活性炭吸附在炼油化工废水回收利用中的应用

郭 茹

(山东安和安全技术研究院有限公司，山东 滨州 256600)

重质原油作为炼油厂所加工的原油，在今后的发展中所占比例将会越来越重。这些重质稠油在乳化降黏的作用下，加入3%左右的烷(芳)基酚聚氧乙烯醚类或酯类非离子型表面活性剂(NIS)作为表面活性剂，对储存和运输有很大的帮助，正因如此，大量的高浓度有机废水就在炼油厂对这些乳化油进行破乳脱水处理过程中产生了。

大量相关理论证明，废水中的非离子表面活性剂分子中的烷基带支链和苯环具有很弱的生物降解性。因其具有稳定性高溶解性好，表面活性较高的特质，以非离子的状态存在于水中，再加上在NIS与其它表面活性剂的共同作用下，许许多多的包装塑料泡沫盒以及异味的产生，在有毒物质进行降解的过程中具有很大的阻碍作用。

对这些原油进行加工时会产生高浓度有机废水，这些废水很大程度上冲击了常规运行的活性污泥，对活性污泥的正常运行产生了很大的影响，与此同时，污水净化设备中的污泥在这些没有充分降解的表面活性剂的作用下难以沉降，严重降低了净化设备的处理效率。而这些被排入城市环境中的工业废水，也严重破坏了环境与生物。

所以，现阶段炼油化工企业要想实现可持续发展，就要对废水回用加以重视，这也是节水发展的必然趋势。

特别是对于那些需要大量用水的石油化工企业来说，要想对炼油化工所产生的废水加以循环利用，有效保证企业经济效益以及环境效益稳定发展与运行，就要深度处理加工过后外排的工业废水和污水。

研究表明，我国出现了污水回用的研究虽然比较多，但是真正投入企业正式运行的却很少的现象，这种现象产生的主要原因是技术以及经济因素的限制。将活性炭技术运用到工业废水的处理中，水里的色、味和有机物都能够在此过程中被有效排除，对炼油化工企业合理的循环利用所排出的工业废水具有积极影响。

1 活性炭处理炼油废水的作用机理

利用活性炭以及其它材料的大面积表面可以吸附大分子有机物、退去色度、降低COD和排出其它无机离子，活性炭、碳纤维和某些新型材料是废水处理中普遍用到的吸附材料。目前生物活性炭处理是污水深度处理中用到的最多的处理方法，其原理就是经过某种途径培养微生物到活性炭的表面，有机的结合了活性炭的吸附作用和微生物的再生作用，这样既对活性炭的使用周期起到了延长的作用，也大大的节省了污水深度处理的开支。

木质和煤质果壳等含碳物质一般是活性炭的原料，在化学或物理活化作用下被制造而成。活性炭表面存在大量的细微小孔，比表面积大，通常为700～1600 m2/g。对活性炭多孔性和表面进行化学或物理的处理，就叫做活性炭处理，这一处理就是通过活性炭将污水中剩余的溶解态有机污染物进行吸附，以此对废水经行深度净化，而在这一过程中能够有效去除水中的有机物、无机物、离子型或非离子型杂质。通常活性炭能够有效吸附在100～1000埃之间大小的分子，溶解性有机物的的相对分子质量在400以下。当有机物分子的体积出现一样时，活性炭很容易吸附芳香族化合物和直链化合物，相比之下比较难吸附脂肪族化合物和支链化合物。活性炭耐酸、耐碱、耐高温高压以及稳定的化学性等特点决定了它广泛的适应性的能力。根据形态可以把商品活性炭分为粉末状和颗粒状两种。不可再生的粉末状活性炭在废水处理过程中成本较高，而可再生的颗粒状活性炭则被广泛应用于深度水处理以及微污染水处理中。

活性炭吸附污染物后，经过一段时间在适宜的温度以及营养条件下，碳层中会滋长出对废水处理有着重要作用的微生物。所谓的“生物活性炭”(BAC)，就是结合活性炭的吸附作用和微生物的氧化分解作用。生物活性炭在延长活性炭的使用周期上，以及高效处理工业污水中都起到了重要作用。

