课件：水质净化理论与技术资料.ppt

生物活性炭（BAC）水质净化 理论和技术,杨玉立 121064,目录,BAC作用机制,O3-BAC处理技术,膜-BAC处理技术,BAC在水处理中的应用,目录,BAC作用机制,1.1 概述,生物活性炭(Biological Activated Carbon，BAC)技术即为利用粒状活性炭巨大比表面积及发达的孔隙结构对水中有机物及溶解氧很强的吸附特性，将其作为生物载体替代传统的生物填料，并充分利用活性炭的吸附以及活性炭层内微生物有机分解的协同作用。,BAC概念,生物活性炭法是利用活性炭表面生长的微生物降解与活性炭吸附作用共同去除有机物。由于微生物能优先降解水中的有机物，降低了活性炭的吸附负荷，增加了炭床在达到“穿透”或“失效”时通水倍数，延长了活性炭的使用周期，减少了活性炭的再生频率，从而降低生产成本与能耗。 BAC法可以去除活性炭和生物法单独使用时不能去除的污染物，且处理效率也较两者单独使用时高。,生物活性炭技术在源水处理过程中已得到了有效普及利用，工业生产的快速增长和水资源的日益短缺在一定程度上加快了污水深度处理技术的发展，以粒状活性炭为填料对二级生化处理后的出水进行深度处理也引起了人们的广泛注意，生物活性炭以其出水水质稳定可靠、无异味、处理成本低而逐步在生活污水、印染废水、石化废水等多种废水深度处理中得到应用。,BAC优点及应用,具有以下优点： a提高了出水水质，可以增加水中溶解性有机物的去除效率； b延长了活性炭的再生周期，减少了运行费用； C水中氨氮可以被生物转化为硝酸盐，从而减少了后氯化的投氯量，降低了三卤甲烷的生成量。,1.2 BAC作用过程中各因素的相互作用关系,BAC作用过程中各因素的相互关系,BAC 法处理水的过程，涉及活性炭颗粒、微生物、水中污染物、温度及溶解氧5个因素在水溶液中的相互作用。,污染物质,活性炭颗粒,微生物,温度,溶解氧,A,E影响D,D,E,B,C,E影响B的生长,C的吸附作用会影响E,D被C吸附,被吸附与再生C,B利用D生长,B和C叠加作用 保护并促进B的生长,对A进行吸附富集,被吸附,对A氧化降解,作为B的营养物,1、活性炭对溶解氧的作用,2、微生物与溶解氧的作用,3、活性炭吸附与温度的相互影响,4、活性炭与污染物的相互作用,BAC作用过程中各因素的相互关系,5、微生物与污染物的相互作用,6、微生物与碳颗粒的相互作用,1）活性炭对微生物的吸附,2）活性炭对微生物活性的影响,3) 微生物种类对活性炭吸附容量的影响,4）生物膜量对活性炭吸附的影响,5）活性炭生物再生,1.3 BAC生物吸附降解机制,1、简单叠加 胞外酶分子很难溶入炭的微孔结构，BAC过程只是生物降解和活性炭吸附的简单叠加。,2、协同作用,BAC生物吸附降解机制,1）胞外酶假说 细胞分泌的胞外酶和因细胞解体而释放出的酶类(1nm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。,2）浓度差解吸假说 活性炭吸附的有机物遍布其表层和内部的大、小、微孔中，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。,BAC生物吸附降解机制,3、先叠加后协同 通过流态动力学实验可以得出，最初生物降解和吸附独立发生，当吸附达到平衡、 生物适应基质后，发生协同作用。 在初始阶段，由于废水中的营养物质阻塞了活性炭的缝隙及其大孔，BAC反应较低；接下来BAC的高效反应则是活性炭吸附、生物降解及生物吸附的共同作用。 在BAC系统中，最初的6-8h中吸附平衡与单独活性炭的吸附平衡相同，说明最初阶段生物降解不影响活性炭吸附，此时吸附速率大大超过生物降解速率。当吸附达到初步平衡，即生物降解速率和吸附率想当时，微生物才起到生物降解作用。当生物降解速率大于吸附率时，吸附平衡发生转移，由于生物活性和反相浓度梯度，活性炭孔隙中的基质解吸。