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          水處理粉狀活性炭混凝過程中的使用問題

          2016年08月23日

          粉狀活性炭

             隨著原水有機物污染的日益嚴重,活性炭在給水處理中的應用越來越普遍。目前,活性炭在水處理中的應用方式主要有:混凝過程中投加粉末活性炭和濾后水再接粒狀活性炭濾池過濾。前面一種方法雖然不能充分發揮活性炭的吸附特點以及活性炭不能再生回用,但不需要再增添水處理構筑物,投資不,見效快,尤其對于水質季節性變化比較大的原水,更見其優點。但許多水廠混凝過程中投加粉狀活性炭的效果不理想,并且對混凝去濁可能還產生一些負面影響。因此探討混凝過程中粉狀活性炭的使用問題具有一定的現實意義。

            影響活性炭吸附的主要因素:

          (1)活性炭的類型  活性炭按照其制造原料的不同,主要有果殼活性炭、木質活性炭煤質活性炭。木質活性炭孔隙半徑比較大,其孔隙有效半徑可達1000A左右;煤質活性炭一般具有大量的中孔,這些中孔的有效半徑介于20A-1000A之間,其中褐煤制的活笥炭的孔徑比煙煤大;果殼活性炭一般具有發達的微孔,這些微孔的半徑大多在20A以下。有機物要被活性炭吸附,必須要進入活性炭孔隙內部,如果有機物分子尺寸大于活性炭孔隙尺寸,就不能被活性炭吸附。一般認為活性炭孔隙尺寸應大于被吸附分子尺寸的三倍,被吸附分子才能比較順利地進入活性炭孔隙內。但孔隙尺寸大的活性炭,孔隙比表面積小,其吸附容量比較小。

           (2)溫度  活性炭對有機物的吸附主要是高度發達的孔隙表面積的物理吸附,吸附力是分子間作用力,不象化學吸附要求被吸附分子達到一定的活化能力才能被吸附,因此活性炭對有機物的吸附能力并不是隨著溫度的增加而增大。相反,溫度的增加會導致被吸附分子能量的增加,使被吸附分子的脫附能力增加,不利于活性炭的吸附,使活性炭的吸附容量下降。但活性炭對有機物的吸附過程包括三個階段:A 有機物通過活性炭顆粒表面的水膜層,稱“膜擴散”階段;B有機物進入活性炭內部孔隙,稱“孔隙擴散”階段;C有機物被吸附在活性炭內部孔隙表面上,稱“吸附”階段。就活性炭吸附有機物整個過程的速度而言,吸附階段的速度由于是物理吸附,是很快的,整個過程起控制作用的是有機物的擴散,溫度的提高警惕又有助于有機物的擴散。從這方面來說,溫度的增加有助于提高整個吸附過程的速度。但總的說來,用活性炭對水中的有機物進行吸附,溫度的增加總體上并沒有什么益處。

          (3)有機物的性質 對選定的活性炭而言,有機物分子的大小和水溶性對其本身的可吸附性影響很大?偟恼f來,活性炭對有機物的吸附具有以下特點:A當有機物分子的尺寸與活性炭的孔隙尺寸相比接近甚至超過時,難以被活性炭吸附;B當有機物分子尺寸與活性炭的孔隙尺寸相比比較小時,分子量大沸點高的有機物的可吸附性優于分子量小沸點低的有機物;C有機物如果分子大小相同,活性炭對芳香族化合物的吸附優于脂肪族化合物,對支鏈化合物的吸附優于直鏈化合物;D對分子極性與水差異越大、水溶性越小的有機物的吸附優于極性與水接近、水溶性大的有機物的吸附。

             因此,活性炭對有機物的吸附是有選擇性的,并不是對任何機物都有良好的吸附性能,某些分子量小沸點很低的有機物和分子量很大分子尺寸很的有機物都不易被活性炭吸附。

          (4)PH值   PHL較高時,水中典型有機污染物的一些基團容易水解以及活性碳孔隙內部可能發生某些無機鹽類的沉積而降低活性炭對有機物的吸附性能,所以一般在較低的PH值狀態下有利于活性炭對有機物的吸附。

           

