基于生物增強(qiáng)工藝的新型活性炭凈水特性與評價指標(biāo)研究.pdf

1、水源污染的日益嚴(yán)重及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高為保障供水安全提出了挑戰(zhàn)。生物增強(qiáng)活性炭深度處理工藝（Bio-Enhanced Activated CarbonProcess，BEAC）因其高效性和穩(wěn)定性而得到廣泛應(yīng)用。適用于BEAC工藝的活性炭應(yīng)兼顧吸附性能和功能菌固定能力，這就要求活性炭具有更加合理的孔結(jié)構(gòu)分布。但目前我國凈水廠常用的活性炭以微孔型吸附炭為主，以微孔型炭構(gòu)建的BEAC工藝仍存在著一些問題。微孔型炭對天然有機(jī)物的吸附效能和功能菌

2、固定化能力有限，使得BEAC工藝的凈水效能和活性炭的適用壽命得不到有效的提高。因此，開展適用于BEAC工藝的新型高效活性炭的研究對于保障供水安全具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價值。
　　本文針對經(jīng)活化前氧化與深度活化進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)調(diào)整的煤質(zhì)活性炭，探討了孔結(jié)構(gòu)調(diào)控對活性炭表面物化特性，吸附性能指標(biāo)和功能菌固定能力的影響；優(yōu)選出基于生物增強(qiáng)新型高效活性炭（XHIT型炭）。研究結(jié)果表明，與凈水廠常用的破碎活性炭（PS）和柱狀活性炭（ZJ15

3、）相比，經(jīng)孔結(jié)構(gòu)調(diào)控后的XHIT型炭具有同步發(fā)達(dá)的中孔（0.7041 cm3/g）和大孔容積（0.153 cm3/g），微孔容積也達(dá)到了（0.2616 cm3/g）?？讖椒植荚?0.4～208.2范圍內(nèi)中孔（孔容積為0.6848 cm3/g）的增加提高了XHIT型炭的吸附效能，其碘吸附值（VIN）、亞甲藍(lán)吸附值（VMB）和腐殖酸吸附值（VHA）分別達(dá)到1100 mg/g、251 mg/g和1.033 mg/g。與常用活性炭PS和ZJ15

4、相比，XHIT型炭表面的菌量經(jīng)24 h循環(huán)固定后分別提高了45.84％和21.40%。
　　通過小試試驗(yàn)與快速吸附試驗(yàn)（RSSCT）相結(jié)合的方式，以凈水廠常用的PS型和 ZJ15型活性炭為參照，對比研究了 XHIT型炭凈化松花江水源水的特性；從微孔污染物總量控制的角度，明確了生物增強(qiáng)活性炭生物降解與吸附發(fā)揮協(xié)同作用的量化關(guān)系。研究結(jié)果表明，采用 XHIT型炭所構(gòu)建的普通生物活性炭工藝（Biological Activated Ca

5、rbon-BAC，標(biāo)記為C-XHIT體系）及BEAC工藝（標(biāo)記為 B-XHIT體系）對富里酸類、腐殖酸類、芳香類、烷類、苯類及萘類等有機(jī)污染物的去除效能均優(yōu)于PS型和ZJ15型活性炭。生物降解及吸附協(xié)同效能量化研究表明：XHIT型炭的通水倍數(shù)（KBV）由39.50增加至96.06 m3·水/kg·炭時，B-XHIT體系內(nèi)由生物降解作用貢獻(xiàn)的CODMn累積去除量（比率）由31674.72 mg·CODMn/kg·炭（33.40%）增加至6

6、1364.53 mg·CODMn/kg·炭（47.53%）。對活性炭表面生物量及菌群結(jié)構(gòu)的分析表明，XHIT型炭的表面微環(huán)境及孔結(jié)構(gòu)分布特性較凈水廠常用活性炭（PS和ZJ15）更加適宜優(yōu)勢功能菌及水源水中菌群的表面固定化及增殖。
　　通過小試試驗(yàn)體系的快速穿透試驗(yàn)，基于CODMn穿透點(diǎn)和吸附性能指標(biāo)的變化特性研究了XHIT型炭的使用壽命；探討了評價炭壽命及凈水效能的代表性指標(biāo)。研究結(jié)果表明，小試試驗(yàn)體系的進(jìn)水CODMn均值為3.2

7、8±0.47 mg/L時，XHIT型炭所構(gòu)建的小試試驗(yàn)體系第二次達(dá)到 CODMn穿透點(diǎn)（CODMn達(dá)到3.0 mg/L）時，C-XHIT和B-XHIT體系累積可處理水量（2st-KBVC-3.0和2st-KBVB-3.0）分別達(dá)到75.20和96.06 m3·水/kg·炭；以CODMn表征的有機(jī)物污染物累積去除量（2st-QCC-3.0和2st-QCB-3.0）分別達(dá)到103875.2和129089.85 mg·CODMn/kg·炭。相

8、關(guān)性分析表明，各試驗(yàn)體系的CODMn半數(shù)穿透點(diǎn)（KBVC/B-1.5）與2st-KBVC/B-3.0及2st-QCC/B-3.0之間具有良好的非線性相關(guān)性，證實(shí)了以KBVC/B-1.5作為評價不同類型活性炭使用壽命的代表性指標(biāo)的合理性。研究同時證實(shí)了單純基于性能指標(biāo)國標(biāo)限制值評價活性炭壽命的不足，并對主要吸附性能指標(biāo)的限制值進(jìn)行了修正。
　　在對XHIT型炭特性表征、凈水效能、吸附與生物降解協(xié)同效能及使用壽命分析成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建

9、了基于生物增強(qiáng)工藝的XHIT型活性炭的綜合加權(quán)評價指標(biāo)體系。研究結(jié)果表明，通過對活性炭基礎(chǔ)指標(biāo)體系的完善及理想模式炭（MST）和性能指標(biāo)權(quán)重（Wi）的引入，以體現(xiàn)不同類型活性炭孔結(jié)構(gòu)分布特征及吸附性能的12項(xiàng)主要指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合量化評分（CQI評分），可以明確活性炭對功能菌的固定能力和對CODMn的累積去除能力。對XHIT型炭的凈水經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的對比核算結(jié)果表明，XHIT型炭在噸水處理成本有所降低的同時，可提高對CODMn表征的有機(jī)物污染

10、物的累積去除量；XHIT型炭在BAC及BEAC工藝條件下的凈水性價比優(yōu)于凈水廠常用活性炭PS和ZJ15。
　　綜上，通過本文系統(tǒng)的研究了孔結(jié)構(gòu)分布特性對其吸附效能及功能菌固定能力的影響；活性炭表面生物降解與吸附作用協(xié)同效能的量化關(guān)系；基于凈水效能和吸附性能指標(biāo)變化特性相結(jié)合的活性炭壽命評價方法；生物增強(qiáng)的活性炭加權(quán)綜合評價指標(biāo)體系。所獲得的研究成果可為保障BEAC工藝的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)，同時將對我國供水行業(yè)活性炭新材料的廣