活性炭用于高浓有机废水治理的方法和效果（一）

jzhx928 · 发表于 2009-7-29 22:16:00

活性炭用于高浓有机废水治理的方法和效果
吉建斌  苏艳春  杜秀珍  （山西新华化工厂设计研究所030008）

高浓有机废水的共同特点是成分复杂多变，色度高，BOD/COD一般均<0.15，可生化性差，治理难度大，属重污染废水，文献中经常提及的高浓有机废水有：造纸废液（黑液、中段水及白水），印染废水、煤化工工业废水（焦化废水、煤气洗涤废水），含油废水（采油废水、金属加工废水、炼油废水），制药废水、食品工业废水（味精生产废水、酿酒工业废水、糖精生产废水等），以及日化、橡胶、合成纤维工业废水等。
高浓有机废水的综合治理是水处理工业最困难、最繁杂，同时也是研究最活跃的领域。目前的技术现状是物化分离、生化降解并重，活性炭在各个技术范畴均有应用报道，在某些方面甚至具有不可替代的重要地位。
1、活性炭在物化分离技术中的应用
物化分离技术用于高浓有机废水有以下几种目的：回收有用成分（如从造纸废液中回收纸浆和酸析木素，从采油废水中回收石油烃，从味精生产废水中回收酵母蛋白，从合成纤维生产废水中回收生产原料等）；去除废水中大部分固体悬浮物，降低后继生化处理工序有机负荷；去除废水中对生化工序微生物有害的化学物质（如抗生素类、多环芳烃、酚、氰等）；去除水中的有害物质，达标排放或回用于生产。
该技术方法以分离为目的，着重点并非污染物的降解。常见的分离方法有：机械过滤（包括机械格栅、筛网、离心机、压滤机等分离方法，多用于废水的一级处理工序，一般设置于工序最前端）；絮凝沉淀或絮凝气浮，中和沉淀（包括酸析和碱析两种方法）；吸附过滤（滤料有陶粒或多孔陶板、石英砂、无烟煤、焦炭、合成纤维、核桃壳、粉煤灰、各种类型活性炭等，用于去除胶体状或溶解性有机物，多用于一级和三级处理工序）及利用各种工业废气的气/液相吸收分离技术等。
活性炭用于高浓有机废水污染物的物化分离，有以下几种用法。
1.1  在一级处理工序用作絮凝/吸附分离剂
最典型的应用技术是PACT工艺【1】。在石化、印染、焦化工业废水中投加适量粉状活性炭，可去除废水中不可降解COD、色度和臭味，避免曝气池发泡现象；使混凝絮体或生物絮体迅速增长而沉淀；去除废水中重金属离子或其络合物。
昆山华成织染有限公司使用粉状活性炭与高效絮凝剂协同作用处理高色度印染废水，快速分离废水中活性有机染料，取得了良好的治理效果【2】。
碱性品红染料生产废水经高效絮凝、烟道灰吸附，再用粒状活性炭吸附过滤，出水水质可达GB8978-88一级排放标准，回用于生产【3】。利用一级处理工艺达三级处理效果，这是一项很有前途的印染废水治理技术，其中活性炭的作用功不可没。
魏文圃等【4】详细研究了几种活性炭与强化混凝技术协同作用时对地毯厂印染废水的一级处理效果。结果表明，经混凝沉淀、砂滤、粒状活性炭吸附处理的废水可回用于生产。另外，失效活性炭用V2O5-Ca（ClO）2催化氧化法再生时效果较好。
郭玉华等【5】提出一种针对中小型金属制品厂含油乳化废水的处理工艺，废水经NaClO氧化、除油、絮凝之后，用适宜的活性炭吸附处理，出水可直排。
医药双氯灭痛生产过程中排出多种高浓有机废水，郝存江等6研究提出一种低投资的废水处理工艺，废水经酸析、炉渣吸附、石灰乳混凝，再用相当于废水量3%wt的粉状活性炭于60℃吸附处理1小时，废水可达二级排放标准。废炭掺入煤中用作锅炉热源。
