活性炭對(duì)廢水中COD的吸附作用
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本次提出分兩步處理高COD染色廢水：一是用活性炭吸附染料，二是用高劑量過氧化氫處理吸附的染料。由于COD飽和活性炭的水較少，過氧化量可以顯著減少。此外，準(zhǔn)確的過氧化物劑量可以去除活性炭表面吸附的COD，同時(shí)對(duì)活性炭結(jié)構(gòu)的破壞最小，從而可以重復(fù)使用再生活性炭。為了測(cè)試所提出的可再生吸附-氧化處理的適用性，收集了高COD進(jìn)水并用于檢查活性炭的性能，以及pH和溫度的操作吸附條件。
印染廢水具有有機(jī)污染物含量高、色度高、毒性大、水質(zhì)變化大等特點(diǎn)。其中，色度高是印染廢水處理的一大難題，是由于染色加工過程中部分不能上染坯布的成分復(fù)雜的染料導(dǎo)致，主要是以芳烴和雜環(huán)化合物為母體，帶有顯色基團(tuán)（如-N=O-）和極性基團(tuán)（如-SO3Na，-OH，-NH2）以及一些助劑，如緩染劑或促染劑等便排入廢水中。
印染企業(yè)的生產(chǎn)工藝在各類染料和助劑中添加有不同種類、較大劑量的重金屬物質(zhì)，這些重金屬物質(zhì)隨工業(yè)廢水進(jìn)入污水處理系，往往會(huì)抵制微生物的生長(zhǎng)，對(duì)廢水中的好氧生物處理工藝造成嚴(yán)重影響。當(dāng)水體中重金屬積累到一定的限度，就會(huì)對(duì)水體、水生動(dòng)物系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，生物體會(huì)出現(xiàn)生理受阻、發(fā)育停滯、死亡等情況，后果則是整個(gè)水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都會(huì)受損甚至崩潰。
1 活性炭吸附印染廢水機(jī)理
1.1 吸附法脫色機(jī)理
活性炭具有很大的比表面積，其內(nèi)部分布著豐富的孔隙，孔隙之間相互連接形成了一個(gè)十分發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，活性炭從而擁有了很大的比表面積以及其表面布滿豐富的官能團(tuán)，以至于對(duì)各種污染物具有良好的吸附去除效果。利用其較強(qiáng)的吸附能力，易吸附較大的染料分子，通過絮凝沉降達(dá)到脫色及降低COD含量的效果。
顆粒種類的不同其吸附脫色效果也有所不同。同等條件下，椰殼活性炭比果殼、煤質(zhì)活性炭對(duì)模擬活性染料廢水的吸附效果好，果殼活性炭吸附脫色效果次之，煤質(zhì)活性炭吸附脫色效果較差?；钚蕴勘旧斫Y(jié)構(gòu)不同，孔洞具有較大的差異性導(dǎo)致了這種差別。
1.2 活性炭吸附法去除廢水中金屬離子機(jī)理
在對(duì)金屬離子吸附方面，物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換是活性炭吸附主要的機(jī)理。
臭氧活化活性炭，兩種活性炭在不同的活化時(shí)間制得，在pH均為6，溫度同為298K的相同條件下，兩種活性炭與原活性炭對(duì)含Cr3+水溶液進(jìn)行吸附。通過該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在活性炭與Cr3+的反應(yīng)中，表面官能團(tuán)起著著舉足輕重的作用，靜電相互作用為主要的吸附機(jī)理。
1.3 活性炭吸附法對(duì)廢水中微量有機(jī)物的吸附機(jī)理
活性炭吸附微量有機(jī)物主要可以通過三種機(jī)理解釋：
(1) 發(fā)生在吸附質(zhì)與表面含氧基團(tuán)給電子—受電子作用；
(2) 發(fā)生在石墨結(jié)構(gòu)的n電子與吸附質(zhì)之間的擴(kuò)散作用；
(3) 離子間存在的靜電吸引和排斥作用。
活性炭對(duì)有機(jī)物進(jìn)行吸附的過程中發(fā)現(xiàn)，起較大作用且有較大影響的是其表面的羰基，它和吸附質(zhì)苯環(huán)上的n電子間的作用力是活性炭吸附作用力的主要來源。當(dāng)吸附質(zhì)苯環(huán)上有吸電子基團(tuán)時(shí)，吸附量會(huì)因此增加，是因?yàn)槲劫|(zhì)苯環(huán)本身是受電子體，而活性炭表面的羰基是給電子體，這兩者合在一起便形成了我們所知的給電子受電子復(fù)合物。但同理可得，如果活性炭氧化了，其表面的羰基也會(huì)氧化成羧基，沒有了給電子—受電子結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附量也就會(huì)因此而下降。
