摘要：簡要介紹了生物活性炭的定義，工藝原理，主要特點，影響因素和性能要求，無論從使用效果，還是從使用壽命衡量，生物活性炭均是用于飲用水深度凈化處理的較佳原料。根據(jù)生物活性炭的性能指標分析，煤基壓塊活性炭是生物活性炭的較好原料。
活性炭是一種具有特殊微晶結(jié)構(gòu)、孔隙發(fā)達、比表面積巨大、吸附能力強的功能性碳材料。
作為以炭為主體的吸附劑，從理論上說，所有含碳材料均可用于活性炭的生產(chǎn)。早期活性炭生產(chǎn)主要采用的是如木炭等木質(zhì)原料，隨著活性炭制造技術(shù)的不斷發(fā)展，堅果殼開始作為活性炭生產(chǎn)原料用于不定型顆粒活性炭的生產(chǎn)。
目前，世界上活性炭的年總產(chǎn)量已達90萬t以上，其中生產(chǎn)量居首位的是中國，截止2007年，其年實際生產(chǎn)能力在35萬t以上。其次是美國，其年生產(chǎn)能力為18萬t，其余主要活性炭生產(chǎn)國家或地區(qū)中，西歐各國年產(chǎn)量約15萬t，日本年產(chǎn)量為8萬~10萬t，俄羅斯約8萬t/a。中國的活性炭工業(yè)是建國后開始發(fā)展起來的，但至上世紀70年代末期年總產(chǎn)量一直在萬噸以下，未能形成工業(yè)規(guī)模，之后隨著國內(nèi)外需求量的不斷增長，尤其是活性炭出口量的激增，使中國國內(nèi)活性炭工業(yè)飛速發(fā)展。目前，全國除西藏、青海外的所有省、市、自治區(qū)均有活性炭生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)的活性炭品種近百個，牌號100多種，其中煤基活性炭占70%左右。在中國每年超過35萬t的活性炭生產(chǎn)量中，活性炭出口量在25萬t以上，其中煤質(zhì)活性炭出口量占80%左右，活性炭出口能力亦為世界第一。
根據(jù)活性炭的用途分類，活性炭的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括液相應(yīng)用、氣相應(yīng)用及催化領(lǐng)域的應(yīng)用，其中應(yīng)用范圍較廣的是液相應(yīng)用領(lǐng)域，其年使用量約占目前世界活性炭年總用量的約60%。在活性炭的液相應(yīng)用領(lǐng)域中，水處理領(lǐng)域，尤其是飲用水深度凈化領(lǐng)域使用量很大，約占活性炭液相應(yīng)用領(lǐng)域使用量的2/3，其中絕大部分為煤基活性炭。
20世紀80年代以前，世界各地已廣泛采用粒狀活性炭（GAC）去除飲用水中的溶解有機物，主要利用的是其優(yōu)良的吸附能力。在上世紀70年代末期，人們發(fā)現(xiàn)細菌在粒狀活性炭過濾器中滋生繁殖，可通過分解去除大部分過濾器中的有機物。依據(jù)此項發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)預臭氧化可以大大增加粒狀活性炭的生物活性，大大提高活性炭去除水中有機物的能力，因此，結(jié)合臭氧化并在活性炭的孔隙中培養(yǎng)具有生物活性的好氧細菌的活性炭飲用水凈化處理工藝得以迅速推廣應(yīng)用。臭氧化和粒狀活性炭的組合使用一般被稱為生物活性炭工藝，又稱為生物增強型活性炭工藝。
20世紀80年代以后，由于地表水的總體水質(zhì)不斷下降，而用戶對飲用水的要求越來越嚴格，同時依據(jù)歐盟新的飲用水標準，對飲用水中添加的氯化副產(chǎn)物殘余量限定越來越低（不大于1μg/L），生物活性炭工藝率先在許多歐洲大型水廠被采用。20世紀90年代后，歐洲生產(chǎn)高質(zhì)量飲用水的方法在世界其他地方迅速推廣，首先是北美地區(qū)（主要包括加拿大和美國），然后于2000年前后推廣到亞太地區(qū)。由于臭氧作為消毒劑和在生物活性炭工藝中增強生物活性的應(yīng)用逐漸流行起來，因此預計生物處理方法會在今后得到更廣泛的應(yīng)用，并逐步完全替代現(xiàn)有的傳統(tǒng)活性炭飲用水處理工藝。
