吸附生化耦合水處理技術

1水和廢水處理：活性炭吸附歷史回顧及其與生物工藝的耦合1
1.1活性炭的歷史1
1.2活性炭的應用概述2
1.3活性炭在環境污染領域的應用3
1.3.1活性炭在給水處理中的應用3
1.3.2活性炭在汙水處理中的應用4
1.3.3活性炭在其他污染治理中的應用4
1.3.4吸附生化耦合技術在水處理中的應用5
1.3.5耦合技術對其他污染物的強化去除6
參考文獻7

2水和廢水處理中活性炭吸附基礎9
2.1活性炭9
2.1.1活性炭製備9
2.1.2活性炭特性10
2.1.3活性炭種類11
2.2吸附11
2.2.1吸附類型12
2.2.2吸附影響因素13
2.2.3吸附動力學15
2.2.4吸附平衡和吸附等溫線17
2.2.5單組分/多組分吸附19
2.3水和廢水處理中的活性炭吸附反應器21
2.3.1PAC吸附器21
2.3.2GAC吸附器21
2.4活性炭再生與活化27
參考文獻28

3活性炭吸附與生化降解耦合廢水處理工藝31
3.1二級與三級處理：生化、吸附單體工藝向耦合工藝的發展31
3.1.1活性炭在二級處理工藝中的應用32
3.1.2活性炭在三級處理工藝中的應用33
3.2吸附和生化去除耦合作用機理34
3.2.1有機物的主要去除機理34
3.2.2有機物/生物質/活性炭間的主要反應39
3.2.3污染物特性對其表現及去除的影響43
3.3顆粒活性炭（GAC）與廢水生物處理技術的耦合44
3.3.1GAC反應器在廢水處理中的地位44
3.3.2GAC反應器的生物活性44
3.3.3GAC向BAC的轉化45
3.3.4BAC反應器中的主要反應進程47
3.3.5BAC反應器的種類48
3.4PAC與廢水生物處理技術的耦合49
3.4.1一級連續流好氧PACT工藝49
3.4.2序批式PACT工藝52
3.4.3厭氧PACT工藝53
3.5PAC/GAC膜生物工藝53
3.5.1膜生物反應器（MBR）53
3.5.2PAC-MBR工藝53
3.5.3生物膜GAC過濾工藝——BioMAC工藝54
3.6耦合工藝的特色54
3.6.1活性炭強化有機碳的去除55
3.6.2活性炭強化硝化作用55
3.6.3活性炭強化反硝化作用57
3.6.4活性炭對無機物的作用57
3.6.5活性炭強化厭氧處理效果57
3.6.6活性炭生物污泥的特點58
3.6.7PAC對膜生物反應器的作用58
3.7PACT和BAC污泥的再生61
參考文獻62

4活性炭對特殊污染物和廢水的生物處理：小試和中試研究69
4.1工業廢水的處理69
4.1.1製藥廢水的處理69
4.1.2造紙及紙漿廢水的處理70
4.1.3煉油及石油化工廢水的處理71
4.1.4紡織廢水的處理72
4.1.5其他工業廢水的處理72
4.2特殊化合物的去除75
4.2.1揮發性有機物（VOCs）的去除75
4.2.2酚類化合物的去除77
4.2.3藥品和內分泌干擾物(EDC)的去除79
4.2.4殺蟲劑和多氯聯苯（PCBs）的去除79
4.2.5優先控制污染物的去除80
4.2.6染料的去除80
4.2.7二級處理出水中有機污染物的去除80
4.2.8其他化合物的去除81
4.3垃圾滲濾液處理82
4.3.1PACT工藝處理滲濾液83
4.3.2PAC-MBR工藝處理滲濾液85
4.3.3BAC工藝處理滲濾液86
參考文獻87

5活性炭吸附耦合生化處理工程案例94
5.1PACT工程案例94
5.1.1PACT處理工業廢水95
5.1.2PACT處理生活與工業混合廢水100
5.1.3PACT處理垃圾滲濾液101
5.1.4PACT處理受污染地下水102
5.1.5PACT生活污水深度處理102
5.1.6PACT處理受污染雨水103
5.2BAC工程案例——以回用為目的的BAC過濾工藝103
5.2.1回用於農業灌溉103
5.2.2回用於飲用104
5.2.3回用於非飲用目的的其他用途104
參考文獻105

