活性炭治理水污染.ppt

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1、哈尔滨动用1400吨活性炭治理水污染,超滤颗粒活性炭紫外线消毒组合工艺制备直接饮用水试验研究,裴剑(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室),超滤(UF)膜的截留颗粒粒径为1 nm 0.1m,能够有效去除水中的悬浮颗粒、胶体、浊度和病原菌等大分子物质,且所需操作压力较低。活性炭(AC),吸附小分子有机物的效果显著,常与UF对大分子有机物及细菌等病原微生物的筛分作用很好地结合在一起,大大提高了污染物特别是有机物的去除率。紫外线消毒(UV)可以灭活大多数细菌、病毒、孢子且不产生消毒副产物。本试验拟采用UFGACUV 这三种不同水处理单元的有机组合,通过发挥膜过滤物理筛分净化的优势、颗粒活性炭吸

2、附小分子有机物的特点和紫外线避免消毒副产物产生的优点,探讨其深度净化饮用水的效果。,给水排水,2010,36(3),试验所用的超滤膜膜组件由苏州立升膜分离科技有限公司提供。超滤膜膜材料为聚氯乙烯,截留相对分子质量10万,膜表面积2.11 m2,纤维内径1mm,纤维外径1.6 mm,纤维长度0.54 m,膜平均孔径0.01m,允许操作压力0.10.3 MPa。颗粒活性炭柱GAC材质为椰壳,重量780 g,碘值100 mg/g,粒度830目。试验过程中,超滤膜最终出水的最大流量为20 L/h,平均流量为15 L/h,整个试验阶段累计产水量为2 700 L。,UV254主要代表腐殖酸类物质,间接反映

3、了水中有机污染的程度。还作为三卤甲烷(THMs)的前驱物(THMFP)的替代参数,因此也间接反映了水的致癌、致畸和致突变性。,自来水浊度较高,大部分在1 NTU以上,可能是出水经管道后二次污染引起的。经一级UF后浊度由1 NTU降低到0.2 NTU 以下,达到生活饮用水卫生标准(GB 57492006)的限值(1 NTU),满足了饮用净水水质标准(CJ 942005)的规定值(0.5 NTU)。即超滤膜处理浊度效果显著。从最终出水浊度随产水量变化的趋势看,本工艺的运行比较稳定,浊度在0.1 0.206 NTU 范围内,平均值为0.155 NTU。,自来水经过一级UF 后,CODMn基本不变。G

4、AC后净水中的CODMn明显下降,CODMn 2 mg/L。这是因为活性炭比表面积大,具有发达的孔隙结构,对有机物特别是小分子有机物有良好的吸附性。过二级UF和紫外线消毒设备后,CODMn有所下降,但不明显。,自来水进水的UV254均值为0.089 cm-1,经过一级UF后,UV254平均值为0.081 cm-1,平均去除率为8.99%。水经过颗粒活性炭柱后,UV254值急剧下降为0.014 cm-1,平均去除率达到82.7%,去除效果较超滤膜明显。经过二级UF,UV254仍然保持下降趋势,去除效果与一级UF基本等同。最终出水的UV254值有时会略有上升,究其原因,可能是紫外线对某些大分子有机

5、物(苯和苯酚等)具有光降解作用,大分子有机物减少的同时,小分子物质随之增多,造成UV254的上升。,在经过一级UF后大部分水样中细菌总数减少,去除率基本达到100%。超滤膜对细菌等微生物具有很强的截留效果。细菌总数在GAC后又升高,这可能与颗粒活性炭中吸附截留的有机物有关,因为有机物为细菌滋生提供生存条件,使出水中细菌总数增加。细菌总数在经过二级UF后又降低,最终出水均能保证细菌总数为0 CFU/mL。这一方面是因为中空纤维微超滤膜对细菌及病原微生物有良好的截留作用;另一方面,对浊度的良好的去除还可以避免活性炭细颗粒带入出水中。,第二章活性炭,Active Carbon,2.1 概述,活性炭是

6、一种非常优良的吸附剂，它是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。它具有物理吸附和化学吸附的双重特性，可以有选择的吸附气相、液相中的各种物质，以达到脱色精制、消毒除臭和去污提纯等目的。检验标准可按照中国国标GB，或按照其他国家标准，如：美国ASTM，日本JIS，德国DIN标准等。,活性炭广泛应用于工农业生产的各个方面，如石化行业的无碱脱臭（精制脱硫醇）、乙烯脱盐水（精制填料）、催化剂载体（钯、铂、铑等）、水净化及污水处理；电力行业的电厂水质处理及保护；化工行业的化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收及油脂

7、等的脱色、精制；食品行业的饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色；黄金行业的黄金提取、尾液回收；环保行业的污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化；以及相关行业的香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制，各种浸渍剂液的制备等。活性炭在未来将会有极好的发展前景和广阔的销售市场。,2.2 活性炭的分类,活性炭的种类因制备原料及工艺不同而不同，从形状和外观上看，可分为如下几种：,1.粒状炭,外观为暗黑色，由含碳原料（如果壳、动物骨骼、煤和石油焦等）在不高于773K下炭化，然后通水蒸气活化制得。根据用途不同，原料也不同。维尼纶催化剂载体炭，是用果壳作原料，经水蒸气活化制得的不定形颗粒炭。回收及

