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(jù)此篩選出對大分子有機物吸附性能較好的3種不同材質(zhì)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(jié)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(xù)使用8 d才需更換新炭,而后置炭床的串聯(lián)會保證出水在8 d后繼續(xù)達到《紡織染整工業(yè)污染物排放標準》(GB 4287—1992)中一級排放標準(COD<50 mg/L)。
關(guān)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(yè)廢水的重要來源[1]。在我國一般采用物理化學(xué)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(fā),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(tǒng)方法的處理達到《紡織染整工業(yè)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(shù)可有效去除工業(yè)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(xù)流狀態(tài)下的穿透實驗等一系列研究來確定工程應(yīng)用中的關(guān)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(zhì)或活化工藝的炭種)、最優(yōu)的處理流程(單個吸附床處理、多個吸附床串聯(lián)或平行)[4]431。
傳統(tǒng)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(nèi)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(nèi)獲取期望的活性炭吸附穿透數(shù)據(jù),有利于活性炭吸附技術(shù)的推廣和應(yīng)用。微型快速穿透(MCRB)實驗克服了傳統(tǒng)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(shù)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(zhì)來評價該深度處理技術(shù)。
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(zhì)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(zhì))、林化顆粒炭(煤質(zhì))、Calgon F300(煤質(zhì))、CalgonF400(煤質(zhì))、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(yù)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(yīng)瓶中,加入吸附質(zhì)溶液,頭尾旋轉(zhuǎn)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(chǔ)上略作改進,即將水樣體積減少至40 mL,并采用頭尾旋轉(zhuǎn)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(zhì)初始、平衡質(zhì)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(shù)坐標圖顯示實驗數(shù)據(jù)和擬合曲線。
1.4 吸附穿透實驗
穿透實驗采用MCRB技術(shù),該技術(shù)在美國環(huán)境保護署的快速小型柱實驗(RSSCT)技術(shù)[7]884,[8]的基礎(chǔ)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(jīng)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(huán)境工程實驗室應(yīng)用。MCRB技術(shù)的原理、實驗裝置、具體步驟、結(jié)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(jù)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(shù),x為0~1。
ELC根據(jù)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(shù)具體見表1。
2 結(jié)果與討論
2.1 炭型選用結(jié)果
活性炭吸附性能取決于不同材質(zhì)及活化工藝,炭型的適當(dāng)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(shù)有機污染物的范圍,并與活性炭內(nèi)孔徑有良好關(guān)聯(lián),可用于預(yù)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(zhì)的吸附能力;甲基藍值表征活性炭對中大分子物質(zhì)的吸附能力;丹寧酸可表征活性炭對大分子物質(zhì)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(chǎn)物(SMP),因此在綜合考量4項指標的同時,應(yīng)首先以丹寧酸值作為炭型選擇的首要依據(jù)。
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