再生活性炭的水处理效果中试研究

夏 萍，倪 奔，王 珂

(上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082 )

1 前 言

随着活性炭使用时间的延长，其净水能力将逐渐下降，当活性炭不能满足自来水厂出厂水水质要求时，净水企业将面临换新炭或对已使用的活性炭进行再生后重复使用的选择。活性炭再生成本较低，国外自来水厂深度处理用活性炭再生成本通常是购置新炭成本的l/3。自来水厂使用四年左右的生物活性炭，再生损耗是10%～15%，加上补充新炭的成本，比全部更换新炭节约成本40%～60%[1-2]。以一个20万t/d规模的中型水厂计算，以四年一个再生周期估算，通过再生更换话性炭，比完全使用新炭，每年节约活性炭使用成本100万元。

活性炭在自来水水厂水处理中，存在使用量大，价格高的问题，其费用往往占整个运行成本的30%～45%[3]，因而有效、节约的再生使用活性炭，实现资源重复利用，节约不可再生资源的消耗，成为自来水厂控制运行成本的关键措施之一。本文通过对再生活性炭进出水水质一年的跟踪检测，研究再生炭对上海青草沙水源水中污染物的去除效果，为再生炭效能评估与再生炭应用提供技术支撑。

2 材料与方法

2.1 试验装置与材料

本次委托太仓市新星轻工助剂厂进行活性炭再生，在2014年1月取了200kg的使用了5年的柱状破碎炭(8*30)进行热再生。再生设备为活化转炉，转炉为一卧式转筒，途径干燥段、高温活化段，冷却段，活性炭在炉内的停留时间靠倾斜度及炉体转速来控制(停留时间约为2h)，用水蒸气作为活化气体，炉膛温度为900℃。试验选取的对比新炭为柱状破碎炭(8*30目)，碘值在965mg/g左右。再生炭和新炭装填在活性炭中试装置中的其中2根有机玻璃柱内(如图1所示)。活性炭中试装置的进水为后臭氧出水，中试运行参数见表1。再生活性炭的水处理效果中试试验连续运行一年，从2014年11月开始至2015年11月结束。

表1 运行参数Tab.1 Operation parameters

2.2 检测项目及方法

CODMn测定采用GB/T5750.7-2006酸性高锰酸钾滴定法；UV254采用Unicam UV300分光光度计测定；浊度采用美国HACH公司2100AN浊度仪直接测定；TOC用Element liqui TOCⅡ总有机炭测定仪测定；颗粒数用IBR Versa Count直接测定；碘吸附值用GB/.T 7702.7-1997煤质颗粒活性炭试验方法测定；亚甲基蓝吸附值采用GB/.T 7702.6-1997测定。

图1 活性炭运行中试装置Fig.1 Pilot plant for activated carbon operation

2.3 试验水质

中试装置的进水水质为臭氧氧化后的出水，主要水质特征参数见表2。

表2 中试装置的进水水质参数Tab.2 Water quality of inlet water

3 结果与讨论

3.1 再生炭性能指标变化情况

如表3所示，再生炭的吸附性能恢复的较好，再生后碘值恢复到945mg/g，亚甲兰值196mg/g，得率接近70%。强度和粒度再生完较老炭和新炭相比略有下降。强度直接影响到活性炭的使用寿命以及能否进行再生，因此活性炭必须保证具有足够的机械强度，冲洗时耐磨损[4]。再生前老炭的强度较高，为98%，因此满足再生的基本要求。在高温加热再生过程中，活性炭的机械强度会下降，与原炭比较，强度有所下降，但仍能保持在95%的较高强度水平。再生前的老炭粒度较高，虽然再生炭粒度有所下降，但因为原炭粒度高，再生炭的粒度依然集中在8～20目的范围内。保证再生炭不会因为粒径过小而出现反冲洗时易跑炭、夏季表层容易板结等问题。再生炭除了强度和粒度没有新炭高以外，其他物化指标都与新炭接近，综合再生炭的各项性能指标来看，完全满足使用要求。

表3 活性炭性能指标Tab.3 Performance index of activated carbon

3.2 再生炭应用效果研究

3.2.1 对CODMn的去除效果

由图2可知，再生炭可以有效去除水中有机物，投入运行前3个月(2014年11月～2015年1月)，炭柱平均进水CODMn为1.24mg/L，再生炭平均出水CODMn仅为0.44 mg/L，去除率高达64%；新炭平均出水CODMn为0.39 mg/L，去除率比再生炭略高，为68%。

图2 各工艺出水对CODMn去除效果Fig.2 Removal efficiency of CODMn from effluent of various processes

当活性炭运行三个月后，即当活性炭慢慢以生物作用为主，活性炭吸附作用为辅时，此时再生炭出水CODMn值比新炭出水值低，再生炭平均出水CODMn为0.73 mg/L，新炭平均出水CODMn为0.93 mg/L。这可能是由于老炭在再生过程中，活性炭粒径比新炭变小，与新炭相比，更易于截留污染物。

运行一年的炭柱进水CODMn均值为1.21mg/L，再生炭出水CODMn均值为0.69mg/L，新炭出水CODMn均值为0.82mg/L。再生炭显示出高效稳定的处理效果以及良好的运行效能，对CODMn的去除效果优于新炭对CODMn的去除效果，再生炭和新炭对CODMn去除率分别约为43%和32%。

