活性炭深度處理工業(yè)廢水的效果研究

周卿 李華杰 袁維波 劉燕萍 趙春陽(yáng)

【摘 要】目前，大部分工業(yè)廢水經(jīng)生化處理后的出水均不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，且含有難降解有機(jī)物，深度處理較難。文章探討了活性炭試驗(yàn)對(duì)工業(yè)廢水的深度處理效果，為水廠提標(biāo)改造提供參考。結(jié)果表明，活性炭投加量一定時(shí)，吸附停留時(shí)間1.0 h的去除效果較優(yōu);隨著初始COD濃度增大，去除率出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);最大吸附容量為0.31 kgCOD/kg;經(jīng)核算后，建設(shè)投資和運(yùn)行成本綜合單價(jià)為每噸水2.30元?；钚蕴吭囼?yàn)可以較好地處理該廠生化出水。

【關(guān)鍵詞】活性炭;工業(yè)廢水;深度處理;運(yùn)行成本

【中圖分類號(hào)】X703 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）12-0084-03

工業(yè)廢水種類繁多，成分復(fù)雜，并含有多種有毒物質(zhì)，如未得到有效處理，對(duì)人類健康有較大危害，所以園區(qū)廢水集中處理越來(lái)越受到人們的重視[1-3]。目前，工業(yè)園區(qū)廢水的處理技術(shù)按工藝流程主要分為預(yù)處理技術(shù)、二級(jí)生物處理技術(shù)、深度處理及回用技術(shù)，隨著出水水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，深度處理技術(shù)逐漸成為研究的重點(diǎn)，通常歸納為高級(jí)氧化、活性炭吸附、膜分離和生物濾池等[4]。

活性炭具有巨大的比表面積，對(duì)于水質(zhì)、水量及水溫變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，方便自動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于廢水的深度處理[5]?；钚蕴靠梢韵鄬?duì)高效地去除有機(jī)物、嗅味、顏色、消毒副產(chǎn)品、重金屬物質(zhì)、氯化有機(jī)化合物、放射性有機(jī)物質(zhì)、農(nóng)藥物質(zhì)等[6，7]。因此，筆者利用活性炭試驗(yàn)探究它在工業(yè)污水廠尾水提標(biāo)改造上的應(yīng)用效果，并研究相關(guān)的影響因素和進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本分析。

1 材料與方法

（1）材料與試劑。試驗(yàn)用水取工業(yè)園區(qū)廢水處理廠生化處理單元出水，水質(zhì)如下：COD為93～230 mg/L，BOD5為6～10 mg/L，NH3-N為1～3 mg/L，pH為6.05～9.0，DO為5～6 mg/L，B/C約0.06;出水排放標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)所用活性炭為煤質(zhì)壓塊破碎活性炭，其基本指標(biāo)為8×30目（90%通過(guò)）;碘值≥950 mg/g（新國(guó)標(biāo)）;水分≤3%;灰分≤14%;強(qiáng)度≥90%;亞甲基藍(lán)≥170 mg/g。

（2）試驗(yàn)裝置與方法。本次試驗(yàn)裝置為單組固定床活性炭吸附濾柱，濾柱管徑為14 cm，濾層深度為33 cm，活性炭填充質(zhì)量為2.54 kg。

本研究采用活性炭作為深度處理工藝，考察停留時(shí)間和初始COD（化學(xué)需氧量）濃度對(duì)活性炭吸附性能的影響，研究工藝的吸附容量和對(duì)該廠生化出水的處理效果，同時(shí)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以期為工業(yè)廢水深度處理提供技術(shù)參考?；钚蕴课窖b置示意圖如圖1所示。

根據(jù)以下公式計(jì)算去除率：

上式中：ρ0為吸附前污染物的質(zhì)量濃度，mg/L;ρ為吸附后污染物的質(zhì)量濃度，mg/L。

（3）分析方法。COD、NH3-N、TN、SS、BOD5均采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定;pH采用pH計(jì)（Stratos 2201 X，德國(guó)WTW）測(cè)定;DO采用Thermo便攜式溶氧儀測(cè)定;吸附曲線采用origin85軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同反應(yīng)條件對(duì)COD吸附效果的影響

2.1.1 停留時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

試驗(yàn)選取廠區(qū)生化出水COD平均值，濃度為140 mg/L。通水運(yùn)行后，控制進(jìn)水流量為10.2 L/h、5.08 L/h、3.39 L/h、2.54 L/h、2.04 L/h，使活性炭塔的停留時(shí)間為0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h，測(cè)定出水COD濃度。廢水進(jìn)出水COD濃度和停留時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，在一定時(shí)間內(nèi)，廢水的COD去除率隨停留時(shí)間的增加而迅速增加，隨后去除率的增加趨勢(shì)變緩，到一定時(shí)間后廢水濃度處于平衡狀態(tài)，去除率穩(wěn)定在82%左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到1.0 h，繼續(xù)延長(zhǎng)停留時(shí)間，COD的去除率不再大幅增加，趨于平衡狀態(tài)，且出水COD值為30 mg/L，明顯低于出水排放標(biāo)準(zhǔn)。延長(zhǎng)水力停留時(shí)間可以提高出水水質(zhì)，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，會(huì)增加反應(yīng)體積，增加投資和工程占地面積[8，9]，所以該裝置停留時(shí)間選擇1.0 h為宜，此時(shí)COD去除率可達(dá)到81.8%。

