活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭加生物膜反應(yīng)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(hù)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(chǎn)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(shù)的效率和成本。氧氣的供應(yīng)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(fā)了一種重力流自供氧氣以及易于維護(hù)的生物增強(qiáng)型活性炭動態(tài)生物膜反應(yīng)器，用于現(xiàn)場灰水處理。

　　活性炭生物膜特性

　　活性炭是生物膜生長的優(yōu)良載體，它可以快速從液相中吸收有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)，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(tài)動力學(xué)、生物膜組分的濃度和反應(yīng)器不同位置的官能團(tuán)。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(zhì)，變得更加粗糙。由于生物膜中蛋白質(zhì)、碳水化合物和DNA的積累，包括N、O和P在內(nèi)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(yīng)該有助于活性炭和生物膜對LAS(磺酸基團(tuán))的吸附。

　　圖1：使用掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)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(tài)和元素分布。

　　如圖1f所示，隨著飽和/不飽和比的增加，蛋白質(zhì)、碳水化合物和DNA的濃度逐漸增加。在每一階段，反應(yīng)器頂部的組分總濃度遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的分層和底部，導(dǎo)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(zhì)和碳水化合物的濃度遠(yuǎn)高于DNA。先前的研究表明，富含蛋白質(zhì)和碳水化合物的細(xì)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(zhì)的EPS可以實(shí)現(xiàn)對生物膜的LAS毒性對微生物生理功能的短時保護(hù)，所有這些都在系統(tǒng)中保持穩(wěn)定的生物膜結(jié)構(gòu)和有效的LAS去除。

　　活性炭加生物膜反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行

　　實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的圓柱形反應(yīng)器中進(jìn)行，內(nèi)徑和有效高度分別為6.0和67cm。活性炭反應(yīng)器的示意圖如圖2a所示。反應(yīng)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(yīng)器頂部，并通過網(wǎng)格布水器均勻分布。進(jìn)料的重力流動導(dǎo)致活性炭反應(yīng)器中不飽和和飽和區(qū)域的形成。飽和區(qū)的深度由反應(yīng)器底部的出口高度根據(jù)連接容器的規(guī)律控制。對于活性炭反應(yīng)器的連續(xù)長期運(yùn)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(diào)節(jié)進(jìn)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(tài)生物膜反應(yīng)器示意圖和b灰水期間活性炭反應(yīng)器中的功能區(qū)和生物膜層在顯著分層位置處理。

　　磺酸基團(tuán)吸附和生物降解的區(qū)分和量化

　　圖3顯示了磺酸基團(tuán)在活性炭、滅活生物膜-活性炭和生物增強(qiáng)活性炭中的去除動力學(xué)，以及生物增強(qiáng)活性炭中生物降解和生物膜附著LAS的建模結(jié)果。活性炭和生物膜中的多孔結(jié)構(gòu)(圖1a-d)和多種官能團(tuán)(圖1g)使LAS在活性炭-生物膜系統(tǒng)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(jié)果相當(dāng)令人滿意，偽一級模型很好地擬合了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，活性炭中LAS的吸附速率常數(shù)和平衡吸附容量均高于滅活活性炭，表明活性炭優(yōu)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(qiáng)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(guān)鍵是吸附和生物降解在系統(tǒng)中LAS和氮的快速吸收和持續(xù)去除中起著重要而獨(dú)特的作用。

　　圖3：磺酸基團(tuán)去除動力學(xué)在活性炭、b滅活生物膜-活性炭、c生物增強(qiáng)活性炭和d生物增強(qiáng)活性炭中的LAS去除動力學(xué)的批量實(shí)驗(yàn)。

　　活性炭加生物膜反應(yīng)器對灰水處理的性能，本期開發(fā)了一種易于維護(hù)且節(jié)能的活性炭反應(yīng)器，用于源轉(zhuǎn)移灰水處理。飽和/不飽和比的增加導(dǎo)致活性炭表面上的生物量不斷增長。特別是在反應(yīng)器頂部實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(qū)被去除。關(guān)鍵是吸附和生物降解在活性炭處理中有機(jī)物和N的快速吸收和持續(xù)去除中起著重要而獨(dú)特的作用。微生物群落分析進(jìn)一步闡明了對LAS礦化、有機(jī)N和銨代謝起作用的相關(guān)屬和酶，和硝酸鹽呼吸使系統(tǒng)中有機(jī)物和氮的有效和同時去除成為可能。因此，開發(fā)的活性炭加生物膜反應(yīng)器可以提供一種易于維護(hù)的方法來實(shí)現(xiàn)高效和低能耗的灰水和其他類型的廢水處理。

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