8、吸附用炭，是以煤粉为原料，以煤焦油作调和剂，经成型、炭化及活化制得的圆柱形颗粒炭。脱硫炭的原料及制造方法与回收及吸附用炭相同。净化水用是用无烟煤作原料，经破碎后直接炭化和水蒸气活化制得，外观为不定形颗粒炭。,外观为粉末状，粒度一般在200目以下，粉末炭可分为用于糖类、油脂、酒类、药品等脱色用的脱色炭，及用于医药方面的药用炭。粉末活性炭的粒径一般在1050m之间。比表面积一般在1000m2/g以上，细孔一般总孔容积可达0.6一1.18mL/g，孔径104nm，细孔分为大孔、过滤孔和微孔。,2.粉末炭,活性炭纤维是将合成纤维或木质素或木素纤维经药剂处理、干燥，经水蒸气活化等过程制得。由于改善了原有

9、的吸附性质，使其具备了新的离子交换性能，已被广泛应用于SO2和氮氧化物的分离及在溶液中对重金属离子的分离。是新一代高效活性吸附材料和环保功能材料，是活性炭的更新换代产品。可以完成颗粒活性炭无法实现的工作。,3.活性炭纤维（ACF）,20世纪七十年代发展起来的一种新型吸附剂，是一种优良的非极性碳素材料，具有均匀孔径(0.4nm)的分子筛结构。由重石油烃类在裂化罐内加热至600，通过热裂而制得。外观为黑色柱状固体，碳分子筛能选择吸附氧而不吸附氮。在分离空气工艺中，是常用的吸附剂。,4.碳分子筛(carbon molecular sieve CMS),2.3 活性炭的基本结构和性能,1.基本结构,活

10、性炭之所以具有商业价值，主要是由于它具有两种主要的物理特性：表面及孔隙。,与木炭、炭黑、焦炭一样，活性炭属于无定形炭，其结构与石墨相似，是由多环芳香族环组成的层面晶格。,1.基本结构,活性炭的孔隙半径有大有小。大孔半径为100-10000nm，中孔半径为2-100nm，微孔半径小于2nm。其微孔特别发达，占单位质量活性炭总面积的95%以上。微孔提供吸附能力，大孔则可作为进入微孔的通路。,活性炭的孔隙结构是活性炭最有价值的结构。它的孔隙是由于炭在活化过程中无组织的炭素和炭成分被消耗后，在基本微晶间留下的空间。只要活化方法恰当，可以形成非常多的孔隙，其孔隙壁的总面积一般为500-1700m2/g，

11、这便是显示活性炭大吸附容量的主要原因。,2.特性,活性炭的吸附作用包含物理吸附和化学吸附。一般而言，活性炭对无机电解质吸附性极差，而对芳香类有机物及不饱和脂肪类化合物吸附能力远比硅胶的好。活性炭的吸附能力可以用活性炭的表面积、吸附率和吸附速度表示。,活性炭总表面积可由BET（Brunauer,Emmett,Teller)方法测定。活性炭的吸附率或吸附能力，取决于被吸附物质的浓度、溶液的温度、接触时间、pH值和活性炭颗粒直径等各种因素。测定活性炭的吸附能力就要测定吸附平衡等温线。在水处理中常用Frendlich公式。由活性炭的吸附能力可以确定在实际使用时活性炭的需要量。影响活性炭吸附速度的因素有

12、：(1)吸附物质向活性炭表面的迁移速度；(2)活性炭颗粒孔隙内的扩散速度；(3)活性炭内表面上的吸附反应速度。,除了活性炭的吸附性能的指标外，活性炭的一般性质主要有以下几项：,(1)水分：一般含水量(质量分数)为3%、8%、10%。在贮存过程中，活性炭可能吸收25%-30%的水分，因此，在实际使用前，需测定其含水量。,(2)灰分：可以在600马福炉中测定。,(3)干燥减量：一般在5%以下。,(4)堆积密度：表示活性炭的表观密度，就是单位体积活性炭的质量，可用量筒测定。,(5)pH值：指在一定量蒸馏水活性炭悬浮液中的pH值，一般在4-11。,(6)硬度及耐磨性：采用模拟工厂操作中的条件使颗粒相互

13、摩擦，测定试前和试后活性炭粒径的变化。,(7)粒度：粉状为100目，粒状为8-32目。,(8)对亚甲基蓝的脱色能力：一般在150mg/g以上。,(9)对碘的吸附能力：一般应超过1100mg/g。,(10)：氯化物0.5%以下、铅0.001%以下、锌0.1%以下、砷0.0002%以下。,不同原料和不同的活化过程制备的活性炭吸附特性不同。可作为活性炭的原料有：蔗渣、甜菜糖泥、血、骨、碳氢化合物、谷类、煤、椰子壳、咖啡豆、玉米秆、棉籽壳、鱼、烟尘、果核、石墨、海草海藻、灯黑、皮革废物、木质素、褐煤、糖蜜、硬果壳、油页岩、泥炭、石油酸泥、石油焦、纸厂废物、稻皮、橡胶废物、锯末、木材、酒厂废物等。常用的

