活性炭吸附

活性炭吸附是中水回用深度处理中的重要技术之一。在生物处理过程中,所能去除的是可生物降解的部分有机碳而且有一部分转化为溶解性微生物产物(soluble microbial prod- acts,SMP)。SMP是菌体在代谢过程中排出或分泌的物质,能够在不破坏菌体细胞的情况下与微生物分离,并离开菌体后仍可存活。它是蛋白质、核酸、硫醇、抗生素等多种物质的混合体,比原污水中的有机物在进一步做回用深度处理时更难降解。

活性炭属无定形碳,由许多呈石墨型的层状结构的微晶不规则地集合而成,具有结晶缺陷。这些内部结构使活性炭在水处理中不仅具有吸附能力,还能起到催化作用。活性炭含有大量微孔,其孔径为1×10-0~1×10-6m,特别是1×10-10~1×10-°m的微孔居多,活性炭内部有无数微细孔隙纵横相通,使活性炭具有巨大的比表面积(可达1000m/g)可除色、臭、味。活性炭吸附工艺能去除大部分有机物和某些无机物,可以去除的有机物主要有萘、苯乙烯、酚类、二甲苯、醛类等多种脂肪族和芳香族的烃类物质。在活性炭吸附时需要确定吸附剂、吸附操作方式、再生模式、预处理和后处理等。往往通过静态吸附试验和动态吸附试验来确定吸附剂、吸附容量、设计参数、处理效果和技术经济指标等。

在应用中需要与反渗透、电渗析、超滤、离子交换等工艺组合使用。活性炭与膜联用能有效解决单独使用膜过滤而引起的膜阻塞和膜污染问题。利用活性炭对进水进行必要的前处理,以减少水中的有机物、无机物、微生物等在膜表面和膜内孔积累,从而极大地延长了膜的使用寿命。而膜的存在又可以克服单独使用活性炭的弱点,解决活性炭出水中细菌数偏高的问题。活性炭与超滤膜的联用能有效地去除水中的CODMn、溶解性腐殖酸和富敏酸(UV254)和大肠杆菌,尤其是对UV254以及相应的消毒副产物有较高的和稳定的去除效果

活性炭与纳滤膜联用能有效地去除进水中大部分TOC和Ames致突变物,使Ames试验结果均呈阴性。董秉直等人对超滤膜与混凝粉末活性炭联用所做的研究也表明活性炭与膜的组合不仅可有效地去除溶解性有机物,还能降低膜过滤的阻力,提高透水量和防止膜污染。

一、吸附剂的选择设计

活性炭的吸附过程是发生在水相、活性炭、溶质三者之间的相互作用过程。发生吸附的主要原因是溶质的疏水性和固相颗粒所表现出的表面力的不平衡造成溶质对固体颗粒的高度亲和力。亲水物质向固相吸附界面移动较难,憎水物质则较易;溶解度大的物质向固相吸附界面移动较难,溶解度小的则较易。同时还存在着溶质与吸附剂之间的静电引力、化学键力、范德华力。因此,活性炭吸附溶质过程中,其孔隙结构、比表面积大小是最重要的特性。

在深度处理过程中常用的活性炭材料主要有粒状活性炭(GAC)和粉状活性炭(PAC),还有球形活性炭、高分子涂层活性炭、纤维活性炭。首先要考虑活性炭的型号及品牌,其次注意其性能指标,进行必要的性能试验以进行评价。

活性炭吸附性能的简单试验常用4种方法。

(1)ABS值法一般情况下,对大多数有机物的吸附量随浓度增加呈对数关系,但对 ABS的吸附,浓度改变对吸附量基本不影响。利用此性质可比较活性炭的吸附能力。ABS值法就是测定出在含有5mg/L的ABS溶液中加入粉状活性炭经过1h后,ABS的浓度降为0.5 mg/L所需要的活性炭量。

(2)亚甲基蓝吸附值法 这种方法是测定出在浓度为1.2mg/ml的亚甲基蓝溶液中加入活性炭并振荡30min后,单位质量的活性炭使亚甲基蓝溶液脱色的体积(ml)。

(3)碘值法 碘值法是在含碘27g/L、碘化钾41g/L的100ml溶液中,加入用盐酸润湿的活性炭样品05g,经过5min振荡后求出对碘的吸附量。

(4)比表面积BET法这种方法反映出活性炭吸附能力的大小。除上述试验外,还需对所考虑的系统进行等温吸附试验。

二、吸附容量和吸附等温线

为了解活性炭的吸附能力,确定其品种并取得有关设计参数,需进行等温吸附试验。用此试验数据可比较不同类型活性炭处理后的出水水质,提供吸附容量及所需要的活性炭量。

溶质初始含量为c1、容积V为水样中投加的活性炭,一定时间后达到吸附平衡,溶质含量为c2,则单位活性炭在平衡时吸附的溶质量(单位质量吸附剂所吸附的溶质的质量)。

2.连续式吸附操作

被处理水连续通过活性炭吸附床得到净化称为动态吸附。GAC常用此法。

(1)固定床吸附操作根据水流可分为升流式和降流式。降流式固定床中,水自上而下,水质较好,但水头损失较大,尤其是浊度较高的废水。需要对进水浊度进行控制,必要时可设预处理装置。一般要求浊度不大于5NTU。运行过程中进行反冲洗,辅以表面扫洗设施。而升流式固定床中,水流自下而上,为避免乱层运行,应控制升流速度。其水头损失增加较慢,运行时间长,但对于原水入口处吸附剂的冲洗难于用降流式,对升流速度要求很严。

(2)移动吸附操作 采取升流式,但炭层在运行中不断移动,间歇地从塔底排出吸附饱和的炭吸附剂,同时从塔顶加人一部分再生后的新的炭吸附剂,层层再移动。原水与炭吸附剂逆流接触,处理后的水从塔顶流出,可有效地利用炭吸附剂的吸附容量,水头损失小,不需设反冲洗设备。应注意控制流速以免床层混乱。

(3)流化床吸附操作流化床在运行中有起床、落床的动作,并非完全连续运行。炭吸附剂在流化床内处于膨胀状态,原水与炭吸附剂逆流接触。适用于处理含悬浮物浓度较高的废水。我国目前应用较少。

要求水质高时采用过滤法,一般而言,物化处理的成本较高,只有小水量时才用。

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