皮運(yùn)正，吳天寶?
（清華大學(xué) 核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院, 北京 100084）

　　摘　要： 通過靜態(tài)吸附試驗(yàn)比較與Crittenden計(jì)算模型分析，選擇GH—16型粒狀活性炭對(duì)北京高碑店污水處理廠二級(jí)出水進(jìn)行深度處理試驗(yàn)。結(jié)果表明：GH—16型活性炭的凈化效果存在閾值，約25%的DOC不能被吸附，不被吸附的主要是分子量>3000u的有機(jī)物。對(duì)以UV254表征的有機(jī)物去除效果最好，分子量<1000u的弱極性有機(jī)物易被微孔吸附且吸附容量大，對(duì)以AOX表征的極性有機(jī)物去除效果較差。二級(jí)出水經(jīng)活性炭深度處理，出水的可生化性提高?；钚蕴恐蛇\(yùn)行4000床體積，吸附容量為25mgDOC/g活性炭。
　　關(guān)鍵詞：粒狀活性炭；城市污水；地下回灌；Crittenden 模型
　　中圖分類號(hào)：X799.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(1999)10-0005-04

An Experimental Study on Activated Carbon Adsorption Used in Groundwater Recharge with Municipal Wastewater?
PI Yun?zheng，WU Tian?bao
(Institute of Nuclear Energy Tech., Qinghua Univ. , Beijing 100084,China)?

　　Abstract： Using the secondary effluent from Gaobeidian Wastewater Treatment Plant, differe nt kinds of granular activated carbon (GAC) were studied for advanced treatment of the effluent. Results of adsorption isotherm test and Crittenden model analys is showed: GH-16 granular activated carbon had the best adsoption efficiency of organic substances characterized by the UV absorbance at 254 nm. The weak-polar organic compounds with molecular weight less than 1 000 u were easily removed an d the adsorption capacity was large. On the contrary, those with molecular weigh t more than 3 000 u were difficult to remove. The effluent from secondary settin g tank became more amenable to biological degradation after activated carbon fil tration. GAC bed could run for 4 000 bed volume and the adsorption capacity was 25 mgDOC/g carbon. ?
　　Keywords: granular activated carbon;municipal wastewater;groundwater recharge;Cr ittenden model

1 研究用水水質(zhì)

　　以北京高碑店污水處理廠二沉池出水為研究對(duì)象，試驗(yàn)期間二沉池出水水質(zhì)見表1。分析項(xiàng)目及方法見表2。

2 活性炭選擇?

　　為了探求適于處理高碑店二級(jí)生化出水的粒狀活性炭，對(duì)山西太原生產(chǎn)的ZJ—15型和北京光華木材廠生產(chǎn)的GH—16型兩種粒狀活性炭的吸附能力進(jìn)行了靜態(tài)吸附平衡試驗(yàn)。將不同重量的活性炭(0.0015～0.375g)加入150mL污水水樣中，在2D—3X型水平振蕩器上振蕩，振蕩時(shí)間24h，得圖1所示吸附等溫線。?
　　城市污水中含有多種有機(jī)物，從潛在的毒性角度來說，以DOC表征的溶解性有機(jī)物是最有害的.這類混合污染物在活性炭上的吸附性能不同，而且由于競(jìng)爭(zhēng)吸附作用，它們的吸附行為比其在單溶質(zhì)體系中的行為更加復(fù)雜。因此利用數(shù)學(xué)方法借助于吸附分析來評(píng)價(jià)混合污染物總的等溫吸附行為，以確定活性炭對(duì)微量污染物的去除效果。研究中采用德國(guó)開發(fā)的Crittenden^［2］計(jì)算模型來描述混合污染物在活性炭上的吸附行為。根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果，給出了這兩種活性炭對(duì)二級(jí)出水中有機(jī)物的吸附性能（見表3）。

　　從圖1吸附等溫線和表3可看出，GH—16型活性炭更適于去除高碑店二級(jí)出水中的有機(jī)物。?

