摘要：活性炭吸附处理可使印染废水生化出水符合直接排放或回用的标准。对不同活性炭进行性能指标测试,据此筛选出对大分子有机物吸附性能较好的3种不同材质的活性炭(混合炭、原煤炭和果壳炭),并进行吸附容量实验。同时,考察不同空床接触时间(EBCT)下的微型快速穿透(MCRB)实验。结果表明,果壳炭在3种备选炭中COD去除率和活性炭吸附容量利用率最高;1个大中型炭柱中的EBCT为20 min的果壳炭床至少可以连续使用8 d才需更换新炭,而后置炭床的串联会保证出水在8 d后继续达到《纺织染整工业污染物排放标准》(GB 4287—1992)中一级排放标准(COD<50 mg/L)。
关键词：活性炭 印染废水 吸附性能 吸附等温方程 穿透
印染废水是纺织工业废水的重要来源[1]。在我国一般采用物理化学处理/生物降解的方法进行处理[2]。近年来,随着新型染料和助剂的开发,其处理难度日益增加。混杂有新型染料的废水难以通过传统方法的处理达到《纺织染整工业污染物排放标准》(GB 4287—1992)中一级排放标准(COD < 50mg/L),而活性炭吸附技术可有效去除工业废水生化出水中的持久性有机物(POPs)[3]。但如要在实际工程中成功地运用活性炭吸附工艺,还需通过吸附容量实验和连续流状态下的穿透实验等一系列研究来确定工程应用中的关键因素,如所选炭形(粉末状活性炭或颗粒状活性炭)、最佳炭型(不同材质或活化工艺的炭种)、最优的处理流程(单个吸附床处理、多个吸附床串联或平行)[4]431。
传统的小型柱实验均采用与大型活性炭床相同的空床接触时间(EBCT)、原尺寸活性炭颗粒(8~20目)、同比例缩小的活性炭床尺寸和流速来进行实验,活性炭用量多为10 g以上,是个耗时、耗资源的过程,造成很多研究工作无法在实验室内进行。因此,需要一种简便快捷的新型小型柱实验,在短时间内获取期望的活性炭吸附穿透数据,有利于活性炭吸附技术的推广和应用。微型快速穿透(MCRB)实验克服了传统小型柱实验的缺点,采用120~180目的活性炭和较短的EBCT,缩短了穿透实验所需时间[4]433,[5]826,[6]。
笔者研究的目的主要有:(1)通过指标性能测试,筛选出性能相对较好的活性炭;(2)通过吸附容量实验,确定活性炭吸附技术是否适用于印染废水生化出水的处理;(3)通过MCRB实验确定最适用炭型及成本最低的处理方案,确定最终出水可以达到直接排放或回用标准;(4)估算活性炭吸附容量利用率和出水水质来评价该深度处理技术。
1·实验部分
1.1 实验仪器和试剂
Unico UV200型紫外可见分光光度计;ES-810型计量泵;BSZ-160改进型自动采样器;DBR200消解仪;自制首尾滚动床。
印染废水生化出水来自于江苏常熟某印染厂(2批次水质略有不同,第1批水样COD为101 mg/L,第2批水样COD有波动(75 mg/L左右));混合炭、原煤炭、果壳炭、果壳炭SH-4、太西柱形炭(煤质)、林化颗粒炭(煤质)、Calgon F300(煤质)、CalgonF400(煤质)、Norit GCN 830(椰壳)。
1.2 炭型选用
以活性炭对不同分子的苯酚、碘、甲基蓝、丹宁酸的吸附量作为其吸附性能的衡量指标,对活性炭吸附容量进行全面预测。实验选用粒径<200目的活性炭粉,取不同活性炭用量于40 mL吸附反应瓶中,加入吸附质溶液,头尾旋转直至吸附平衡。具体方法参见实验室前期研究[4]433。
1.3 吸附容量实验与Freundlich吸附等温方程
实验采用粒径<200目的活性炭和第1批水样(COD为101 mg/L)。具体方法在一般标准方法的基础上略作改进,即将水样体积减少至40 mL,并采用头尾旋转方式以便水样与活性炭粉充分混合[7]883。吸附12 h后(保证达到吸附平衡),过滤测得滤出液COD(测试方法见APHA标准方法)。吸附容量由式(1)计算。
X/M=(c0—ce)×V/m(1)
式中:X/M为活性炭吸附容量,mg/g;c0、ce分别为溶液中吸附质初始、平衡质量浓度,mg/L;V为水样体积,L;m为活性炭用量,g。
将吸附容量和平衡浓度由Freundlich吸附等温方程(见式(2))[5]827进行拟合,以双对数坐标图显示实验数据和拟合曲线。
1.4 吸附穿透实验
穿透实验采用MCRB技术,该技术在美国环境保护署的快速小型柱实验(RSSCT)技术[7]884,[8]的基础上做了一些改进和合理简化:采用粒径为120~180目的活性炭,确定了压力范围,使用价格经济的水泵(活塞泵,压强可达0.34 MPa)及改装自动取样器,更加适用于普通环境工程实验室应用。MCRB技术的原理、实验装置、具体步骤、结果与讨论等详见前期研究[9]。
MCRB实验采用的活性炭为120~180目(平均粒径为0.1 mm),模拟实际炭柱的大中型炭柱中活性炭采用8~20目(平均粒径为1.4 mm),其粒径比为0.071 4。则根据式(3)[10], EBCT比为0.005 1~0.071 4。
式中:EMCRB为MCRB实验中的活性炭的EBCT,s;ELC为大中型炭柱中的活性炭的EBCT, min;dp(MCRB)、dp(LC)分别为MCRB实验和大中型炭柱中的活性炭粒径,mm;x为浓度参数,x为0~1。
ELC根据较为保守的EBCT比(0.006 7)计算,混合炭、原煤炭和果壳炭的MCRB实验运行参数具体见表1。
2 结果与讨论
2.1 炭型选用结果
活性炭吸附性能取决于不同材质及活化工艺,炭型的适当选择可降低处理成本。苯酚、碘、甲基蓝、丹宁酸的分子量和分子直径覆盖了大多数有机污染物的范围,并与活性炭内孔径有良好关联,可用于预测活性炭对不同污染物的吸附容量。苯酚值表征活性炭对小分子、芳香类或极性化合物的吸附能力;碘值表征活性炭对小分子非极性物质的吸附能力;甲基蓝值表征活性炭对中大分子物质的吸附能力;丹宁酸可表征活性炭对大分子物质的吸附能力[4]432。由于印染废水生化出水中含有大量大分子的溶解性微生物产物(SMP),因此在综合考量4项指标的同时,应首先以丹宁酸值作为炭型选择的首要依据。
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