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生物活性炭去除水中挥发性苯系物的基础研究
作者:管理员    发布于:2017-12-06 14:02:30    文字:【】【】【

  有关统计资料表明:我国181个大中城市中,主要以地下水为供水水源的城市有61个,以地表水和地下水联合作为供水水源的城市有40个,全国有1/3的人口饮用地下水⑴然而随着我国经济的快速发展,汽油消费量迅猛增长,汽油的广泛使用、地下储油罐和输油管道的泄漏,加油站的废弃,都导致大量汽油进入环境。其中所含的苯系物(苯,甲苯,乙苯,二甲苯,简称BTEX)越来越严重地污染了地表水和地下水,并且这类污染物都具有高毒性和致癌性,对人体有巨大的危害。

  活性炭是去除水中微量有机物的有效方法,但其缺点在于一旦吸附饱和后就需要再生。使用微生物负载在活性炭床层上形成生物活性炭(BAC),可以有效克服上述缺点,特别是对处理水中微量持久性有机污染物有明显效果。前人:2011-03-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(40901148);上海市自然科学基金(11ZR1409400);中央高校基本科研业务费专项资金资助(WB1014038);环保公益性行业科研专项经费(201109013)对于生物活性炭去除水中BTEX的研究,许多是以粉末活性炭(PAC)为载体进行批式)得到了和处理苯、甲苯相似的情况。生物活性炭出水的污染物浓度均比空白组有较为明显的降低。处理邻二甲苯,乙苯终出水平衡浓度较低,而苯高,这样的次序基本和其在活性炭上的吸附容量次序相一致。

  随着生物活性炭的运行,微生物的生长导致其床层高度不断膨胀。空白床层高度始终维持在44.5cm左右,而处理苯、甲苯和乙苯的BAC系统运行7d后床层高度达7cm左右。相比之下,处理邻二甲苯的床层高度增高速度要低很多,这是由于邻二甲苯的降解性较差,床层高度终维持在左右。

  BTEX生物活性炭中吸附和降解作用由表1可以发现,在低浓度进行到40d时,苯、甲苯的去除量已经大大高于平衡吸附容量,分别达到了559°、178°;对于乙苯和二甲苯而言,虽由于其活性炭吸附容量较大,故而去除量未大于吸附量,但同时进行的空白组数据表明,乙苯和二甲苯在20d之后出水就开始有检出并且浓度持续上升,而生物活性炭中在40d后出水仍没有乙苯和二甲苯检出,说明对于BTEX而言,生物活性炭的处理效果远高于单纯的活性炭吸附效果,微生物降解在该工艺中起到了关键性的作用。

  在短期高浓度处理时,除乙苯之外,其他3种BTEX的BAC中的吸附容量利用率均已经超过了100,依次分别为604(苯)、136(邻二甲苯)和122(甲苯)。其实BTEX的实际去除量在14631719mg之间,之所以在吸附容量利用率上有如此悬殊的差别,是由于活性炭对于4种表1 BAC处理情况一览表化合物进样量去除量(mg总体平衡吸附容量a去除率b吸附容量利用率c苯d甲苯d乙苯d邻二甲苯d苯e甲苯e乙苯e邻二甲苯e注:a平衡吸附容量X炭量;b去除量/进样量;c去除量/总体平衡吸附容量;d6mg/L进水炭柱;e1932mg/L进水炭柱BTEX的平衡吸附容量有显著不同,这也再次说32mg/L进水时,苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯BAC明在生物活性炭中,长期而言,吸附并不是去除污的平均容积负荷分别已达到10.9,8.68,9.99和染物的主要因素,BTEX在活性炭床层中的生物12.9kgTOC/(m3.d),说明BAC可以在如此高负荷降解才是去除的主要方式。由表1可见,19条件下持续去除BTEX.时间(d)BTEX生物活性炭和对照组出水浓度比较进水浓度19~32mg/L BTEX生物活性炭对于溶解氧的消耗由表2可见,生物活性炭工艺的实际耗氧量比理论耗氧量小很多。其取样时间是短期高负荷生物活性炭运行14d,即可认为此时微生物降解是生物活性炭去除有机物的主要作用。在BTEX生物活性炭中,实际耗氧量是理论耗氧量的19°33°,其中已包括了微生物自身成长的因素,说明生物活性炭工艺对于BTEX的去除并不能够用简单的生物降解矿化来解释。

