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柱状炭与不定型炭用于给水处理的比较选择

编辑:红足一世手机版 日期:2018-07-14 9:46:26 人气:

柱状炭与不定型炭用于给水处理的比较选择

在饮用水深度处理中,生物活性炭(BAC)技术对水中色嗅味以及有机物等的去除起到积极作用,是目前去除水中污染物最有效的技术之一。活性炭是生物活性炭技术的基础和核心,因此选择合适的活性炭种类就显得尤为重要。

常用的活性炭有煤质和木质两类,由于木质炭价格较高,水处理工艺一般倾向于选择煤质类活性炭。水处理中常用的煤质炭主要分为柱状炭和不定型炭两大类,两者机械性能、结构、表面特性的不同,导致了它们吸附能力以及耐磨损程度等特性的差异。柱状炭和不定型炭各具优势,普遍认为柱状炭强度高、价格低,而不定型炭的优势则是吸附能力比较强。因此,选择活性炭种类,需要综合考虑强度、经济性及目标污染物几种因素。

1试验方法及内容

分别选取来自3个活性炭生产地区的6种活性炭进行试验,其中不定型炭、柱状炭各3种。

1.1实验室试验

主要分析活性炭的吸附性能、结构特性及机械性能。试验所选取的检测指标及分析方法见表1。

表1实验室试验的检测指标及分析方法

表1实验室试验的检测指标及分析方法

其中,能将每升含单宁酸20mg/L的水溶液中的单宁酸吸附到其质量浓度为2mg/L所需的炭的质量(以mg记),称为该活性炭的单宁酸值。

向4份不同重量的活性炭中分别加入100mL质量浓度为2.0mg/L的腐殖酸溶液,吸附至剩余0.2mg/L,此时每克活性炭的吸附腐殖酸的量表示该炭的腐殖酸值。

1.2中试

中试进水为南方地区某水厂砂滤后并经过臭氧化的水,旨在比较不同种类的活性炭对目标污染物的去除效率,并研究水质变化对滤后水的影响。将6种活性炭分别装入6个平行的有机玻璃滤柱中,柱高3m,内径120mm,均装填活性炭-石英砂双层滤料。采用自然挂膜方式,气水联合反冲,强度通过膨胀率控制,一般保持在20%左右,反冲周期7d。正常运行时,臭氧投量为1.5mg/L,反应接触时间10min,每根滤柱的流量80L/h,吸附接触时间15min。试验期间进水水质指标见表2。试验选择浊度、颗粒数、CODMn、UV254及细菌总数五个指标分别从感官、有机物安全、微生物安全三个方面评价滤料对水体的处理效果,检测按照《生活饮用水标准检验法》(GB5750-85)实行。同时,为了对比活性炭强度对水质的影响,用显微计数法测定活性炭出水的炭粒数。

表2中试进水水质

表2中试进水水质

1.3生产试验

生产性试验为南方某水厂饮用水深度处理工程。该工程设计处理能力为60×104t/d,主要包括臭氧发生器、提升泵站、臭氧接触池、生物活性炭滤池、臭氧配电间及配套设备等。主臭氧接触时间10.6min,采用微孔曝气器投加,活性炭滤池单格过滤面积为96m2,接触时间、滤速及滤层厚度分别为11min,11m/h和1.85m。

2结果及分析

2.1柱状炭与不定型炭的性能比较

2.1.1吸附性能

选择活性炭对碘、亚甲兰、单宁酸及腐殖酸4种物质的吸附量来衡量其吸附能力,其中,碘(分子量254)值表示活性炭对双原子小分子物质的吸附能力,亚甲兰(分子量374)值表示活性炭对链状中小分子物质的吸附能力,单宁酸(分子量1701.2)值表示活性炭对水体中大分子物质的吸附能力,腐殖酸(分子量500-200000)值则表示活性炭对结构复杂的大分子及天然有机物的吸附能力。

试验结果表明,不定型炭对碘、亚甲兰和腐殖酸的吸附能力要大于柱状炭,其中前2项指标的吸附值分别平均高出7.6%和12.1%,而对腐殖酸的吸附能力则高出约66.7%,这说明,如果以大分子天然有机物为主要目标污染物,选择不定型炭作为生物活性炭滤池的滤料效果会更好。

