环境学院饮用水研究团队在生物活性炭应用方面取得新进展

清华大学环境学院5月2日电(通讯员 路则栋)2020年4月23日,清华大学环境学院饮用水安全教研所孙文俊课题组在环境领域顶级期刊Water Research在线发表题为“Effect of granular activated carbon pore-size distribution on biological activated carbon filter performance”(活性炭孔径分布对生物活性炭滤池性能影响)的论文。研究提出活性炭孔径分布是影响生物活性炭(BAC)滤池性能的重要指标,尤其是微孔和微米级大孔结构,该结论对合理选择及制备饮用水处理活性炭具有重要指导意义。

BAC是给水深度处理工艺中非常重要的环节,往往与臭氧活性炭深度处理及紫外双氧水高级氧化等工艺联用。据不完全统计,目前全国范围内已有超过120个水厂采用臭氧-BAC工艺,日供水能力超过4000万m3/d。江苏省和山东省还分别出台了相关政策,要求城市给水厂在2020年之前完成深度处理工艺改造。因此,BAC滤池高效稳定运行对于保障饮用水安全十分重要。但目前选择适合该工艺使用的活性炭的相关指标有待完善。

给水处理用活性炭选择主要关注三方面要求:吸附容量大、吸附速度快和机械强度高。其中,吸附容量一般用碘值或亚甲蓝值等表征。但自来水厂运行经验表明,碘值或亚甲蓝值并不能准确反映BAC滤池多年稳定运行后去除污染物的性能。所以,供水行业现在面临如何正确选择活性炭及评价BAC滤池性能的难题。传统上认为活性炭吸附性能主要由微孔和部分中孔孔容积决定,大孔只起污染物传输通道作用。由于活性炭大孔符合微生物定殖的孔隙范围,所以,上述认识可能忽略了其对BAC中生物效能作用的影响。因此,深入研究活性炭孔径分布对BAC性能的影响,对于完善合理选择给水用活性炭体系及制备活性炭具有重要应用意义。 

该研究首先对目前供水领域应用较多的颗粒活性炭进行理化性质表征,并研究其与污染物去除效果的关系。其次,利用宏组学(宏基因组和宏蛋白组)技术分析稳定期BAC滤池中微生物群落结构及作用,深入研究微生物如何在BAC滤池中发挥作用,尤其是微生物对活性炭的再生作用。 

图1  活性炭孔径分布对BAC性能影响示意图

结果表明,目前所用的碘值或亚甲蓝值只能反映BAC滤池运行初期以吸附作用为主阶段的性能,不能反映BAC运行多年后进入稳定期时的性能。微生物作用在BAC滤池运行稳定期发挥了驱动作用,使活性炭始终处于吸附-解析的状态,微生物降解有机物速率是限速步骤。因此,与传统观点不同,BAC滤池运行多年后活性炭吸附作用仍在发挥重要作用,与微生物作用协同保障BAC滤池稳定运行,微生物群落结构对BAC滤池性能的影响要大于生物量的影响。活性炭微孔和微米级大孔的孔容积对其吸附性能和活性炭生物再生作用具有重要影响。基于以上成果,提出可以用活性炭孔径分布来补充完善BAC选炭指标体系,该结论对于BAC工程实践和制备活性炭有很好的指导价值。

环境学院孙文俊老师为该论文的通讯作者,博士生路则栋为第一作者。本研究得到了国家科技重大专项(2012ZX07404-002、2017ZX07108-002和2017ZX07502003)、国家自然科学基金(51778323 和51761125013)等项目支持。目前课题组依托清华大学及清华苏州环境创新研究院继续开展研究,并正与活性炭厂家积极合作,开发适用于BAC滤池的高效大孔生物活性炭。


论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135420303055