Технология биологически активированного угля применяется для очистки воды
2026-03-04
Что такое биологически активный уголь?
Технология биологически активированного угля является одним из вариантов, который выбирают многие водохозяйственные компании. Гранулированный активированный уголь (GAC) широко используется для удаления растворенных органических веществ из питьевой воды. В начале 1970-х годов появились сообщения о том, что бактерии, размножающиеся в фильтрах с GAC, могут обеспечивать лишь небольшую часть общего объема удаления органических веществ в фильтрах. После этого открытия было установлено, что предварительная озонизация значительно усиливает биологическую активность GAC. Сочетание озонирования и GAC обычно называют технологией биологически активного угля (BAC) или технологией биологически усиленного активированного угля.
В Европе технология BAC была внедрена на многих крупных водоочистных станциях в 80-х годах. Причины её широкого применения включают:
В целом более низкое качество поверхностных вод по сравнению с Северной Америкой
Опасения по поводу побочных продуктов хлорирования (DOB). Например, согласно Директиве ЕС о питьевой воде, ориентировочный уровень содержания органических хлорсодержащих соединений составляет 1 мкг/л
Очень строгие эстетические требования европейских потребителей.
Европейский подход к производству высококачественной питьевой воды быстро распространяется в других промышленно развитых странах, таких как Япония, Канада и Австралия.
В США в сфере водоснабжения до 2000 года с неохотой применялись микроорганизмы для очистки питьевой воды. Однако в ближайшие десять лет биологическая очистка, по прогнозам, станет более распространенной. Движущими силами этих изменений являются рост использования озона в связи с введением правил по дезинфицирующим веществам и побочным продуктам дезинфекции (D-DBP), а также опасения по поводу роста микроорганизмов в системах водораспределения.
Преимущества биологической активности
Биологическое удаление растворенных органических соединений в фильтрах с активированным углем (GAC) обеспечивает ряд преимуществ для качества конечной воды. Например, биологическая активность позволяет удалить значительное количество растворенного органического углерода (DOC). На начальном этапе большая часть удаления происходит за счет физической адсорбции (фаза A), пока бактерии находятся в стадии адаптации. В этот период степень удаления DOC составляет от 40% до 90%. От 10% до 20% DOC не поддается адсорбции на активированном угле.
В фазе B процессы адсорбции и биологического разложения протекают параллельно. Бактерии к этому моменту уже адаптировались, и степень удаления при адсорбции постепенно снижается из-за насыщения адсорбционных сайтов. Фаза C называется фазой стационарного состояния. Основным процессом удаления DOC является биологическое окисление. Большая часть адсорбционной способности уже исчерпана. В условиях стационарного состояния эффективность удаления DOC составляет от 15 % до 40 %. Если эффективность удаления, достигнутая в условиях стационарного состояния, соответствует целевым показателям очистки, срок службы GAC может быть значительно продлен.
Известно, что природные соединения, входящие в состав DOC в поверхностных водах, являются предшественниками побочных продуктов дезинфекции (DBP), таких как тригалогенметаны (THM) и галогенированные уксусные кислоты (HAA). THM и HAA являются основными целевыми соединениями в рамках правил D-DBP. Удаление этих предшественников DBP связано с удалением DOC. Однако эффективность удаления общего органического хлора (TOX), предшественников ТГМ и ГАА выше, чем DOC, и имеются данные о том, что биологическая очистка обладает селективностью в отношении этих хлорреактивных соединений. В условиях стационарного режима эффективность удаления предшественников ТГМ и ГАА, по имеющимся данным, составляет от 20% до 70%. На начальном этапе процесса (этап A) эффективность удаления выше: в это время посредством физической адсорбции удаляется от 75% до 90% предшественников.
Биологическое окисление, происходящее в фильтре GAC, также способствует удалению неорганических веществ, таких как аммиак. Аммиак — это токсичное химическое вещество, которое стимулирует рост микроорганизмов и вступает в реакцию с хлором. Благодаря удалению аммиака с помощью сухого кислорода значительно снижается потребность в хлоре в готовой воде. Снижение потребности в хлоре позволяет уменьшить количество дехлорирующих резервуаров и повысить качество воды.
Предварительная озонизация приносит множество преимуществ в процессе водоподготовки (например, эффективная дезинфекция без образования ТГМ или ГАА, образование микрофлокул, удаление пигментов, удаление железа и марганца, уменьшение привкуса и запаха, повышение биологической активности и т. д.). Однако побочные продукты озонирования, как правило, легко подвергаются биологическому разложению и могут приводить к росту микроорганизмов в системах водоотвода. Удаление этих биологически разлагаемых соединений в фильтрах BAC помогает контролировать биологическое размножение и повысить стабильность остаточного хлора. В условиях стабильного состояния может усваиваться органический углерод.
Сообщается, что эффективность удаления (AOC) и биологически разлагаемого органического углерода (BDOC) составляет от 50 % до 100 %. Кроме того, данный процесс позволяет полностью удалить побочные продукты озонирования, которые вызывают опасения с точки зрения здоровья и могут стать предметом особого внимания со стороны регулирующих органов в будущем. К ним относятся некоторые короткоцепочечные альдегиды.