1 生物活性炭工藝的原理
在粒狀活性炭過濾器中利用生物法去除溶解有機物可以使處理后的水質(zhì)具有許多優(yōu)點，例如，生物活性可以去除大量的溶解有機碳（DOC）。利用吸附和生物活性去除溶解有機碳的理論表述如圖1所示。首先，大部分的去除過程發(fā)生在物理吸附階段（階段A），而此時細菌正處于適應(yīng)環(huán)境階段。此階段可去除40%~90%的溶解有機碳，而其它10%~20%的溶解有機碳不被粒狀活性炭所吸附。
在階段B，吸附和生物降解工藝同時進行。此時細菌已適應(yīng)了環(huán)境，由于吸附點的飽和，吸附能力逐漸下降。階段C被稱為穩(wěn)定狀態(tài)階段，生物氧化在去除溶解有機碳過程中起主要作用，而大部分吸附能力在此階段已耗竭。在穩(wěn)定狀態(tài)下，溶解有機碳的去除率在15%~40%之間。如果在穩(wěn)定狀態(tài)下去除效果能滿足處理要求，粒狀活性炭的壽命會大大延長。
構(gòu)成地表水溶解有機碳的天然化合物是氯消毒副產(chǎn)物（DBP）的前質(zhì)，如三鹵乙烷（THMs）和鹵乙酸（HAAs）。水中的三鹵乙烷和鹵乙酸對健康有害，在很多國家受到限制。三鹵乙烷和鹵乙酸前質(zhì)的去除與溶解有機碳的去除相互關(guān)聯(lián)。在穩(wěn)態(tài)條件下，三鹵乙烷和鹵乙酸前質(zhì)的去除效率約在20% ~70%。而工藝的初階段（階段A）的去除效率要高得多，75%~90%被物理吸附去除。
粒狀活性炭過濾池的生物氧化對去除無機物同樣有效，如氨。氨是一種有毒的化學物質(zhì)，能促進生物生長并與氯發(fā)生反應(yīng)。溶解有機碳和氨的去除可大大減少處理后，水對氯的使用量。氯用量的降低，減少了消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，同時也提高了水質(zhì)。
預臭氧化給水處理工藝帶來很多好處，例如，良好的殺菌效果并且不形成三鹵乙烷或鹵乙酸，微絮凝，脫色，去除鐵和錳，降低產(chǎn)生氣味和味道的物質(zhì)和增強生物活性等。然而臭氧殺菌副產(chǎn)物一般 都很容易被生物降解，同時會導致供水系統(tǒng)中生物的生長。去除生物活性炭過濾器中的可降解化合物有助于控制生物再生長，進一步提高殘氯的穩(wěn)定性。在穩(wěn)態(tài)條件下，可生物同化有機碳（AOC）和可生物降解性有機碳（BDOC）的去除率在50%~100%之間。另外，此工藝可完全去除損害健康的臭氧殺菌副產(chǎn)物其中包括某些短鏈醛。這可能成為未來制定規(guī)范的目標。
具有生物活性的粒狀活性炭對去除合成有機化學品，如苯、甲苯和有害健康的殺蟲劑如阿特秀津非常有效。該工藝也可以降低產(chǎn)生臭味和其它味道化合物的濃度，如短鏈醛（果味）、胺和脂肪醛（腥臭味）、苯酚和氯代苯酚（防腐劑和藥品）。
最后，生物活性通過去除與不可生物降解或緩慢生物降解化合物爭奪吸附點的物質(zhì)增強粒狀活性炭的吸附能力。有時被稱為生物——再生效應(yīng)。
2 生物活性炭工藝的主要影響因素
去除可生物降解有機物的較重要參數(shù)是空床層接觸時間。接觸時間的確定取決于原水水質(zhì)、處理要求、活性炭種類和水溫。例如法國幾個主要水廠的接觸時間在10~15min之間。然而，在某些案例中，接觸時間低于5min即可有效去除可生物同化有機碳。在有些極端案例中，在生物活性炭工藝中采 用15~30min接觸時間以降低天然有機化合物。生物活性炭過濾器中的微生物和高級生命形態(tài)會導致壓降的快速增加，從而需要更頻繁、更有效的反洗過程。這一影響在溫水中比在冷水中更加明顯。生物活性炭過濾器需要保持經(jīng)常性的反洗防止微生物在活性炭中的過度繁殖，并保持低營養(yǎng)水平。反洗可去除一部分聚集在粒狀活性炭上的細菌體。在冷水中，反洗后可降解物質(zhì)的去除效率會明顯降低，但冬天的操作不需要頻繁的反洗。如果用含氯的水進行反洗，去除效率的下降更加明顯。另外，如果進水已用氯、氯胺或二氧化氯預消毒過，則生物處理的效率會有所降低。