3 活性炭動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)

3.1 活性炭深度處理工藝
　　二級(jí)生化出水中含有大量生物絮體及生物殘?jiān)糁苯硬捎没钚蕴课綍?huì)堵塞炭柱，因此活性炭處理前采用混凝、沉淀、過濾的預(yù)處理方法，去除細(xì)微顆粒和膠體（處理后水質(zhì)見表4），活性炭柱出水再進(jìn)入模擬地下含水層處理過程的土壤柱，流程為：二沉池出水→混凝沉淀→砂濾→活性炭床過濾→土壤柱。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)
　　GH—16型活性炭粒徑約2mm，柱內(nèi)徑為20mm，填充高度400mm，炭柱濾速5m/h， 流量37.7L/d，水力停留時(shí)間4.8min. 砂濾柱填充粒徑0.5～0.9mm的石英砂，柱內(nèi)徑29mm，填充高度600mm。采用聚合 氯化鋁作為混凝劑，配成5g/L溶液待用，每升污水中加入25mg聚合氯化鋁。采用JB型混凝實(shí)驗(yàn)儀，快攪1min，速度150r/min ，再慢攪30min，速度30r/min，然后沉淀30min。 用計(jì)量泵將上清液抽入砂濾柱，砂濾柱出水再進(jìn)入活性炭柱。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 活性炭對(duì)多溶質(zhì)污水的吸附行為?
　　活性炭柱出水水質(zhì)見圖2。

　　從圖2可看出，活性炭對(duì)含有多種有機(jī)物質(zhì)的污水其吸附行為明顯不同于單溶質(zhì)吸附行為。開始階段去除率不是從100%開始，大約38%的COD、25%的DOC、15%的UV254 及60%的AOX不被吸附。?
　　一般活性炭對(duì)溶解性有機(jī)物吸附的最佳范圍為：分子大小在0.1～100nm;低分子 量溶解性有機(jī)物分子量越大吸附性能越好，而極性高的低分子化合物及腐殖酸等高分子化合物難被吸附^［3］。采用截留分子量>1000u、3000u和10000u的三種超濾膜YM1 、YM3和YM10過濾分析活性炭柱進(jìn)水，見表5。

　　測(cè)量活性炭柱出水初始階段的分子量分布，發(fā)現(xiàn)出水中分子量>3 000 u的DOC表 征有機(jī)物占總量90%以上，說明不能被GH—16型活性炭吸附的主要是大分子有機(jī)物。?
4.2 活性炭對(duì)UV254的去除作用
　　UV254表示的是254 nm處有吸收峰的有機(jī)物，如具有C=C或C=O雙鍵的酚類、多環(huán)芳烴、芳香酮、芳香醛等物質(zhì)。活性炭表面上一定程度地覆蓋有親水性氧絡(luò)合物^［4］，表面呈弱極性，對(duì)極性較弱的芳香族化合物有較好吸附作用，因此活性炭柱運(yùn)行期間UV254的去除率一直最高（見表6）。