Биологически активный GAC также эффективно удаляет синтетические органические химические вещества, такие как бензол, толуол и пестициды (например, атразин), которые могут представлять угрозу для здоровья. Данная технология также позволяет снизить концентрацию соединений, вызывающих привкус и запах, таких как короткоцепочечные альдегиды (фруктовый запах), амины и алкильные альдегиды (рыбный запах), фенолы и хлорфенолы (консерванты/медицинские вещества).
Наконец, биологическая активность может повысить способность ГАУ к адсорбции небиоразлагаемых или медленно разлагаемых соединений за счет удаления веществ, которые в противном случае могли бы конкурировать за адсорбционные сайты. Это явление иногда называют эффектом биологической регенерации.
Основные технологические параметры процесса BAC
Время контакта с незаполненным слоем является наиболее важным параметром для удаления разлагаемых органических веществ. Выбор времени контакта зависит от целей очистки, типа носителя (о чем пойдет речь далее) и температуры воды. По данным основных водоочистных станций Франции, время контакта составляет от 10 до 15 минут. Для эффективного удаления AOC достаточно менее пяти минут.
Наличие микроорганизмов и высших форм жизни в фильтрах BAC приводит к более быстрому росту давления и требует более частых и эффективных процедур обратной промывки. Этот эффект более выражен в теплой воде, чем в холодной. Фильтры BAC необходимо регулярно промывать, чтобы предотвратить распространение высших организмов в среде и поддерживать низкий уровень трофической ступени. В процессе обратной промывки часть бактериальной биомассы, закрепленной на GAC, удаляется. В холодной воде эффективность удаления разлагаемых веществ после обратной промывки значительно снижается, однако в зимний период требуется меньшее количество обратных промывок. Если фильтр промывается хлорированной водой, этот эффект снижения становится еще более заметным. Кроме того, эффективность биологической очистки снижается, если входящая вода предварительно дезинфицирована хлором, хлорамином или диоксидом хлора.
Последние исследования, проведенные в Канаде и США, показывают, что эффективность фильтров BAC на первом этапе сопоставима с эффективностью последующих адсорберов с активированным углем (GAC), что позволяет значительно снизить соответствующие капитальные затраты. Таким образом, при условии достаточного времени контакта фильтры BAC можно модифицировать для использования в существующих песчаных фильтрах или фильтрах с двухслойным фильтрующим материалом.
При рассмотрении технологии BAC необходимо оценить риск попадания бактериальной биомассы в сточные воды. После дезинфекции бактерии, выходящие из фильтра BAC, легко уничтожаются. Доказано, что гранулы активированного угля служат местом обитания для микроорганизмов и защищают их от инактивации после дезинфекции. Рекомендуется проводить дополнительную фильтрацию через песок, чтобы предотвратить попадание мелких частиц активированного угля в готовую воду. Это можно осуществить путем добавления слоя песка толщиной от 6 до 9 дюймов поверх слоя гранулированного активированного угля.
Биологическая активность на фильтрующих материалах
Эффективность активированного угля при биологической очистке питьевой воды значительно превосходит эффективность традиционных фильтрующих материалов, таких как песок или антрацит.
Гранулированный активированный уголь способен поддерживать более плотные бактериальные колонии, чем песок или антрацит. В условиях питьевой воды и воды, содержащей предварительные окислители, в литературе сообщается, что диапазон фиксированной бактериальной биомассы составляет от 1,0×10⁶ до 1,0×10⁷ бактерий на грамм песка или антрацита, а для активированного угля — от 1,0×10⁸ до 1,0×10⁹ бактерий на грамм. То есть последний показатель в 10–100 раз превышает первый.
Для объяснения этих различий выдвигаются три основных свойства.
(1) Пористость, площадь поверхности и шероховатость поверхности: средний диаметр одноклеточных бактерий в воде составляет от 0,3 до 10 микрометров. Активированный уголь характеризуется наличием искусственных и естественных трещин, гребневидных структур, макропоров и других неровностей поверхности, которые создают защитную среду для колонизации и защиты от сдвиговых сил потока.
(2) Адсорбционная способность: адсорбционная способность используется для концентрации веществ, включая субстрат, питательные вещества и кислород, на поверхности активированного угля. Этот эффект концентрации способствует более быстрому заселению и позволяет осуществлять разложение даже в тех случаях, когда концентрация субстрата в поступающей воде слишком низка для поддержания роста.
Увеличение времени контакта между биомассой и адсорбируемыми органическими веществами.
Адсорбция бактерий соответствует изотерме Ланмура.
Снижение концентрации токсичных соединений в локальной микробиологической среде.
(3) Поверхностный заряд активированного угля: доказано, что наличие на поверхности активированного угля различных функциональных групп способствует усилению адгезии микроорганизмов. GAC обладает более высокой биологической активностью и более быстрой скоростью колонизации, что по сравнению с традиционными фильтрующими материалами дает следующие преимущества:
Более высокая эффективность удаления разлагаемых соединений. Для достижения аналогичных результатов при использовании песка и антрацита требуется более длительное время.