加拿大和美國的研究表明，具有過濾和吸附雙重功能的生物活性炭過濾器的性能可以完全達到只有吸附單一功能的粒狀活性炭吸附器的性能。也就是說，在充足的接觸時間條件下，可將生物活性炭過濾器改造成現(xiàn)有的沙濾和雙濾料過濾器。當活性炭既用于過濾又用于吸附時，需要慎重選擇活性炭的均一系數(shù)和有效粒徑。具有較小均一系數(shù)的活性炭在具有雙重功能的深床層濾池中能有較長的停留時間，而不會產(chǎn)生壓降和吸附性能降低的問題。
在考慮生物活性炭工藝時，需要重視細菌體隨水排出的風險。生物活性炭過濾器中的細菌可以很容易被之后的殺菌過程去除。由于活性炭顆粒被發(fā)現(xiàn)可以為生物提供庇護場所，并保護他們不被之后的殺菌過程滅活。因此，為防止含有生物體的細小活性炭流到產(chǎn)品水中，一般需增加一個沙濾過程，由一層15~25cm高的砂粒濾層作為粒狀活性炭過濾層的補充。
3 生物活性炭的特點
與傳統(tǒng)的沙子或無煙煤濾料相比，粒狀活性炭能承載更大密度的細菌。飲用水條件下，處理已預臭氧化處理的水，文獻記載的固定細菌生物數(shù)量為：沙子或無煙煤為1.0×106~1.0×107細菌/克，而 活性炭為1.0×105~1.0×109細菌/克。
因此，活性炭通過3個方面成為細菌良好的棲息地并促進細菌的生長：為細菌提供理想的場所，調(diào)節(jié)營養(yǎng)供給和保護細菌不受生物殺滅劑、殺蟲劑和其它毒素的侵擾。一般選用煤基活性炭用在生物活性炭處理工藝中，這是因為他們是生物活性炭工藝。所需要的吸附性能和物理特性完美的結(jié)合體。不同原料和加工工藝生產(chǎn)出來的煤基活性炭的特性也有所不同。
3.1 提供理想場所
目前，國內(nèi)外煤基粒狀活性炭的生產(chǎn)主要可分為成型活性炭工藝和原煤直接活化工藝，而成型活性炭工藝又可分為柱狀（壓條）活性炭生產(chǎn)工藝及壓塊活性炭生產(chǎn)工藝，3種工藝對原料的要求不盡相同，其生產(chǎn)的活性炭的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。
細菌需要粗糙的表面，以便于附著。通過壓塊破碎方法制得的煤基活性炭具有很粗糙的表面。壓塊破碎活性炭生產(chǎn)工藝由四個關(guān)鍵步驟組成：將煤研磨成粉，加入黏結(jié)劑并在高壓下壓成塊狀，將塊狀破碎成所需活性炭的顆粒大小，最后進行炭化和活化。壓塊破碎活性炭在顯微鏡下放大任何倍數(shù)下看到像一塊多孔海綿。
從分子水平的表面到肉眼可看的表面，整個顆粒的表面均是粗糙表面。
細菌更易于附著在通過壓塊破碎方法生產(chǎn)出來的活性炭上（破碎到所需大小）而不是通過擠出法或直接活化法生產(chǎn)出來的活性炭上，這是因為通過壓塊破碎方法制得的活性炭具有均勻的表面。相比之下擠壓生產(chǎn)的柱狀活性炭的表面肉眼或放大后都可看到圓形表面，圓形表面不易于細菌的附著和生長。
原煤破碎活性炭在分子等級下具有粗糙的表面積，但放大100倍和1μum分辨率條件下，表面就變得光滑。原煤破碎活性炭的外表是帶菱角的扁平狀，顯光滑。相比之下，壓塊破碎后的顆粒是圓形的，在顯微鏡下任何放大倍數(shù)看都是粗糙的。
由于壓塊破碎活性炭的表面比其它活性炭的表面更粗糙，因此，相對而言壓塊破碎活性炭顆�？梢詾榫劬蛹毦峁└玫膱鏊�。同時，由于細菌一般大于1μm，會占用粗糙表面1μm或更大的面積，所以主要以煙煤為原料生產(chǎn)的壓塊破碎活性炭，其發(fā)達的中孔和合適的大孔結(jié)構(gòu)更為有利。