14、是锯末、纤维、泥煤、褐煤。,2.4 活性炭的制备,1.概述,目前普遍认为果壳是制备活性炭的最佳原料，但由于果壳资源有限，不易集中、贮存，价格昂贵。因此近年来一直在积极寻找有效利用废弃物为原料生产活性炭的方法。国内已研究了采用竹类、烟杆、棉杆、核桃壳等废弃物制备活性炭的方法。,椰壳破碎活性炭的制备工艺流程如下：,2.粒状炭制备,粒状活性的制备工艺流程如下：,CO2 活化制备椰壳基活性炭-炭素技术，2010,29（1）,杨坤彬(昆明理工大学材料与冶金工程学院),1.原料椰壳来自西双版纳。先将其在110下干燥48h，随后将其破碎后，以10/min的升温速率加热至600，炭化2h，经筛分后，取粒径为4

15、-5.6mm 的为原料。,2.实验方法取椰壳炭化料20g 加入水平管式炉内，通入氮气30min 后，以50/min的升温速率升温至所需温度；随后停止通入氮气切换为CO2 气体进行活化，活化一定时间后，停止加热，并切断CO2通入氮气，在氮气保护下降至室温。3.活性炭样品的检测及表征活性炭的碘吸附值按GH/T 12496.8-1999 测定。通过全自动物理化学吸附仪在77K 下测定其N2 吸附等温线，并采用BET法计算活性炭的比表面积，DR方程计算微孔容积、总孔容积，在相对压力为0.95 的吸附量，并通过非定域化密度函数理论表征活性炭孔径分布。,随着活化温度的升高，使孔结构得到迅速发展，产生大量的

16、微孔，达到明显的活化效果，同时炭的损失也随之增加。所以得率(即产物与原料的重量百分比)不断降低，而碘吸附值不断增加。,4.结果与讨论,活化温度900，CO2流量600mL/min不变的条件下，研究活化时间对活性炭结构特征和得率的影响。活化时间的增加，得率不断降低，碘吸附值呈先增加后减少。随着活化时间延长，微孔含量增加，碘吸附值增加；当活化时间进一步延长，发生过烧，使原先已形成的孔被不断加宽，导致孔被扩大甚至塌陷，其碘吸附值降低。,该N2吸附等温线为典型的I型等温线。在相对压力较小时，其吸附量迅速增加，该活性炭以微孔为主，由于活性炭中存在一定量的中孔和大孔，导致在相对压力较高时，其吸附平台并非呈

17、水平状，而是有一定的斜率，并出现了拖尾现象。其比表面积、总孔容积、微孔容积可达：1653m2/g,1.045cm3/g,0.8582cm3/g。,采用非定域化密度函数理论对其孔径分布进行表征，该法已发展成为描述受限于多孔材料中的吸附和非均匀流体相行为的有效方法，并在活性炭及多孔材料孔结构的表征中得到了广泛的应用。CO2活化有利于微孔的形成，所制备的活性炭孔径分布主要集中在微孔范围，其峰值孔径主要出现在0.573nm，其中微孔容积占总孔容积的82%。,(1)化学法制粉状木质活性炭,3.粉状木质活性炭的生产方法,化学法制活性炭的成熟工艺为氯化锌法，国内活性炭生产厂大多采用该法，其活化原理为：氯化锌

18、在炭化活化中有脱水作用，使有机木质原料中的氢、氧元素以水的形式逸出，如此可降低炭化活化温度，改变热解路线，另外氯化锌溶液对木质原料有溶解、侵蚀作用，故可顺利渗透到原料内部，到达木质原料中纤维形成的细孔中，以实现完全活化，活化过程中氯化锌多数留在炭中起骨架作用，而形成的炭则沉积在骨架上，当最后用水洗掉氯化锌后，则炭形成多孔，从而具有吸附、脱色作用。,A.原理,捏合：将工业品氯化锌配成水溶液与烘干的木屑以 1 3-4的固液比投入捏合机中，使充分捏合均匀，捏合时间不小于 1 5min，以保证氯化锌溶液充分进入纤维内部。,B.工艺过程,炭化活化：严格控制反应温度，虽提高温度对反应有利，但氯化锌的损失量

19、增加，所以在保证活性炭质量的前提下应尽力降低炭化活化温度。该工段工艺条件：温度为 450-550，时间40min，回转炉转速为 2-3转/分。,回收：从回转炉中卸出的物料中除含有炭及氯化锌外，还含有因高温和水蒸气存在下反应生成的氧化锌和氢氧化锌，需将其进行处理：一是使氧化锌和氢氧化锌反应变为可作为活化剂的氯化锌，二是最大限度的回收氯化锌，以循环使用降低成本。,净化除杂：因生产中采用的设备大多为铁器设备，导致产品中铁含量超标，故需除铁。其过程为：将回收工段送来的物料投入除铁池(非铁设备)，再加入自来水使其刚好浸没物料，然后加入占物料量4.5%的工业盐酸，在 95左右间歇搅拌反应2小时以上，最后反