  一些研究也观察到了生物活性炭中溶解氧利用率高于理论值的现象。一般认为生物膜在不断增长的过程中,溶解氧在其中的传质速率也在不断降低,虽然活性炭上吸附的溶解氧会补充入生物膜,但生物膜内部环境中的溶解氧无法避免地小于周围溶液环境,从而形成一个缺氧的环境。Yerushalmi等认为,在溶解氧受限(如DO<2mg/L)的情况下,微生物依然可以以氧为电子受体代谢苯,不过为不完全代谢,产生酚类代谢产物。Chudyk等指出在苯酚生物活性炭中,若发生了同时生成有机副产物和C2的有氧不完全代谢,则生物活性炭降解苯酚时所耗的氧可以小于完全降解的理论需要量。当然,在长时间缺氧和存在其他电子受体的情况下,微生物也可能转为厌氧代谢苯系物,同样产生有机代谢副产物活性炭对于这些酚类有机代谢副产物具备很好的吸附能力,使得生物活性炭工艺对于溶解氧的需要量远小于一般的生物降解工艺。

  2.5不同材质活性炭的BTEX生物活性炭及其生物再生作用不同材质活性炭的BTEX生物活性炭),说明活性炭表面生物膜中的细菌多样性增加在苯酚生物活性炭工艺的成熟生物膜中观察到了大量丝状菌,并且认为该丝状菌可能为真菌。真菌生长时虽然生长代谢速度不如细菌,但相比细菌有更强的降解能力,对于氮的需求也较低,氮源一定的环境中具备竞争优势,故而在成熟的生物膜中存在一定数量甚至大量的真菌。

  在吸附到活性炭中之后,成为了难降解且不易脱附的有机物,占据了活性炭的微孔,造成了生物活性炭生物再生性能的局限性。

  为了评价微生物对于活性炭的生物再生效率,Klimenko等将生物再生过后的活性炭和新鲜活性炭的吸附容量进行比较。

  衡吸附容量。

  表3显示了2种生物活性炭的生物再生效率(平衡吸附容量设定为平衡浓度为10mg/L时的值)和其他值进行的比较。从表3可见,煤质炭的生物再生效率为53.6°,和大部分值均较为接近,而椰壳炭的生物再生效率较低。实际上2种炭剩余的甲苯吸附容量实际值较为接近,分别为96.2,95.3mg/g,再生效率相差较大的原因是椰壳炭本身的吸附容量较大,而且其中大孔数量少于煤质炭。Klimenko等也比较了两种孔径分布不同炭的生物再生情况,同样得到了中孔居多的炭生物再生效率较高的结果。

  原炭(b)煤质lg平衡浓度(mg/L)两种材质生物活性炭的甲苯平衡等温线比较表3生物活性炭的生物再生率比较化合物炭型微生物类型或来源生物再生效率(.)来源煤质石化厂活性污泥53.6本研究椰壳石化厂活性污泥26.6本研究苯CalgonF400Pseudomonassp.38.2甲苯Calgon SKNP-1cPseudomonassp.69.0注:a该研究使用流化床反应器,除此之外,表中其他研究均使用固定床反应器;b该炭型细孔以微孔为主;c该炭型细孔以中孔为主由可见,无论是煤质炭还是椰壳炭,其甲苯的吸附容量均是原炭>生物活性炭>颗粒活性炭。这说明生物活性炭对于活性炭吸附容量的恢复有比较明显的作用,但是这样的生物再生有一定的局限。在通清水2周后,其吸附容量仍不能恢复到原炭的水平。这是由于生物活性炭运行后的吸附容量下降可能是难降解的有机物占据活性炭微孔所引起的。微生物生长本身产生的SMP 3结论3.1生物活性炭对于BTEX具有良好的处理能力,能够在高负荷条件(8.6812.9kgTOC/(m3-d))下持续处理水中BTEX,对于苯系物BAC处理装置可以减少其建设场地,节约基建费用。

  3.2对于BTEX生物活性炭的进出水DO和DOC分析发现,生物活性炭工艺对于DO的实际消耗量远远小于理论需要量,这使得苯系物BAC的操作费用也可以大大减少。

  3.3通过比较生物活性炭、无生物生长的对照组和原始炭样的BTEX吸附容量,发现其甲苯吸附容量的顺序为原炭>生物活性炭>对照组炭。煤质炭和椰壳炭的生物再生效率分别为53.6和26.6,煤质炭生物再生效率高的原因是其吸附容量较小,同时具备更多的大型中孔和大孔。

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