摘要：簡(jiǎn)要介紹了生物活性炭的定義，工藝原理，主要特點(diǎn)，影響因素和性能要求，無(wú)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(biāo)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(dá)、比表面積巨大、吸附能力強(qiáng)的功能性碳材料。

作為以炭為主體的吸附劑，從理論上說(shuō)，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(jiān)果殼開始作為活性炭生產(chǎn)原料用于不定型顆�；钚蕴康纳�產(chǎn)。

目前，世界上活性炭的年總產(chǎn)量已達(dá)90萬(wàn)t以上，其中生產(chǎn)量居首位的是中國(guó)，截止2007年，其年實(shí)際生產(chǎn)能力在35萬(wàn)t以上。其次是美國(guó)，其年生產(chǎn)能力為18萬(wàn)t，其余主要活性炭生產(chǎn)國(guó)家或地區(qū)中，西歐各國(guó)年產(chǎn)量約15萬(wàn)t，日本年產(chǎn)量為8萬(wàn)~10萬(wàn)t，俄羅斯約8萬(wàn)t/a。中國(guó)的活性炭工業(yè)是建國(guó)后開始發(fā)展起來(lái)的，但至上世紀(jì)70年代末期年總產(chǎn)量一直在萬(wàn)噸以下，未能形成工業(yè)規(guī)模，之后隨著國(guó)內(nèi)外需求量的不斷增長(zhǎng)，尤其是活性炭出口量的激增，使中國(guó)國(guó)內(nèi)活性炭工業(yè)飛速發(fā)展。目前，全國(guó)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(gè)，牌號(hào)100多種，其中煤基活性炭占70%左右。在中國(guó)每年超過(guò)35萬(wàn)t的活性炭生產(chǎn)量中，活性炭出口量在25萬(wàn)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(jì)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(jī)物，主要利用的是其優(yōu)良的吸附能力。在上世紀(jì)70年代末期，人們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌在粒狀活性炭過(guò)濾器中滋生繁殖，可通過(guò)分解去除大部分過(guò)濾器中的有機(jī)物。依據(jù)此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)預(yù)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(jī)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(xì)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(qiáng)型活性炭工藝。

20世紀(jì)80年代以后，由于地表水的總體水質(zhì)不斷下降，而用戶對(duì)飲用水的要求越來(lái)越嚴(yán)格，同時(shí)依據(jù)歐盟新的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)飲用水中添加的氯化副產(chǎn)物殘余量限定越來(lái)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(jì)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(guó)），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(qiáng)生物活性的應(yīng)用逐漸流行起來(lái)，因此預(yù)計(jì)生物處理方法會(huì)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(guò)濾器中利用生物法去除溶解有機(jī)物可以使處理后的水質(zhì)具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，生物活性可以去除大量的溶解有機(jī)碳（DOC）。利用吸附和生物活性去除溶解有機(jī)碳的理論表述如圖1所示。首先，大部分的去除過(guò)程發(fā)生在物理吸附階段（階段A），而此時(shí)細(xì)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(jī)碳，而其它10%~20%的溶解有機(jī)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(shí)進(jìn)行。此時(shí)細(xì)菌已適應(yīng)了環(huán)境，由于吸附點(diǎn)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(jī)碳過(guò)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(jī)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(huì)大大延長(zhǎng)。

構(gòu)成地表水溶解有機(jī)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(duì)健康有害，在很多國(guó)家受到限制。三鹵乙烷和鹵乙酸前質(zhì)的去除與溶解有機(jī)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(guò)濾池的生物氧化對(duì)去除無(wú)機(jī)物同樣有效，如氨。氨是一種有毒的化學(xué)物質(zhì)，能促進(jìn)生物生長(zhǎng)并與氯發(fā)生反應(yīng)。溶解有機(jī)碳和氨的去除可大大減少處理后，水對(duì)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(shí)也提高了水質(zhì)。