20、复漂洗、过滤，至洗液达中性为止。,脱水：洗至中性的物料先采用离心机或板框压滤机脱除其中大部分水份。然后在转筒干燥机中干燥至水份小于10%后送去粉碎包装。,粉碎包装：国内生产厂大多采用球磨机进行粉碎，其产品细度应据用户要求进行调整。粒度越小脱色效果越好，但粒度过小影响过滤速度，一般控制在粒径120目为佳。,优点：该法制备的活性炭孔隙率大，且可通过调整活化剂的浓度生产不同孔径的活性炭，另外用氯化锌作活化剂，炭化活化温度低、易操作、能耗小，同时氯化锌可回收循环使用。,c.化学法制粉状木质活性炭优缺点,缺点：因在炭化活化时有部分氯化锌进入大气，另外回收工段使用挥发性盐酸，两者对大气均有一定程度污染。,

21、(2)物理法制粉状木质活性炭,用高温水蒸气、高温烟道气(CO2气体)及高温空气对炭进行活化的方法为物理活化法。其活化原理为:H2O(g)+Cx 800-900 H2+CO+Cx-1-Q CO2(g)+C x 800-900 2CO+C x-1 O2(g)+C x 800-90 0 2 CO+Cx-2+Q O2(g)+C x 6 0 0 CO2+C x-1+Q实际生产中，大多采用高温水蒸气作活化剂。,A.原理,原料炭化：首先使木质原料在 450-600范围内炭化完全，然后破碎为2-30 mm的块待用。,B.用水蒸气为活化剂的生产工艺,炭化料的活化：因水蒸气与炭在高温下的反应为吸热反应，当系统温度

22、达800-900时，反应开始进行，但由于反应吸热，会使物料温度低于800，影响反应速度，为保证温度在 800-900，需补充热能。因产物中有氢气和一氧化碳生成，而这两种气体均可燃烧放出热量，所以实际生产中即利用该部分燃烧热补偿反应吸热造成的热消耗。炭化活化反应在多管活化炉中进行。炭化后的物料从活化炉的炉口加入，活化剂水蒸气从活化炉上部通入，活化反应完成后，活性炭从下部卸出，而下部排出的气体送入炉膛中燃烧。,优点：用水蒸气作活化剂，使炭表面纯净，因反应吸热，不会使物料在活化中局部过热而影响收率，同时该法无污染、节省燃料。,C.物理法制粉状木质活性炭优缺点,缺点：因耐火材料和木炭的传热系数小，易造

23、成管内物料温度不均，活化不一致而影响产品质量的稳定。,山核桃壳活性炭制备及其吸附苯胺特性-过程工程学报,2010,10(1),余筱洁(浙江林学院农业与食品科学学院),2.1 实验材料山核桃取自浙江临安昌化地区，机械加工碎壳自然风干后粉碎成20 目(830 m)作为备用原料.苯胺、N-(1-萘基)乙二胺盐酸盐、磷酸、磷酸二氢钾、盐酸、高锰酸钾、磷酸氢二钠、亚甲基蓝、淀粉、碘、硫代硫酸钠均为分析纯.2.2 实验方法2.2.1 活性炭制备山核桃壳用磷酸溶液浸渍24 h，移至坩埚中，放入马弗炉内烧制活化，冷却，用1%稀盐酸洗涤，再用蒸馏水洗涤至pH 值接近7，烘干，研磨，用200 目(75 m)筛网筛

24、分，即得山核桃壳活性炭.设计正交优化活性炭制备工艺.,2.2.2 吸附实验取30 mL 苯胺溶液置于150 mL 具塞三角烧瓶中，加入一定量山核桃壳活性炭，水浴，振荡吸附，到规定时间过滤，收集中间部分滤液约10 mL，设计平行样和空白样.,根据浓度变化计算对苯胺的单位吸附量q(mg/g)及脱除率(%)：q=V(C0Ct)/m,=(C0Ct)/C0100%,式中，V 为溶液体积(L)，C0 为溶液中苯胺初始浓度(mg/L)，Ct 为吸附后溶液中苯胺剩余浓度(mg/L)，m 为吸附剂用量(g).2.2.3 测定方法活性炭亚甲基蓝脱色力的测定根据GB/T12496.2-90(GB/T12496,2-

25、1990.木质活性炭的检验方法)进行，碘吸附值的测定根据GB/T12496.8-1999(GB/T12496.8-1999.木质活性炭的检验方法)进行，苯胺浓度测定采用N-(1-萘基)乙二胺盐酸盐分光光度法.,3 结果与讨论3.1 活性炭制备工艺优化,碘吸附值：ABC，即磷酸溶液浓度活化温度活化时间。亚甲基兰脱色力：ABC，即磷酸溶液浓度活化温度活化时间。得率:ABC，即磷酸溶液浓度活化温度活化时间综合考虑碘吸附值、亚甲基蓝脱色力及得率可得，最佳工艺条件为A3B2C3，即磷酸浓度为50%()，活化温度为300，活化时间为30 min.在此条件下，活性炭得率为53.21%，碘吸附值为804.36

