颗粒活性炭(GAC)因其巨大的比表面积和发达的孔隙结构,可以有效吸附水中多种天然有机物(NOM),广泛应用于饮用水深度处理中。GAC的粗糙表面也适于水中微生物定植。粘附在炭颗粒表面的微生物逐渐达到一定数量,形成生物膜。生物膜通过微生物代谢作用可以降解水中一部分NOM。而且在运行过程中GAC的吸附容量逐渐被饱和,活性炭池将更多地依赖生物膜的生物降解作用去除水中有机污染物,此时也称活性炭池为生物活性炭(BAC)池^[1]。

　　 由于BAC主要通过生物降解作用去除水中污染物,研究炭颗粒表面生物膜的生物量、生物活性和种群分布,对BAC池设计和运行优化十分重要。活性炭颗粒是生物膜附着的载体,生物膜的形成受到炭颗粒性质影响。电子显微镜下的观察结果表明,微生物主要聚集在活性炭表面的缝隙和凹陷处^[1]。另外也有研究推测,活性炭表面适于微生物生长的孔径范围为2~5μm^[2]。但是系统地研究活性炭孔径分布特性与BAC运行效果和生物膜形成的关系目前尚未见报道。

　　 本研究平行运行了一组装填有不同种类活性炭的小试炭柱,比较不同炭柱对溶解性有机碳(DOC)的去除率以及炭颗粒表面生物膜的生物量、生物活性和群落组成,考察活性炭的孔径分布特征对BAC运行效果和生物膜形成的影响。

　　 实验室内运行了一组(5 根)小型炭柱,分别填入不同类型的活性炭。首先对5种活性炭的基本性质进行分析,结果见表1。其中#2竹屑炭和#3竹片炭为自制竹基活性炭,原料为毛竹废料。竹屑炭的生产工艺流程为烘干、挤压、炭化和活化,制得柱状炭后破碎处理。竹片炭则不经过挤压,直接炭化和活化后破碎。

　　 炭柱填炭高度为30cm,炭柱内径为3cm,活性炭颗粒规格为8×30目。运行过程中控制空床停留时间为25min。

　　 炭柱进水为自配水:在北京第九自来水厂砂滤池出水(DOC为1.5~2.5mg/L)的基础上添加葡萄糖至DOC为7~8mg/L。炭柱连续运行130天,运行温度为室温(18~20 ℃)。运行过程中监测进出水DOC浓度,比较炭柱对有机物的去除。定期监测活性炭表面微生物的生长和活性。

　　 (1)常规水质指标。炭柱运行效果通过进出水DOC变化反映,DOC质量浓度用TOC仪(OI Au-rora 1030,美国)测定。

　　 (2)活性炭孔径分布。在吸附分析仪上(Au-tosorb-iQ2-MP,Quantachrome,美国),于77 K测定N₂吸附/脱附等温线。分别采用t法和BJH法分析微孔分布(0.4~2 nm)和中孔分布(2~50nm)。大孔分布(50~370 000nm)采用压汞法,在高性能压汞仪(AutoPore IV9500,美国)上测定。

　　 (3)微生物特性。生物膜的生物量和生物活性分别通过异养菌计数(HPC)和耗氧速率(OUR)表示。HPC测定方法:取500 mg左右炭样,加入到5mL脱附溶液中^[3]。将加入了脱附溶液的炭样进行超声处理,超声时间为10min。吸取一定量超声后的悬浊液,在R2A培养基中培养7 天,7 天后记录培养皿上菌落数。OUR测定方法:取0.5g左右炭样,放入微呼吸测量瓶,测量瓶中加满取炭处水样后密封。用溶解氧微电极(Unisense,丹麦)测定测量瓶中溶解氧浓度随时间的变化曲线,取初期直线段,拟合所得斜率为氧呼吸速率OUR,计算得到单位质量活性炭的OUR。

　　 电子显微镜(FEI Quanta 200,捷克)观察炭颗粒表面微生物分布。

　　 使用Soil DNA试剂盒(Omega Bio-Tek,美国)提取炭颗粒表面微生物的总DNA,操作按照试剂盒的说明进行。细菌通用引物515F和806R扩增后的16srRNA V4区段在Illumina Miseq平台上测序。测序结果由MOTHUR软件分析并与Silva db119数据库比对。

　　 一般按照前苏联科学院院士杜比宁(DUBI-NIN)提出的划分法,将活性炭的孔径分为:微孔(D<2 nm),中孔(D =2~50 nm),大孔(D >50nm)^[4]。Gibert等^[5]的研究已经证明,GAC对水中NOM组分的吸附作用取决于NOM组分分子尺寸与活性炭表面分布孔隙的匹配。NOM绝大部分分子尺寸落在活性炭微孔(D<2nm)对应的范围内,只有很少一部分生物大分子落在中孔(D=2~50nm)对应的范围内^[6]。GAC主要通过微孔吸附去除水中有机污染物。

