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構、孔隙發達、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。早期活性炭生產主要采用的是如木炭等木質原料，隨著活性炭制造技術的不斷發展，堅果殼開始作為活性炭生產原料用于不定型顆粒活性炭的生產。

目前，世界上活性炭的年總產量已達90萬t以上，其中生產量居首位的是中國，截止2007年，其年實際生產能力在35萬t以上。其次是美國，其年生產能力為18萬t，其余主要活性炭生產國家或地區中，西歐各國年產量約15萬t，日本年產量為8萬~10萬t，俄羅斯約8萬t/a。中國的活性炭工業是建國后開始發展起來的，但至上世紀70年代末期年總產量一直在萬噸以下，未能形成工業規模，之后隨著國內外需求量的不斷增長，尤其是活性炭出口量的激增，使中國國內活性炭工業飛速發展。目前，全國除西藏、青海外的所有省、市、自治區均有活性炭生產廠家，生產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的活性炭生產量中，活性炭出口量在25萬t以上，其中煤質活性炭出口量占80%左右，活性炭出口能力亦為世界第一。

根據活性炭的用途分類，活性炭的應用領域主要包括液相應用、氣相應用及催化領域的應用，其中應用范圍較廣的是液相應用領域，其年使用量約占目前世界活性炭年總用量的約60%。在活性炭的液相應用領域中，水處理領域，尤其是飲用水深度凈化領域使用量很大，約占活性炭液相應用領域使用量的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，主要利用的是其優良的吸附能力。在上世紀70年代末期，人們發現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。依據此項發現，人們發現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，結合臭氧化并在活性炭的孔隙中培養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不斷下降，而用戶對飲用水的要求越來越嚴格，同時依據歐盟新的飲用水標準，對飲用水中添加的氯化副產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，歐洲生產高質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（主要包括加拿大和美國），然后于2000年前后推廣到亞太地區。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用，并逐步完全替代現有的傳統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具有許多優點，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生在物理吸附階段（階段A），而此時細菌正處于適應環境階段。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。此時細菌已適應了環境，由于吸附點的飽和，吸附能力逐漸下降。階段C被稱為穩定狀態階段，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。在穩定狀態下，溶解有機碳的去除率在15%~40%之間。如果在穩定狀態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。

構成地表水溶解有機碳的天然化合物是氯消毒副產物（DBP）的前質，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的去除與溶解有機碳的去除相互關聯。在穩態條件下，三鹵乙烷和鹵乙酸前質的去除效率約在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，能促進生物生長并與氯發生反應。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，減少了消毒副產物的產生，同時也提高了水質。

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，降低產生氣味和味道的物質和增強生物活性等。然而臭氧殺菌副產物一般 都很容易被生物降解，同時會導致供水系統中生物的生長。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定性。在穩態條件下，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物其中包括某些短鏈醛。這可能成為未來制定規范的目標。

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增強粒狀活性炭的吸附能力。有時被稱為生物——再生效應。

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是空床層接觸時間。接觸時間的確定取決于原水水質、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和有效粒徑。具有較小均一系數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現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，調節營養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合體。不同原料和加工工藝生產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，國內外煤基粒狀活性炭的生產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）活性炭生產工藝及壓塊活性炭生產工藝，3種工藝對原料的要求不盡相同，其生產的活性炭的微觀結構如圖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工藝由四個關鍵步驟組成：將煤研磨成粉，加入黏結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粒可以為聚居細菌提供更好的場所。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的壓塊破碎活性炭，其發達的中孔和合適的大孔結構更為有利。

3.2 通過吸附調節營養供給

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構時被細菌捕食。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定的生物數量。

活性炭調節食物供給的能力（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。數值越高，活性炭調節水中有機物濃度的能力就越強，從而活性炭調節食物供給的能力也就越強。

具有大的吸附體積，并且孔結構分布均勻的活性炭，其調節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節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構，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生化學反應。在吸附器中，活性炭在氧化劑攻擊細菌之前與其發生反應。活性炭在活性炭吸附器的頂部與氧化劑發生反應，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構，在喪失結構完整性之前，可以與更多的氧化劑發生反應。

第二種對細菌有害的化學劑是有機毒藥，如農藥。大多數有毒的有機分子具有低溶解性，分子很大，不是芳香烴結構就是鹵代化合物。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構的微孔區域內，該區域是活性炭吸附力很強的區域。

測量活性炭去除這些低含量農藥的能力的很好的方法是通過微量吸附能力實驗，以微孔區域內具有較強吸附能力的吸附點的數量表示。過去，在真空系統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出來。被均勻活化并具有充足孔結構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。活性炭的堆密度影晌反洗的效率，熱再生收率和產品數量，以粒狀活性炭過濾器的單位體積的重量為基礎。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品，因此，對吸附能力相同的產品,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率非常重要，可以減少補充產品的數量，節省了成本。灰份和灰份組成決定產品的使用安全性。