26、 mg/g，亚甲基蓝脱色力为102 mL/g.,苯胺浓度为49.6 mg/L，综合考虑，活性炭用量0.81.6 g 较适宜.,在酸性溶液中苯胺将发生以下平衡反应：,在酸性溶液中苯胺主要以离子状态存在，而碱性条件下主要以分子状态存在。非离子形态的苯胺具有极高的疏水性，而疏水性吸附是水中吸附的主要驱动力.因此在酸性条件下苯胺被活性炭更易吸附。,活性炭对苯胺的吸附能力随温度的升高而增大，苯胺的吸附等温线呈现非线性特征，表明山核桃壳活性炭与苯胺之间主要通过表面吸附方式发生作用,2.5 活性炭的再生,所谓再生，就是在吸附剂本身结构不发生或很少变化的情况下，用某种方法将吸附质从吸附剂微孔中除去，恢复它的吸

27、附能力，以达到重复使用的目的。再生不应损害活性炭的耐热性、耐酸性、耐碱性、耐氧化性及吸附能力，还应注意活性炭的粉末度或粒度，同时又要考虑经济性。,活性炭的再生主要有以下几种方法：,1.加热再生法,高温下，吸附质分子易于从吸附剂活性中心点脱离；同时，吸附的有机物在高温下能氧化分解，或以气态分子，或断裂成短链，降低了吸附剂对它的吸附能力。加热再生过程由下列几个步骤进行：,(1)脱水：使活性炭和输送液分离；,(2)干燥：加温到100-150，把细孔中的水分蒸发出来，同时使一部分低沸点的有机物也挥发出来；,(4)活化：加热到700-1000，使留在细孔中的残留碳与活化气体反应，反应产物以气态形式逸出，

28、达到重新造孔的目的；,(3)碳化：加热300-700，使高沸点有机物热分解，一部分低沸点物质挥发，另一部分被碳化留在活性炭细孔中；,(5)冷却：把活化后的活性炭用水急剧冷却，防止氧化。,2.化学再生法,通过化学方法，使吸附质转化为易溶于水的物质而解吸下来。例如吸附苯酚的活性炭，可用氢氧化钠溶液再生，使其以酚钠盐的溶于水而解吸。再如，用于处理含铬废水时，用硫酸浸泡饱和活性炭，可使六价铬还原转化成三价铬溶解出来；也可用氢氧化钠溶液使六价铬转化成Na2CrO4溶解下来。,化学再生法还包括使用某种溶剂把活性炭吸附的物质解吸下来，常用的溶剂有酸、碱、苯、丙酮、甲醇等。,化学氧化法也属于化学再生法，其中包

29、括湿式氧化法、电解氧化法和臭氧氧化法，湿式氧化法主要用来再生粉状活性炭。,3.生物再生法,生物再生法是利用微生物的作用，把被活性炭吸附的有机物氧化分解，从而使活性炭得到再生，此法目前还处于试验阶段。,20 世 纪 60年代初，欧美各国开始大量使用粒状和粉状活性炭吸附法处理城市饮用水和工业废水，目前已成为城市污水和工业废水深度处理和污染水源净化的有效方法。我国于1975年在甘肃白银金属有限公司建成日处理3104m3的粒状活性炭净水装置，净化受石油化工污染的地面水水源，这一装置目前还在使用。1985年北京建成的供水1.7 105m3/h的田村山水厂，采用臭氧氧化和活性炭深度处理工艺，后来又建成的水

30、源九厂也采用了活性炭净化技术。最近在上海浦东自来水厂、安亭自来水厂应用粉末活性炭作深度处理，使自来水水质达到直接饮用的水质标准。首钢在焦化污水处理中，应用粉末活性炭处理高浓度污水，使焦化污水达到排放标准。现阶段污水回收利用项目中，粉末活性炭作为双膜法除盐工艺的预处理，可降低污水的COD及油的含量，保证膜的长期安全运行。,1.概述,2.6 活性炭在水处理中的应用,2.活性炭吸附操作,2.1固定床,废水连续地通过填充活性炭的吸附设备时，其中的吸附质被活性炭吸附，在操作中，因活性炭在设备中是固定的，故称固定床。当出水水质不符合要求时，就要停止进水，如果所采用的是单个吸附床，则停止进水后就要将活性炭卸

31、出，由专门设备再生。,按照固定床中水流方向分为升流式和降流式两种。降流式出水水质好，操作维护方便，但水头损失大，为防止悬浮物堵塞吸附层，需定期反冲洗。升流式因层内水头损失增加慢，故运行时间长，但废水出口处吸附层冲洗较困难。另外，操作失误时，活性炭易被流失。,固定床根据处理水量，原水的水质和处理要求可分为单床、多床串联和多床并联等方式。,活性炭吸附方式一般分为4类，即接触吸附方式、固定床方式、移动床方式、流动床方式。粉末活性炭只有接触吸附方式，这是粉末活性炭的特点。,2.2移动床,废水从吸附塔底部流入，与活性炭逆流接触，处理后从塔顶流出。再生后的活性炭从塔顶加入，接近饱和活性炭从塔底间歇排出并进

