方形活性焦吸附池在污水處理廠的應(yīng)用研究 ?

摘要：活性焦憑借強(qiáng)大的吸附能力，廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域。試驗(yàn)成功搭建方形吸附池中試裝置（連續(xù)運(yùn)行231 d），采用掃描電子顯微鏡、比表面積和微孔分析儀分析活性焦的表面結(jié)構(gòu)、孔徑和孔容，并研究活性焦對(duì)城市污水處理廠出水的深度凈化效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，固定床濾池活性焦吸附后，出水化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）的濃度基本小于13 mg/L，部分時(shí)段小于10 mg/L；出水色度基本小于8度，部分時(shí)段小于5度；活性焦對(duì)總氮（Total Nitrogen，TN）和總磷（Total Phosphorus，TP）的吸附在1個(gè)月內(nèi)就達(dá)到飽和；出水水質(zhì)執(zhí)行《賈魯河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 41/908—2014），其中指標(biāo)COD、TN均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，基本滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質(zhì)要求。

關(guān)鍵詞：污水處理；活性焦；吸附；深度處理；地表水；Ⅲ類水質(zhì)

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）10-0-07

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Study on the Application of Square Activated Coke Adsorption Tank in Sewage Treatment Plants

ZHANG Yan， WANG Zhihui， ZHAO Pin， XU Pengfei， YI Haiming， MA Yuanyuan， DU Guowei， WANG Ronghong

（Zhengzhou Sewage Purifying Co.， Ltd.， Zhengzhou 450044， China）

Abstract： Activated coke is widely used in the field of wastewater treatment due to its strong adsorption capacity. In this experiment， a square adsorption tank pilot plant is successfully constructed （231 d of continuous operation）， scanning electron microscopy， specific surface area， and microporous analyzer are used to analyze the surface structure， pore size， and pore volume of activated coke， and the deep purification effect of activated coke on urban sewage treatment plant effluent is studied. The experimental results show that after the adsorption of activated coke in the fixed bed filter， the concentration of Chemical Oxygen Demand （COD） in the effluent is basically less than 13 mg/L， and in some periods it is less than 10 mg/L; the chromaticity of the effluent is generally less than 8 degrees， and in some periods it is less than 5 degrees; the adsorption of Total Nitrogen （TN） and Total Phosphorus （TP） by activated coke reaches saturation within one monthMkHVFYTrWWnuFMBvX9XWd24nf2qnnM9gTLZarYR2o8A=; the effluent quality complies with the Discharge Standards for Water Pollutants in the Jialu River Basin （DB 41/908—2014）， with indicators COD and TN both exceeding the Class A standard of the Pollutant Discharge Standards for Urban Sewage Treatment Plants （GB 18918—2002）， and basically meeting the Class Ⅲ water quality requirements of the Environmental Quality Standards for Surface Water （GB 3838—2002）.

Keywords： sewage treatment; activated coke; adsorbent; deep processing; surface water; class Ⅲ water quality

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境保護(hù)事業(yè)的發(fā)展，部分區(qū)域污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格。河南省于2014年

6月26日開(kāi)始實(shí)施《賈魯河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 41/908—2014），其中化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總氮（Total Nitrogen，TN）的濃度均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》

（GB 18918—2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[1]。隨著出水標(biāo)準(zhǔn)的提高，有必要使用先進(jìn)的處理技術(shù)去除污水處理廠二級(jí)出水中的難降解有機(jī)物，從而降低COD濃度，滿足排放要求[2]。污水處理廠出水經(jīng)深度處理后，出水水質(zhì)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）

的Ⅲ類水質(zhì)要求。

活性焦是一種多孔的含碳物質(zhì)，其實(shí)質(zhì)就是低表面積、高強(qiáng)度的活性炭[3-4]。與其他碳基材料相比，活性焦機(jī)械強(qiáng)度高，容易再生，價(jià)格較低，環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益較高[5-7]。此外，活性焦具有與活性炭相似的吸附性能，擁有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、豐富的表面官能團(tuán)[8-9]，在污水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。為探索活性焦在污水深度處理中的應(yīng)用，試驗(yàn)在對(duì)活性焦進(jìn)行全面表征的同時(shí)，利用方形活性焦吸附池對(duì)污水處理廠出水進(jìn)行深度處理，并長(zhǎng)期跟蹤其對(duì)COD、色度、TN和總磷（Total Phosphorus，TP）的去除效果。研究結(jié)果對(duì)活性焦濾床在污水深度處理領(lǐng)域的應(yīng)用有重要現(xiàn)實(shí)意義，可為活性焦吸附池的項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)在鄭州市某污水處理廠內(nèi)實(shí)施。該污水處理廠的設(shè)計(jì)污水處理規(guī)模為65萬(wàn)m3/d，采用“粗格柵+細(xì)格柵+曝氣沉砂池+初沉池+厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）生化池+