柱状炭对单宁酸表现出更强的吸附能力。活性炭对物质的吸附能力,很大程度上决定于活性炭的孔径分布,如果某种活性炭的中孔结构非常发达,那么它对单宁酸这类中等分子物质的吸附能力就会强于其他的活性炭。

2.1.2结构特性

为了更直接对比两类活性炭的吸附能力,试验检测了活性炭的比表面积和孔容积,结果表明,不定型炭的比表面积和孔容积都略大于柱状炭,这也是不定型炭对碘、亚甲兰以及腐殖酸的吸附能力要强于柱状炭的原因。在上述结果的基础上,对活性炭的孔隙分布做了进一步的研究,见表3。可以看出,不定型炭在微孔和小中孔径下的孔容积具有非常明显的优势,但随着孔隙直径的增加,这种优势慢慢减弱,在5-10nm和30-50nm范围内,柱状炭的孔容积甚至超过了不定型炭。说明虽然在相同条件下,不定型炭的总吸附量大于柱状炭,但是针对某一种目标污染物,不定型炭未必会优于柱状炭。在吸附试验中,对单宁酸吸附值的测定结果也证明了这一观点。

表3两类活性炭的孔隙分布

表3两类活性炭的孔隙分布

2.1.3机械性能

强度是反映活性炭使用寿命及经济性的重要指标。选择球盘法测定活性炭的强度,结果表明,不定性炭的强度普遍低于柱状炭。这是由于活性炭生产工艺及结构的差异造成的。柱状炭表面光滑,在制造时经过挤压定型,炭的骨架结构更致密,而不定型炭的孔隙结构更发达,形状多棱角,容易被磨损,因此强度要略低一些。

2.2中试结果及分析

2.2.1浊度

图1出水浊度的比较

图1出水浊度的比较

图1为中试进水及6根滤柱出水的浊度情况,用便携式浊度仪检测。可以看出,活性炭对浊度的去除能力很有限,柱状炭中的2根滤柱表现出负去除。总的来说,不定型炭对浊度的控制效果要略好于柱状炭,但平均去除率仅为2.6%。

2.2.2颗粒数

水中的颗粒数是影响浊度的一个重要因素,并会影响消毒的效果。图2为两类活性炭的滤后水颗粒数情况(便携式颗粒计数仪测定)。可以看出,两类活性炭对出水颗粒数的去除都起到了积极作用,但柱状炭的出水颗粒数要比不定型炭高33%。

图2出水颗粒数的比较

图2出水颗粒数的比较

2.2.3高锰酸盐指数

试验中发现,两类活性炭对CODMn都有比较好的去除效果,不定型炭对CODMn的去除率要略高于柱状炭,但由于原水水质较好,滤前水CODMn值在1.0mg/L左右,因此,不定型炭出水的平均CODMn值只比柱状炭低0.11mg/L左右。

2.2.4紫外吸光度

试验中两类活性炭对紫外吸光度具有良好的去除效果,不定型炭的去除率要比柱状炭高出19%,结合对CODMn的去除情况,可以看出,不定型炭对有机物的控制效果要优于柱状炭。

2.2.5细菌

总数试验中发现,不定型炭对出水细菌的控制效果明显好于柱状炭。

2.2.6炭粒数

图3为两类活性炭出水炭粒数。可以看出,不定型炭出水的炭粒数明显多于柱状炭,这是由于其强度较低造成的。在生产性试验中估算了由此造成的活性炭损失。

图3出水炭粒数的比较

图3出水炭粒数的比较

2.3生产性试验比较研究

2.3.1净水效果分析

生产试验选择6种活性炭中的3种,其中BAC1和BAC2为不定型炭,BAC3为柱状炭。生产性试验检测了嗅味、浊度、CODMn、UV254、TOC以及细菌总数,评估了运行1年来两类活性炭的损失率。试验结果均为10次以上检测结果的平均值。结果表明,活性炭对致嗅物质的去除效果良好(见图4),3种活性炭对嗅味的去除率都达到80%左右,滤后水的感官和口感都得到了明显提高,两类活性炭去除效果的差别很小。