32、行再生。,移动床比固定床能更充分地利用活性炭的吸附容量，水头损失小，被截留的悬浮物随饱和的活性炭间歇从塔底排出，所以不必反冲洗。但这种操作要求吸附层上下不能混合，操作管理要求高。,2.3流动床,特点是水从下往上流动，使吸附床呈膨胀或流化状态，致使活性炭颗粒与被处理的水中污染物有更多的接触机会，这种操作较复杂，在废水处理中较少使用。,由于粉末活性炭具有投加方便、灵活的优点，因此它的投加工艺可利用原有水处理设备，基建投资省，不增加建筑面积。所以更适用于旧厂改造项目。20 世 纪 60年代初，欧美各国开始大量使用粉状活性炭吸附法处理城市饮用水和工业废水，目前已成为城市污水和工业废水深度处理和污染水源

33、净化的有效方法。在上海浦东自来水厂、安亭自来水厂应用粉末活性炭作深度处理，使自来水水质达到直接饮用的水质标准。首钢在焦化污水处理中，应用粉末活性炭处理高浓度污水，使焦化污水达到排放标准。现阶段污水回收利用项目中，粉末活性炭作为双膜法除盐工艺的预处理，可降低污水的COD及油的含量，保证膜的长期安全运行。,3.粉末活性炭在水处理中的应用,3.1 正确选择炭种,根据原水中水质状况，特别是有机物相对分子质量的分布状况，确定粉末活性炭的炭种很重要。不同粉末活性炭对有机物的去除效果见下图。,椰壳活性炭COD、去除率最高,目前普遍认为果壳是制备活性炭的最佳原料,序号3为椰壳活性炭，其他的均为无烟煤、烟煤等原

34、料制成的活性炭。,粉末活性炭投加的方法有两种,即干式投加和湿式投加。干式投加通过料仓给料、投加机螺杆输送，并利用水射器将粉末炭投入水中。具有占地面积小、操作管理方便、易于实现自动控制，但环境污染大，目前已有粉末活性炭自动投加成套设备。湿式投加是将粉末炭配成乳液，在制备投加过程中炭粉不会随空气飞扬,操作环境较好,系统使用较为成熟稳定,但需要建立混合池、搅拌机及投加计量泵等设备，投资和占地面积相对较大。一般给水处理中通常使用湿投法。干投可作应急处理。,3.2 投加方法的选择,粉末活性炭的投加量需根据水质污染状态确定。室外给水设计规范中规定投加量“宜为530 mg/L”。粉末活性炭炭浆质量分数一般为

35、5%10%。但在湿式投加中多采用5%,这样可使炭浆快速扩散,与水体充分混合,同时避免了投加管道易堵塞和其他机械故障。,3.3 投加量及投加浓度的确定,为充分发挥粉末活性炭的吸附作用,需要使其与水充分混合,并保证足够的接触时间(一般接触时间3060 min)和尽量避免吸附被干扰。合适的粉末活性炭投加点非常重要。对于常规的混凝、沉淀、过滤水处理工艺,粉末活性炭的投加点可以有以下三种选择:原水吸水井投加、混凝前端投加、滤池前投加。一般认为,在吸水井投加能较充分地发挥粉末活性炭的吸附作用,但存在着与后续混凝工艺竞争去除有机物的问题。如果吸附与混凝竞争严重,将降低活性炭的吸附作用,造成投加量增加,处理成

36、本加大。,3.4 投加点的选择,在混凝前端投加,理论上分析认为投加混凝剂后,在絮凝池中形成的微小絮体尺度发展到与粉末活性炭颗粒尺度相近的位置应作为最佳投加点。在该点投加既可在一定程度上避免竞争吸附,又可使絮体对粉末活性炭颗粒的包裹作用最小,可以充分发挥粉末活性炭的吸附效率。滤前投加,不存在吸附与混凝竞争问题,但粉末活性炭进入滤池后,可能会堵塞滤料层使滤池的工作周期明显缩短。此外,粉末活性炭还有穿透滤层现象,而且吸附时间难以得到保证。因此,实际工程设计中,投加点的选择需要结合以上特征,再根据原水水质和水厂处理工艺特点、水力条件综合考虑决定。,粉末活性炭强化处理京杭运河常州段微污染原水中国给水排水

37、,2009,25(3),张文中(常州市规划设计院),试验材料活性炭采用煤质粉末状活性炭,其细度为200目、碘值900 mg/g、亚甲基蓝值180 mg/g、含水率10%，湿式投加方式。混凝剂采用聚合氯化铝 PAC，；原水水质试验用水为京杭运河常州段原水,取水点位于净水厂取水口附近。,试验方法,模拟吸水井(A):搅拌机转速为350 r/min、搅拌时间为6 s;模拟进水管道(B):搅拌机转速为350r/min、搅拌时间为23 min;模拟管道混合器(C):在B之后投加混凝剂,搅拌机转速为300 r/min、搅拌时间为30 s;模拟絮凝初期(D):C之后,搅拌机转速为100 r/min、搅拌时间为