6吸附生物降解耦合工藝汙水處理模型107
6.1生物活性的GAC吸附劑模型107
6.1.1引言107
6.1.2炭顆粒表面生物膜的傳質反應過程107
6.1.3與基本工藝相關的吸附生物降解耦合的優點114
6.1.4GAC/BAC反應器模型方法116
6.1.5包括吸附和生物降解的BAC反應器模型127
6.2PACT工藝的模型130
6.2.1PACT工藝中的品質平衡130
6.2.2PACT工藝中PAC品質平衡131
6.2.3PACT工藝中基質去除模型133
參考文獻136

7生物處理工藝中活性炭生物再生139
7.1生物再生機理139
7.1.1基於濃度梯度的生物再生139
7.1.2基於胞外酶反應的生物再生140
7.1.3基於微生物馴化的生物再生142
7.2離線生物再生142
7.3PACT和BAC系統中的同步生物再生143
7.4吸附可逆性對生物再生效果的影響144
7.5其他影響生物再生的因素145
7.5.1生物降解能力146
7.5.2基質的化學性質147
7.5.3活性炭粒徑147
7.5.4活性炭的孔隙度148
7.5.5活性炭的活化方式148
7.5.6活性炭的物理表面性質148
7.5.7脫附動力學149
7.5.8活性炭與基質的接觸時間149
7.5.9濃度梯度和活性炭飽和度150
7.5.10生物濃度150
7.5.11溶解氧濃度151
7.5.12微生物種類151
7.5.13微生物代謝產物151
7.5.14多種底物的存在152
7.6生物再生效果的測定153
7.6.1評估吸附再生的程度154
7.6.2吸附等溫線法155
7.6.3吸附容量法156
7.6.4溶劑萃取直接測量法156
7.6.5吸附生物降解對比分析法156
7.6.6生物降解產物法157
7.6.7好氧呼吸測量法157
7.6.8SEM檢測158
7.7厭氧/缺氧系統中的生物再生159
7.8活性炭生物再生模型159
7.8.1同步生物再生模型160
7.8.2單組分系統生物再生模型160
7.8.3多組分系統生物再生模型166
7.8.4離線生物再生模型167
7.8.5生物再生動力學模型167
參考文獻168

8給水處理中活性炭吸附生物降解耦合技術175
8.1引言175
8.2水處理生化過程原理175
8.3水處理中有機物的重要性176
8.3.1採用有機碳表示有機物176
8.3.2測定天然有機物中的可生物降解組分177
8.3.3不可生物降解溶解性有機碳(non-BDOC或NBDOC)179
8.3.4依據分子大小和化學性質分離天然有機物179
8.4傳統水處理對NOM的去除180
8.4.1NOM去除理論180
8.4.2NOM去除程度181
8.5給水處理中的活性炭技術181
8.5.1粉末活性炭(PAC)的投加181
8.5.2顆粒活性炭(GAC)過濾182
8.6生物活性炭(BAC)過濾182
8.6.1BAC過濾的歷史182
8.6.2臭氧與BAC聯合184
8.6.3BAC在水廠中的應用情況184
8.7水的吸附和生物降解性184
8.7.1原水NOM184
8.7.2臭氧對NOM特性的影響185
8.7.3水中有機物吸附性能和生物降解性能的確定187
參考文獻192

9BAC過濾對NOM、營養元素和微污染物的去除196
9.1有機物去除196
9.1.1主要機理196
9.1.2穿透曲線196
9.1.3BAC濾池的生物再生201
9.2BAC過濾效果的主要影響因素202
9.2.1GAC與其他濾料的比較202
9.2.2GAC的類型202
9.2.3空床接觸時間(EBCT)和水力負荷(HLR)203
9.2.4濾池反沖洗204
9.2.5溫度204
9.2.6殘留氧化劑204
9.3BAC濾池的運行效果：有機物去除205
9.4BAC濾池的運行效果：營養物去除210
9.4.1BAC濾池內的硝化作用210
9.4.2BAC濾池內的反硝化211
9.5BAC濾池對有機微污染物的去除212
9.5.1水中的有機微污染物212
9.5.2本底NOM和有機微污染物的競爭212
9.5.3有機微污染物在預載GAC中的吸附213
9.5.4GAC特性對吸附的影響213
9.5.5BAC過濾對有機微污染物的吸附和生物降解214
9.5.6BAC過濾對消毒副產物及前驅物的去除217
9.6BAC濾池對離子污染物的去除219
9.6.1硝酸鹽去除219
9.6.2溴酸鹽去除219
9.6.3高氯酸鹽去除221
9.7PAC和GAC在生物膜工藝中的集成222
9.7.1直接投加PAC至膜生物反應器222
9.7.2BAC過濾後接膜生物反應器222
9.8GAC用於地下水生物修復223
9.9BAC濾池中的生物特性223
9.9.1BAC濾池的微生物生態學223
9.9.2BAC濾池內的生物膜生長控制224
9.9.3BAC濾池內生物量和生物活性的確定224
9.9.4採用傳統技術和分子生物學技術測定微生物225
9.9.5出水的微生物安全性226
參考文獻227

