芴检出。再生程度以与氯剂处理并用场合的方式高，与臭氧处理并用时低。再生炉内如果安装补燃器会更有效果。其风险比城市内废品焚烧小。四氯二苯-P-萦代喹啉、四氯二苯呋喃，2、3、7、8-TCDD都在检出限界以下。

　　5、生物活性炭对处理费用的影响
　　引入生物活性炭处理当然会使处理费用提高。根据美国环保局的大型模型基地所进行实验情况试算，颗粒状活性炭的处理费用在51日元/米a的情况下，自来水费提高20%。另一方面，根据高度净水设施引入准则规定，设置处理能力100，000米a/日的活性炭滤池，假定SV为10hr-1，活性炭寿命为300日的时候，试算建设费用约为16亿日元，成本提高为65日元/米a。但是,Con-stantine将高色度、高THMFP的原水用臭氧处理，投入苏打灰或石灰，以生物活性炭过滤系统处理的场合探讨，没有前氯剂处理，臭氧投入率为10～20mg/l，建设费比用旧方法节约10%，运输费便宜，投药量减少，并且也减轻了排水处理的负担。
　　引入生物活性炭处理，比起新建水厂来，改造已有设备的水厂的更多一些。水厂多数需要改善水泵，新设的和即有的其他部分，由于种种条件不同，比例或有差别，但一般来讲会增加成本。因此，将设施的各个单元构筑物运转方面，经济方面等实践的知识充分运用，使用实际原水进行相当规模的实验，进行详细的探讨是恰当的。

　　6、结语
　　生物活性炭是以高度净水处理为中心的过程中所期望的一种处理方式。在水源污染更严重的城市，正以引进这种方式为中心。特别是由于生物活性炭的引入，有望于解决异臭味问题，有效降低THM，今后可以考虑进而引入与臭氧处理并用的方法。
　　自来水的安全性是问题。进而还有异臭味问题，人们对“美味水”的要求越来越高，现在的情况是仍有旧观念。供给用户安全、可信赖的水是自来水事业的使命，早日使用户对自来水事业恢复信心十分重要。
　　随着成本的增加，水费要改变，具体的讲有相当多的障碍，在视线指向引入高度处理的目标下，要越过这些困难。
　　装置设施的时间还浅，参考资料少，不过仍有东京都和大阪市运转的实际例子，即将已得出的结论作为介绍。

摘译