38、8 min;模拟絮凝中期(E):D之后,搅拌机转速为50 r/min、搅拌时间为10 min;模拟后续阶段(F):E之后,保持搅拌机转速不变,继续搅拌2 min;然后停止搅拌,静置30 min,取上清液作为模拟工艺出水进行测试。整个试验过程连续进行(中间不需静沉)。,投炭点对处理效果的影响,粉末活性炭投加点的选择主要用于解决混凝与粉末活性炭对有机污染物吸附去除的竞争,以及絮体对粉末活性炭颗粒的包裹问题,目的是在充分发挥混凝去除有机污染物能力的同时,再利用粉末活性炭去除剩余的有机污染物,使总去除率达到最高,且使粉末活性炭的用量最省。在聚合氯化铝投加量为10 mg/L、投炭量为30mg/L的条件下

39、,考察了不同的投炭点(吸水井、管道混合器、絮凝初期、絮凝中期)对污染物去除效果的影响。,当原水挥发酚含量较低时(0.0030.006 mg/L),投炭点为吸水井时处理效果略好;当原水挥发酚含量较高时(0.0090.010 mg/L),投炭点为吸水井和絮凝中期时对挥发酚的去除效果要好。原因是在这两个投炭点,活性炭和混凝剂投加的时间间隔较大,两者之间的吸附竞争较弱,活性炭可以充分发挥其吸附优势。,吸水井、管道混合器、絮凝初期三个投炭点对CODMn都有明显的去除效果;而絮凝中期无效果,这是因为,絮凝中期,絮体颗粒在紊动水流中不断与其他颗粒碰撞、结合,形成更大的絮体颗粒,迅速将投入的分散状态的活性炭颗

40、粒包裹起来(通过显微镜观察投加AC后任何阶段的絮体颗粒,均可见活性炭颗粒被包裹其中,影响AC对CODMn的吸附去除。常规处理(空白试验)对CODMn有一定的去除效果,在吸水井投加时去除率提高幅度最大。,投炭点在吸水井时对污染物的综合处理效果最好,这是因为粉末活性炭与水中污染物的接触吸附时间相对较长,其吸附性能得以充分发挥;投炭点分别在管道混合器、絮凝初期、絮凝中期时,对污染物的去除率依次减小,这与搅拌强度逐渐减弱、粉末活性炭的分散均匀性下降、吸附时间变短、吸附性能未能充分发挥有关。综上所述,投炭点越靠前则越有利于粉末活性炭吸附作用的充分发挥,故确定最佳投炭点为吸水井处。,随着AC投加量的增大,

41、去除率均逐渐增加。当AC投加量为10 mg/L时,即能将出水的嗅和味降为1级,此后再增加投加量,出水的嗅和味仍为1级。当投加量为15 mg/L 时,即可将出水的CODMn降至3mg/L以下、色度降至5倍以下;当投加量 30mg/L时,对污染物的去除效果虽有所提高但不明显。因此,确定最佳的投加量为30 mg/L。,与不投加AC的空白试验的出水相比,浊度的去除主要是混凝作用的结果。AC 对浊度的去除非常有限;色度的去除是混凝和AC共同作用的结果;而对CODMn、挥发酚的去除主要是AC吸附作用的结果。原因是混凝主要去除悬浮固体和胶体,而悬浮固体和胶体主要表现为浊度;挥发酚主要是易溶于水的低分子有机物

42、,而混凝对分子质量1 500 的有机物的去除效果较差。,3.6 投 资、成本控制,作为水厂解决间断性或突发性水质污染的技术，粉末活性炭技术是一项实用性非常强的技术，其投资相对较省，成本较低，投用灵活。例如，处理能力为1105m3/d的自来水厂，设备的投资在120万元左右，每1m3水投资约12元，较之生物处理方法投资(每1m3水投资100元)以及臭氧生物活性炭工艺投资(每1m3水投资约250元)具有很大的优势;同时增加的处理成本约为0.02元/m3(以每年平均污染期使用粉末活性炭投加设备90d，平均投加质量浓度为15mg/L计)。,3.7 粉末炭使用过程中的安全问题,在粉末炭的使用过程中还应注意

43、以下安全问题；当粉尘浓度达到一定比例时遇明火易发生爆炸，故操作间禁止吸烟、火花及明火；应避免与氧化剂混放；由于粉末炭颗粒小、轻，在使用时应注意粉尘污染，操作员须配备防尘口罩，避免吸入肺中。,颗粒活性炭和粉末炭作用相同，均可用于水处理。颗粒炭不易流失，可再生重复使用，用于污染较轻，需连续运行的水处理工艺。粉末炭不易回收，一般为一次性使用，用于间歇的污染较严重的水处理工艺。给水处理的颗料活性炭一般微孔和中孔发达，应符合三项要求：吸附容量大、吸附速度快、机械强度好。粉末活性炭要求除具备以上特点外，粒度越小吸附效果越好。,4.颗粒活性炭应用,活性炭滤池为给水处理中的深度处理工艺，可以有效地去除水中色度