10給水處理廠BAC濾池應用實例236
10.1BDOC和AOC作為配水管網生物再生潛能指標的限值236
10.2BAC過濾工程案例236
10.2.1德國Mülheim水廠236
10.2.2荷蘭阿姆斯特丹Leiden水廠237
10.2.3法國巴黎郊區水廠238
10.2.4加拿大魁北克SteRose水廠238
10.2.5瑞士Zürich-Lengg水廠239
10.2.6荷蘭阿姆斯特丹Weesperkarspel水廠239
10.2.7澳大利亞維多利亞州3座水廠241
10.3評價臭氧和BAC過濾的新方法241
10.4水源為地下水的BAC工程實例242
參考文獻243

11給水處理中的BAC過濾模型245
11.1基質去除和生物膜形成245
11.2BAC過濾模型246
11.2.1側重濾池內生物降解過程的模型247
11.2.2吸附和生物降解工藝集成模型253
11.2.3微污染物去除模型描述256
參考文獻258

12結論與展望261
12.1PACT和BAC在污水和給水處理中的應用綜述261
12.2去除機理和微污染物消除的研究前景262
12.2.1汙水處理262
12.2.2給水處理264
12.3活性炭生物再生的研究前景265
12.3.1活性炭類型的重要性265
12.3.2活性炭生物再生266
12.3.3BAC物化再生267

縮略語表269
致謝274
索引275

本書的寫作目的

本書的主題“吸附生化耦合水處理技術”，即利用活性炭的吸附作用強化生化處理效果，是一項非常有效的處理技術。

在教學研究的過程中，一方面,我發現關於純吸附或者純生化的書籍很多，但關於兩者結合的專著卻還是空白。同時我也發現即使是在水處理的著作中，關於粉末活性炭處理技術（PACT）和生物活性炭(BAC)詳細論述的章節也寥寥無幾。但是另一方面，關於PACT和BAC工藝，學術期刊上發表了很多非常有價值的成果，這些文章對工藝的方方面面都進行了探討，遺憾的是，到目前為止還沒有一部關於吸附和生化耦合技術的綜合性專著。因此，最初為了我自己研究的便利，我萌發了撰寫這麼一部書的想法，並得到了zgürAkta（本書的共同作者）的支持。我們寫這部書最直接的目的就是為讀者呈現一部關於PACT和BAC目前研究成果的合集。

在本書的撰寫過程中，我們做了細緻的文獻調研，從20世紀70年代到現在，文獻時間跨度40年。正因為如此，本書涉及的範圍也非常廣，討論了吸附生化耦合技術在水處理流程中的位置、污染物的去除過程、去除效果強化的機理、該系統可去除的污染物種類以及該工藝的其他優勢。需要強調的是，要想深入地理解這一耦合過程，只關注去除效果和去除機理是遠遠不夠的。因此本書還花了很大的篇幅探討該技術的數學模型，包括PAC懸浮生長體系和GAC附著生長體系。應該說，從污染物去除過程和模型建立兩個角度來分析會更加全面和深刻。

作為一本專業書籍，本書主要面向的是有環境科學與技術背景的讀者，尤其是應具備吸附和生化處理相關的知識儲備，準備從事相關工作的研究人員或工程技術人員。當然，本書的部分章節也可以作為化工或環境專業研究生的教材或參考書。

希望本書能給學術界和工程界的讀者帶來一些幫助。對於主要從事機理研究的學術界而言，本書關於該技術在實際工程中應用的相關章節可能會引起您的關注。對於主要關注效果的工程師而言，本書可以給出一個全面、系統的機理上的解釋。對於從事活性炭相關研究和實踐的讀者來講，本書也會是一個有益的參考資料。

本書的結構

第1章簡述了活性炭的發展歷史及其在水和廢水處理領域的應用，並簡要介紹了吸附生化耦合處理技術。

第2章為導論，介紹了吸附原理和吸附系統在水處理和廢水處理中的應用。由於現有文獻對吸附基本原理已經做了非常翔實的論述，因此本章重點介紹了吸附反應器的基礎知識，這些反應器在吸附生化耦合系統中也是非常重要的。