,3）胞外酶和浓度差解脱假说,目录,BAC在水处理中的应用,1、饮用水源处理,2、生活污水处理,3、工业废水处理 1）印染废水 2）制药废水 3）含油废水 4）垃圾渗滤液,BAC在水处理中的应用,目录,O3-BAC处理技术,“O3-BAC”技术是一种臭氧氧化和生物活性炭吸附的组合法，该工艺促使氧化、吸附和生物降解功能形成协同效应，可以有效的去除有机物，并能够将消毒副产物前质及氨氮同时加以削减，并且使色、嗅、味等多项指标全面得到改善；可将氰化物、酚等有毒有害物质氧化为无害物质；有效杀灭隐孢子虫、贾第虫等加氯不易灭活的病原原生动物，从而更好地保障生活饮水卫生、安全与优质。,O3-BAC处理技术概念,经O3 - BAC 工艺处理的出水水质很好，对氧化过程中形成的可生物降解的溶解性有机物（BDOC）、DOC，包括可能转变为毒害物的溶解性有机物、臭氧化产物、合成有机化合物（如杀虫剂）、产生嗅、味的化合物及氨的去除均十分有效。O3 - BAC 工艺中，臭氧化使惰性的腐殖质转化为可生物降解的化合物，从而被后续生物活性炭去除。实验研究证明，在臭氧用量达30% 以上时，THM 前质物的去除率将随臭氧用量的增加呈系统性提高。但是，该去除率在低碱度的水中明显降低，原因可能是因为臭氧分子对THM 前质物的作用更具选择性。,1、臭氧的作用,1）预氧化作用 2)消毒和有效地将水中难以生物降解的有机物断链、开环作用 3）为活性炭表面的好养微生物提供溶解氧,O3-BAC处理技术机理,臭氧一生物活性炭工艺是将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化学吸附、生物降解四种技术结合为一体的工艺，其工艺特征为在传统水处理工艺的基础上，以预臭氧氧化代替预氯化，在快滤池后设置生物活性炭滤池。,但是后臭氧投量也不宜过高，否则不仅无助于提高水质，还会过多地产生溴酸盐臭氧氧化副产物，有害健康，并增加投资与运行费用。再次投加臭氧的水随即进入生物活性炭炭柱过滤。,2、生物活性炭的作用,1）吸附和借助生物膜降解作用 2）对臭氧的作用 破坏水中残余臭氧，一般发生在最初炭层的几厘米处； 通过吸附去除化合物或臭氧副产物。,O3-BAC处理技术机理,3、活性炭吸附的3个阶段 1）快速吸附 2）慢速吸附、开始生物活动 3）出现明显的生物活动,臭氧与有机物的最主要反应是破坏含碳有机物的双键产生酮和醛，这些产物是管网系统内细菌的养料，如果在处理过程中没有去除这些养料，细菌就会在管网中迅速滋生。为了避免这种现象的发生，应采用适当的生物处理，如活性炭，使这类化合物被存在于滤料表面的细菌所降解。绝大部分可溶有机物被活性炭上的生物去除后，则需要投加的氧化剂量会大大减少，这也同时减少了新的气味和色度污染问题。可根据检测管网的细菌量来不断调整臭氧的投加量，使加氯量降低。,O3-BAC处理技术优缺点,这项联合技术有其独特的优势，具体表现在以下几个方面： (1)能更有效地去除溶解性有机物； (2)臭氧可以提高生物活性炭的吸附容量，延长活性炭的使用寿命； (3)氨氮以生物转化方式得到去除，取代了折点加氯法除氨氮，消除了大量有机氯化物的形成： (4)臭氧总投量要比单独使用时少，比单一使用臭氧或活性炭费用低且效果好； (5)处理后水质可全面提高，而且出水稳定、管理方便。只需投加少量消毒杀菌剂，就可保证整个配水系统的全面卫生一。,但此方法也有其局限性： (1)臭氧的制作工艺复杂，一次性投资较高，而且臭氧在水中的溶解度小，因此操作的运行成本高。 (2)臭氧在水中分解很快，消毒作用难以持续，因此为了避免水在运输的过程中产生二次污染，出厂前还必须投加液氯消毒。 (3)生物活性炭的运行效果受各种条件，如水温、pH值、菌种的影响，效果不稳定，特别是在挂膜期间，由于生物膜没有形成，处理效果欠佳。寻求活性炭的适宜生长条件，优势菌种的筛选，成为此工艺的重点。 (4)生物活性炭上附着的微生物在代谢过程产生的降解物，未完全分解的有机物以及微生物本身进入水体中，这部分物质对人体是否会产生某些危害，需要进一步的研究。 (5)生物活性炭一般运行1年以上需要更换，如果处理不当会造成二次污染。 (6)臭氧一生物活性炭法的投资和运行费用高于生物预处理方法。,O3-BAC 技术由于提高了进水的可生化性从而提高了有机物的去除率，但同时臭氧也会对有机吸附造成破坏。基于这一点，人们开始研究以比表面更大的其他吸附剂代替活性炭，这些吸附剂经臭氧作用后可以获得理想的吸附效率。被研究的这类吸附剂包括活性铝、活性铁矾土和骨碳。表2表明臭氧化作用后的活性铝、铁矾土对DOC 的去除率在臭氧投量较高时可以接近GAC 的处理效果。其优点为：这类无机吸附剂可用化学法再生，比GAC 的热再生经济得多。但这类吸附剂对微生物的媒介作用还没有确论，因而其对可生物降解有机化合物的处理能力还有待进一步研究。,O3-BAC技术展望,目录,膜-BAC处理技术,膜-BAC处理技术概述,本工艺主要结合微滤膜的分离、活性炭的吸附及微生物降解三者的共同作用。,微滤膜通过其机械筛分过程, 将大分子的悬浮物、细菌微粒等作为浓缩液截留, 而一些小分子的有机物可以透过膜表面; 活性炭是一种良好的吸附剂, 凭借其发达的孔隙和巨大的比表面积不仅对水中有机物表现出良好的吸附性能, 同时还为微生物提供生活场所; 微生物则以水中基质污染物作为其获得能量和营养的源泉, 通过其自身的新陈代谢过程完成对有机物的降解。 正是这三种作用的完美结合才保证反应器对水中有机物的良好的去除效果。,膜-BAC反应器工艺具有净化效果显著、净化效果稳定、构筑物紧凑、占地少等优点，社会效益与经济效益十分显著，虽基本建设投资稍高，且运行费用较高，但是一种具有发展潜力的工艺。,在膜分离系统的运行过程中，膜的通量会逐渐降低，其主要原因是膜污染，膜 污染是系统运行中的主要问题。,1、膜污染概念 膜污染是指废水中的微粒、胶体粒子或溶质分子由于与膜之间存在物理化学作用 而在膜表面及膜孔中沉积，使膜孔堵塞或变小，膜阻变大，膜的渗透速率下降的 现象。,2、膜污染的防治 膜生物反应器由于生物量的存在，污染情况尤为严重。目前研究出的膜污染预防及减轻措施包括: 1)膜过滤前对滤料进行预处理，去除一些较大的粒子； 2）调节PH远离蛋白质等电点以减轻吸附； 3）采用亲水性膜； 4）选择膜材料电荷与溶质电荷相同的膜； 5）错流过滤； 6）间歇操作； 7）机械方法（振动膜组件或加强搅拌） 8）附加场的办法（电场、超声波）。,膜污染防治,微滤膜定期要进行清洗，以保证正常的膜通量。膜清洗的方法如下：,1、化学方法 有机污染的清除：0.05%-0.1%的NaOH或H2O2或NaClO溶液清洗； 无机污染的清除：PH2-4的盐酸。,2、物理方法 利用超声波装置进行物理清洗，对膜片的损伤远小于化学清洗，且减少了化学药剂的消耗和污染。,膜清洗,1、超声波强化生物作用分析 1）超声波处理对反应器有机负荷的影响 超声波强化生物作用时功率密度的选择有一最佳值。 2）超声波对BAC的TTC-脱氢酶活性的影响 低强度的超声辐射可以提高膜生物反应器中BAC的活性。 3）超声波对反应器出水有机物分子质量的影响 对小分子去除效率更好，因此设置超声波的反应器中BAC净化效果更好。,2、超声波强化生物作用机理 1）低强度、短周期的超声波处理可提高胞外酶的产率； 2）超声波稳态空化可以加强液体介质的质点运动，可以加速生物反应器中的物质传递，这一过程发生在细胞壁周围这对反应底物进入酶催化的活性部位及产物进入介质中的传质有利； 3）超声波促进微生物酶产生变异。,膜-BAC反应器中超声波强化生物作用的分析,BAC技术作为一种物理化学处理与生物处理相协同的水处理技术，由于其可同时 发挥活性炭吸附和生物降解的优势，具有耐冲击负荷、对水温的适应性强的