44、、异嗅异味和溶解的有机污染物，提高供水水质。北京自来水集团所属的以地表水为水源的自来水厂都设有1.5米深的颗料活性炭滤池，设计滤速为9.5米/小时。颗粒活性炭在使用过程中根据原水水质情况定期进行反冲洗。一般采用水冲的形式，6天反洗一次，反冲强度需达到30%以上的滤池膨胀率。当评价活性炭吸附效果的指标降低到相关标准以下，或某种污染物指标穿透炭床时就必须进行更换或再生。新炭主要以物理和化学吸附为主，使用一定时间炭表面形成生物膜后，则以生物降解作用为主。新炭使用时需要浸泡24-48小时，之后还应进行反冲洗，以便去除残存的活性炭中的焦油及炭粉等杂质。反洗次数和排水浊度可根据处理水用途确定，给水处理活性

45、炭反洗排水浊度一般可控制在2-5NTU（Nephelometric Turbidity Units散射浊度单位）。,含汞废水的处理,某厂含汞废水经硫化钠沉淀处理后，仍含汞约1mg/L，高峰时达2-3mg/L，而允许排放的标准是0.05mg/L。该厂废水处理量较小，每天为10-20m3，所以采用静态间歇吸附池两个交换工作，每个吸附池容积为40m3，内装1m厚颗粒活性炭。当进入吸附池的废水满后，用压力为0.3-0.4MPa的压缩空气搅拌30min，然后静置沉淀2h，经取样测定，含汞浓度符合排放标准后，放掉上清液，进行下一批处理。,采用次品颗粒活性炭，其吸附容量为正品的90%，每池用炭量为废水量的5

46、%，外加1/3的余量，共计2.7t。活性炭的再生周期约一年，采用加热再生法再生。,炼油厂废水深度处理,某炼油厂含油废水经隔油、气浮、生化、砂滤处理后，用活性炭进行深度处理，使酚由0.1mg/L降到0.005 mg/L，氰由0.19 mg/L降到0.048 mg/L，CODCr由85 mg/L降到18 mg/L，出水水质达到地表水标准。,此外，对染料废水、火药化工废水、有机磷废水、印染废水、合成洗涤废水等，都可以用活性炭吸附处理，效果良好。,颗粒活性炭吸附去除水中三氯乙烯的研究,黄流雅(华东理工大学资源与环境工程学院，上海200237),环境污染与防治，2009，3l(9),4种国内常用炭型(椰

47、壳炭、果壳炭、原煤炭、竹炭)和3种国际常用炭型(煤质炭Calgon F300、煤质炭Calgon F400和椰壳炭Norit GCN830)，其吸附性能如下：苯酚值(20 mgL苯酚溶液中，1 g活性炭所吸附的苯酚量(mg)表征活性炭内孔径小于1.0 nm 微孔的数量，活性炭表面氧化程度及其对小分子芳环类和极性有机物的吸附性能；碘值(0.02 molL碘溶液中，1g活性炭所吸附的碘量(mg)表征活性炭内孔径略大于1.0 nm 微孔的数量及比表面积；甲基蓝值(1mgL甲基蓝溶液中，1 g活性炭所吸附的甲基蓝量(mg)表征活性炭内孔径为1.52.8 nm的微孔和小中孔的数量及其对中型分子的吸附性能

48、；丹宁酸值(2 mgL丹宁酸溶液中，1 g活性炭所吸附的丹宁酸量(mg)，表征活性炭内孔径大于28 nm 的中孔数量及其对大分子有机物的吸附性能。,活性炭对TCE的吸附容量随着接触时间的增加而上升，当接触时间为12 h时，吸附容量达到最高，将接触时间设定为12 h。,图1 接触时间对TOE吸附容量的影响(Co=5 mgL-1)Fig1 Effect of contact time on adsorption isotherms of TCE,7种活性炭对TCE的吸附容量顺序为椰壳炭Norit GCN830椰壳炭果壳炭煤质炭Calgon F400煤质炭Calgon F300 竹炭原煤炭，这与表1

49、中活性炭的苯酚值指标大小顺序一致。,生物强化在颗粒活性炭处理微污染水源水中的作用,段蕾，高乃云（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室）,水处理技术，2010,36（4）,试验采用高温期的滦河水为原水,图2 活性炭及生物强化活性炭出水有机物分析Fig.2 Analysis of TOC concentration in influent and efluent of BAC with and without bioenhancement,相对于普通活性炭对TOC的平均去除率42的效果而言，经过生物强化后的活性炭对TOC的去除率能够达到5l。这主要因为经过生物强化作用的活性炭，在水处理过程中

50、同时发挥活性炭的物理吸附以及微生物的降解作用，微生物的降解对TOC的去除也起到了一定的贡献。,AOC指饮用水中有机营养基质能支持异养细菌生长的潜能，即细菌生长的最大可能性，被认为是控制饮用水中异养菌生长繁殖的最主要营养物质。通过对工艺出水AOC指标的检测，考察生物强化后的活性炭与自然生长的活性炭出水的生物稳定性。,表2 活性炭及生物强化活性炭出水的AOC比较Tab.2 Comparison of AOC in treated efluent of BAC with and without bioenhancement,进水中加入2 mgL-1臭氧后，将水中原有的部分高分子有机物氧化成低分子的醛