第3章到第7章主要研究在廢水處理過程中活性炭吸附生化耦合處理工藝。

第3章論述了活性炭在生物廢水處理中的耦合應用。本章首先重點介紹了在廢水處理過程中從吸附到並行吸附和生物去除的進程，對該耦合工藝的主要機制進行了詳細闡述。在此基礎上，討論了該耦合系統在有機物質去除、揮發性污染物去除、硝化、反硝化、厭氧消化等多個工藝過程的優勢。本章還討論了活性炭對生物污泥的影響。根據基本機理，討論了目前將活性炭吸附和生物去除的優點集成在一個工藝單元中的兩個基本過程：懸浮式生長PACT工藝和附生式BAC過程。另外，本章還涉及了膜生物反應器（MBR）與活性炭的耦合工藝。

第4章著重探討了活性炭在生物去除污染物中的作用，主要是實驗室和中試規模研究的結果。本章重點介紹了在各種類型廢水，如工業廢水和垃圾滲濾液中污染物以及某些特定化合物的去除效果，這些廢水含有許多抑制性的、有毒的、緩慢降解或不可生物降解的污染物。

繼第4章之後，第5章介紹了在實際廢水處理中PACT和BAC的應用案例。

第6章討論了吸附和生物耦合處理系統的建模。鑒於吸附和生物去除之間的相互作用非常複雜，本章從傳質、生物降解和吸附過程的相關背景知識入手，分別論述了附著生長（BAC工藝）和懸浮生長（PACT工藝）兩種耦合過程的數學模型。

第7章涉及活性炭的生物再生，這是所有耦合系統中非常重要的現象。生物再生被定義為微生物對活性炭的吸附能力的恢復過程，以提供進一步的吸附。本章對顆粒活性炭(GAC)和粉末活性炭(PAC)生物再生的各個方面以及生物再生的機理模型進行了全面分析。

本書的第二部分，第8～11章主要針對飲用水處理，重點討論了活性炭吸附與生物耦合工藝的應用。

第8章闡述了在水處理中採用生物工藝的基本原理，重點介紹了生物活性炭（BAC）過濾的發展和作用。討論了天然有機物（NOM）在給水處理中的重要性。本章還詳細介紹了臭氧氧化的重要性，臭氧氧化是在BAC過濾之前常用的處理步驟。討論了原水和臭氧水的吸附和生物降解潛力，這些特性對後續的BAC過濾有很大影響。

第9章介紹了BAC過濾過程中NOM、營養物質以及各種有機和無機微污染物的去除。從污染物去除機理和去除效果兩個角度進行了論述。本章還介紹了BAC篩檢程式的生物量的特性和測定以及成品水的安全性。

第10章討論了BAC過濾技術在給水中的工程應用。本章首先討論了影響水在管網中生物穩定性的相關因素。本章介紹了多個實際水處理廠的案例，列出了相關有機和無機污染物能夠去除的程度。

第11章討論了給水處理中BAC過濾的建模。由於第6章已經詳細討論了傳質、生物降解和吸附的基本原理，本章僅涉及與給水處理有關的具體問題。本章概述了給水生物過濾模型，及其用於NOM和微污染物去除的情況。

第12章是結論與展望，回顧了本書中討論的一些重要問題，並指出了在水和廢水處理耦合系統中需要進一步研究的方向。
對讀者的建議

本書試圖將每一章視為一個相對獨立的主題，同時又不損害整個主題的統一。因此，幾乎所有的章節都經常需要對其他章節進行交叉引用。但考慮到並非所有章節都是每個讀者所必需的，因此提出以下閱讀建議。

如果讀者只想簡單瞭解下水和廢水處理過程中吸附技術的一般概念和歷史演進過程，也許看第1章就足夠了。

第2章介紹了吸附的基本原理以及吸附劑在水和廢水領域的應用。它可以獨立於其他章節來閱讀，非常適合只對吸附感興趣，而不太關心生物過程的讀者。

第3章是理解後續各章的關鍵，強烈建議對耦合吸附和生物去除的機制和協同作用感興趣的讀者對其進行認真閱讀。

讀者如果只對廢水處理感興趣，並且專注於耦合吸附和生物去除的操作和實踐方面，則只需閱讀第2～5章。

為了進一步瞭解耦合吸附和生物去除的機理和數學模型，建議讀者參閱第6章和第7章，分別討論耦合系統的建模和活性炭的生物再生。

對給水處理過程中活性炭吸附與生物過程有興趣的讀者可參閱第8～11章。當然，對這些讀者來說，首先閱讀第3章是很有必要的。

第8章提供了給水處理中BAC過濾的一般資訊，第9章則進一步進行了論述。對BAC過濾的實際應用感興趣的讀者應參閱第10章，對給水的BAC過濾的數學公式感興趣的讀者可認真閱讀第11章，並與第6章進行對照閱讀。