               原水中的有機污染物 原水中的有機污染物種類很多,按其來源可分為兩類。一類是水體中微生物的代謝產物和水體中植物、生物細胞的分解產物,是造成原水色度和不良氣味的重要因素,如腐植酸、富里酸、土臭素、2-甲基茨醇等。另一類是人類在生活、生產中直接排放的污染物,常見的有芳香族化合物、有機氯貨物、表面活性劑等。一般湖泊、水庫中比較突出的是第一有機污染物,而河流中占優勢的常常是第二類有機污染物。水體中的有機污染物分子尺寸基本上在10A以上,大多在35A-100A之間,有些有機物的分子尺寸可能很大,而有些很小。造成原水色度的某些有機物具有一定的親水性,但很多有機物的水溶性并不好。有些有機物的沸點比較低,易揮發,但很多有機物的沸點遠高于常溫。因此原水中的有機物有一些是不能被活性炭直接吸附的,有一些能被活性炭直接吸附。因此混凝過程中投加粉末活性炭能夠去掉一部分有機物。但不同的原水所含的有機物的組成可能差別比較大,活性炭的使用效果可能不一樣。

            活性炭的選擇

             雖然一般希望所選的活性炭具有較高的吸附容量。但原水中有機污染物的濃度一般是比較低的,并且原水中有機污染物的分子尺寸一般比較大,所以活性炭的吸附容量往往不是主要的問題,而活性炭的孔隙尺寸常常成為吸附過程的制約因素。所以果殼活性炭盡管其孔隙發達,但由于孔隙尺寸小,不宜作為水處理用活性炭。水處理活性炭最好先用木質活性炭或褐煤質活性炭,或者兩種活性炭結合使用。

          混凝過程中粉狀活性炭的投加點

              粉末活性炭的投加點的選擇主要考慮以下因素:A避免可通過混凝去除的有機物的競爭吸附;B使活性炭與水體能較好的混合;C保證一定的吸附時間;D活性炭與水的分離;E避免活性炭顆粒被包裹進絮體中。在炭型選擇正確的前提下,從避免競爭吸附和避免被懸浮絮體包裹的角度來看,粉末活性炭不宜投加在混凝前,也不宜與混凝藥劑同時投加,投加點應盡量后移。但從活性炭與水體混合并保證足夠的吸附時間以及活性炭與水分離的角度來看,投加點應盡量前移。從加藥混凝的角度來看,混合完成以后,膠體已經脫穩,并形成微絮凝體,經過幾分鐘的反應,就會形成比粉末活性炭顆粒大的絮體,這時可通過混凝去除的有機物基本上已經結合進強弱體中去了,此時以后的反應時間只不過是為了使絮體進一步結成比較大的礬花,以利分離。這時投加粉末活性炭,可基本上避免競爭吸附,此外也可避免活性炭顆粒被結合進絮體中,投加的粉末活性炭在反應的中后段通過附著在絮體上在沉淀中可被去除。此外,反應池不的水流速度梯度也基本上能滿足活性炭的混合要求,反應中后段所剩下的十幾分鐘的時間,也基本上滿足吸附時間的要求。因此,一般說來,粉末活性炭應在混凝反應3-5min鐘后投加。但應注意的是,投入粉末活性炭對后面的反應沉淀有一定的干擾作用。因為此時混凝過程中的膠體騰穩過程已經完成,粉末活性炭顆粒本身并不具有凝聚的性能,粉末活性炭的加入會干擾形成的絮體進一步相互凝聚。這在一些水廠的運行實踐和有關的研究中都發現了這一問題。提高混凝劑的投加量可減弱這種干擾作用。如果通過試驗,混凝過程可去除的有機物所占的比例很小,并且一泵至水廠的距離也比較長,采用泵前投加效果會更好。對于濾前加氯的處理工藝,加氯點不宜與活性炭的投加點靠近,活性炭對氯有吸附和還原作用,會同時降低兩者的使用效果。

            活性炭的投加量

              活性炭對有機物的吸附是物理吸附,理論上屬于多分子層的吸附,但考慮到原水中的有機物一般分子量比較大,活性炭孔隙表面吸附了一層有機物分子后,再繼續吸附有機物是比較困難的,因此,在有關活性炭吸附容量的理論描述中,可采用Langmuir 吸附等溫式來描述活性炭對原水中有機物的吸附容量。在有機物濃度比較低時,Langmuir 吸附等溫式可寫成直線的形式:qe=KC    

          qe單位重量的活性炭吸附的有機物的量(mg/mg);

          C 有機物濃度(mg/L);

          K 與溫度有關的系數(L/mg)  一般粉末活性炭的投加量要根據具體的原水水質進行試驗確定。國內、外的飲用水處理實踐中,粉末活性炭的投加量一般在20mg/L,投量太大,就要考慮采用活性炭濾池。

           

           

           

           

           

           

           

           

          來源:東莞市立凈碳業化工有限公司

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