活性炭吸附在煉油化工廢水回收利用中的應用

郭 茹

(山東安和安全技術(shù)研究院有限公司，山東 濱州 256600)

重質(zhì)原油作為煉油廠所加工的原油，在今后的發(fā)展中所占比例將會越來越重。這些重質(zhì)稠油在乳化降黏的作用下，加入3%左右的烷(芳)基酚聚氧乙烯醚類或酯類非離子型表面活性劑(NIS)作為表面活性劑，對儲存和運輸有很大的幫助，正因如此，大量的高濃度有機廢水就在煉油廠對這些乳化油進行破乳脫水處理過程中產(chǎn)生了。

大量相關(guān)理論證明，廢水中的非離子表面活性劑分子中的烷基帶支鏈和苯環(huán)具有很弱的生物降解性。因其具有穩(wěn)定性高溶解性好，表面活性較高的特質(zhì)，以非離子的狀態(tài)存在于水中，再加上在NIS與其它表面活性劑的共同作用下，許許多多的包裝塑料泡沫盒以及異味的產(chǎn)生，在有毒物質(zhì)進行降解的過程中具有很大的阻礙作用。

對這些原油進行加工時會產(chǎn)生高濃度有機廢水，這些廢水很大程度上沖擊了常規(guī)運行的活性污泥，對活性污泥的正常運行產(chǎn)生了很大的影響，與此同時，污水凈化設備中的污泥在這些沒有充分降解的表面活性劑的作用下難以沉降，嚴重降低了凈化設備的處理效率。而這些被排入城市環(huán)境中的工業(yè)廢水，也嚴重破壞了環(huán)境與生物。

所以，現(xiàn)階段煉油化工企業(yè)要想實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，就要對廢水回用加以重視，這也是節(jié)水發(fā)展的必然趨勢。

特別是對于那些需要大量用水的石油化工企業(yè)來說，要想對煉油化工所產(chǎn)生的廢水加以循環(huán)利用，有效保證企業(yè)經(jīng)濟效益以及環(huán)境效益穩(wěn)定發(fā)展與運行，就要深度處理加工過后外排的工業(yè)廢水和污水。

研究表明，我國出現(xiàn)了污水回用的研究雖然比較多，但是真正投入企業(yè)正式運行的卻很少的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是技術(shù)以及經(jīng)濟因素的限制。將活性炭技術(shù)運用到工業(yè)廢水的處理中，水里的色、味和有機物都能夠在此過程中被有效排除，對煉油化工企業(yè)合理的循環(huán)利用所排出的工業(yè)廢水具有積極影響。

1 活性炭處理煉油廢水的作用機理

利用活性炭以及其它材料的大面積表面可以吸附大分子有機物、退去色度、降低COD和排出其它無機離子，活性炭、碳纖維和某些新型材料是廢水處理中普遍用到的吸附材料。目前生物活性炭處理是污水深度處理中用到的最多的處理方法，其原理就是經(jīng)過某種途徑培養(yǎng)微生物到活性炭的表面，有機的結(jié)合了活性炭的吸附作用和微生物的再生作用，這樣既對活性炭的使用周期起到了延長的作用，也大大的節(jié)省了污水深度處理的開支。

木質(zhì)和煤質(zhì)果殼等含碳物質(zhì)一般是活性炭的原料，在化學或物理活化作用下被制造而成。活性炭表面存在大量的細微小孔，比表面積大，通常為700～1600 m2/g。對活性炭多孔性和表面進行化學或物理的處理，就叫做活性炭處理，這一處理就是通過活性炭將污水中剩余的溶解態(tài)有機污染物進行吸附，以此對廢水經(jīng)行深度凈化，而在這一過程中能夠有效去除水中的有機物、無機物、離子型或非離子型雜質(zhì)。通常活性炭能夠有效吸附在100～1000埃之間大小的分子，溶解性有機物的的相對分子質(zhì)量在400以下。當有機物分子的體積出現(xiàn)一樣時，活性炭很容易吸附芳香族化合物和直鏈化合物，相比之下比較難吸附脂肪族化合物和支鏈化合物。活性炭耐酸、耐堿、耐高溫高壓以及穩(wěn)定的化學性等特點決定了它廣泛的適應性的能力。根據(jù)形態(tài)可以把商品活性炭分為粉末狀和顆粒狀兩種。不可再生的粉末狀活性炭在廢水處理過程中成本較高，而可再生的顆粒狀活性炭則被廣泛應用于深度水處理以及微污染水處理中。

活性炭吸附污染物后，經(jīng)過一段時間在適宜的溫度以及營養(yǎng)條件下，碳層中會滋長出對廢水處理有著重要作用的微生物。所謂的“生物活性炭”(BAC)，就是結(jié)合活性炭的吸附作用和微生物的氧化分解作用。生物活性炭在延長活性炭的使用周期上，以及高效處理工業(yè)污水中都起到了重要作用。

2 活性炭處理煉油廢水的實驗分析

本文經(jīng)過炭柱通水實驗，實驗水體為某石化廠二級生物處理后的外排污水，研究了活性炭的處理效果。

2.1 活性炭吸附實驗

2.1.1 實驗參數(shù)

