活性炭在污水处理中吸附和生化去除耦合作用机理

吸附和生化去除耦合作用机理

有机物的主要去除机理

投加活性炭生物系统中，大分子有机物和微量有机污染物主要通过生物降解／生物转化、污泥吸附（生物吸附）、活性炭吸附和其他化学转化和挥发等作用去除。

1.生物降解／生物转化

（1）废水中有机物的分离

1）大分子有机物 废水由各种有机物组成，如碳水化合物、蛋白质、脂肪等，以COD、BOD、TOC等综合指标来描述。

有机物主要由两部分组成：难生物降解／惰性有机物和可生物降解有机物。在生物系统中，活性污泥、进水中的不可生物降解溶解性有机物流经系统后形态没有改变。此外，惰性颗粒有机物（难生物降解的颗粒物质）可通过生物污泥的形式排出系统。可生物降解的有机物可以被细分为易生物降解有机物和难生物降解有机物。易生物降解有机物主要由可以被微生物直接利用的挥发性脂肪酸、简单碳水化合物、乙醇、氨基酸等组成。然而，一些可生物降解有机物被微生物利用之前需要经过细胞外水解。这些有机物又可以被细分为快速水解有机物和慢速水解有机物。

2）微量有机污染物 除大分子有机物外，废水中的许多微量有机污染物不能笼统地用BOD、COD、TOC等综合指标表示，因为它们的浓度水平是ng/L或μg/L级。最近几十年，人们致力于微量有机污染物的检测和去除，鉴于其可能会对人体健康和环境有不利影响。

化合物的生物降解主要取决于其固有的理化性质。若某种污染物不能被生物降解，通常是由于它的分子结构。污染物的生物降解性也与它在水中的溶解性有关。高溶解性是提高微生物对污染物利用率的因素之一，环境因素如缺少营养物质、矿物质、氧等也会限制污染物的生物降解性。 

污染物的生物降解取决于微生物的状态、种类和活性等。XOCs的生物降解经常受到阻碍主要是由于适合降解它们的微生物数量很少。微生物对特定污染物的适应性通常会对生物降解起到积极的作用。然而，即使经过适应，一些异型生物质通常也难以完全矿化，即只生成有机代谢产物。

（2）有机物生物去除的主要途径

1）一级基质的去除 废水中的大分子有机物一般通过普通新陈代谢去除，不同的组分满足微生物的能量代谢和生长的需要。同样的，一些微量污染物也可以用于生长和能量代谢。

在好氧生物处理过程中，氧是有机物质分解所必需的。异养菌将有机物（CHONS）分解为二氧化碳和水。

2）二级基质的去除 如果生物处理系统中污染物浓度很低，微生物的净生长量为零，因为微生物的衰减速率与生长速率平衡。

然而，如果存在另外一种物质，浓度足够支持现有微生物的生长，细菌仍然可以对污染物进行降解。在这种情况下，该高浓度化合物被看作一级污染物，而低浓度的污染物变成二级污染物。不同于共代谢作用，二级污染物的主要作用是作为碳源和提供能量。

3）基质的共代谢去除 如果在某种特定条件下，基质（污染物）完全不能生物降解，它们还有可能通过共代谢的方式被去除。

共代谢是指非生长（共代谢）基质在细菌中酶的作用下发生生物转化，这些酶只有在生长基质（一级基质）为细胞生长和生存提供能量时才能被诱导。由于基质的共代谢转换不产生对细胞有利的碳源和能量，也不能诱导酶的产生，因此必须向微生物提供生长基质，至少需要间歇提供，来促进生成所需酶的新细胞的生长。

各种含氯有机物通过苯酚、甲苯或丙烷等氧化剂共代谢降解的研究被广泛报道。例如，在氯酚的共代谢转化过程中，苯酚是一种理想的生长基质。苯酚被用作苯酚氧化剂来诱导产生与其结构类似的氯酚降解所需的酶。

同样，葡萄糖等易生物降解的化合物也可以在共代谢过程中作为一级基质或者生长基质。含氯化合物的好氧共代谢也可以用无机氨作为一级基质。共代谢也可以在厌氧条件下发生。

（微量）污染物的共代谢降解通常发生在生活污水、工业废水、卫生和有害址圾填埋渗滤液的处理、污染土壤和地下水的生物修复以及给水的处理过程中。

（3）微量有机污染物的生物去除

目前受到关注的一些微量有机污染物，如药物双氯芬酸、酰胺咪嗪等持久性化学物质，在大型或小型污水处理厂的去除率很低甚至为零。而许多其他微量有机污染物可被有效去除。例如，据报道消炎药布洛芬和萘普生的去除率可达到98％和84％。这些物质的降解程度还取决于系统的氧化还原能力。例如布洛芬、苯扎贝特、碘普罗胺和雌酮只有在好氧或缺氧条件下才易降解。

众所周知，微量污染物的去除率随着污泥停留时间（SRT）的延长而增加。其主要原因是SRT增加利于慢速生长微生物的存活与污泥生物的多样性。

通常废水基质由不同浓度的各种化合物组成，很难界定一种（微量）污染物是作为生长基质、二级基质还是共代谢基质被去除的。