　　 细菌尺寸一般在200~2 000nm,结合上述活性炭孔隙划分,细菌无法进入活性炭表面的微孔、中孔及较小的大孔中。为此,按照活性炭孔隙与细菌尺寸的匹配,将大孔(D>50nm)中D>200nm的孔隙进一步划分为超大孔。

　　 试验用5 种活性炭的孔径分布如图1 所示。5种活性炭整体上都表现为孔隙集中分布在微孔和超大孔部分。其中,PICA的微孔孔容积较高,是其余4种炭的1.5~2倍。PICA炭可能对水中有机污染物具有更高的吸附容量。PICA、竹屑和竹片炭在适于细菌尺寸的孔径范围内,即超大孔,具有更大的孔容积,是另外两种炭的2~3 倍。此外,PICA和竹片炭的中孔孔容积较大,为0.35mL/g;竹片炭的大孔孔容积较大,为0.26mL/g。

　　 试验中各炭柱所填活性炭均为新炭,炭柱连续运行130天。图2所示为炭柱DOC去除率在运行过程中的变化情况。

　　 可以看出,在运行的前100天内炭柱DOC去除率呈现逐渐降低的趋势,100 天后基本保持稳定。DOC去除率在最初运行的10 天内最高(约为90%),且5根炭柱去除率相近,此时通过新鲜活性炭的吸附作用去除水中DOC。试验中炭柱进水为自配水,葡萄糖是进水DOC的主要成分。活性炭因其丰富的微孔结构,优先吸附水中的小分子物质,如葡萄糖;相较于分子质量或分子大小,吸附质的极性则不是吸附的决定因素^[7]。

　　 随着活性炭表面的吸附位逐渐被葡萄糖和其他NOM组分占据,炭柱DOC去除率呈现下降趋势。与此同时,葡萄糖容易被微生物利用,可以促进活性炭表面生物膜的形成。炭柱运行至100天后进入稳定阶段,此时活性炭吸附基本饱和,炭颗粒表面形成较为成熟的生物膜,由颗粒活性炭转变成生物活性炭。炭柱主要通过炭粒表面生物膜的生物降解作用去除水中DOC。如图2 所示,稳定阶段竹屑炭的DOC去除率最高(100天到130天的平均去除率为83%),说明生物降解作用明显,其次是PICA炭(平均去除率为75%),竹片和压块破碎炭较低(平均去除率分别为67%和66%),原煤破碎炭最低(平均去除率为57%)。

　　 试验炭柱运行到第40天(初期)和第100天(稳定期)时,分别测定了表层活性炭上的生物量和生物活性,如图3和图4所示。

　　 根据图3,发现活性炭表面的生物量自炭柱开始运行即快速增加。运行初期第40天时,表层活性炭上的HPC已经达到4.7×10⁶~2.1×10⁷CFU/g;运行至第100天时,5根炭柱的HPC又平均增加1个数量级,达到4.5×10⁷~4.0×10⁸CFU/g,形成较为成熟的生物膜。试验中各炭柱运行条件相同,唯一的差异是不同种类的活性炭作为生物膜附着的载体。此外,炭柱进水中含有较为丰富的易生物降解有机物(即葡萄糖),微生物的生长和积累不受营养物质限制。活性炭颗粒性质是决定炭柱表层生物量大小的主要因素。发现具有丰富超大孔孔隙结构的活性炭,即PICA和竹屑炭,有利于微生物的早期吸附和生物量的持续积累。其他研究也发现^[8],表面具有大量利于微生物附着生长的凹槽时,填料表面最早观察到生物膜出现。

　　 图5所示为用电子显微镜观察活性炭颗粒表面和炭颗粒切开后的内部。可以看到,微生物集中分布在活性炭颗粒表面的缝隙中,还有一部分微生物进入到活性炭内部合适大小的孔隙中。增加活性炭表面适于微生物尺寸的孔隙,即超大孔,可能有助于提高活性炭表面的生物量,从而形成更为成熟的生物膜。电镜照片中还发现,活性炭表面相对光滑的区域是裸露的,生物膜的覆盖不是连续的。

　　 生物活性与生物量是不同的概念,试验用单位质量活性炭的耗氧速率表示炭颗粒表面生物膜的代谢活性。炭柱运行初期(第40天时),5根炭柱表层生物活性差异不大,在9.89~21.77mg O₂/(L·h·g),其中竹屑、竹片和PICA炭略高。随着生物量的增加,到稳定阶段(第100天时),竹屑和PICA炭的生物活性继续增加,达到56.09mg O₂/(L·h·g)和34.95mg O₂/(L·h·g),其余3种活性炭的生物活性无明显变化。但整体上生物量大的生物膜生物活性也较高。其中PICA和竹屑炭更有利于炭颗粒表面形成有活性的生物膜并且可以维持生物膜的活性。

