活性炭深度处理工业废水的效果研究

周卿 李华杰 袁维波 刘燕萍 赵春阳

【摘 要】目前，大部分工业废水经生化处理后的出水均不能达到排放标准，且含有难降解有机物，深度处理较难。文章探讨了活性炭试验对工业废水的深度处理效果，为水厂提标改造提供参考。结果表明，活性炭投加量一定时，吸附停留时间1.0 h的去除效果较优;随着初始COD浓度增大，去除率出现先上升后下降的趋势;最大吸附容量为0.31 kgCOD/kg;经核算后，建设投资和运行成本综合单价为每吨水2.30元。活性炭试验可以较好地处理该厂生化出水。

【关键词】活性炭;工业废水;深度处理;运行成本

【中图分类号】X703 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）12-0084-03

工业废水种类繁多，成分复杂，并含有多种有毒物质，如未得到有效处理，对人类健康有较大危害，所以园区废水集中处理越来越受到人们的重视[1-3]。目前，工业园区废水的处理技术按工艺流程主要分为预处理技术、二级生物处理技术、深度处理及回用技术，随着出水水质排放标准的不断提升，深度处理技术逐渐成为研究的重点，通常归纳为高级氧化、活性炭吸附、膜分离和生物滤池等[4]。

活性炭具有巨大的比表面积，对于水质、水量及水温变化具有较强的适应性，方便自动控制，广泛应用于废水的深度处理[5]。活性炭可以相对高效地去除有机物、嗅味、颜色、消毒副产品、重金属物质、氯化有机化合物、放射性有机物质、农药物质等[6，7]。因此，笔者利用活性炭试验探究它在工业污水厂尾水提标改造上的应用效果，并研究相关的影响因素和进行经济成本分析。

1 材料與方法

（1）材料与试剂。试验用水取工业园区废水处理厂生化处理单元出水，水质如下：COD为93～230 mg/L，BOD5为6～10 mg/L，NH3-N为1～3 mg/L，pH为6.05～9.0，DO为5～6 mg/L，B/C约0.06;出水排放标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A 标准。

试验所用活性炭为煤质压块破碎活性炭，其基本指标为8×30目（90%通过）;碘值≥950 mg/g（新国标）;水分≤3%;灰分≤14%;强度≥90%;亚甲基蓝≥170 mg/g。

（2）试验装置与方法。本次试验装置为单组固定床活性炭吸附滤柱，滤柱管径为14 cm，滤层深度为33 cm，活性炭填充质量为2.54 kg。

本研究采用活性炭作为深度处理工艺，考察停留时间和初始COD（化学需氧量）浓度对活性炭吸附性能的影响，研究工艺的吸附容量和对该厂生化出水的处理效果，同时进行经济性分析，以期为工业废水深度处理提供技术参考。活性炭吸附装置示意图如图1所示。

根据以下公式计算去除率：

上式中：ρ0为吸附前污染物的质量浓度，mg/L;ρ为吸附后污染物的质量浓度，mg/L。

（3）分析方法。COD、NH3-N、TN、SS、BOD5均采用国标法测定;pH采用pH计（Stratos 2201 X，德国WTW）测定;DO采用Thermo便携式溶氧仪测定;吸附曲线采用origin85软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同反应条件对COD吸附效果的影响

2.1.1 停留时间对吸附效果的影响

试验选取厂区生化出水COD平均值，浓度为140 mg/L。通水运行后，控制进水流量为10.2 L/h、5.08 L/h、3.39 L/h、2.54 L/h、2.04 L/h，使活性炭塔的停留时间为0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h，测定出水COD浓度。废水进出水COD浓度和停留时间的关系如图2所示。由图2可知，在一定时间内，废水的COD去除率随停留时间的增加而迅速增加，随后去除率的增加趋势变缓，到一定时间后废水浓度处于平衡状态，去除率稳定在82%左右。试验结果表明，当停留时间达到1.0 h，继续延长停留时间，COD的去除率不再大幅增加，趋于平衡状态，且出水COD值为30 mg/L，明显低于出水排放标准。延长水力停留时间可以提高出水水质，但在实际工程应用中，会增加反应体积，增加投资和工程占地面积[8，9]，所以该装置停留时间选择1.0 h为宜，此时COD去除率可达到81.8%。

