活性炭吸附在水处理中设计探讨

活性炭吸附在水处理中设计探讨

一、活性炭介绍

水处理过程中使用的活性炭有粉末活性炭(PAC)和颗粒活性炭(GAC)两类。粉末活性炭粒径为10~50μm，一般与混凝剂一起投加到原水中，以去除水中的色、嗅、味等，即采用混悬接触吸附的方式对水中的污染物进行间歇吸附。因粉末活性炭不能回收，使用费用高，仅作应急措施使用。颗粒活性炭的有效粒径一般为0.4~10mm，通常以吸附滤池过滤吸附的形式将水中的有机物、臭味和有毒有害物质吸附去除，即连续吸附或称动态吸附。

活性炭吸附工艺是城市污水回用深度处理中经常采用的重要处理单元之一。由于城市污水的常规二级、三级处理工艺主要降解水中可生物降解溶解性有机碳，不可能完全去除污水中的杂质，且在降解可生物降解溶解性有机碳的过程中有一部分会转化为溶解性微生物产物，进入水中溶解性微生物产物的组成非常复杂，是腐殖质、多糖、蛋白质、核酸、有机酸、抗生素、硫醇等多种物质的混合体。

由此可见，正常运行的城市污水处理处理厂二级、三级处理出水中还存在有很多未去除的杂质，如溶解性有机物、溶解性无机物、SS、病原菌等。活性炭吸附工艺是水和废水处理中能去除大部分有机物和某些无机物的最有效的工艺之一，因此是城市污水再生回用深度处理工艺中常用的处理单元。

GAC处理工艺的缺点是基建和运行费用较高，且容易产生亚硝酸盐等致癌物，突发性污染适应性差。另外，研究发现能被活性炭吸附去除的有机物主要有苯基醚、正硝基氯苯、萘、苯乙烯、二甲苯、酚类、DDT、醛类、烷基苯磺酸以及多种脂肪族和芳香族的烃类物质，某些水中有机物用活性炭仍然去除不了。因此，活性炭吸附工艺对吸附有机物来说，仍然需要组合其他工艺，才能使污水再生回用深度处理达到预定目标。

由于存在这些不足之处，在城镇污水再生利用中应慎重采用。在常规的深度处理工艺不能满足再生水水质要求或对水质有特殊要求时，为进一步提高水质，可采用活性炭吸附处理工艺。在进行活性炭工艺和单元设施操作设计时，就必须确定所采用的活性炭吸附剂种类、选择何种吸附操作方式和再生模式、对进入活性炭吸附单元设施操作前的水的预处理和后处理措施等，以求最大限度地保证处理效果，这些一般需要通过静态吸附试验和动态吸附试验来确定。通过试验结果选定吸附剂、吸附容量、吸附装置等设计参数，明确预期的处理效果，核算技术经济指标。

二、活性炭设计性能选择

市售活性炭有粉末活性炭、不定形颗粒活性炭、圆柱形活性炭和球形活炭四种。活性炭吸附剂的性能指标与活性炭的型号、品牌密切相关。我国国家标准《净水厂用木质活性炭选择、使用及更换技术规范》(GB/T13804-92)和《净水厂用煤质颗粒活性炭选择、使用及更换技术规范》(DB31/T451-2021)中规定的性能指标。

有些活性炭商品尽管型号相同，由于品牌不同，生产厂家不同，甚至批号不同其性能指标也相差较大；有的甚至发现同一产品、同一厂家，其所供活性炭商品的性能技术指标与质保书文件所提供的不一致。因此，设计者对活性炭吸附剂进行选择设计时，有必要对拟选活性炭吸附剂商品做性能指标试验，对活性炭吸附剂的选择进行评价。

三、活性炭吸附装置

活性炭吸附装置的有固定床、移动床、流化床等，使用较多的是固定床。

a.固定床

将被处理水连续通过炭接触器，使水中的吸附质被活性炭吸附，当出水中吸附质的含量达到规定的数值时，应停止进水，对活性炭进行再生。吸附再生可在同设备中交替进行，也可将失效活性炭排到再生设备中进行再生。