　　 炭柱进入稳定期后主要通过生物降解作用去除有机物,图6比较了稳定期炭柱DOC去除率与生物量和生物活性的关系。生物量和生物活性与DOC去除率的相关系数分别为0.793 5和0.842 2,生物量和生物活性都与炭柱DOC去除效果存在较好的相关性。增加炭颗粒表面的生物量和生物活性,有助于提高BAC对有机物污染物的去除效果。Urfer等的研究表明^[9],OUR可以更好地代表生物膜的生物降解能力,也与试验炭柱的结果相吻合。稳定阶段生物量,生物活性与DOC去除效果的相关性也表明,活性炭颗粒的初期吸附作用与BAC运行效果关系不大,工艺设计时,不必着重考察。

　　 饮用水处理中,DOC及其可生化性(即可生化有机物所占比例)往往是活性炭池生物量、生物活性和生物降解作用的限制因素^10]。Lauderdale等的研究也表明^[11],提高BAC池进水中营养物质的浓度,池中的生物量升高,DOC去除效果明显。为了更好地利用BAC的生物降解作用,可以考虑将其置于砂滤前,与臭氧预氧化联用,提高进水DOC浓度及其可生化性。同时选择有利于生物膜形成的活性炭,如超大孔孔容积大的活性炭。

　　 根据上文,超大孔结构丰富的活性炭,如PICA和竹屑炭,表面容易形成生物量和生物活性较大的生物膜。为了进一步讨论活性炭孔径分布对生物膜形成的影响,考察了活性炭表面不同孔径范围的孔容积与稳定期生物量和生物活性的关系,见表2。

　　 常见的细菌尺寸d=200~2 000nm,并且在细菌填充到孔隙中时,一般要求孔径D和d的关系为:D/d>1.7,且最好为D/d=3~6^[12]。因此将超大孔进一步划分为200~500nm,500~2 000nm,2 000~5 000nm,5 000~10 000nm和>10 000nm几个孔径范围。

　　 发现超大孔中孔径D>10 000nm的孔容积与稳定期炭柱生物量和生物活性的相关性最好,R²分别为0.721 3和0.597 9。与细菌尺寸相近的超大孔,包括孔径为200~500nm,500~2 000nm,2 000~5 000nm,与生物量和生物活性的关系却并不明显。电镜照片中,孔径D>10 000nm的极大孔表现为炭颗粒表面的凹陷和通道(见图5),是微生物主要分布的位置,可以保护其不会受到水流剪切力的作用而脱落。另外在直径较大的孔隙中,营养物和溶解氧的扩散都较为容易和快速,保证了孔隙内微生物的代谢和增殖;极大孔内部还可以嵌套其他孔径范围的超大孔,提高了活性炭内表面在吸附细菌颗粒过程中的利用^[1],最终增加炭颗粒上的生物量。生物活性炭用颗粒炭生产时,应考虑尽量提高D>10 000nm孔径的孔容,达到促进生物膜附着的目的。

　　 试验中的#3 竹片炭在超大孔以及孔径D>10 000nm的范围内都有较大的孔容,但竹片炭上累积的生物量和生物活性都较小。说明除了孔径分布以外,活性炭其他性质,如粗糙度和带电,也可能会影响炭颗粒表面生物膜的形成,有待进一步考察和分析。

　　 炭柱稳定后,生物膜在纲水平上的群落结构如图7所示,选取依据为丰度大于1%的菌纲。

　　 5个炭样生物膜群落分布相似,优势菌纲依次为β-变形菌纲(16.34% ~26.15%),α-变形菌纲(11.68%~14.55%),梭菌纲(4.34% ~5.89%),δ-变形菌纲(3.93% ~ 5.71%)和 γ-变形菌纲(3.09%~5.10%)。活性炭表面的孔隙结构虽然有助于生物膜的形成,但对微生物群落结构没有明显的选择作用。其他研究也认为^[13],进水DOC组成及可生化性是决定生物膜群落结构的主要因素。其中α-变形菌纲在贫营养环境中更具竞争力,β-变形菌纲则在富营养条件下更为丰富^[14]。试验中#2-竹屑炭上β-变形菌纲高于其他炭样,#1-PICA炭则较低。这恰好与炭柱运行初期吸附效果相关,可能是#2-竹屑炭表面吸附了更多营养物质(葡萄糖等),颗粒表面的富营养微环境对生物膜的群落结构产生了一定影响。

　　 生物膜是BAC出水中微生物的来源之一,炭样中检测到可能的病原体和抗生素抗性基因,如伯克氏菌属、不动杆菌属,Sphingomonadaceae、贪噬菌属和劳尔氏菌属等^[15,16]。增加炭颗粒表面的生物量,有可能会增加微生物泄漏的风险,进一步研究需要对BAC出水生物安全性进行考察。

　　 (1)BAC对DOC去除的效果由炭柱中的生物量和生物活性控制,生物量和生物活性高时DOC去除效果明显。

　　 (2)活性炭孔径D>10 000nm的孔体积与炭颗粒表面的生物量和生物活性相关,R²分别为0.721 3和0.597 9。增加该部分孔隙容积有利于活性炭表面积累生物膜并发挥其生物降解作用。

　　 (3)活性炭孔径分布特征对炭颗粒表面微生物群落无明显选择性。