二沉池+高效沉淀池+V形濾池+紫外消毒”工藝，出水水質(zhì)執(zhí)行《賈魯河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 41/908—2014），其工藝流程如圖1所示。水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有COD、色度、TN和TP，高效沉淀池出水和最終出水水質(zhì)如表1所示。

1.2 中試裝置

方形活性焦試驗(yàn)裝置包括5部分，分別為進(jìn)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、吸附過(guò)濾系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)和取料換料系統(tǒng)?；钚越刮匠夭捎霉潭ù矠V池設(shè)計(jì)（一座兩格），兩格濾池單獨(dú)進(jìn)水（分為1號(hào)吸附池和2號(hào)吸附池），獨(dú)立運(yùn)行，位置如圖1所示，單池總?cè)莘e為171.5 m3，設(shè)計(jì)濾速均為7.0 m/h，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間為50 min。該濾池底部鋪設(shè)厚度10 cm的砂石承托層。1號(hào)吸附池活性焦填料高度為3.7 m，填料體積為90 m3，進(jìn)水為高效沉淀池出水；2號(hào)吸附池活性焦填料高度為3.4 m，填料體積為84 m3，進(jìn)水為紫外消毒出水。活性焦吸附池結(jié)構(gòu)如圖2所示。方形活性焦吸附池從運(yùn)行到結(jié)束共計(jì)231 d，每天固定時(shí)間對(duì)吸附池進(jìn)行反沖洗，其運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

2 材料的表征與分析

2.1 掃描電子顯微鏡分析

為了觀察活性焦樣品的表面形態(tài)，采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)新活性焦和方形吸附池吸附后活性焦進(jìn)行分析，如圖3所示。從圖3（a）可見(jiàn)，新活性焦表面呈現(xiàn)凹L20mOzZ5CvAX6ewg+JjmWQN7n1MnuBW3kDkaBpF3RC4=凸不平、相對(duì)雜亂的狀態(tài)，表面呈蜂巢狀，分布很多孔隙。從圖3（b）可見(jiàn)，原先蜂巢狀的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被吸附物覆蓋，變得相對(duì)封閉，自身存在的孔隙被污染物質(zhì)填充，比表面積減小，吸附位點(diǎn)也相應(yīng)減少。水中有物質(zhì)吸附在活性焦表面，吸附在表面的物質(zhì)可能阻止水中物質(zhì)進(jìn)一步向活性焦中擴(kuò)散，從而影響吸附效果。

2.2 比表面積及孔結(jié)構(gòu)分析

借助比表面積和微孔分析儀，分析活性焦材料的比表面積及微孔特征，并計(jì)算孔容，結(jié)果如圖4所示?；钚越沟腘2吸附脫附等溫線屬于Ⅰ型吸附等溫線和Ⅳ型吸附等溫線的結(jié)合，存在H4型的滯后環(huán)，滯后環(huán)比較寬，說(shuō)明活性焦顆粒含有豐富的孔徑結(jié)構(gòu)。當(dāng)相對(duì)壓力P處于低壓端（P＜0.1）時(shí)，吸附曲線起始快速上升，呈Ⅰ型且偏向Y軸，說(shuō)明活性焦與N2有較強(qiáng)的作用力，發(fā)生單分子層吸附，直接反應(yīng)形成微孔結(jié)構(gòu)；當(dāng)相對(duì)壓力處于中壓端（0.1≤P＜0.9）時(shí)，吸附曲線上升速度變緩，發(fā)生多分子層吸附，活性焦呈現(xiàn)出中孔特性；當(dāng)相對(duì)壓力處于高壓端（0.9≤P≤1）時(shí)，曲線陡峭，拖尾上升，發(fā)生毛細(xì)凝聚和離子堆積，活性焦呈現(xiàn)大孔特性。

3 吸附效果分析

3.1 方形吸附池COD吸附效果分析

由圖5可知，試驗(yàn)期間，1號(hào)方形吸附池的進(jìn)水COD濃度均值為17.04 mg/L，出水COD濃度均值為10.43 mg/L，平均去除率為38.79%，COD吸附量為