活性炭廠家進(jìn)行了活性炭對(duì)取代苯酚進(jìn)行吸附的研究，在實(shí)驗(yàn)過程中也運(yùn)用了相同的機(jī)理。對(duì)實(shí)際印染廢水進(jìn)行了深度處理，并對(duì)處理后的廢水的生物毒性進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)過程中采用的是經(jīng)過改良后的活性炭，其表面負(fù)載了經(jīng)馴化后的微生物，以此研究生物活性炭系統(tǒng)中存在的生物相及其降解有機(jī)污染物的作用。在活性炭吸附法處理過程中，這三種吸附往往同時(shí)存在，去除污染物需要它們的綜合作用。
不同的活性炭對(duì)印染廢水的有機(jī)微生物吸附效果也有所不同，活性炭廠家用小型活性炭床吸附印染廢水生化出水中各類有機(jī)物實(shí)驗(yàn)中可得知，煤質(zhì)炭和椰殼炭對(duì)印染廢水生化出水中的有機(jī)物均有顯著的去除效果。
1.4 活性炭吸附法對(duì)廢水中COD的去除機(jī)理
采用煤質(zhì)碳、木質(zhì)炭和椰殼炭3種炭型分別進(jìn)行了吸附試驗(yàn)，研究對(duì)象是印染廢水生化單元出水。研究表明，活性炭能有效地去除印染廢水中的COD、DON及生化出水時(shí)的生物毒性。以玉米秸稈和市政污泥為原料，采用化學(xué)活化法熱解制備的污泥-秸稈基活性炭具有發(fā)達(dá)的微孔和中孔結(jié)構(gòu)。不同配比的吸附劑的較佳吸附條件不同。在吸附過程中，活性炭對(duì)COD的去除率隨著吸附時(shí)間的增加呈現(xiàn)先逐漸上升而后達(dá)到吸附飽和的趨勢(shì)，酸性環(huán)境有利于活性炭表面的堿性基團(tuán)功能的發(fā)揮，進(jìn)而提高活性炭對(duì)滲濾液中COD的凈化效率。
有粉末炭和粒狀炭之分，前者用于廢水處理，通常采用混懸接觸吸附的方式；后者用于廢水處理，則采用過濾— —吸附的方式。處理系統(tǒng)有兩種：一是用活性炭直接處理二級(jí)處理出水；二是二級(jí)處理出水經(jīng)化學(xué)澄清、去除營(yíng)養(yǎng)物、過濾以后用粒狀炭吸附。
活性炭用于廢水高級(jí)處理的主要優(yōu)點(diǎn)：處理程度高，出水水質(zhì)比較穩(wěn)定，可達(dá)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。但投資和處理費(fèi)用昂貴?；钚蕴繎?yīng)用于給水凈化已有約60年的歷史，但用于廢水處理是在60年代才開始的。由于工業(yè)的迅速發(fā)展,廢水中有越來越多的劇毒和難以生物降解的污染物，活性炭因能有效地去除這些污染物而受到重視。美國(guó)1965年建成了世界上第一座具有生產(chǎn)規(guī)模的活性炭廢水高級(jí)處理裝置，1972年研究成功曝氣池投加粉末活性炭的處理法。中國(guó)從70年代初開始研究活性炭處理廢水的技術(shù),于1976年建成第一座處理煉油廢水的活性炭高級(jí)處理裝置
應(yīng)用顆粒狀活性炭床，務(wù)必對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理，去除油脂，減少懸浮固體,使懸浮物含量少于50毫克/升,以免堵塞炭層、增加水頭損失，并避免頻繁地進(jìn)行反沖洗。粉末活性炭處理法又稱生物-物理處理法、 投料曝氣法和加粉末炭曝氣法。它是在的基礎(chǔ)上將粉末活性炭投入曝氣池，這樣既充分利用了廢水處理設(shè)備，又提高了處理效果。用這種方法去除污染物，一般認(rèn)為是吸附和微生物氧化分解的協(xié)同作用。活性炭的大量微孔吸附了有機(jī)物和廢水中的氧氣，為微生物群的生長(zhǎng)繁殖提供了高濃度的營(yíng)養(yǎng)源，而微生物代謝過程中產(chǎn)生的酶和輔酶又被吸附和富集在活性炭的微孔中，加之炭上微生物和有機(jī)物接觸時(shí)間較長(zhǎng)，使難以降解的有機(jī)物也有可能經(jīng)生物氧化而分解。粉末活性炭處理法一般包括三個(gè)步驟：劇烈混和,使炭迅速分散到污水中；接觸吸附和氧化,使炭懸浮在污水中進(jìn)行混懸吸附和氧化；液-固分離,將炭從污水中分離出來，然后進(jìn)行再生。
此法優(yōu)點(diǎn)是：處理效果好而且比較穩(wěn)定；提高了微生物對(duì)有機(jī)毒物和重金屬的抗性；產(chǎn)生有凝聚力的炭體和微生物,形成堅(jiān)實(shí)和稠密的污泥,改善了活性污泥法的操作條件；活性炭能吸附表面活性物質(zhì)，解決了曝氣池中的起泡沫問題；能用于處理成分復(fù)雜、濃度和水量多變的廢水；粉末炭成本低。但因粉末炭再生困難，至今尚未應(yīng)用于實(shí)際。1972年用流化床再生爐再生粉末活性炭試驗(yàn)成功，為粉末活性炭的應(yīng)用提供了條件。
