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水处理工厂中颗粒活性炭的管理

 

水处理工厂中颗粒活性炭的管理（硕士论文译稿节选01）

(2010-08-19 08:45:59) 

标签：  杂谈	分类： 活性炭技术类文章

报告摘要                       

    （南非的）Rietvlei水处理厂的颗粒活性炭（GAC）吸附过滤系统扩建工程在经过了一系列详尽的测试之后，于1994年投入运营。运行到1999年中时，对颗粒活性炭的性能进行了为期一年的全流程封闭监测。确认了GAC的确是一种在各种操作条件下都具有的产品之后，该工厂将工作转移到GAC处理工艺和再生系统的优化方面。经常性地将活性炭从滤器用原料的贮存库转移到厂外的再生工厂、再从再生工厂将再生之后的活性炭运回处理厂，会显著地增加操作人员的工作量并构成总体GAC系统运行成本的主要组成部分。针对Rietvlei水处理厂在生产实践中暴露出的一系列问题，进行了大量的系统性调查研究工作。

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    本论文的部分内容系对GAC的使用和停用（离厂再生）情况进行定向跟踪并进行定量化评估。发现GAC在吸附器中的损失率为10.0%，其中因反冲洗操作造成的炭损失为0.3%，为进行再生处理而从吸附器中取出活性炭的操作过程造成的损失率为9.7%；这些损失的活性炭用集水池并不能全部拦截，有占活性炭全部投入量2.3%比例的活性炭终被排入了河水中，在集水池的出口处加设一组滤网则可以消除这一损失量。吸附器中装填的全部炭量的其余80.3%（除去损失量之外的剩余炭量）的活性炭进行再生处理，而再生过程中又会损失18.7%的炭；只能通过对再生工艺的优化来使这一损失量降至低，但这项工作需由再生承包商来具体进行。

    报告的第二部分目的是考察GAC在吸附床层内的行为。通过实验室检测及相关计算确定活性炭的孔隙度和球形度；发现粒度为12×40目和8×30目的活性炭，其孔隙度分别为0.69和0.66；其球形度则分别为0.67和0.66。采用经过校准的床层膨胀模型，计算出活性炭在Rietvlei水处理工厂实际使用过程中两个温度极端值——9℃和23℃——对应的床层膨胀度；对分别采用粒度为12×40目和8×30目活性炭的吸附床，确定了床层的平均可利用自由空间高度，分别为650mm和430mm；当床层上部的自由空间高度大于这一限值时，在反冲洗操作期间不会出现GAC越过溢流堰坝结构而损失的现象。

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    在报告的第三部分我们测定了在GAC循环使用过程中不同位置的GAC的物理性变化情况，主要的发现是在反冲洗及取出操作过程中有少量GAC颗粒会破碎为更小的颗粒，在循环再用时会被洗出床层，与床层中的绝大多数GAC相比，这些颗粒的表观比重较大、吸附能力较低。在从吸附床中取出炭及将其运送到再生厂的过程中并未发生显著的炭磨损、也未产生碎裂的炭颗粒。与再生之前相比，再生完成后的活性炭表观密度降低了7%、吸附性能增加了30%。

    在报告的后一个部分，将GAC的吸附性能与炭的使用期以及滤出水的UV254去除率相关联。活性炭再生之后，出水的UV254去除率大约为20%，使用400天后下降到14%，使用600天后再降至10%的水平；刚再生完成的活性炭碘值约为800mg/g，投入使用400天后降低为600mg/g，600天之后再降至500mg/g。

    报告中采用的符号一览表（略）

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1、简介

1.1  研究背景

    从1934年始Rietvlei水库向Pretoria城供应饮用水。随着近年来Hennops河流域人口数量的持续增长，水库的水质已开始劣化，该水处理厂被迫于1988年进行了技术改造，使出水水质好转了几个年头。但因为这域内农业活动的广泛开展，造成进入水库的氮和磷的浓度连续增加，促进了藻类的繁殖（特别是在夏季时更是如此）。

    1996年Van Staden在Rietvlei水处理厂进行了为期192天的中试研究工作，对各种可能的辅助性水处理技术进行了相关的试验。对颗粒活性炭（GAC）加臭氧处理技术的研究结果表明，当兼顾运营成本和水质两方面因素时，采用附加GAC水处理装置可能是佳选择方案。为提高供水水质，特别是去除因藻类造成的异嗅和异味，该工厂于1999年建设了GAC水处理工序，并于1999年11月22日投入运行。