3 237.88 kg，噸焦吸附量為71.95 kg。試驗(yàn)第一周出水COD濃度都在8 mg/L以下，3個(gè)月內(nèi)出水COD基本都在13 mg/L以下，第4個(gè)月開(kāi)始出現(xiàn)出水COD濃度大于13 mg/L的情況。試驗(yàn)期間，2號(hào)方形吸附池的進(jìn)水COD濃度均值為16.36 mg/L，出水COD濃度均值為10.74 mg/L，平均去除率為34.36%，COD吸附量為3 050.97 kg，噸焦吸附量為71.27 kg。第一周出水COD濃度為8 mg/L，運(yùn)行3個(gè)月內(nèi)出水COD濃度都小于13 mg/L，第4個(gè)月開(kāi)始出現(xiàn)出水COD濃度大于13 mg/L的情況；運(yùn)行6個(gè)月后，COD去除率降至20%～30%。活性焦對(duì)水中COD的吸附能力主要依靠其大量的微孔以及活性炭表面官能團(tuán)的作用，大孔在吸附過(guò)程中起到通道作用，中孔可以起到通道和部分吸附作用。隨著時(shí)間的增加，出水COD濃度增加，這是因?yàn)榛钚蕴课轿稽c(diǎn)減少，高沸點(diǎn)的有機(jī)物替代了低沸點(diǎn)的有機(jī)物。

圖4 活性焦的N2吸附脫附等溫線圖

3.2 方形吸附池色度吸附效果分析

由圖6可知，試驗(yàn)期間，1號(hào)方形吸附池的進(jìn)水色度均值為16.27度，出水為6.79度，平均去除率為58.27%。第1周出水發(fā)藍(lán)，色度在8度以下，3個(gè)月

內(nèi)出水色度均值為6度。2號(hào)方形吸附池的進(jìn)水色度均值為12.77度，出水為6.83度，平均去除率為46.52%。第1周出水發(fā)藍(lán)，色度在8度以下；運(yùn)行

3個(gè)月內(nèi)，出水色度均值為6度；運(yùn)行6個(gè)月后，色度均值在8度左右，感官效果較差。色度的降低是因?yàn)榛钚越箤?duì)水中的懸浮顆粒和溶解性有機(jī)物都有一定的吸附效果，有利于水中表色和真色的去除。

3.3 方形吸附池TN吸附效果分析

由圖7可知，試驗(yàn)期間，1號(hào)方形吸附池的進(jìn)水TN濃度均值為8.10 mg/L，出水為7.42 mg/L，平均去除率為8.40%，噸焦吸附量為1.48 kg。2號(hào)方形吸附池的進(jìn)水TN濃度均值為7.83 mg/L，出水為5.77 mg/L，平均去除率為26.31%，噸焦吸附量為1.51 kg。進(jìn)水中的TN以硝態(tài)氮為主，活性焦對(duì)TN的吸附主要依托表面的極性官能團(tuán)，1個(gè)月后進(jìn)出水TN濃度基本一致，原因可能是表面極性活性位點(diǎn)被消耗，TN吸附效果變差。

3.4 方形吸附池TP吸附效果分析

由圖8可知，1號(hào)方形吸附池的進(jìn)水TP濃度均值為0.16 mg/L，出水為0.10 mg/L，平均去除率為37.5%，噸焦吸附量為0.15 kg。2號(hào)方形吸附池的進(jìn)水TP濃度均值為0.12 mg/L，出水為0.10 mg/L，平均去除率為16.67%，噸焦吸附量為0.046 kg。這與TN處理效果相似，進(jìn)水中TP以磷酸鹽的形式存在，更容易與活性焦表面的極性官能團(tuán)反應(yīng)，1個(gè)月后活性位點(diǎn)減少，導(dǎo)致進(jìn)出水TP濃度基本一致。

4 結(jié)論

吸附試驗(yàn)顯示，方形活性焦吸附池吸附后，運(yùn)行期間，出水COD濃度基本小于13 mg/L，部分時(shí)段小于10 mg/L，1號(hào)吸附池噸焦吸附量為71.95 kg，

2號(hào)吸附池噸焦吸附量為71.27 kg。但是，COD還未完全吸附飽和，需要進(jìn)行下一步試驗(yàn)?；钚越箍梢匀コ锓?、物理法或者化學(xué)法不能去除的微量呈溶解狀態(tài)的有機(jī)物，性能優(yōu)異。方形活性焦吸附池吸附后，出水色度基本小于8度，前3個(gè)月出水色度基本都在6度以下。活性焦對(duì)污水的色度具有很好的去除效果?；钚越箤?duì)TN和TP的吸附在一個(gè)月內(nèi)就達(dá)到飽和，說(shuō)明活性焦對(duì)二者的去除不能持續(xù)，這可能與TN、TP的濃度、離子性和極性有關(guān)?；钚越箤儆诜菢O性吸附材料，對(duì)水中非極性或者弱極性物質(zhì)有較好的吸附效果，但是對(duì)極性物質(zhì)的吸附則依靠極性官能團(tuán)，這可能導(dǎo)致活性焦對(duì)水中TN和TP的去除效果不理想，但對(duì)COD和色度的去除效果較好。

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