粉末活性炭用于廢水處理的新技術(shù)是單級(jí)接觸系統(tǒng)，即混和、接觸反應(yīng)、重力沉淀在同一個(gè)設(shè)備中完成，炭在設(shè)備中的停留時(shí)間為2～5天。這樣便于微生物活動(dòng)，提高了處理效果。在污泥消化池中投加一定量的粉末活性炭，能加速污泥沉淀，凈化返回到水處理系統(tǒng)的上清液，提高水處理系統(tǒng)的效率。此外，還可促進(jìn)污泥固體的分解，消除惡臭，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。
染料廢水具有組成成分復(fù)雜、難生物降解、色度高、有機(jī)物濃度高、水質(zhì)和水量變化大等特點(diǎn)，屬于難治理的廢水之一目前，用于處理染料廢水的吸附劑主要有活性炭、樹脂、天然礦物和各種廢棄物等。其中活性炭的表面和內(nèi)部有許多孔，具有去除能力高，比表面積大，能選擇性地去除染料的特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛?；钚蕴课椒ň哂谐杀镜?、成效快、污染小等優(yōu)點(diǎn)，適用于小規(guī)模企業(yè)的染料廢水處理。但是，由于吸附法只是將染料吸附在吸附劑上，不能破壞染料分子結(jié)構(gòu)，故其適合染料廢水的前期處理。吸附法可結(jié)合化學(xué)混凝法、氧化法、電化學(xué)方法等其他方法綜合辦法來處理染料廢水，效果更佳。
在活性炭吸附染料廢水的系統(tǒng)中，影響吸附行為的因素眾多，包括投加量、粒徑、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)等活性炭方面的因素，也有染料濃度等染料廢水方面的因素，還有時(shí)間、溫度、pH值等外界環(huán)境方面的因素。目前,對(duì)于影響吸附因素的研究還停留在定性分析層面，若能實(shí)現(xiàn)定量表征上述因素對(duì)吸附行為的影響程度，找出影響吸附的主要因素，就能方便快捷地選擇吸附劑，達(dá)到較佳吸附效果并提高活性炭的利用率。
針對(duì)活性染料廢水處理，咱們研究了活性炭用量對(duì)CODcr降解率的影響，優(yōu)化其處理工藝條件，經(jīng)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論如下：
一、活性炭對(duì)CODcr去除率的影響
1、活性炭材質(zhì)對(duì)CODcr去除率的影響
在染料廢水中，分別加入相同目數(shù)、相同質(zhì)量的椰殼類、果殼類和木材類顆粒活性炭，在常溫條件下，測(cè)定不同吸附時(shí)間時(shí)的CODcr去除率，結(jié)果如圖1所示。
2、活性炭物理形態(tài)對(duì)CODcr去除率的影響
采用椰殼類柱狀活性炭，尺寸為2mm×4mm；顆粒狀活性炭為自制，即將柱狀活性炭用離心碾磨機(jī)粉碎，再用篩子篩選出不同粒徑的顆粒狀活性炭。分別在染料廢水中投人顆粒狀活性炭和柱狀活性炭各20g，在常溫條件下吸附，測(cè)定不同吸附時(shí)間的CODcr去除率，結(jié)果如圖2所示。
3、粒徑對(duì)CODcr去除率的影響
采用10g顆粒狀活性炭，粒徑分別為0.3mm、0.09mm、0.074mm的在常溫條件下吸附，測(cè)定不同吸附時(shí)間的CODcr去除率，結(jié)果如圖3所示。
4、活性炭質(zhì)量對(duì)CODcr去除率的影響
在染料廢水中，分別加入不同質(zhì)量的顆粒狀活性炭，在常溫條件下吸附，測(cè)定不同吸附時(shí)間的CODcr去除率，結(jié)果如圖4所示。
針對(duì)污水中COD處理解決方案有，活性炭吸附，生物降解，常溫常壓雙氧水催化氧化，電解催化高濃度COD處理等工藝方案 。
1.常規(guī)粉狀活性炭工藝方案 吸附法 （碘值 600-800mg/g 200or 325目 參考價(jià)格 4000-6500元/噸）
2.高吸附粉狀活性炭工藝方案 吸附法 （碘值 1000mg/g 200or 325目 參考價(jià)格 8000-9500元/噸）
3.高吸附粉狀活性炭工藝方案 吸附法 （碘值 1100mg/g 亞甲蘭18ml 200or 325目 參考價(jià)格 11000-12500元/噸）
4.微生物載體活性炭 生物降解法 （碘值900-1100mg/g ctc>80% 3-4mm 價(jià)格：面議）
5.常溫常壓雙氧水催化氧化活性炭催化劑 催化氧化法 （碘值800mg/g ctc>60% 強(qiáng)度>99% 3-4mm 價(jià)格：面議）
6.超導(dǎo)電電解活性炭粒子 催化電解法 （碘值800mg/g ctc>60% 強(qiáng)度>99% 3-4mm 價(jià)格：面議）