3.2 通過吸附調(diào)節(jié)營養(yǎng)供給
生物活性炭的第二個重要作用是從水中吸附溶解有機物為細菌提供食物。當這些有機物進入或離開顆粒孔結(jié)構(gòu)時被細菌捕食。當進水中有機濃度較高時，活性炭會吸附過量的有機物，以防止細菌的過量繁殖，控制細菌的整體數(shù)量。
當水中的有機物濃度低于進口平均濃度，吸附在活性炭上的某些有機物會被解吸出來，這些有機物將被細菌捕食以達到穩(wěn)定的生物數(shù)量。
活性炭調(diào)節(jié)食物供給的能力（因而控制水中的有機濃度）完全由活性炭吸附總體積決定。這由碘值或丁烷值表示。數(shù)值越高，活性炭調(diào)節(jié)水中有機物濃度的能力就越強，從而活性炭調(diào)節(jié)食物供給的能力也就越強。
具有大的吸附體積，并且孔結(jié)構(gòu)分布均勻的活性炭，其調(diào)節(jié)食物供給的能力也很強。研究和實踐均表明，通過壓塊破碎方法制得的活性炭的調(diào)節(jié)能力比其它方法制得的活性炭強。
3.3 保護細菌不受生物殺滅劑、殺蟲劑和其它毒素的侵擾
水處理過程中，有2種主要化學劑會對生物活性炭工藝的細菌聚居地有害。一種是用于水消毒的化學劑。這種化學劑是典型的強氧化劑如漂白劑，臭氧，高錳酸鉀，二氧化氯和氯胺。但生物活性炭對去除這些氧化劑非常有效。所有的活性炭具有粗糙的類石墨結(jié)構(gòu)，可以有效降低氧化劑含量，同時所有活性炭都可與強氧化劑發(fā)生化學反應(yīng)。在吸附器中，活性炭在氧化劑攻擊細菌之前與其發(fā)生反應(yīng)�；钚蕴吭诨钚蕴课狡鞯捻敳颗c氧化劑發(fā)生反應(yīng)，使炭床其它部分的細菌生活在比較安全的水域。高密度的活性炭較適合該過程，這是因為單位顆粒中有更多的石墨結(jié)構(gòu)，在喪失結(jié)構(gòu)完整性之前，可以與更多的氧化劑發(fā)生反應(yīng)。
第二種對細菌有害的化學劑是有機毒藥，如農(nóng)藥。大多數(shù)有毒的有機分子具有低溶解性，分子很大，不是芳香烴結(jié)構(gòu)就是鹵代化合物。這些特性使這些有毒分子非常易于被活性炭所吸附。生物殺滅劑和農(nóng)藥的含量很低，一般在ppb級到ppt級之間。
因此他們被吸附在孔結(jié)構(gòu)的微孔區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域是活性炭吸附力很強的區(qū)域。
測量活性炭去除這些低含量農(nóng)藥的能力的很好的方法是通過微量吸附能力實驗，以微孔區(qū)域內(nèi)具有較強吸附能力的吸附點的數(shù)量表示。過去，在真空系統(tǒng)中氣相吸附用來測量微量能力，但這些實驗太復雜且昂貴。因此，新的氣相和液相微量吸附能力的實驗被開發(fā)出來。被均勻活化并具有充足孔結(jié)構(gòu)的活性炭控制飲用水中侵擾細菌的毒物的能力很強。如前面所提到的，通過壓塊破碎方法制得的活性炭滿足以上要求。
4 生物活性炭的影響特性
由于飲用水處理系統(tǒng)中機械和再生的要求，在選用活性炭時需要考慮一些其它特性，包括堆密度，硬度和磨損值，化學反應(yīng)性，灰份和灰份組成。這些特性因活性炭原料（煤，木和椰殼）的不同而不同�；钚蕴康亩衙芏扔吧畏聪吹男�，熱再生收率和產(chǎn)品數(shù)量，以粒狀活性炭過濾器的單位體積的重量為基礎(chǔ)。高堆密度的活性炭可以承受更快的反洗水流速度，熱再生過程具有更大的靈活性；即單位體積中有更多的活性炭產(chǎn)品，因此，對吸附能力相同的產(chǎn)品,壽命更長。
具有高硬度值和磨損值的活性炭在處理，反洗，運輸和熱再生（高再生率）過程中的損失較低（即活性炭粉末）。
低化學活性對于高溫熱再生產(chǎn)率非常重要，可以減少補充產(chǎn)品的數(shù)量，節(jié)省了成本�；曳莺突曳萁M成決定產(chǎn)品的使用安全性。