Более короткий период адаптации. Это имеет значительное влияние как при запуске, так и после обратной промывки.
Более быстрая реакция на изменения качества поступающей воды, такие как концентрация биоразлагаемых соединений, концентрация токсичных органических веществ и изменения температуры; преимущества при использовании холодной воды более заметны.
Наконец, физическая адсорбция на GAC имеет дополнительные преимущества по сравнению с традиционными фильтрующими материалами.
Выбор ГАК для биологической очистки
При выборе активированного угля для очистки питьевой воды необходимо учитывать следующие факторы:
Характеристики биологической поддержки
Характеристики адсорбционной способности
Физические свойства, такие как плотность, износостойкость и твердость, а также их влияние на процесс регенерации.
Биологические свойства
Благодаря своей естественной и/или искусственной макропористой структуре, адсорбционной способности и поверхностным химическим свойствам большинство коммерчески доступных гранулированных видов активированного угля являются превосходным носителем для биологической очистки питьевой воды. В условиях водоочистки различные виды активированного угля, полученные из каменного угля, бурого угля и древесины, демонстрируют схожие характеристики в отношении биологического удаления растворенных органических веществ. При очистке холодной воды наблюдаются незначительные различия.
Адсорбционные свойства
Способность к адсорбции растворенных органических веществ является еще одной ключевой характеристикой. Общая адсорбционная способность (выраженная в йодном числе) и способность к удалению следовых количеств имеют большое значение:
В процессе запуска, после обратной промывки, а также в ответ на изменения состава поступающей и выходящей воды (адсорбционная способность активированного угля используется для поддержания качества сбрасываемой воды до тех пор, пока не установится биологическая активность системы).
Для удаления небиоразлагаемых или медленно разлагаемых органических веществ (компоненты, вызывающие привкус и запах, микрозагрязнители, такие как синтетические органические химикаты, пестициды и т. д.)
Для дополнительного удаления природных органических веществ.
Физические свойства
При выборе продуктов из активированного угля необходимо также учитывать кажущуюся плотность слоя (AD), твердость и износостойкость, химическую реактивность, содержание золы и состав золы. Эти характеристики, как правило, определяются исходным сырьем (таким как каменный уголь, бурый уголь, древесина и т. д.).
Реактивность активированного угля влияет на эффективность обратной промывки, степень термической регенерации, а также на количество продукта, рассчитанное по весу, на единицу объема гранулированного активированного угля (GAC). Уголь с более высокой устойчивостью к деформации выдерживает более высокую скорость потока воды при промывке; он обеспечивает большую гибкость при термической регенерации; он дает больше продукта (в пересчете на вес) на единицу объема слоя (следовательно, продукт с аналогичной адсорбционной способностью дольше находится в потоке). Наконец, он лучше противостоит удалению атомов активного угля при контакте с окислителями, такими как хлор или озон.
Уголь с высокой твердостью и износостойкостью характеризуется низкими потерями (например, мелких частиц) при обработке, обратной промывке, перемещении и термической регенерации, а также высокой степенью регенерации.
Низкая химическая реактивность продукта имеет решающее значение для обеспечения высокой производительности при термической регенерации, что позволяет снизить потребность в компенсации и сократить затраты.
Наконец, содержание золы и ее состав определяют выщелачиваемость продукта.
Периодичность замены активированного угля
При принятии решения о замене или регенерации угля необходимо учитывать ряд факторов. Наиболее важным из них является оставшаяся адсорбционная способность активированного угля. Если требуется удалить значительную часть растворенного органического углерода (DOC) и, как следствие, предшественники дихлорфенола (DBP), необходима значительная адсорбционная емкость. В таком случае срок службы гранулированного активированного угля (GAC) составляет от 6 до 12 месяцев.
Адсорбционная способность также может быть необходима для контроля вкуса и запаха. В этом случае ожидаемый срок службы составляет от двух до пяти лет.
Наконец, если в воде постоянно или периодически присутствуют микрозагрязнители, такие как синтетические органические химические вещества и пестициды, требуется адсорбционная способность. В этих условиях срок службы угля обычно составляет от одного до двух лет. Однако для получения более точных прогнозов может потребоваться мониторинг прорыва загрязняющих веществ.
В случае высококачественной исходной воды для достижения целей очистки достаточно незначительного снижения содержания DOC и предшественников DBP, при этом вода не содержит микрозагрязнителей, вызывающих озабоченность, или соединений, придающих привкус или запах; в таком случае биологической активности активированного угля может оказаться достаточно, и нет необходимости в значительной физической адсорбции. В этих условиях срок службы активированного угля может быть ограничен накоплением металлов и стойких органических веществ, что приведет к значительному снижению биологической активности. Наконец, накопление металлов и высокая органическая нагрузка могут оказать негативное влияние на качество угля и продуктов последующей регенерации. Исходя из всех вышеперечисленных причин, рекомендуемый срок службы составляет от двух до пяти лет.