預(yù)臭氧化給水處理工藝帶來(lái)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(qiáng)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(shí)會(huì)導(dǎo)致供水系統(tǒng)中生物的生長(zhǎng)。去除生物活性炭過(guò)濾器中的可降解化合物有助于控制生物再生長(zhǎng)，進(jìn)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(jī)碳（AOC）和可生物降解性有機(jī)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(lái)制定規(guī)范的目標(biāo)。

具有生物活性的粒狀活性炭對(duì)去除合成有機(jī)化學(xué)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(guò)去除與不可生物降解或緩慢生物降解化合物爭(zhēng)奪吸附點(diǎn)的物質(zhì)增強(qiáng)粒狀活性炭的吸附能力。有時(shí)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(jī)物的較重要參數(shù)是空床層接觸時(shí)間。接觸時(shí)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(guó)幾個(gè)主要水廠的接觸時(shí)間在10~15min之間。然而，在某些案例中，接觸時(shí)間低于5min即可有效去除可生物同化有機(jī)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(shí)間以降低天然有機(jī)化合物。生物活性炭過(guò)濾器中的微生物和高級(jí)生命形態(tài)會(huì)導(dǎo)致壓降的快速增加，從而需要更頻繁、更有效的反洗過(guò)程。這一影響在溫水中比在冷水中更加明顯。生物活性炭過(guò)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(guò)度繁殖，并保持低營(yíng)養(yǎng)水平。反洗可去除一部分聚集在粒狀活性炭上的細(xì)菌體。在冷水中，反洗后可降解物質(zhì)的去除效率會(huì)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(jìn)行反洗，去除效率的下降更加明顯。另外，如果進(jìn)水已用氯、氯胺或二氧化氯預(yù)消毒過(guò)，則生物處理的效率會(huì)有所降低。

加拿大和美國(guó)的研究表明，具有過(guò)濾和吸附雙重功能的生物活性炭過(guò)濾器的性能可以完全達(dá)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(shuō)，在充足的接觸時(shí)間條件下，可將生物活性炭過(guò)濾器改造成現(xiàn)有的沙濾和雙濾料過(guò)濾器。當(dāng)活性炭既用于過(guò)濾又用于吸附時(shí)，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(zhǎng)的停留時(shí)間，而不會(huì)產(chǎn)生壓降和吸附性能降低的問(wèn)題。

在考慮生物活性炭工藝時(shí)，需要重視細(xì)菌體隨水排出的風(fēng)險(xiǎn)。生物活性炭過(guò)濾器中的細(xì)菌可以很容易被之后的殺菌過(guò)程去除。由于活性炭顆粒被發(fā)現(xiàn)可以為生物提供庇護(hù)場(chǎng)所，并保護(hù)他們不被之后的殺菌過(guò)程滅活。因此，為防止含有生物體的細(xì)小活性炭流到產(chǎn)品水中，一般需增加一個(gè)沙濾過(guò)程，由一層15~25cm高的砂粒濾層作為粒狀活性炭過(guò)濾層的補(bǔ)充。

3 生物活性炭的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的沙子或無(wú)煙煤濾料相比，粒狀活性炭能承載更大密度的細(xì)菌。飲用水條件下，處理已預(yù)臭氧化處理的水，文獻(xiàn)記載的固定細(xì)菌生物數(shù)量為：沙子或無(wú)煙煤為1.0×10⁶~1.0×10⁷細(xì)菌/克，而 活性炭為1.0×10⁵~1.0×10⁹細(xì)菌/克。

因此，活性炭通過(guò)3個(gè)方面成為細(xì)菌良好的棲息地并促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)：為細(xì)菌提供理想的場(chǎng)所，調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)供給和保護(hù)細(xì)菌不受生物殺滅劑、殺蟲劑和其它毒素的侵?jǐn)_。一般選用煤基活性炭用在生物活性炭處理工藝中，這是因?yàn)樗麄兪巧�物活性炭工��。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(lái)的煤基活性炭的特性也有所不同。

3.1 提供理想場(chǎng)所

目前，國(guó)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(duì)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(xì)菌需要粗糙的表面，以便于附著。通過(guò)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(gè)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(jìn)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(gè)顆粒的表面均是粗糙表面。