图4炭滤池出水嗅阈值的比较

图4炭滤池出水嗅阈值的比较

图5为进出水浊度变化情况,可以看出,不定型炭对浊度的控制效果要略好于柱状炭,但最高也只能将浊度降低0.02NTU。这与中试中活性炭除浊能力有限的结论是一致的。

图5炭滤池出水浊度的比较

图5炭滤池出水浊度的比较

图6-图8分别为滤池进出水CODMn、UV254及TOC的变化情况,可以看出,不定型炭对上述三个指标的控制效果都要略好于柱状炭,效果最好的不定型炭(BAC2)对UV254和TOC的去除率要比柱状炭分别高出25%和22%。这一结论与中试的结果相吻合。进一步说明如果以去除水中有机物为主要目的,不定型炭的效果要优于柱状炭。但由于本试验中炭滤池进水水质较好(CODMn0.84mg/L;UV2540.007cm-1;TOC1.24mg/L),故绝对去除量的差异并不显著。

图6炭滤池出水CODMn的比较

图6炭滤池出水COD<sub>Mn</sub>的比较

图7炭滤池出水UV254的比较

图7炭滤池出水UV<sub>254</sub>的比较

图8炭滤池出水TOC值

图8炭滤池出水TOC值

图9为滤池进出水细菌总数的情况。可以看出,不定型炭出水的细菌总数要小于柱状炭,但是BAC2和BAC3两种活性炭出水细菌比进水有所升高,这是因为活性炭提供了非常适宜微生物生长的环境,当微生物过度繁殖而反冲洗又未及时时,会造成炭滤池出水细菌的升高,但这些细菌经过有效的消毒工艺之后,即被灭活,因此不存在水质风险。

图9炭滤池出水细菌总数的比较

图9炭滤池出水细菌总数的比较

2.3.2活性炭损失情况调查

针对两类活性炭强度及活性炭滤池出水炭粒数的差异,小编对滤池运行1年来活性炭损失情况进行了调查,发现装有柱状炭滤池的活性炭基本无损失,装有不定型炭的滤池经粗略估算,在一个反冲洗周期内,BAC1大约会流失0.10-0.15m3、BAC2流失0.10-0.70m3。因此,虽然不定型炭在吸附去除有机物方面具有更大的优势,但在运行、反冲洗过程中的损失比柱状炭高出很多,存在因炭层高度减少而影响净水效果或需要补炭的风险。

3结论

通过实验室试验和中试,对比分析了柱状炭和不定型炭的吸附性能、孔隙结构以及处理效果,并在生产试验中进行了验证,得出以下结论:

①不定型炭对碘、亚甲兰以及腐殖酸的吸附能力要强于柱状炭,但对单宁酸的吸附能力比柱状炭弱。

②不定型炭的孔容积和比表面积均大于柱状炭,其总吸附能力要强于柱状炭;但两者的孔隙分布存在差别。

③中试结果表明,不定型炭对浊度的控制效果略好于柱状炭,但两者对浊度的去除能力都很有限;两类活性炭对出水颗粒数的去除都起到了积极作用,但柱状炭的平均出水颗粒数要比不定型炭高出33%;不定型炭对CODMn和UV254的去除效果以及对细菌的控制效果要好于柱状炭,但出水的炭粒数比柱状炭高出三倍,这可能会影响消毒效果从而带来微生物隐患,同时也增加了活性炭的损失率。

④生产性试验充分验证了中试所得到的结论,不定型炭对CODMn、UV254以及TOC的去除效果明显好于柱状炭,两类活性炭对嗅味的去除率都在80%左右,两者差异并不明显。

⑤对活性炭损失情况调查发现,在一个反冲洗周期内,不定型炭大约会流失0.10-0.70m3,而柱状炭则基本没有损失。

⑥总的来说,不定型炭去除有机物的能力比柱状炭强,但在运行及反冲洗中的损失率也明显高于柱状炭,而且其价格也高于柱状炭,因此在采购活性炭时,需要在净水效果和一次性购置、后续补炭费用之间综合进行抉择。

小编建议,如果原水水质较好,增加深度处理工艺旨在进一步改善水质,可以采用价格较便宜,且不易磨损、跑炭的柱状炭;但如果水质恶劣,需要增加深度处理工艺以达到饮用水水质标准,则需要把去除有机物的能力作为首选因素,选择吸附能力更强的不定型炭。

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