活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭加生物膜反應器對灰水處理的性能

　　對淡水的需求不斷增加，促使人們努力保護寶貴的水資源和再利用廢水。作為生活污水的主要來源，灰水被定義為家庭產生的廢水。由于主要來自日常洗滌和清潔，灰水總是含有氮、病原體、微污染物和高濃度的直鏈烷基苯磺酸鹽。源頭分流中水回用的潛力主要取決于中水處理技術的效率和成本。氧氣的供應和利用率直接決定了生物灰水處理的能耗和污染物去除率。本研究開發了一種重力流自供氧氣以及易于維護的生物增強型活性炭動態生物膜反應器，用于現場灰水處理。

　　活性炭生物膜特性

　　活性炭是生物膜生長的優良載體，它可以快速從液相中吸收有機物和營養物質，用于生物膜中微生物的新陳代謝。圖1顯示了有和沒有生物膜的活性炭形態動力學、生物膜組分的濃度和反應器不同位置的官能團。活性炭中的元素主要包括碳(C，88.4%)、氮(N，4.87%)、氧(O，5.68%)，以及少量的磷(P，0.04%)，活性炭表面為比較順利。生物膜形成后，活性炭表面附著大量生物質，變得更加粗糙。由于生物膜中蛋白質、碳水化合物和DNA的積累，包括N、O和P在內的主要元素的比例顯著增加(圖1e)。值得注意的是，硫元素也被檢測到，這應該有助于活性炭和生物膜對LAS(磺酸基團)的吸附。

　　圖1：使用掃描電子顯微鏡(SEM)結合能量色散X射線(EDX)光譜法分析活性炭和生物膜的表面形態和元素分布。

　　如圖1f所示，隨著飽和/不飽和比的增加，蛋白質、碳水化合物和DNA的濃度逐漸增加。在每一階段，反應器頂部的組分總濃度遠高于系統的分層和底部，導致生物膜中N、O和P的元素比例相對較高(圖1b)。在每個階段，生物膜中蛋白質和碳水化合物的濃度遠高于DNA。先前的研究表明，富含蛋白質和碳水化合物的細胞外聚合物(EPS)可改善LAS在生物膜中的積累。此外，富含蛋白質的EPS可以實現對生物膜的LAS毒性對微生物生理功能的短時保護，所有這些都在系統中保持穩定的生物膜結構和有效的LAS去除。

　　活性炭加生物膜反應器的連續運行

　　實驗在實驗室規模的圓柱形反應器中進行，內徑和有效高度分別為6.0和67cm。活性炭反應器的示意圖如圖2a所示。反應器的有效空容積為1.90L，裝滿活性炭時可容納0.92L的水。灰水通過蠕動泵輸送到反應器頂部，并通過網格布水器均勻分布。進料的重力流動導致活性炭反應器中不飽和和飽和區域的形成。飽和區的深度由反應器底部的出口高度根據連接容器的規律控制。對于活性炭反應器的連續長期運行，飽和/不飽和比分別控制在1:2.3、1:1.1和1:0.5。通過調節進水泵的速度，每個階段的水力停留時間保持在6.7小時。

　　圖2：a活性炭動態生物膜反應器示意圖和b灰水期間活性炭反應器中的功能區和生物膜層在顯著分層位置處理。

　　磺酸基團吸附和生物降解的區分和量化

　　圖3顯示了磺酸基團在活性炭、滅活生物膜-活性炭和生物增強活性炭中的去除動力學，以及生物增強活性炭中生物降解和生物膜附著LAS的建模結果。活性炭和生物膜中的多孔結構(圖1a-d)和多種官能團(圖1g)使LAS在活性炭-生物膜系統中的吸附和積累成為可能。對于LAS在活性炭和滅活活性炭中的吸附，由于SSE值相對較低且q之間的結果相當令人滿意，偽一級模型很好地擬合了實驗數據。此外，活性炭中LAS的吸附速率常數和平衡吸附容量均高于滅活活性炭，表明活性炭優異的吸附性能和生物膜附著將部分降低活性炭的吸附能力。生物增強型活性炭中的LAS最初呈快速積累，然后由于生物降解逐漸下降。關鍵是吸附和生物降解在系統中LAS和氮的快速吸收和持續去除中起著重要而獨特的作用。

　　圖3：磺酸基團去除動力學在活性炭、b滅活生物膜-活性炭、c生物增強活性炭和d生物增強活性炭中的LAS去除動力學的批量實驗。

　　活性炭加生物膜反應器對灰水處理的性能，本期開發了一種易于維護且節能的活性炭反應器，用于源轉移灰水處理。飽和/不飽和比的增加導致活性炭表面上的生物量不斷增長。特別是在反應器頂部實現了最高的生物膜組分濃度和多種功能組。1:1.1的飽和/不飽和比實現了COD(98.3%)、LAS(99.4%)、氨氮(99.8%)和TN(83.5%)的最大去除，其中大部分在不飽和區被去除。關鍵是吸附和生物降解在活性炭處理中有機物和N的快速吸收和持續去除中起著重要而獨特的作用。微生物群落分析進一步闡明了對LAS礦化、有機N和銨代謝起作用的相關屬和酶，和硝酸鹽呼吸使系統中有機物和氮的有效和同時去除成為可能。因此，開發的活性炭加生物膜反應器可以提供一種易于維護的方法來實現高效和低能耗的灰水和其他類型的廢水處理。

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