細(xì)菌更易于附著在通過(guò)壓塊破碎方法生產(chǎn)出來(lái)的活性炭上（破碎到所需大�。┒�不是通過(guò)擠出法或直接活化法生產(chǎn)出來(lái)的活性炭上，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(xì)菌的附著和生長(zhǎng)。

原煤破碎活性炭在分子等級(jí)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(duì)而言壓塊破碎活性炭顆�？梢詾榫劬蛹�(xì)菌提供更好的場(chǎng)所。同時(shí)，由于細(xì)菌一般大于1μm，會(huì)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(dá)的中孔和合適的大孔結(jié)構(gòu)更為有利。

3.2 通過(guò)吸附調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)供給

生物活性炭的第二個(gè)重要作用是從水中吸附溶解有機(jī)物為細(xì)菌提供食物。當(dāng)這些有機(jī)物進(jìn)入或離開顆�？捉Y(jié)構(gòu)時(shí)被細(xì)菌捕食。當(dāng)進(jìn)水中有機(jī)濃度較高時(shí)，活性炭會(huì)吸附過(guò)量的有機(jī)物，以防止細(xì)菌的過(guò)量繁殖，控制細(xì)菌的整體數(shù)量。

當(dāng)水中的有機(jī)物濃度低于進(jìn)口平均濃度，吸附在活性炭上的某些有機(jī)物會(huì)被解吸出來(lái)，這些有機(jī)物將被細(xì)菌捕食以達(dá)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(jī)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(jī)物濃度的能力就越強(qiáng)，從而活性炭調(diào)節(jié)食物供給的能力也就越強(qiáng)。

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(qiáng)。研究和實(shí)踐均表明，通過(guò)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(qiáng)。

3.3 保護(hù)細(xì)菌不受生物殺滅劑、殺蟲劑和其它毒素的侵?jǐn)_

水處理過(guò)程中，有2種主要化學(xué)劑會(huì)對(duì)生物活性炭工藝的細(xì)菌聚居地有害。一種是用于水消毒的化學(xué)劑。這種化學(xué)劑是典型的強(qiáng)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(duì)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(shí)所有活性炭都可與強(qiáng)氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在吸附器中，活性炭在氧化劑攻擊細(xì)菌之前與其發(fā)生反應(yīng)�；钚蕴吭诨钚蕴课�附器的頂部與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，使炭床其它部分的細(xì)菌生活在比較安全的水域。高密度的活性炭較適合該過(guò)程，這是因?yàn)閱挝活w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(duì)細(xì)菌有害的化學(xué)劑是有機(jī)毒藥，如農(nóng)藥。大多數(shù)有毒的有機(jī)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(jí)到ppt級(jí)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(qiáng)的區(qū)域。

測(cè)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(guò)微量吸附能力實(shí)驗(yàn)，以微孔區(qū)域內(nèi)具有較強(qiáng)吸附能力的吸附點(diǎn)的數(shù)量表示。過(guò)去，在真空系統(tǒng)中氣相吸附用來(lái)測(cè)量微量能力，但這些實(shí)驗(yàn)太復(fù)雜且昂貴。因此，新的氣相和液相微量吸附能力的實(shí)驗(yàn)被開發(fā)出來(lái)。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?jǐn)_細(xì)菌的毒物的能力很強(qiáng)。如前面所提到的，通過(guò)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(jī)械和再生的要求，在選用活性炭時(shí)需要考慮一些其它特性，包括堆密度，硬度和磨損值，化學(xué)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�率，熱再生收率和產(chǎn)品數(shù)量，以粒狀活性炭過(guò)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(guò)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(duì)吸附能力相同的產(chǎn)品,壽命更長(zhǎng)。

具有高硬度值和磨損值的活性炭在處理，反洗，運(yùn)輸和熱再生（高再生率）過(guò)程中的損失較低（即活性炭粉末）。

低化學(xué)活性對(duì)于高溫?zé)嵩偕�產(chǎn)率非常重要，可以減少補(bǔ)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。