多層活性炭過濾器反滲透控制技術及應用

曹雪峰，楊 姝

（1.北方華錦化學工業(yè)集團有限公司，遼寧 盤錦 124000；2.盤錦職業(yè)技術學院，遼寧 盤錦124000）

石油、化工行業(yè)產(chǎn)生的大量工業(yè)污染廢水（RO濃水）中，含有一定量的ROC(單位為0.001μM)。ROC有機化合物若未進行反滲透操作而直接排放，會對土壤和地表環(huán)境造成嚴重的危害。針對這種情況，通常會選用具有吸附能力的活性炭來去除ROC有機物，通過粉末活性炭（PAC）的再生作用和顆?；钚蕴浚℅AC）的大規(guī)模占比，對廢水進行處理。

傳統(tǒng)方法大多選取單一的活性炭進行反滲透控制，本文設計的多層活性炭過濾器，通過粉末活性炭(PAC)吸附、顆?；钚蕴?GAC)淡化、與高級氧化技術結合后再經(jīng)活性炭過濾的3層操作，實現(xiàn)對ROC的反滲透控制，從而更好地處理污水中的ROC，實現(xiàn)對水資源的回收利用。

1 多層活性炭過濾器反滲透控制技術的設計

反滲透濃水（ROC）處理中，常用的活性炭主要有粉末活性炭（PAC）和顆?；钚蕴浚℅AC）。為了使水樣中ROC的處理指標實現(xiàn)最小化，應在排放前設置過濾器，進行反滲透控制操作。本文設計了多層活性炭進行吸附過濾，主要通過PAC的第一層吸附、GAC的第二層淡化以及高級氧化技術與活性炭相結合的第三層反滲透處理，實現(xiàn)對反滲透濃水ROC的控制。

1.1 設置PAC實現(xiàn)多級吸附

為了回收煉油廢水產(chǎn)生的ROC，提高RO工藝的回收率，采用粉末活性炭（PAC）進行吸附處理。粉末活性炭（PAC）的顆粒直徑小，在過濾之前投加PAC，與MF膜結合后，進行4級逆流吸附處理。

為了確保吸附反應中的膜組件正常運行，膜內(nèi)組件要完全浸泡在溶液中。膜組件與反應中的組件要存留一部分溶液，以便后續(xù)稀釋。ROC通過水泵加入反應器后，以液體形式儲存，在曝氣泵成膜前進行出水運行。每個水循環(huán)都需要間歇式吸水，以防止水位低于抽吸位置。依據(jù)PAC的吸附程度計算投放量，計算公式如下：

式中，Ce為溶液的平衡濃度，kg·mL-1；q為PAC吸附的容量，g；其他為常數(shù)。

將計算得到的碳投放量用在PAC二級吸附應用中，具體的操作如圖1所示。

圖1 PAC二級吸附的操作示意圖

PAC二級吸附啟動后，通過進水，將PAC接觸的溶液與高濃度的有機物混合后，再通過反應器，與計算投放的初級PAC進行接觸，實現(xiàn)第一級吸附。經(jīng)過第一級吸附后，再加入新的PAC進行接觸，進行第二級吸附。在該吸附過程中，投入的PAC經(jīng)歷了2次吸附過程，因此這種吸附操作稱為二級逆流吸附。在二級逆流吸附的基礎上，再重復上述操作，進行PAC的四級逆流操作，由此完成PAC的全部吸附操作。此時PAC對ROC的吸附會更有效。

1.2 GAC淡化

相較于粉末活性炭（PAC），顆?；钚蕴浚℅AC）在吸附性能上的占比更大，更方便對ROC進行處理回收。GAC淡化需要經(jīng)過烘干、高溫炭化、超聲波震蕩等工序。

在105℃下，將實驗所需的活性物質烘烤3h，以使活性炭的表面保持干燥狀態(tài)，并讓表面的有機物揮發(fā)，之后進行高溫碳化。在高溫碳化前，稱取一定數(shù)量的顆粒活性炭置于磨口燒杯瓶中，加入200mL濃度為10000μM的去離子溶劑，進行GAC吸附準備。GAC吸附前，要用烘箱進行干燥處理。稱取0.1g的顆粒性活性炭（GAC）進行震蕩淡化處理，震蕩淡化需要在超聲波裝置中進行一定程度的強化。

用超聲波強化GAC，對工藝污水產(chǎn)生的ROC進行淡化。超聲波震蕩采用BRANSON型超聲波轉換器，頻率為200kHz，聲能密度為150W。超聲波的震蕩頻率分別在5s、10s進行提取，開啟超聲波輻射一段時間后再進行取樣。超聲波輻射超過6h后，要把夾層反應器探頭以同軸的形式插入低溫槽內(nèi)，進行強制降溫。低溫探測槽的溫度要穩(wěn)定在30℃。超聲波震蕩可以加速GAC的吸附速度，使其以更快的速度與過濾的溶劑進行貼合，對ROC進行淡化。經(jīng)超聲波震蕩后，顆粒活性炭對帶負電荷的微生物污水的去除率可再降低23%～54%。

完成上述操作后，GAC會轉化為生物活性炭，實現(xiàn)了淡化和生物降解，取得了穩(wěn)定的除污效果。

1.3 活性炭與高級氧化技術聯(lián)用對ROC進行反滲透控制

將高級氧化技術與活性炭吸附聯(lián)用，將過濾器設計為3層活性炭吸附，以實現(xiàn)對ROC的反滲透控制。具體操作：通過高級氧化工藝，將有機物的大分子轉變?yōu)樾》肿?，再用活性炭進行有機物的多級吸附和淡化，直到ROC的含量大幅度降低，由此完成反滲透處理操作。相比PAC吸附和GAC吸附，高級氧化活性炭吸附更適用于煉油廠及電廠等企業(yè)。

