活性炭深度處理工業廢水的效果研究

周卿 李華杰 袁維波 劉燕萍 趙春陽

【摘 要】目前，大部分工業廢水經生化處理后的出水均不能達到排放標準，且含有難降解有機物，深度處理較難。文章探討了活性炭試驗對工業廢水的深度處理效果，為水廠提標改造提供參考。結果表明，活性炭投加量一定時，吸附停留時間1.0 h的去除效果較優;隨著初始COD濃度增大，去除率出現先上升后下降的趨勢;最大吸附容量為0.31 kgCOD/kg;經核算后，建設投資和運行成本綜合單價為每噸水2.30元。活性炭試驗可以較好地處理該廠生化出水。

【關鍵詞】活性炭;工業廢水;深度處理;運行成本

【中圖分類號】X703 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）12-0084-03

工業廢水種類繁多，成分復雜，并含有多種有毒物質，如未得到有效處理，對人類健康有較大危害，所以園區廢水集中處理越來越受到人們的重視[1-3]。目前，工業園區廢水的處理技術按工藝流程主要分為預處理技術、二級生物處理技術、深度處理及回用技術，隨著出水水質排放標準的不斷提升，深度處理技術逐漸成為研究的重點，通常歸納為高級氧化、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，對于水質、水量及水溫變化具有較強的適應性，方便自動控制，廣泛應用于廢水的深度處理[5]。活性炭可以相對高效地去除有機物、嗅味、顏色、消毒副產品、重金屬物質、氯化有機化合物、放射性有機物質、農藥物質等[6，7]。因此，筆者利用活性炭試驗探究它在工業污水廠尾水提標改造上的應用效果，并研究相關的影響因素和進行經濟成本分析。

1 材料與方法

（1）材料與試劑。試驗用水取工業園區廢水處理廠生化處理單元出水，水質如下：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;出水排放標準為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A 標準。

試驗所用活性炭為煤質壓塊破碎活性炭，其基本指標為8×30目（90%通過）;碘值≥950 mg/g（新國標）;水分≤3%;灰分≤14%;強度≥90%;亞甲基藍≥170 mg/g。

（2）試驗裝置與方法。本次試驗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，考察停留時間和初始COD（化學需氧量）濃度對活性炭吸附性能的影響，研究工藝的吸附容量和對該廠生化出水的處理效果，同時進行經濟性分析，以期為工業廢水深度處理提供技術參考。活性炭吸附裝置示意圖如圖1所示。

根據以下公式計算去除率：

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

（3）分析方法。COD、NH3-N、TN、SS、BOD5均采用國標法測定;pH采用pH計（Stratos 2201 X，德國WTW）測定;DO采用Thermo便攜式溶氧儀測定;吸附曲線采用origin85軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同反應條件對COD吸附效果的影響

2.1.1 停留時間對吸附效果的影響

試驗選取廠區生化出水COD平均值，濃度為140 mg/L。通水運行后，控制進水流量為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間為0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h，測定出水COD濃度。廢水進出水COD濃度和停留時間的關系如圖2所示。由圖2可知，在一定時間內，廢水的COD去除率隨停留時間的增加而迅速增加，隨后去除率的增加趨勢變緩，到一定時間后廢水濃度處于平衡狀態，去除率穩定在82%左右。試驗結果表明，當停留時間達到1.0 h，繼續延長停留時間，COD的去除率不再大幅增加，趨于平衡狀態，且出水COD值為30 mg/L，明顯低于出水排放標準。延長水力停留時間可以提高出水水質，但在實際工程應用中，會增加反應體積，增加投資和工程占地面積[8，9]，所以該裝置停留時間選擇1.0 h為宜，此時COD去除率可達到81.8%。

2.1.2 進水COD濃度對吸附效果的影響

圖3為停留時間1.0 h時不同進水COD濃度（93 mg/L、112 mg/L、140mg/L、162 mg/L、195 mg/L、212 mg/L、230 mg/L）與吸附效果的關系曲線圖。由圖3中可以看出，活性炭投加量一定時，隨著進水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[10]，活性炭吸附無法使COD濃度降低，所以去除COD的占比有限。當進水COD濃度達到140 mg/L時，吸附去除率達到最佳，為81.8%。隨著進水COD濃度的繼續增加，單位質量的活性炭周圍所包圍的有機物分子數越來越多，而活性炭表面的吸附位點數是固定的，所以它很快會達到吸附飽和狀態，因此去除率逐漸降低[11，12]。

2.2 運行時間對COD吸附效果的影響

活性炭吸附性能相對穩定，本試驗在進水流量為5.08 L/h、停留時間為1.0 h，連續進行40 d試驗的條件下，采用活性炭工藝對該工業園區生化出水進行處理，效果如圖4所示。從圖4中可以看出，進水水質波動較大，但試驗前20 d的出水COD可以穩定達到一級A排放標準，平均去除率為73.5%。運行20～30 d時，COD的去除率明顯下降，平均去除率下降為51.3%。連續運行30 d以后，COD平均去除率僅為21.2%。這表明活性炭的各項指標在一個比較低的水平，活性炭的吸附能力已經處于動態平衡的狀態。

2.3 活性炭的吸附容量研究

圖5是活性炭對該廠生化出水COD吸附容量曲線圖。在進水流量為5.08 L/h、停留時間為1.0 h，連續進行40 d試驗，并通過測定進出水的COD濃度計算得出吸附量，考察該工藝的活性炭對該廠生化出水的吸附效果和吸附容量。從圖5中可以看出，隨著運行時間的增加，吸附容量迅速增加，吸附效果逐漸降低[13]。連續運行30 d，平衡吸附容量達到0.27 kgCOD/kg，隨后吸附容量的增長速度趨于平衡，最大吸附容量為0.31 kgCOD/kg，此時COD去除率僅為13.3%。這說明吸附量不斷增加后，累積的吸附質會導致活性炭的吸附位點減少，使吸附能力逐漸減弱甚至消失，從而形成飽和活性炭，逐漸達到最大吸附容量。

2.4 經濟性分析

采用活性炭工藝處理工業園區廢水處理廠的生化出水，其運行成本主要來自活性炭再生單元。本試驗活性炭再生采用熱再生工藝，按照停留時間1.0 h，活性炭8%的損耗，二次爐1 100 ℃，去除100 mg/L COD計算，活性炭吸附及再生可變成本為每噸水1.47元。投資成本共760萬元，按20年折舊，計算投資為每噸水0.83元。綜合計算該工藝成本為2.30元/t。針對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濟性。

3 結語

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

（2）水力停留時間為1.0 h，活性炭填充量為2.54 kg，連續進行40 d試驗，當連續運行30 d時，吸附容量達到0.27 kgCOD/kg，隨后吸附容量的增長速度趨于平衡，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，前20 d出水COD穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A標準。

（4）活性炭熱再生經濟成本為每噸水2.30元，該技術在工業廢水深度處理應用中具有很好的前景。

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