    试运行开始后，在2000年由De Kloe负责组织了为期一年的封闭式监控工作，以检测在全运行规模状态下GAC的使用性能。在确认了GAC在所有运行工况下均能够提供的水产品之后，目前该工作组的工作已转向了GAC水处理工艺的优化以及活性炭再生系统研究方面。

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1.2  存在的问题

    暴露出的问题是GAC的损失率设计预期值，且损失主要发生于再生处理过程。如果能采取更加严格的检测及全程监控使这一初步发现的问题得以证实并定量化，则可以在新制活性炭产品采购合同中对炭的性能规格加入相关性约定条款，且在今后的GAC再生处理委托加工合同条款中也加入相关约定。

    发现的另一个问题是活性炭水处理装置的运行费用较高，这是由两个方面的原因造成的。，活性炭是一种昂贵的水处理材料，其在使用过程中不可避免的损失量造成运行成本较高（应想方设法使损失量小化）；第二，该水处理厂所用活性炭周期性地从过滤器中取出、通过商业化方式运输到厂外进行热再生处理，再生后的炭重新运回并加装到过滤器中重新使用，由此引起的运行费用也是非常高的。若选择达到UV穿透点之后再对活性炭再生处理，则运行费用将会大幅降低。

    解决上述问题的方法是寻求一个具经济效益性的途径来运行及维持工艺装置，即：通过进一步的探索研究来寻求一种与世界其它地方不同的工艺操作方式，形成具有当地特色的技术解决方案。由于Rietvlei的GAC水处理装置是南非迄今已投入运行的同类装置，故尚无可资利用的、具当地特点的、与GAC装置运营、GAC处置和再生、以及与GAC运输相关的过程损失量的数据。

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1.3  研究的目标及宗旨

    本论文通过系统性调查研究工作，就Rietvlei水处理厂在运行过程中暴露出来的下述实践性问题做出回答及专题报告：

    （1）如何对活性炭的性能进行规定，以及如何对活性炭的选择标准进行权衡？

    （2）由于厂内冲刷操作造成的GAC损失量有多大？如何对反冲洗循环工艺进行修改从而避免这一损失率过高？

    （3）GAC的处置操作过程中损失量有多大？以及如何能使这一损失率降至低？

    （4）在再生过程中GAC的损失量有多少？如何降低再生损失？

    （5）哪些性能参数可用来对GAC的再生处理效果进行相应规定？

    （6）如何选择停止GAC吸附操作的时机，以取出活性炭并进行再生处理？应该选择对出水质量进行连续监测方案，还是应该选择周期性检测GAC的残留吸附能力的监测方案？

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2、关于GAC的文献调研结果

2.1  颗粒活性炭简介

    很久之前人们就将活性炭作为一种可从液相中有效脱除某些低浓度成分的、具有多功能的吸附剂材料加以应用。木炭作为现代活性炭产品的早在公元前2000年就被古埃及人用作医疗目的以及用于水的净化处理（资料来源：Faust & Aly, 1983）。迄今为止，活性炭是已知的有吸附能力的材料中物理吸附力强、有效吸附孔容积高的吸附剂。

    颗粒活性炭被用于各种各样的水处理系统，目的是从原水中去除氯、浊度、可溶性有机物、异嗅、异味、色度、以及合成有机化学品污染物等。活性炭获得如此广泛应用的主要原因是它具有高吸附能力，这种能力应归因于它的高孔隙率，以及由此产生的的比表面积（高达1500m2/g）。（资料来源：Faust & Aly, 1983; Kienle, & Baeder, 1980）。

    活性炭的这种应用优势使得它成为一种适合于饮用水净化处理过程的吸附剂，特别是在南非，由于水质一直在持续劣化，所以活性炭的应用前景日益广泛。

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2.2 活性炭的制造及其活化工艺

    可采用多种具高含碳量的材料来制造活性炭，如：烟煤、木材、坚果壳、褐煤、泥炭、锯末、骨头和石油焦等。与任一产品的制造过程相同之处在于，活性炭原料的质量对终产品的品质也有决定性作用。在历史上用于工业应用领域的活性炭产品通常是采用木材、泥炭和其它植物性材料的派生物为原料来制造的；发展至今，由于褐煤、其它原煤以及焦炭的来源广泛、价格低廉，已成为大宗的活性炭制造原料。