高級氧化主要采用臭氧氧化的方法進行原水的過濾，具體操作如下：選取0.22mm的微濾膜進行第1次過濾。將過濾的原水放置在燒杯中，用移液管準確量取100mL、濃度為0.1mol·L-1的硫酸，用于調(diào)節(jié)水質的pH值。向燒杯加入調(diào)制好的硫酸試劑，用攪拌器攪拌一定時間，進行接觸反應。反應產(chǎn)生氣體后，逐漸加入堿性試劑，用于調(diào)節(jié)pH到8.0。將調(diào)節(jié)后的水靜置于三角洗瓶中，用于后續(xù)的水質氧化。具體的臭氧實驗裝置如圖2所示。

圖2 臭氧發(fā)生裝置

完成臭氧氧化操作后，再進行活性炭吸附。用PAC粉末活性炭吸附時，將含ROC、約100mL的原水置于錐形瓶中，封口后將錐形瓶置于恒溫搖床內(nèi)，在200r·min-1、25℃的條件下進行吸附。吸附結束后，用0.22mm的平板濾膜過濾，收集濾液用于水質分析。操作結束后，進行GAC顆?；钚蕴康奈綄嶒?。取ROC原水水樣100mL放置于錐形瓶中，靜置后接入超聲波震蕩裝置。攪拌速度為200 r·min-1，溫度為25℃，吸附操作時間分別為5s、10s、15s、20s、30s、40s。吸附結束后，用100W的攪拌器進行震蕩，以促進ROC有機物和原水的固液分離。操作完畢后，進行吸附等溫操作。向錐形瓶中投加1.0g·L-1的PAC，將試劑移入燒杯中，在燒杯中平鋪0.45μm濾膜進行液體稀釋。溶劑的pH平衡后啟動PAC二級吸附，若效果不佳則進行四級吸附，吸附時間控制在20min～1h。高級氧化與活性炭聯(lián)用的反滲透處理的操作示意圖見圖3。

圖3 反滲透處理示意圖

經(jīng)高級氧化技術處理后的溶液，再通過3層反滲透過濾器進行過濾，以確保工業(yè)水質從高ROC含量降低到低ROC含量，從而完成對工業(yè)廢水的反滲透控制處理。

2 測試實驗

為了驗證本文設計的多層活性炭過濾器反滲透控制技術的性能，與傳統(tǒng)的工業(yè)廢水反滲透控制技術進行了對比實驗。

2.1 實驗部分

準備體積約1L的水桶，作為吸附前的原水罐。二級吸附的反應器A的有效體積約為5L，設有鋼柱，用于吸附污水的稱重。反應器的內(nèi)壁有能精確反應水位的水位線，反應器底部設置有能夠排放活性炭的管道和手動排放活性炭的漏斗。PAC攪拌器和GAC攪拌器選用塑料材質，攪拌轉速設置為200r·min-1。粉末型活性炭PAC一般選用X/V型的活性炭進行二級吸附。PAC在加入溶液前要與原水試劑均勻混合。選擇以玻璃為主材質的流量計，用來測量出水口的水流。在反應器A的出口設置最終膜出水的投加泵，從反應器A結束吸附的活性炭，再投入反應器B中。反應器B的構造與反應器A相同，同時加了一層聚偏氟乙烯材質的微濾膜，用于過濾出水的纖維，以便在吸附操作進行時，能穩(wěn)定溶液的平衡濃度。PLC控制器可以實現(xiàn)吸附反應器的自動運行，提高活性炭的整體吸附效率。具體的實驗裝置圖如圖4所示。

圖4 實驗裝置圖

實驗選用廠內(nèi)未進行預處理的污水混合液，污水與活性炭的比例約為1∶1。前期采用PAC進行二級吸附，再通過顆?；钚蕴縂AC和超聲波震蕩，進行第二層吸附。第三層為高級氧化處理，要確保氧化時間持續(xù)1h，活性炭的吸附時間為0.5h，進水量保持在0.5L。PAC吸附的活性炭用量為100mg·L-1，GAC淡化用活性炭的量為50mg·L-1。垃圾滲濾液的預處理采用頻率200kHz的超聲波震蕩儀，以促使ROC有機物排放。

2.2 實驗結果

將設計的多層活性炭過濾器反滲透控制技術與傳統(tǒng)的污水反滲透技術的實驗結果進行比較，分別在0.5h、1h、1.5h和2h進行取樣，出水監(jiān)測的實驗結果如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可知，在測試時間內(nèi)，本文設計的多層活性炭過濾器的ROC含量少于傳統(tǒng)方法的ROC含量，表明多層活性炭的吸附效果更強，反滲透控制技術的應用效果更好。

表1 實驗后的出水監(jiān)測數(shù)值

完成出水監(jiān)測數(shù)值評估后，對多層活性炭過濾器的出口壓力變化進行研究，出口壓力結果如圖5所示。從圖5可以看出，采用本方法，過濾器的出口壓力均小于0.10MPa，傳統(tǒng)方法控制的出口壓力最高達到0.13MPa。出口壓力過大會導致反滲透現(xiàn)象出現(xiàn)，而本方法可以降低出口壓力，因此可以有效地控制過濾器的反滲透現(xiàn)象。

圖5 過濾器的出口壓力

3 結論

本文基于活性炭吸附力強的特點，設計了多層活性炭過濾器反滲透控制技術。與傳統(tǒng)方法對比后得出結論，新設計的方法在ROC的吸附上實現(xiàn)了精準控制。但受到時間和條件的限制，相關的一些操作還有進一步的提升空間。本文設計的方法還可以與其他工藝聯(lián)用，以實現(xiàn)活性炭在反滲透控制上的最佳效果。