何昕等【7】研究了将PACT工艺用于有机磷农药生产废水的技术可行性，当向生物强化的一级处理系统中投加0.2%的粉状活性炭时处理效果较好。废炭可用酸碱再生，吸附性能恢复率为80%。
利用甘蔗糖蜜为原料生产食用酒精时，从粗馏塔排出的废液含各种难生物降解的色素物质。吴振强等【8】详细研究了其中色素物质的种类和形成机理，并研究了多种脱色材料，最后提出，现有的最佳脱色材料为粉状活性炭。当用量为10%（W/V）时，在PH4～5，60℃条件下吸附30～40min，可使废水近100%脱色，同时可去除56%的COD。废炭用碱或甲醇溶液再生时效果较好。
水杨酸生产过程排出的酸性含酚废水也是一种难处理有机废水。陈良【9】采用煤油和N-503萃取剂对该废水萃取脱酚，再用粒状活性炭吸附脱除余酚，出水残酚浓度符合排放要求。
丙烯酸丁酯生产废水含有丙烯酸、酚类、苯磺酸和NaOH等多种可溶性化合物，可生化性极差，传统处理工艺无法使出水达标。路光杰等【10】在传统一级处理工艺中加入三级活性炭纤维吸附柱，使出水COD达标。吸附饱和的ACF用200～500℃过热蒸汽再生。
磷酸三（2，4-二溴苯基）酯是一种高效阻燃剂和防霉避鼠剂，其生产过程中排出的含酚废水可经加酸析晶回收生产原料2，4-二溴苯酚后，用三级颗粒活性炭过滤吸附，出水可达一级排放标准【11】。活性炭采用150℃过热蒸汽再生。
汽车制造厂在进行车体电泳磷化处理过程中排出大量含有表面活性剂、乳化油、高分子树脂、醚类、醇类、胺类有机化合物的生产废水，其短时COD峰值可达2～3万，难以生化降解，张林生等【12】在常规一级处理（絮凝、气浮、砂滤）后，用粉状活性炭进行强化吸附处理，使水质毒性降低，出水可进入生化工序进行常规生物处理。
1.2  活性炭用作二级生化处理工序的微生物载体
废水的二级处理即生化降解是使废水的COD和BOD分解并被微生物吸收、消化的生物化学反应过程。高浓有机废水的生化处理因水质波动频繁，水量严重不匀等原因，传统活性污泥法极少被选用，可抗高负荷水质、水量冲击的各种形式生物反应器是近几年的研究热点，载体性能是决定该类反应器效能的重要因素。可用作生物载体的材料有各种合成塑料制品、合成树脂材料、废橡胶颗粒、焦粒、活性炭等。活性炭用作生物载体时，它本身只起到载体和吸附富集污染物的作用，故也将这种用法归于物化分离范畴。
陈汉榕等【13】选用固定弹性填料和粉状活性炭充填厌氧复合生物膜反应器（分别占反应器总容积的20%和10%），接种驯化菌种，同时选用某种悬浮填料和柱状活性炭充填好氧复合床生物反应器（分别占反应器总容积的30%和10%），并接种好氧菌群。由这两种反应器构成的A/O生化处理流程用于纤维板生产排出的高浓有机废水处理时取得了满意的效果。
张建民等【14】采用粉状活性炭和旦质胶作厌氧菌载体进行造纸黑液的厌氧处理工艺研究，证明粉状炭有加速颗粒污泥成熟化的特殊作用。
张毅【15】在苎麻纺织印染废水处理工艺设计中，选用活性炭、塑料环、石油焦、硅藻球作三相生物流化床反应器的生物膜载体，使单位体积载体活性污泥量达40～50mg/L，污水处理能力是生物转盘的20～60倍，COD去除负荷高达2.5kg/m3载体。
1.3  活性炭在废水三级深度处理工序中的应用
高浓有机废水一般经一级物化和二级生化处理即可达标排放，增设三级深度处理的目的多为使出水符合生产回用水质要求。废水的深度处理回用技术是未来我国水战略的重点。废水的三级深度处理方法有膜过滤、电渗析、离子交换、过滤（砂、陶粒等滤料）、活性炭吸附等，多属物化法，活性炭在其中有两种用法，一为普通吸附剂，另一种为O3/生物炭法（活性炭作生物膜载体）。