實驗選用碳粒直徑為1.5～2 mm的活性炭。要想排除大顆粒懸浮物影響活性炭的吸附效果的因素影響，需要先利用纖維束過濾器對工業(yè)廢水進行預處理。選用直徑為70.0 mm，過濾面積為38.47 cm2，水流量為14 L/h的活性炭過濾器。通過對2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 cm等六個不同厚度的炭層的水力停留時間和容積速度進行測定，來考察COD、總硬度、Cl-、總固體等水質(zhì)指標，見表1。

表1 炭層厚度與水力停留時間、容積速度的關(guān)系

2.1.2 實驗結(jié)果及分析

綜合表格記錄數(shù)據(jù)來看， COD在7.5 cm的炭層中下降到了30 mg/L以下，這時水力擁有十分充足的停留時間，COD此時具有穩(wěn)定的去除效果。水力停留時間隨著炭層變薄也隨之變短，活性炭的吸附速率受到被吸附物質(zhì)游離向活性炭顆粒表面的速率影響，游離速率決定活性炭的吸附去除效果。當水力停留的時間達到某個臨界值時，關(guān)鍵變量就變成了被吸附物質(zhì)的擴散速度，活性炭顆粒會影響其擴散速度，這時與停留時間就沒有關(guān)系了，所以COD保持不變。活性炭吸附并不能有效的去除出水總硬度、電導率、Cl-等離子。

2.2 活性炭吸附性能實驗

廢水處理中的活性炭存在靜態(tài)和動態(tài)兩種吸附操作。固定床動態(tài)吸附是水處理中的常見方式。在工藝設計時，要確定相關(guān)設計參數(shù)評價活性炭的吸附效果，首先要開展動態(tài)吸附實驗。

2.2.1 實驗方法及參數(shù)

對活性炭進行持續(xù)通水，檢測活性炭濾池中進入和排出水的質(zhì)量，檢驗活性炭的吸附能力和最大吸附量。實驗數(shù)據(jù)：5 L/h的水流量，15 mm的炭層，5 g的活性炭，7.064 cm2的過濾器橫截面。

2.2.2 實驗結(jié)果及分析

由此可知，時間越久，活性炭的吸附性越弱。其中，濁度去除率表示的曲線可以體現(xiàn)活性炭的過濾截留能力，經(jīng)過50 h的通水，可以使活性炭的截留能力充分得到發(fā)揮，同時伴隨著出水濁度迅速降低。60 h COD和總固體去除率呈現(xiàn)負數(shù)狀態(tài)，此時說明活性炭的吸附能力已經(jīng)逐漸喪失。原因就是活性炭已經(jīng)充分發(fā)揮它的的微孔吸附作用。在實際對工業(yè)廢水進行處理時，應該反復清理活性炭，并且再生活性炭。由表格可知，活性炭達到飽和的極限時間為50 h，在此計算活性炭的最大吸附量。如果此次研究的吸附物質(zhì)為COD，活性炭的最大吸附量是0.23 g/g；如果吸附物質(zhì)是總固體，最大吸附量則是0.34 g/g。活性炭在單位時間內(nèi)的最大吸附量為4.5 mg/(g·h)(以COD為例)和6.7 mg/(g·h)(以總固體為例)。

2.3 活性炭處理效果對比實驗

表2 活性炭處理效果

實驗對比分析了活性炭吸附過濾和混凝過濾兩種方式的處理效果。混凝劑采用20 mg/L PAC+1 mg/L PAM。實驗結(jié)果見表2。

從表2可以看出，處理工業(yè)廢水時選用混凝過濾+活性炭吸附的處理方法可以有效處理廢水，特別是去除COD、氨氮的效果最佳，也大大降低了腐蝕速率。一方面體現(xiàn)了活性炭吸附較混凝過濾而言能夠起到高效的凈化污水的效果，另一方面也體現(xiàn)了使用某些預處理方法之后再使用活性炭可以提高活性炭的吸附效率，提高污水處理后排出的水的質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1)活性炭吸附能夠很好地處理二級處理的煉油污水，特別是COD、總固體。可以將COD的去除效果提高至56.28%。但在去除電導率、Cl-、總硬度的過程中，表現(xiàn)不佳。

(2)活性炭能夠吸附被臭氧經(jīng)過一系列反應形成小分子有機物，所以臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)能夠有效處理工業(yè)廢水，但在工業(yè)廢水處理的需要額外考慮這種處理方式的成本。

(3)吸附物質(zhì)為COD，活性炭的最大吸附量是0.23 g/g；吸附物質(zhì)是總固體，最大吸附量則是0.34 g/g。活性炭在單位時間內(nèi)的最大吸附量為4.5 mg/(g·h)和6.7 mg/(g·h)。

(4)混凝過濾+活性炭吸附比其他處理流程處理工業(yè)廢水的效果更佳明顯，特別是去除COD、氨氮和降低腐蝕速率的效果尤為突出。