3.2.2 对UV254的去除效果

由图3可知，活性炭在吸附初期对进水中的UV254有较好的去除。运行3个月后，再生炭和新炭的去除率明显下降且去除效果差异显现，再生炭对UV254的去除效果明显优于新炭对UV254的去除效果。在炭柱运行期间，炭柱进水UV254均值为0.022 cm-1，再生炭出水UV254均值为0.007 cm-1，新炭出水UV254均值为0.01 cm-1。再生炭和新炭对UV254平均去除率分别约为68%和55%。

图3 各工艺出水对UV254去除效果Fig.3 Removal efficiency of UV254 from effluent of various processes

3.2.3 对TOC的去除效果

由图4可知，炭柱进水TOC为2.90mg/L，再生炭出水TOC为1.98mg/L，新炭出水TOC为2.37mg/L。试验期间再生炭对TOC的去除效果优于新炭对TOC的去除效果，再生炭和新炭对TOC去除率分别约为32%和18%。活性炭对TOC去除效果与UV254和CODMn有着相似的规律，即吸附初期活性炭对TOC去除率都较高，且相近，随着吸附过程的进行，去除率大幅度下降。继续运行过程中，去除率逐步稳定，并缓慢地波动下降。

图4 各工艺出水对TOC去除效果Fig.4 Removal efficiency of TOC from effluent of various processes

3.2.4 溶解氧

水中有机物是在好氧情况下由微生物降解去除，活性炭吸附后的溶解氧下降量(ΔDO)与水中有机污染物的总生化需氧量成正比，因而ΔDO反映了活性炭柱中好氧微生物对水中有机污染物的降解去除量。从图5中可以看出，活性炭吸附初期，溶解氧下降量较大，对有机物的去除率都较高，到了挂膜后期，微生物对DO的削减较为稳定，说明活性炭上已经形成了较为稳定的生物膜，对有机物的去除率也大幅度下降。再生炭对有机物的去除效果略优于新炭，这与再生炭溶解氧下降量略高于新炭的溶解氧下降量变化规律一致。这可能是由于再生时活性炭孔隙得到扩张，使炭的活性得以充分恢复，更易于吸附污染物，炭粒上也更易形成生物膜。

图5 ΔDO随时间的变化情况Fig.5 ΔDO changes over time

3.2.5 颗粒数

由图6可知，再生炭和新炭的出水颗粒数基本一致，新炭出水颗粒数略比再生炭低，颗粒数大多都在300个/mL以下。

图6 活性炭出水颗粒数情况Fig.6 Particle size of activated carbon effluent

3.2.6 浊度

由图7可知，炭柱进水浊度均值为0.23NTU，再生炭出水浊度为0.15NTU，比新炭出水0.13NTU的浊度值略高。在活性炭运行初期(2014年11月～2015年1月)，再生炭和新炭吸附性能均较好，对浊度均有一定的去除。当活性炭运行了几个月后，活性炭的去除效果就不十分明显了。此外，当活性炭运行一段时间后，活性炭已吸附了部分有机物，水经过活性炭层，活性炭截留吸附的污染物或者部分炭渣炭灰容易脱落下来，进入水体，随出水排出，造成浊度的去除率不高，甚至出现出水浊度增高的现象(2015年3月，5月，6月均出现过活性炭出水浊度增高现象)。

3.2.7 藻类

在2015年3月原水藻类较多的时间段对中试基地臭氧活性炭工艺段进行了藻类的取样分析，由表4可知，当原水总藻密度在107个数量级时，经过砂滤工艺段后降到了105个数量级，经过再生炭后，出水总藻降到104个数量级，比新炭对藻类的去除效果略好。

图7 各工艺出水对浊度的影响Fig.7 Removal efficiency of turbidity from effluent of various processes

表4 各工艺出水对藻类的影响Tab.4 Removal efficiency of algae from effluent of various processes (cell/L)

4 结论与建议

4.1 对使用5年的柱破炭(8*30)进行热再生后，再生炭的吸附性能恢复的较好，再生炭碘值在946mg/g，亚甲兰值为196mg/g，得率接近70%。强度和粒度再生完略有下降，但依然较高，满足活性炭各项指标要求，满足使用要求。

4.2 试验期间再生炭对有机物的去除效果优于新炭对有机物的去除效果，这有可能是由于老炭再生后孔径发生了变化，更易于吸附有机物质。再生炭对CODMn去除率约为43%，对UV254去除率约为68%，对TOC去除率约为32%。

4.3 再生炭和新炭的出水颗粒数基本一致，新炭出水颗粒数略比再生炭低一点，颗粒数大多都在300个/mL以下。再生炭出水浊度为0.15NTU，比新炭出水0.13NTU的浊度值略高一点。再生炭出水总藻降到104个数量级，比新炭对藻类的去除效果略好。

4.4 使用数年的柱状活性炭(8*30)经过热再生后性能可达到新炭的性能，且去除有机污染物的能力有所提高，深度处理的水厂可以将使用多年的老炭经过热再生后继续使用，或者与新炭混合使用。但不宜选用原煤破碎炭或12*40目的颗粒炭进行再生，易造成再生完的炭粒度和强度过小，从而导致运行过程中跑炭和堵塞滤池现象的发生。

4.5 当活性炭失效后，应根据活性炭新炭采购价格、旧炭再生工程费用和活性炭更新周期，结合目标水质，确定采取全部更换新炭或全部再生恢复吸附效能的方案。也可以考虑部分再生或部分更换新炭的可行性。