　　活性炭中孔徑包括：孔隙有效半徑>100nm的大孔、孔隙有效半徑<2nm的微孔和孔 隙有效半徑2～100nm的過渡孔^［3］。從圖2和表6知，活性炭對(duì)UV254去除率曲線 呈階梯形，各階段持續(xù)時(shí)間不同，這是活性炭中不同孔徑吸附容量不同引起的。大孔及過渡孔可吸附分 子量較大的有機(jī)物，但GH—16型活性炭大孔及過渡孔比表面積僅占總量的5%，吸附容量?。晃⒖孜椒肿恿枯^小的有機(jī)物，其吸附容量大。當(dāng)大孔及過渡孔依次飽和后，去除率就呈圖2所示階梯形。?
　　當(dāng)過水量為1850～3500床體積(共1650床體積)時(shí)，用YM1超濾膜截留出水，發(fā)現(xiàn)分子量>1000u的UV254表征有機(jī)物占總量91%～96%，表明吸附對(duì)象主要是進(jìn)水中分子量<1000u的有機(jī)物。此時(shí)起吸附作用的主要是微孔。?
4.3 活性炭柱對(duì)AOX的去除作用
　　可吸附有機(jī)鹵化物(AOX)是含有氯、溴和碘的有機(jī)物總參數(shù)。試驗(yàn)中活性炭對(duì)AOX吸附去除率較低且吸附容量小，這是由于鹵代化合物屬極性較強(qiáng)的化合物，活性炭對(duì)它們的吸附能力弱，同時(shí)水中存在種類繁多、濃度較高的極性及弱極性有機(jī)物，通過相互干擾，競(jìng)爭(zhēng)吸附，抑制了活性炭對(duì)AOX的去除效果。
4.4 活性炭吸附對(duì)可生化降解性的貢獻(xiàn)?
　　由于活性炭可吸附一部分難生物降解的有機(jī)物如腐殖酸、芳香族化合物等，在一定程度上提高了活性炭柱出水的可生化降解性。BOD₅/COD比值由進(jìn)水約0.1上升 到出水的0.15～0.25，UV254/DOC比值由進(jìn)水的約1.5降為出水的1.0～1.2，這有助于提高后續(xù)土 壤柱的凈化效果。?
4.5 活性炭柱的運(yùn)行終點(diǎn)?
　　參考國(guó)外地下水回灌標(biāo)準(zhǔn)和工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)^［4］，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，二級(jí)生化出水經(jīng)活性炭吸附深度處理后回灌地下，如用于飲用水源，則水質(zhì)應(yīng)滿足表7的回灌水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

? 活性炭出水可采用井灌或土壤滲濾方式回灌入地下含水層，后者能進(jìn)一步凈化降解 水中的有機(jī)物。試驗(yàn)表明，活性炭柱出水DOC值為4.5mg/L時(shí)，經(jīng)過3 m厚好氧土壤滲濾 回灌，土壤柱出水DOC＜3mg/L，結(jié)果見表8。因而以活性炭柱出水DOC值等于4.5 mg/L作為活性炭柱理論運(yùn)行終點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行中 ，一根活性炭柱出水達(dá)到4.5mg/L時(shí)，出水進(jìn)入另一根柱，兩根串聯(lián)，充分利用活性炭的吸 附容量，以出水與進(jìn)水?DOC比值為0.9為運(yùn)行終點(diǎn)，則活性炭柱可運(yùn)行4000床體積 。此時(shí)活性炭吸附容量為25 mgDOC/g60mgCOD/g、0.14mgAOX/g。 活性炭的再生采用通用的熱再生法，再生率可達(dá)95%左右。

5 結(jié)論

　?、傥鬯幚韽S二級(jí)生化出水中有機(jī)物種類復(fù)雜，靜態(tài)等溫吸附試驗(yàn)與Crittenden計(jì)算模型的結(jié)果表明，GH-16型活性炭更適于去除高碑店二級(jí)出水中的有機(jī)物。?
　　②動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)中，活性炭對(duì)水中有機(jī)混合物的凈化效果存在閾值，約有25%的DO C不被GH-16型粒狀活性炭吸附，不被吸附的主要是分子量>3000u的有機(jī)物。?
　?、刍钚蕴繉?duì)以UV254表征的芳香族化合物吸附效果好，對(duì)以AOX表征的極性化合物吸附效果差，二級(jí)出水中分子量<1000u的有機(jī)物易被活性炭的微孔吸附，吸附容量大 。?
　?、芏?jí)出水經(jīng)活性炭深度處理后，可生化性提高，有利于后續(xù)土壤柱處理，試驗(yàn)活性炭 柱可運(yùn)行4000床體積。??

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　　作者簡(jiǎn)介：皮運(yùn)正(1974- ),男，河南信陽(yáng)人，清華大學(xué)在讀博士生。
　　電　　話：（010）62778105(H)627848 43(O)?
　　收稿日期：1999-05-17