2.1.2 进水COD浓度对吸附效果的影响

图3为停留时间1.0 h时不同进水COD浓度（93 mg/L、112 mg/L、140mg/L、162 mg/L、195 mg/L、212 mg/L、230 mg/L）与吸附效果的关系曲线图。由图3中可以看出，活性炭投加量一定时，随着进水COD浓度增大，去除率缓慢上升，这是由于废水中含有部分活性炭不可吸附物质[10]，活性炭吸附无法使COD浓度降低，所以去除COD的占比有限。当进水COD浓度达到140 mg/L时，吸附去除率达到最佳，为81.8%。随着进水COD浓度的继续增加，单位质量的活性炭周围所包围的有机物分子数越来越多，而活性炭表面的吸附位点数是固定的，所以它很快会达到吸附饱和状态，因此去除率逐渐降低[11，12]。

2.2 运行时间对COD吸附效果的影响

活性炭吸附性能相对稳定，本试验在进水流量为5.08 L/h、停留时间为1.0 h，连续进行40 d试验的条件下，采用活性炭工艺对该工业园区生化出水进行处理，效果如图4所示。从图4中可以看出，进水水质波动较大，但试验前20 d的出水COD可以稳定达到一级A排放标准，平均去除率为73.5%。运行20～30 d时，COD的去除率明显下降，平均去除率下降为51.3%。连续运行30 d以后，COD平均去除率仅为21.2%。这表明活性炭的各项指标在一个比较低的水平，活性炭的吸附能力已经处于动态平衡的状态。

2.3 活性炭的吸附容量研究

图5是活性炭对该厂生化出水COD吸附容量曲线图。在进水流量为5.08 L/h、停留时间为1.0 h，连续进行40 d试验，并通过测定进出水的COD浓度计算得出吸附量，考察该工艺的活性炭对该厂生化出水的吸附效果和吸附容量。从图5中可以看出，随着运行时间的增加，吸附容量迅速增加，吸附效果逐渐降低[13]。连续运行30 d，平衡吸附容量达到0.27 kgCOD/kg，随后吸附容量的增长速度趋于平衡，最大吸附容量为0.31 kgCOD/kg，此时COD去除率仅为13.3%。这说明吸附量不断增加后，累积的吸附质会导致活性炭的吸附位点减少，使吸附能力逐渐减弱甚至消失，从而形成饱和活性炭，逐渐达到最大吸附容量。

2.4 经济性分析

采用活性炭工艺处理工业园区废水处理厂的生化出水，其运行成本主要来自活性炭再生单元。本试验活性炭再生采用热再生工艺，按照停留时间1.0 h，活性炭8%的损耗，二次炉1 100 ℃，去除100 mg/L COD计算，活性炭吸附及再生可变成本为每吨水1.47元。投资成本共760万元，按20年折旧，计算投资为每吨水0.83元。综合计算该工艺成本为2.30元/t。针对该厂活性炭消耗量较大的情况，采用热再生法具有较好的经济性。

3 结语

（1）进水COD为140 mg/L，停留时间为1.0 h时，活性炭工艺去除效果较优，随着废水溶液的初始COD濃度增大，COD去除率出现先上升后下降的趋势。

（2）水力停留时间为1.0 h，活性炭填充量为2.54 kg，连续进行40 d试验，当连续运行30 d时，吸附容量达到0.27 kgCOD/kg，随后吸附容量的增长速度趋于平衡，最大吸附容量为0.31 kgCOD/kg。

（3）活性炭吸附工艺可较好地处理该厂生化出水COD指标，前20 d出水COD稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准。

（4）活性炭热再生经济成本为每吨水2.30元，该技术在工业废水深度处理应用中具有很好的前景。

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