2.1.2 進(jìn)水COD濃度對(duì)吸附效果的影響

圖3為停留時(shí)間1.0 h時(shí)不同進(jìn)水COD濃度（93 mg/L、112 mg/L、140mg/L、162 mg/L、195 mg/L、212 mg/L、230 mg/L）與吸附效果的關(guān)系曲線圖。由圖3中可以看出，活性炭投加量一定時(shí)，隨著進(jìn)水COD濃度增大，去除率緩慢上升，這是由于廢水中含有部分活性炭不可吸附物質(zhì)[10]，活性炭吸附無(wú)法使COD濃度降低，所以去除COD的占比有限。當(dāng)進(jìn)水COD濃度達(dá)到140 mg/L時(shí)，吸附去除率達(dá)到最佳，為81.8%。隨著進(jìn)水COD濃度的繼續(xù)增加，單位質(zhì)量的活性炭周圍所包圍的有機(jī)物分子數(shù)越來(lái)越多，而活性炭表面的吸附位點(diǎn)數(shù)是固定的，所以它很快會(huì)達(dá)到吸附飽和狀態(tài)，因此去除率逐漸降低[11，12]。

2.2 運(yùn)行時(shí)間對(duì)COD吸附效果的影響

活性炭吸附性能相對(duì)穩(wěn)定，本試驗(yàn)在進(jìn)水流量為5.08 L/h、停留時(shí)間為1.0 h，連續(xù)進(jìn)行40 d試驗(yàn)的條件下，采用活性炭工藝對(duì)該工業(yè)園區(qū)生化出水進(jìn)行處理，效果如圖4所示。從圖4中可以看出，進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，但試驗(yàn)前20 d的出水COD可以穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，平均去除率為73.5%。運(yùn)行20～30 d時(shí)，COD的去除率明顯下降，平均去除率下降為51.3%。連續(xù)運(yùn)行30 d以后，COD平均去除率僅為21.2%。這表明活性炭的各項(xiàng)指標(biāo)在一個(gè)比較低的水平，活性炭的吸附能力已經(jīng)處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。

2.3 活性炭的吸附容量研究

圖5是活性炭對(duì)該廠生化出水COD吸附容量曲線圖。在進(jìn)水流量為5.08 L/h、停留時(shí)間為1.0 h，連續(xù)進(jìn)行40 d試驗(yàn)，并通過(guò)測(cè)定進(jìn)出水的COD濃度計(jì)算得出吸附量，考察該工藝的活性炭對(duì)該廠生化出水的吸附效果和吸附容量。從圖5中可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，吸附容量迅速增加，吸附效果逐漸降低[13]。連續(xù)運(yùn)行30 d，平衡吸附容量達(dá)到0.27 kgCOD/kg，隨后吸附容量的增長(zhǎng)速度趨于平衡，最大吸附容量為0.31 kgCOD/kg，此時(shí)COD去除率僅為13.3%。這說(shuō)明吸附量不斷增加后，累積的吸附質(zhì)會(huì)導(dǎo)致活性炭的吸附位點(diǎn)減少，使吸附能力逐漸減弱甚至消失，從而形成飽和活性炭，逐漸達(dá)到最大吸附容量。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

采用活性炭工藝處理工業(yè)園區(qū)廢水處理廠的生化出水，其運(yùn)行成本主要來(lái)自活性炭再生單元。本試驗(yàn)活性炭再生采用熱再生工藝，按照停留時(shí)間1.0 h，活性炭8%的損耗，二次爐1 100 ℃，去除100 mg/L COD計(jì)算，活性炭吸附及再生可變成本為每噸水1.47元。投資成本共760萬(wàn)元，按20年折舊，計(jì)算投資為每噸水0.83元。綜合計(jì)算該工藝成本為2.30元/t。針對(duì)該廠活性炭消耗量較大的情況，采用熱再生法具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）進(jìn)水COD為140 mg/L，停留時(shí)間為1.0 h時(shí)，活性炭工藝去除效果較優(yōu)，隨著廢水溶液的初始COD濃度增大，COD去除率出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

（2）水力停留時(shí)間為1.0 h，活性炭填充量為2.54 kg，連續(xù)進(jìn)行40 d試驗(yàn)，當(dāng)連續(xù)運(yùn)行30 d時(shí)，吸附容量達(dá)到0.27 kgCOD/kg，隨后吸附容量的增長(zhǎng)速度趨于平衡，最大吸附容量為0.31 kgCOD/kg。

（3）活性炭吸附工藝可較好地處理該廠生化出水COD指標(biāo)，前20 d出水COD穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

（4）活性炭熱再生經(jīng)濟(jì)成本為每噸水2.30元，該技術(shù)在工業(yè)廢水深度處理應(yīng)用中具有很好的前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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