固定床又分为重力式和压力式。重力式用在下向流池中，可采用普通快滤池、虹吸滤池或无阀滤池。压力式有上向流、下向流两种，构造同压力滤池。

b.移动床 

移动床为压力式，原水由底部从下向上通过活性炭滤层与活性炭进行逆流接触，冲洗废水和处理后的水从池顶部流出。失效炭由底部排出，新活性炭从池顶间歇性或连续性加入。活性炭处理单元一般在快滤池和消毒工艺之间，也可在快滤池砂滤料上铺设活性炭层。如活性炭直接吸附处理浊度高的原水，则会降低吸附有机物的功能。

c.流化床

又称流动床，其特点是在吸附时活性炭在吸附塔内处于膨胀状态，塔中吸附剂与废水逆向连续流动。由于移动床在运行中有起床、落床的动作，其生产过程并不是完全连续运行的。

采用活性炭吸附工艺时，宜进行静态或动态试验，合理确定活性炭的用量、接触时间、水力负荷和再生周期。设计参数原则上应根据原水和再生水水质要求，根据试验资料或结合实际运行资料确定。

使用粉末活性炭的间歇式吸附操作通常在吸附反应池中进行，其池型有两种:一种是搅拌池型，即在整个池子内进行快速搅拌混匀，使吸附剂与原水充分混合进行吸附反应；另一种是泥渣接触型，其池型与操作和循环澄清池相同。使用颗粒活性炭的动态吸附操作是在吸附塔的设备中完成的。

四、活性炭吸附设计参数及注意项

1）活性炭吸附池无试验资料时可按正常情况下的参数设计。空床接触时间为20~30min。炭层厚度为3~4m。下向流的空床滤速为7~12m/h。炭层最终水头损失为0.4~1.0m。

常温下经常性冲洗时，水冲洗强度为11~13L/(m2.s)，历时10~15min，膨胀率为15%~20%；定期大流量冲洗时，水冲洗强度为15~18L/(m2.s)，历时8~12min，膨胀率为25%~35%。活性炭再生周期由处理后出水水质是否超过水质目标值确定，经常性冲洗周期宜为3~5d。冲洗水可用砂滤水或炭滤水，冲洗水浊度宜小于5NTU。

2）活性炭吸附罐无试验资料时可按正常情况下的参数设计。接触时间为20~35min。

吸附罐的最小高度与直径之比为2:1，直径为1~4m，最小炭层厚度为3m，宜为4.5~6m。升流式水力负荷为2.5~6.8L/(m2.s)，降流式水力负荷为2.0~3.3L/(m2.s)，操作压力每 0.3m炭层7kPa。

3）一般颗粒活性炭的平均粒径以0.8~1.7mm较好，既有良好的水力性能又能减少吸附区高度。

4）为防止冲洗时活性炭流失，压力滤池的活性炭层上设置不锈钢丝网，下面设不锈钢格栅和卵石承托层。

5）固定床一般为2~3个串联使用，但不宜多于4个，运行时依次顺序再生。水量大时，可将几组串联池并联运行。进水有机物浓度较低但处理水量较大时，可多个固定床并联使用，但活性炭利用率降低。钢制固定床的直径不宜超过1.6~2.0m。

6）移动床可以只设1个，流量大时可多个并联运行。

7）活性炭最好采用水力输送法，炭浆浓度的炭水比一般为1:(8~12)。可用水射器隔膜泥浆泵或橡皮衬里的凹形叶轮离心泵，通过管道输送。管道内径不小于5cm，炭浆流速不小于1m/s，以防止炭沉淀，但也不应大于2m/s，以免磨损管道。5cm内径的管道输送炭的能力为10~20kg/min，100m长度管道的摩擦损失为0.6~3m。

8）固定床和移动床都应有备用。

9）当活性炭使用一段时间后，其出水不能满足水质要求时，可从活性炭滤池的表层、中层、底层分层取炭样，测碘吸附值和亚甲基蓝吸附值，验证炭是否失效。

失效炭指标表

测定项目	表层	中层	底层
碘吸附质/(mg/L)	≤600	≤610	≤620
亚甲基蓝吸附质/（mg/L）	≤85	——	≤90

10）活性炭吸附能力失效后，为了降低运行成本，一般需将失效的活性炭进行再生后继续使用。我国目前再生活性炭常用两种方法:一种是直接电加热;另一种是高温加热。活性炭再生处理可在现场进行，也可返回厂家集中再生处理。