活性炭在有机废水中的应用

　　1. 活性炭吸附法处理染料废水

　　纺织工业的发展带动了染料生产的发展. 调查表明,全世界每年生产的染料超过70万吨,其中的2%直接进入水体以废水的形式排出, 10%在随后的纺织染色过程中损失. 染料废水成分复杂,水质变化大,色度深,浓度大,处理困难. 染料废水的处理方法很多,主要有氧化、吸附、膜分离、絮凝、生物降解等. 这些方法各有优缺点,其中吸附法是利用吸附剂对废水中污染物的吸附作用去除污染物. 吸附剂是多孔性物质,具有很大的比表面积. 活性炭是目前最有效的吸附剂之一,能有效地去除废水的色度和COD. 活性炭处理染料废水在国内外都有研究,但大多数是和其它工艺耦合,其中活性炭吸附多用于深度处理或将活性炭作为载体和催化剂,单独使用活性炭处理较高浓度染料废水的研究很少. 本文采用活性炭吸附法直接处理三种模拟染料废水,探求最佳处理工艺条件,为寻求活性炭吸附法处理染料废水的新途径提供相关研究基础.

　　1-1活性炭量对染料废水脱色率的影响

　　为了确定最佳活性炭用量,取50 mL 初始浓度为250 mg/L的酸性品红、碱性品红和活性黑B2133染料废水在室温下分别处理3. 5、6、17 h. 染料废水脱色率和活性炭量之间的变化曲线如图4所示. 当在50 mL酸性品红、碱性品红和活性黑B2133染料废水中分别加入0. 4、0. 5、1. 0 g活性炭时,废水的脱色率均达到97%以上,色度稀释倍数不超过50倍,达到国家一级排放标准,继续增加活性炭用量,废水的脱色率增加很少. 因此,浓度为250 mg/L 的酸性品红、碱性品红、活性黑B2133染料废水在室温下的最佳活性炭用量分别为0. 8%、1. 0%、2. 0%.在最佳脱色条件下进行活性炭吸附实验,测定吸附前后染料废水的CODCr值. 浓度为250 mg/L的酸性品红、碱性品红和活性黑B2133 染料废水吸附前的CODCr分别为102. 36 mg/L、467. 81 mg/L 和181. 13mg/L,吸附后三种染料废水的CODCr均小于50 mg/L,达到国家一级排放标准. 酸性品红废水CODCr的去除率较差,为63. 28%; 碱性品红和活性黑B2133 废水CODCr的去除率较高,分别为95. 66%和84. 62%.

　　可见活性炭对染料废水有良好的脱色效果. 酸性品红废水的脱色最容易,碱性品红废水次之,活性黑B2133废水最难. 染料废水的脱色率随温度的升高而增加,pH值对染料废水的脱色效果没有太大的影响. 活性炭量是影响染料废水脱色率的主要因素,对浓度为250mg/L的酸性染料、碱性染料、活性黑B2133染料废水,室温下的最佳活性炭用量分别为0. 8%、1. 0%、2.0%.在最佳的吸附工艺条件下,酸性品红、碱性品红和活性黑B2133染料废水的脱色率均超过97% ,出水的色度稀释倍数不大于50倍, COD小于50 mg/L,达到国家一级排放标准. 考虑到分离出的活性炭仍具有部分吸附能力,而且活性炭价格贵. 因此,可以利用这些活性炭处理染料废水使其达到较低的中间浓度,然后再用新的活性炭使处于中间浓度的染料废水达到排放标准,以便减小成本.染料废水的脱色是急待解决的难题,因此对染料废水脱色的研究具有现实意义.本文可以为染料废水的脱色研究提供参考.目前,活性炭的再生存在一定的局限性,限制了活性炭的应用,如果再生问题得到解决,活性炭在处理染料废水中的应用会更加广泛.

　　2. 城市污水深度处理方法

　　城市污水深度处理也称高级处理或三级处理,一般是污水回用必须的处理工艺。它是将二级处理出水再进一步进行物理化学和生物处理,以便有效去除污水中各种不同性质的杂质,从而满足用户对水质的使用要求。深度处理有多种方法,活性炭法应用常见的有以下几种。

　　2-1活性炭吸附法

　　由于活性炭具有极大的比表面积,在水的深度处理中是应用最广泛最有效的方法。活性炭可有效地去除色度、臭味,能除去水中大多数的有机污染物和某些无机物,包括某些有毒的重金属,消毒副产物及其前质,许多脂类和芳烃化合物。活性炭处理技术占地少,易于自动控制,对水量、水质、水温变化适应性强,饱和炭可再生使用,是一种具有广阔应用前景的深度给水处理技术。但是活性炭吸附对大部分极性短链含氧有机物不能去除,同时再生活性炭很难就近迅速处理,这就需要有备用设备或材料进行循环使用。

