摘要：活性炭吸附處理可使印染廢水生化出水符合直接排放或回用的標準。對不同活性炭進行性能指標測試,據此篩選出對大分子有機物吸附性能較好的3種不同材質的活性炭(混合炭、原煤炭和果殼炭),并進行吸附容量實驗。同時,考察不同空床接觸時間(EBCT)下的微型快速穿透(MCRB)實驗。結果表明,果殼炭在3種備選炭中COD去除率和活性炭吸附容量利用率最高;1個大中型炭柱中的EBCT為20 min的果殼炭床至少可以連續使用8 d才需更換新炭,而后置炭床的串聯會保證出水在8 d后繼續達到《紡織染整工業污染物排放標準》(GB 4287—1992)中一級排放標準(COD<50 mg/L)。
關鍵詞：活性炭 印染廢水 吸附性能 吸附等溫方程 穿透
印染廢水是紡織工業廢水的重要來源[1]。在我國一般采用物理化學處理/生物降解的方法進行處理[2]。近年來,隨著新型染料和助劑的開發,其處理難度日益增加。混雜有新型染料的廢水難以通過傳統方法的處理達到《紡織染整工業污染物排放標準》(GB 4287—1992)中一級排放標準(COD < 50mg/L),而活性炭吸附技術可有效去除工業廢水生化出水中的持久性有機物(POPs)[3]。但如要在實際工程中成功地運用活性炭吸附工藝,還需通過吸附容量實驗和連續流狀態下的穿透實驗等一系列研究來確定工程應用中的關鍵因素,如所選炭形(粉末狀活性炭或顆粒狀活性炭)、最佳炭型(不同材質或活化工藝的炭種)、最優的處理流程(單個吸附床處理、多個吸附床串聯或平行)[4]431。
傳統的小型柱實驗均采用與大型活性炭床相同的空床接觸時間(EBCT)、原尺寸活性炭顆粒(8~20目)、同比例縮小的活性炭床尺寸和流速來進行實驗,活性炭用量多為10 g以上,是個耗時、耗資源的過程,造成很多研究工作無法在實驗室內進行。因此,需要一種簡便快捷的新型小型柱實驗,在短時間內獲取期望的活性炭吸附穿透數據,有利于活性炭吸附技術的推廣和應用。微型快速穿透(MCRB)實驗克服了傳統小型柱實驗的缺點,采用120~180目的活性炭和較短的EBCT,縮短了穿透實驗所需時間[4]433,[5]826,[6]。
筆者研究的目的主要有:(1)通過指標性能測試,篩選出性能相對較好的活性炭;(2)通過吸附容量實驗,確定活性炭吸附技術是否適用于印染廢水生化出水的處理;(3)通過MCRB實驗確定最適用炭型及成本最低的處理方案,確定最終出水可以達到直接排放或回用標準;(4)估算活性炭吸附容量利用率和出水水質來評價該深度處理技術。
1·實驗部分
1.1 實驗儀器和試劑
Unico UV200型紫外可見分光光度計;ES-810型計量泵;BSZ-160改進型自動采樣器;DBR200消解儀;自制首尾滾動床。
印染廢水生化出水來自于江蘇常熟某印染廠(2批次水質略有不同,第1批水樣COD為101 mg/L,第2批水樣COD有波動(75 mg/L左右));混合炭、原煤炭、果殼炭、果殼炭SH-4、太西柱形炭(煤質)、林化顆粒炭(煤質)、Calgon F300(煤質)、CalgonF400(煤質)、Norit GCN 830(椰殼)。
1.2 炭型選用
以活性炭對不同分子的苯酚、碘、甲基藍、丹寧酸的吸附量作為其吸附性能的衡量指標,對活性炭吸附容量進行全面預測。實驗選用粒徑<200目的活性炭粉,取不同活性炭用量于40 mL吸附反應瓶中,加入吸附質溶液,頭尾旋轉直至吸附平衡。具體方法參見實驗室前期研究[4]433。
1.3 吸附容量實驗與Freundlich吸附等溫方程
實驗采用粒徑<200目的活性炭和第1批水樣(COD為101 mg/L)。具體方法在一般標準方法的基礎上略作改進,即將水樣體積減少至40 mL,并采用頭尾旋轉方式以便水樣與活性炭粉充分混合[7]883。吸附12 h后(保證達到吸附平衡),過濾測得濾出液COD(測試方法見APHA標準方法)。吸附容量由式(1)計算。
X/M=(c0—ce)×V/m(1)
式中:X/M為活性炭吸附容量,mg/g;c0、ce分別為溶液中吸附質初始、平衡質量濃度,mg/L;V為水樣體積,L;m為活性炭用量,g。
將吸附容量和平衡濃度由Freundlich吸附等溫方程(見式(2))[5]827進行擬合,以雙對數坐標圖顯示實驗數據和擬合曲線。
1.4 吸附穿透實驗
穿透實驗采用MCRB技術,該技術在美國環境保護署的快速小型柱實驗(RSSCT)技術[7]884,[8]的基礎上做了一些改進和合理簡化:采用粒徑為120~180目的活性炭,確定了壓力范圍,使用價格經濟的水泵(活塞泵,壓強可達0.34 MPa)及改裝自動取樣器,更加適用于普通環境工程實驗室應用。MCRB技術的原理、實驗裝置、具體步驟、結果與討論等詳見前期研究[9]。
MCRB實驗采用的活性炭為120~180目(平均粒徑為0.1 mm),模擬實際炭柱的大中型炭柱中活性炭采用8~20目(平均粒徑為1.4 mm),其粒徑比為0.071 4。則根據式(3)[10], EBCT比為0.005 1~0.071 4。
式中:EMCRB為MCRB實驗中的活性炭的EBCT,s;ELC為大中型炭柱中的活性炭的EBCT, min;dp(MCRB)、dp(LC)分別為MCRB實驗和大中型炭柱中的活性炭粒徑,mm;x為濃度參數,x為0~1。
ELC根據較為保守的EBCT比(0.006 7)計算,混合炭、原煤炭和果殼炭的MCRB實驗運行參數具體見表1。
2 結果與討論
2.1 炭型選用結果
活性炭吸附性能取決于不同材質及活化工藝,炭型的適當選擇可降低處理成本。苯酚、碘、甲基藍、丹寧酸的分子量和分子直徑覆蓋了大多數有機污染物的范圍,并與活性炭內孔徑有良好關聯,可用于預測活性炭對不同污染物的吸附容量。苯酚值表征活性炭對小分子、芳香類或極性化合物的吸附能力;碘值表征活性炭對小分子非極性物質的吸附能力;甲基藍值表征活性炭對中大分子物質的吸附能力;丹寧酸可表征活性炭對大分子物質的吸附能力[4]432。由于印染廢水生化出水中含有大量大分子的溶解性微生物產物(SMP),因此在綜合考量4項指標的同時,應首先以丹寧酸值作為炭型選擇的首要依據。
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