活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭加生物膜反应器对灰水处理的性能

　　对淡水的需求不断增加，促使人们努力保护宝贵的水资源和再利用废水。作为生活污水的主要来源，灰水被定义为家庭产生的废水。由于主要来自日常洗涤和清洁，灰水总是含有氮、病原体、微污染物和高浓度的直链烷基苯磺酸盐。源头分流中水回用的潜力主要取决于中水处理技术的效率和成本。氧气的供应和利用率直接决定了生物灰水处理的能耗和污染物去除率。本研究开发了一种重力流自供氧气以及易于维护的生物增强型活性炭动态生物膜反应器，用于现场灰水处理。

　　活性炭生物膜特性

　　活性炭是生物膜生长的优良载体，它可以快速从液相中吸收有机物和营养物质，用于生物膜中微生物的新陈代谢。图1显示了有和没有生物膜的活性炭形态动力学、生物膜组分的浓度和反应器不同位置的官能团。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%)，活性炭表面为比较顺利。生物膜形成后，活性炭表面附着大量生物质，变得更加粗糙。由于生物膜中蛋白质、碳水化合物和DNA的积累，包括N、O和P在内的主要元素的比例显着增加(图1e)。值得注意的是，硫元素也被检测到，这应该有助于活性炭和生物膜对LAS(磺酸基团)的吸附。

　　图1：使用扫描电子显微镜(SEM)结合能量色散X射线(EDX)光谱法分析活性炭和生物膜的表面形态和元素分布。

　　如图1f所示，随着饱和/不饱和比的增加，蛋白质、碳水化合物和DNA的浓度逐渐增加。在每一阶段，反应器顶部的组分总浓度远高于系统的分层和底部，导致生物膜中N、O和P的元素比例相对较高(图1b)。在每个阶段，生物膜中蛋白质和碳水化合物的浓度远高于DNA。先前的研究表明，富含蛋白质和碳水化合物的细胞外聚合物(EPS)可改善LAS在生物膜中的积累。此外，富含蛋白质的EPS可以实现对生物膜的LAS毒性对微生物生理功能的短时保护，所有这些都在系统中保持稳定的生物膜结构和有效的LAS去除。

　　活性炭加生物膜反应器的连续运行

　　实验在实验室规模的圆柱形反应器中进行，内径和有效高度分别为6.0和67cm。活性炭反应器的示意图如图2a所示。反应器的有效空容积为1.90L，装满活性炭时可容纳0.92L的水。灰水通过蠕动泵输送到反应器顶部，并通过网格布水器均匀分布。进料的重力流动导致活性炭反应器中不饱和和饱和区域的形成。饱和区的深度由反应器底部的出口高度根据连接容器的规律控制。对于活性炭反应器的连续长期运行，饱和/不饱和比分别控制在1:2.3、1:1.1和1:0.5。通过调节进水泵的速度，每个阶段的水力停留时间保持在6.7小时。

　　图2：a活性炭动态生物膜反应器示意图和b灰水期间活性炭反应器中的功能区和生物膜层在显着分层位置处理。

　　磺酸基团吸附和生物降解的区分和量化

　　图3显示了磺酸基团在活性炭、灭活生物膜-活性炭和生物增强活性炭中的去除动力学，以及生物增强活性炭中生物降解和生物膜附着LAS的建模结果。活性炭和生物膜中的多孔结构(图1a-d)和多种官能团(图1g)使LAS在活性炭-生物膜系统中的吸附和积累成为可能。对于LAS在活性炭和灭活活性炭中的吸附，由于SSE值相对较低且q之间的结果相当令人满意，伪一级模型很好地拟合了实验数据。此外，活性炭中LAS的吸附速率常数和平衡吸附容量均高于灭活活性炭，表明活性炭优异的吸附性能和生物膜附着将部分降低活性炭的吸附能力。生物增强型活性炭中的LAS最初呈快速积累，然后由于生物降解逐渐下降。关键是吸附和生物降解在系统中LAS和氮的快速吸收和持续去除中起着重要而独特的作用。

　　图3：磺酸基团去除动力学在活性炭、b灭活生物膜-活性炭、c生物增强活性炭和d生物增强活性炭中的LAS去除动力学的批量实验。

　　活性炭加生物膜反应器对灰水处理的性能，本期开发了一种易于维护且节能的活性炭反应器，用于源转移灰水处理。饱和/不饱和比的增加导致活性炭表面上的生物量不断增长。特别是在反应器顶部实现了最高的生物膜组分浓度和多种功能组。1:1.1的饱和/不饱和比实现了COD(98.3%)、LAS(99.4%)、氨氮(99.8%)和TN(83.5%)的最大去除，其中大部分在不饱和区被去除。关键是吸附和生物降解在活性炭处理中有机物和N的快速吸收和持续去除中起着重要而独特的作用。微生物群落分析进一步阐明了对LAS矿化、有机N和铵代谢起作用的相关属和酶，和硝酸盐呼吸使系统中有机物和氮的有效和同时去除成为可能。因此，开发的活性炭加生物膜反应器可以提供一种易于维护的方法来实现高效和低能耗的灰水和其他类型的废水处理。

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