齐鲁石化橡胶厂工业用水严重不足，尤作亮等【16】对该厂生产过程排出的大量高浓度废水进行物化、生化处理后，进行二次混凝沉淀、消毒、砂滤、活性炭吸附、反渗透等一系列深度处理工艺研究，研究表明，深度处理后得到的淡水水质优于当地地下水，可作为生产工艺用水。
中药厂生产废水亦属高浓有机废水且水质复杂多变，废水经生化处理（水解酸化、曝气氧化）后有时尚难达标，西安某中药厂采用粒状活性炭吸附塔为终级水质把关设备，以保证排放达标【17】。
稠油的蒸汽驱采会产生大量含油废水，采油废水回用是油田节水的重要措施，回用水水质必须符合SYJ10027-93锅炉给水标准。陈雷等【18】研究提出采用溶气气浮一级处理，好氧曝气二级处理，再经混凝沉淀、砂滤、活性炭吸附三级处理后，出水水质可满足锅炉回用水水质要求。
广州石化总厂废水经隔油、浮选、氧化沟两级处理后出水COD和NH4+-N达不到排放标准，庞金钊等【19】研究用生物膜反应器取代氧化沟进行二级生化处理，废水再经活性炭吸附塔处理，出水可达二级排放标准。
山东藤华染色有限公司排放的印染废水经好氧曝气，二沉池出水再经纤维过滤和两级活性炭吸附塔处理后，水质符合生产回用技术要求【20】。
易封萍【21】对南宁市某糖纸厂（用甘蔗渣为原料造纸）中段废水采用混凝、生化、O3/生物活性炭处理工艺，出水符合饮用水卫生标准。
2、活性炭用于高浓有机废水的化学降解反应单元
为了降低高浓有机废水的生化处理负荷，近年来基于电化学反应原理的各种污水生化预处理反应器应运而生。该类反应器目前有以下几种：一、氧化絮凝复合反应器（OFR），有电极板和催化剂，空气作氧化剂，需耗电能；二、铁碳微电解反应器，空气作氧化剂，不需外供能源，但要求废水PH值应处于合理范围；三、粒子群电极电解反应器，需耗电能，空气作氧化剂。
电化学法（有时称为电解法）处理高浓有机废水的原理，是利用电化学反应的氧化还原、电附集、催化、混凝、吸附过滤等综合效应达到有机物的降解、絮凝效果。反应器中连续产生的·OH自由基和新生态H可使大分子断链，提高废水的可生化性；另外，由于目前电解反应器中一般均填充经酸活化后的铁屑或其它含铁填料，电化学反应生成的新生态Fe2+离子是活泼混凝剂，也使废水中一部分有机物絮凝沉淀而分离。
铁碳微电解反应器又称内电解反应器，由于不耗电能，故研究报道较多。该类反应器多由一定粒度的机加工废铁屑经酸煮活化后作主填料，选出用焦炭、石墨、粉煤灰等作床层疏松剂及内电解电池的阴极【22】【23】【24】，当铁屑含碳量较高时，活化后的铁屑可直接用作内电解反应器填料【25】。从理论上讲，活性炭代替焦炭、石墨等作内电解反应器的辅助填充剂和阴极材料效果更佳，但迄今尚未见到此方面的报道。
陶龙骧等【26】提出，为了加快废水中有机物的电化学反应及氧化反应速率，可采用增加电极的过电位及电极表面积、优选电极材料和改进电极结构等方法。他们选择钛作电极基材，在其表面覆盖一层SnO2和Sb2O3的混合物制成复合高析氧性电极；选择适宜的活性炭作粒子群电极，强化传质过程；另在电解槽的阳极或阴极室填充导电粒子作为平板电极外延部分，使反应速率加快。该复合粒子群电解反应器用于高浓有机废水处理时可显著提高COD和色度的脱除率。活性炭在其中的作用是使有机物在其表面富集并被集中降解，外加电场可使活性炭的吸附过程更易进行（活性炭具一定的导电性），氧化降解速率大为加快。在该反应器中活性炭的饱和吸附量并非是必要的性能指标。

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