    活性炭的制造涉及一系列的工序环节。是将原材料加工成尺寸均匀的颗粒，可采用的技术包括高压挤出、造粒或压块成型等，该工序对终产品的物理性能（如产品的粒度、粒度分布、外形、粗糙度及硬度等）有影响；与采用的原材料是含碳水化合物还是含纤维素（例如木材）的原料相对应，活性炭制造的第二步骤被称为炭化或热解，在该工序原料在隔绝空气的前提下被缓慢地加热到低于600℃，使热解产物从原料中挥发去除；后进行活化加工，在活化过程中通过碳结构的微观撕裂、龟裂以及部分孔洞选择性崩塌等作用形成微孔结构，从而获得的比表面积。

    可选择造粒后再炭活化、或者直接炭活化制造工艺，当选用后者时，将跳过上述道工序环节而直接进入破碎、筛选、焙烧（炭化）和活化等加工环节。由于较大颗粒物料的活化过程从颗粒的外表逐渐向内部进行，所以当采用直接炭活化工艺时，所制成的产品近外层部分会具有高表面活化度，而颗粒的内部表面积则很小。

    采取这两种工艺制造的颗粒活性炭具备不同的性能特点，先经过压块成型的工艺过程制造的活性炭产品密实度更高、抗磨损能力更好，而且可通过添加人工合成的成孔剂而使压块成型颗粒的活化度提高、同时调整产品的特定吸附能力和特殊的应用性能（资料来源：Van Stone, Brooks, & Neulight, 1999）。

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    有两类有很大差别的活化工艺方式。其一是化学活化法，适用于非碳化性（即非热解性）原材料如锯末和泥炭等，采用脱水剂如氯化锌或磷酸在高温条件下对这些原材料进行处理，以获得大量的微孔结构体系；其二是气体活化工艺，适用于可碳化性原料如木炭、泥炭焦化料及坚果壳等，采用水蒸气或二氧化碳等氧化性气体于特殊的活化炉（如常用的多段炉）中、在温度约800至1000℃范围内，氧化剂气体选择性与炭化料发生部分反应使炭化料发生气化而转化为气相产物，从而在炭结构中形成有一定排列的、大量存在的空心状孔隙系统（资料来源：Zolf, Steenkamp, & Breet,2000）。终的活性炭产品经过粉碎可获得粉状炭产品。

    原料种类及活化工艺对活性炭产品的特点和性能具有的影响作用（资料来源：Chemviron Carbon, n.d）。

2.3  活性炭的结构

    按照规律，活性炭通常被归类于具有“三分散型”结构的吸附剂，即：它们同时包含有微孔、过渡孔（中孔）和大孔结构。依据Dubinin(1966)的观点，仅有极少数的微孔可以直接通向炭颗粒的外部表面，而绝大多数的孔隙结构以下述模式分布于颗粒内部：大孔直接开口于炭颗粒的外部表面；过渡孔则象树枝一样从大孔的孔道中“生长”出来；而微孔随后也象树枝一样从过渡孔的孔道中“生长”出来。活性炭总比表面积值的90%以上是由微孔贡献的（资料来源：U.S. Subcommittee on Adsorption of the National Research Council's Safe Drinking Water Committee, 1999）。在活性炭颗粒中存在的上述各种孔隙对吸附作用的发挥均很重要，比如：不同尺寸的吸附质分子可充填到不同尺寸的孔隙空间内；对于生活用水的处理产业来说，微孔十分重要，原因是从原水中被吸附脱除掉的污染物分子绝大多数可在活性炭的微孔结构中被找到。

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2.4  活性炭产品的标准规格和性能

    选择适用的活性炭类型是进行活性炭处理装置整体设计的重要组成部分。虽然能够找到众多颗粒活性炭制造商的公开信息，但其可提供的产品却不一定都能适用于生活用水的处理。另外，某些炭产品具有比其它同类产品更优良的吸附能力、使用寿命、可操作特色、甚至售价等。应该采取几项标准方法对所有候选炭产品进行公开公正的检测，毕竟原水处理过程的运行成本很大程度上取决于吸附剂的应用成本。当然，活性炭的质量也非常重要，且在某些情况下可能是要考虑的因素（成本因素则位于其次）。

    活性炭产品的种规格表示方法，是按照它的原料名称，如ARCE公司按下列排列方式贮存活性炭产品：8×30BC系指粒度为8×30目的烟煤基炭；12×40CS系指粒度为12×40目的椰壳基炭产品。

    另一种规格表示方法系按照活性炭的吸附能力和物理性能来进行的，表2.4.1列出了颗粒活性炭的一系列规格标准，这些规格项目均与其吸附性能及使用方法有关，数据来源于GAC供应商的报价文件。表中所列产品数据当然不全面，这些数据仅用于对活性炭的某些物理性质有产品规格进行概括性描述（资料来源：Van der Walt, 2001）。

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