2 活性炭处理炼油废水的实验分析

本文经过炭柱通水实验，实验水体为某石化厂二级生物处理后的外排污水，研究了活性炭的处理效果。

2.1 活性炭吸附实验

2.1.1 实验参数

实验选用碳粒直径为1.5～2 mm的活性炭。要想排除大颗粒悬浮物影响活性炭的吸附效果的因素影响，需要先利用纤维束过滤器对工业废水进行预处理。选用直径为70.0 mm，过滤面积为38.47 cm2，水流量为14 L/h的活性炭过滤器。通过对2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 cm等六个不同厚度的炭层的水力停留时间和容积速度进行测定，来考察COD、总硬度、Cl-、总固体等水质指标，见表1。

表1 炭层厚度与水力停留时间、容积速度的关系

2.1.2 实验结果及分析

综合表格记录数据来看， COD在7.5 cm的炭层中下降到了30 mg/L以下，这时水力拥有十分充足的停留时间，COD此时具有稳定的去除效果。水力停留时间随着炭层变薄也随之变短，活性炭的吸附速率受到被吸附物质游离向活性炭颗粒表面的速率影响，游离速率决定活性炭的吸附去除效果。当水力停留的时间达到某个临界值时，关键变量就变成了被吸附物质的扩散速度，活性炭颗粒会影响其扩散速度，这时与停留时间就没有关系了，所以COD保持不变。活性炭吸附并不能有效的去除出水总硬度、电导率、Cl-等离子。

2.2 活性炭吸附性能实验

废水处理中的活性炭存在静态和动态两种吸附操作。固定床动态吸附是水处理中的常见方式。在工艺设计时，要确定相关设计参数评价活性炭的吸附效果，首先要开展动态吸附实验。

2.2.1 实验方法及参数

对活性炭进行持续通水，检测活性炭滤池中进入和排出水的质量，检验活性炭的吸附能力和最大吸附量。实验数据：5 L/h的水流量，15 mm的炭层，5 g的活性炭，7.064 cm2的过滤器横截面。

2.2.2 实验结果及分析

由此可知，时间越久，活性炭的吸附性越弱。其中，浊度去除率表示的曲线可以体现活性炭的过滤截留能力，经过50 h的通水，可以使活性炭的截留能力充分得到发挥，同时伴随着出水浊度迅速降低。60 h COD和总固体去除率呈现负数状态，此时说明活性炭的吸附能力已经逐渐丧失。原因就是活性炭已经充分发挥它的的微孔吸附作用。在实际对工业废水进行处理时，应该反复清理活性炭，并且再生活性炭。由表格可知，活性炭达到饱和的极限时间为50 h，在此计算活性炭的最大吸附量。如果此次研究的吸附物质为COD，活性炭的最大吸附量是0.23 g/g；如果吸附物质是总固体，最大吸附量则是0.34 g/g。活性炭在单位时间内的最大吸附量为4.5 mg/(g·h)(以COD为例)和6.7 mg/(g·h)(以总固体为例)。

2.3 活性炭处理效果对比实验

表2 活性炭处理效果

实验对比分析了活性炭吸附过滤和混凝过滤两种方式的处理效果。混凝剂采用20 mg/L PAC+1 mg/L PAM。实验结果见表2。

从表2可以看出，处理工业废水时选用混凝过滤+活性炭吸附的处理方法可以有效处理废水，特别是去除COD、氨氮的效果最佳，也大大降低了腐蚀速率。一方面体现了活性炭吸附较混凝过滤而言能够起到高效的净化污水的效果，另一方面也体现了使用某些预处理方法之后再使用活性炭可以提高活性炭的吸附效率，提高污水处理后排出的水的质量。

3 结论

(1)活性炭吸附能够很好地处理二级处理的炼油污水，特别是COD、总固体。可以将COD的去除效果提高至56.28%。但在去除电导率、Cl-、总硬度的过程中，表现不佳。

(2)活性炭能够吸附被臭氧经过一系列反应形成小分子有机物，所以臭氧-活性炭联用技术能够有效处理工业废水，但在工业废水处理的需要额外考虑这种处理方式的成本。

(3)吸附物质为COD，活性炭的最大吸附量是0.23 g/g；吸附物质是总固体，最大吸附量则是0.34 g/g。活性炭在单位时间内的最大吸附量为4.5 mg/(g·h)和6.7 mg/(g·h)。

(4)混凝过滤+活性炭吸附比其他处理流程处理工业废水的效果更佳明显，特别是去除COD、氨氮和降低腐蚀速率的效果尤为突出。