　　2-2臭氧生物活性碳吸附法

　　利用臭氧预氧化作用,初步氧化分解水中有机物及其他还原性物质,以降低生物活性炭滤池的有机复合,同时臭氧氧化能使水中单一生物降解的有机物断链、开环,使它能够生物降解。另外,臭氧还能起到冲氧作用,使生物活性炭滤池有充足的溶解氧用于生物氧化。同时它又有自己的局限性,由于活性炭在净水技术中主要表现为物理吸附,所以进水浓度浊度较高时活性炭微孔极易被堵塞。如果进水中有机物过高会缩短活性炭运行周期,同时去除率下降。生物活性炭一般采用自然挂膜方式,所需时间较长,最佳工作温度为20～30 ℃,进水pH值对大多数细菌、藻类、原生生物的生长极为重要,一般其最佳pH 值为6. 5～7. 5 ,消化单包菌pH为7. 5～8。这些条件增加了预处理的强度。

　　3.草浆造纸厂废水总有机氯的去除和控制-----活性污泥法

　　对以麦草为原料的某造纸厂废水处理设施进行研究,其废水处理流程下图。

　　某麦草浆造纸厂废水处理流程

　　该厂的处理流程采用的是传统的活性污泥法, 曝气池为完全混合流体。研究期间, 废水量控制在250m3/ h 左右, 曝气池水力停留时间15 h , 曝气池污泥负荷为BOD5 0112～0125kg / kg·d (MLSS) , DO 为115～3 mg/ L 。研究期间, 取样点1 的CODCr浓度在1000～2000 mg/ L , BOD5 在280～450 mg/ L ; 取样点2 的CODCr浓度在390～800 mg/ L , BOD5 在8～22 mg/ L ;CODCr和BOD5 去除效率分别达到55 %和95 %。处理后, AOX含量见表5。

　　从表5 的数据分析可知, 活性污泥法对AOX 的去除效率可达50 %。Stuthridge 等[4 ] 对造纸废水活性污泥法的研究发现, 被去除的AOX 只有少量留在污泥里, 而99 % 的AOX 被转化成无机氯。Jan A1Oleszkiewicz[5 ]等的研究表明, 活性污泥法在短的HRT和长的SRT能提高AOX的去除率。

　　4. 活性炭吸附性能的有效途径及其在净水处理、废水处理方面的应用研究

　　活性炭的应用

　　活性炭作为优良的吸附剂在饮水的净化、废水的深度处理、净化方面有着广泛的应用。研究表明，活性炭主要对相对分子质量小于3000，尤其是500--1000的有机物吸附作用较强。

　　4-1水质净化

　　活性炭在净化给水方面不仅对色、嗅去除效果良好，而且对合成洗涤剂ABS、三卤甲烷（THMs）、卤代烃、游离氯也有较高的吸附能力，也能有效地去除几乎无法分解的氨基甲酸酯类杀虫剂等。活性炭能有效地去除水中的游离氯和某些重金属（如Hg、Sb、Sn、Cr）且不易产生二次污染，常用于家庭用水及饮用水的净化处理工艺中。

　　4-2 污水处理

　　活性炭在废水处理方面的主要优点是处理程度高、出水水质稳定。与其他方法配合使用可获得质量很高的出水水质，甚至达到饮用水标准。

　　刘红等〔1〕发现，Fe²⁺的催化效果明显优于Cu²⁺，焦化废水在经3g/L的活性炭吸附后，再以.( 1.5g/L的H₂O₂、0.4g/L 的Fe²⁺进行催化氧化，COD 总去除率可达96.3%。宋志文等〔2〕采用生物活性炭法处理低浓度甲醇废水，利用活性炭的吸附作用和生物膜的降解作用，处理效果明显好于树脂和单纯活性炭吸附。在其最佳运行条件下，当甲醇的质量浓度为11.1-23.1mg/L 时，去除率大于90%。陈颖等〔3.〕用载镍活性炭对含活性红    X-3B 废水进行处理，去除率能达到98.74%以上，较不加金属的活性炭去除率提高30%。Xie Qiang 等〔4〕也研究发现，活性炭经硝酸改性后再负载硝酸铜进行二次活化制备高性能活性炭，可使硝酸铜的催化性能得到进一步的提升。活性炭单独使用也有特殊的效用。A.Fortuny等〔5 〕研究发现，活性炭在催化湿式氧化传统污水厂不能处理的含酚废水方面是有希望的替代品。在与其他金属催化剂的240h 对比测试中，不负载任何金属的活性炭表现出最高的酚转化能力。研究表明，低灰分（质量分数3.75%）活性炭在酚的湿式氧化中有催化效应。在转化酚的过程中，炭因烧失而逐渐消耗且炭表面积也减少了，这是其酚转化能力从100%下降到10d后的48%的原因。目前科学家正重点研究寻找合适的酚氧化条件，以避免炭的消耗。

　　5.存在的问题及今后的发展方向

　　活性炭在环保方面继续发挥重要作用的同时，人们已将活性炭与储气（CH₄/、H₂）、膜分离、化工分离、分析传感器和生物机体联系起来，这些研究领域的开发为活性炭产品提供了新的生命力，也为活性炭的研制提出了新的要求。活性炭的研制应适应于应用领域的扩大，所以有针对性地研制具有特殊吸附性能的活性炭成为重要的研究方向之一。活性炭吸附机理还有待深入研究。表面官能团或微晶晶格缺陷与其吸附能力的关系的研究还没有突破性进展。目前，关于活性炭对水中无机物吸附机理的研究还很少，对有机物的吸附机理也不完善，应进一步研究。生产规模小、产品质量参差不齐、资源浪费等问题也限制了本行业的发展。

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