皮運正，吳天寶?
（清華大學 核能技術設計研究院, 北京 100084）

　　摘　要： 通過靜態(tài)吸附試驗比較與Crittenden計算模型分析，選擇GH—16型粒狀活性炭對北京高碑店污水處理廠二級出水進行深度處理試驗。結果表明：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的有機物。對以UV254表征的有機物去除效果最好，分子量<1000u的弱極性有機物易被微孔吸附且吸附容量大，對以AOX表征的極性有機物去除效果較差。二級出水經(jīng)活性炭深度處理，出水的可生化性提高。活性炭柱可運行4000床體積，吸附容量為25mgDOC/g活性炭。
　　關鍵詞：粒狀活性炭；城市污水；地下回灌；Crittenden 模型
　　中圖分類號：X799.3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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象，試驗期間二沉池出水水質(zhì)見表1。分析項目及方法見表2。

2 活性炭選擇?

　　為了探求適于處理高碑店二級生化出水的粒狀活性炭，對山西太原生產(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行了靜態(tài)吸附平衡試驗。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，振蕩時間24h，得圖1所示吸附等溫線。?
　　城市污水中含有多種有機物，從潛在的毒性角度來說，以DOC表征的溶解性有機物是最有害的.這類混合污染物在活性炭上的吸附性能不同，而且由于競爭吸附作用，它們的吸附行為比其在單溶質(zhì)體系中的行為更加復雜。因此利用數(shù)學方法借助于吸附分析來評價混合污染物總的等溫吸附行為，以確定活性炭對微量污染物的去除效果。研究中采用德國開發(fā)的Crittenden^［2］計算模型來描述混合污染物在活性炭上的吸附行為。根據(jù)模型計算的結果，給出了這兩種活性炭對二級出水中有機物的吸附性能（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出水中的有機物。?

3 活性炭動態(tài)吸附試驗

3.1 活性炭深度處理工藝
　　二級生化出水中含有大量生物絮體及生物殘渣，若直接采用活性炭吸附會堵塞炭柱，因此活性炭處理前采用混凝、沉淀、過濾的預處理方法，去除細微顆粒和膠體（處理后水質(zhì)見表4），活性炭柱出水再進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型混凝實驗儀，快攪1min，速度150r/min ，再慢攪30min，速度30r/min，然后沉淀30min。 用計量泵將上清液抽入砂濾柱，砂濾柱出水再進入活性炭柱。

4 試驗結果及分析

4.1 活性炭對多溶質(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，活性炭對含有多種有機物質(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。?
　　一般活性炭對溶解性有機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水，見表5。

　　測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物。?
4.2 活性炭對UV254的去除作用
　　UV254表示的是254 nm處有吸收峰的有機物，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合物^［4］，表面呈弱極性，對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UV254去除率曲線 呈階梯形，各階段持續(xù)時間不同，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%，吸附容量小；微孔吸附分子量較小的有機物，其吸附容量大。當大孔及過渡孔依次飽和后，去除率就呈圖2所示階梯形。?
　　當過水量為1850～3500床體積(共1650床體積)時，用YM1超濾膜截留出水，發(fā)現(xiàn)分子量>1000u的UV254表征有機物占總量91%～96%，表明吸附對象主要是進水中分子量<1000u的有機物。此時起吸附作用的主要是微孔。?
4.3 活性炭柱對AOX的去除作用
　　可吸附有機鹵化物(AOX)是含有氯、溴和碘的有機物總參數(shù)。試驗中活性炭對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的化合物，活性炭對它們的吸附能力弱，同時水中存在種類繁多、濃度較高的極性及弱極性有機物，通過相互干擾，競爭吸附，抑制了活性炭對AOX的去除效果。
4.4 活性炭吸附對可生化降解性的貢獻?
　　由于活性炭可吸附一部分難生物降解的有機物如腐殖酸、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比值由進水約0.1上升 到出水的0.15～0.25，UV254/DOC比值由進水的約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 活性炭柱的運行終點?
　　參考國外地下水回灌標準和工程運行經(jīng)驗^［4］，結合我國國情，二級生化出水經(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)應滿足表7的回灌水水質(zhì)標準。

? 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，后者能進一步凈化降解 水中的有機物。試驗表明，活性炭柱出水DOC值為4.5mg/L時，經(jīng)過3 m厚好氧土壤滲濾 回灌，土壤柱出水DOC＜3mg/L，結果見表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行終點。實際運行中 ，一根活性炭柱出水達到4.5mg/L時，出水進入另一根柱，兩根串聯(lián)，充分利用活性炭的吸 附容量，以出水與進水?DOC比值為0.9為運行終點，則活性炭柱可運行4000床體積 。此時活性炭吸附容量為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95%左右。

5 結論

　　①污水處理廠二級生化出水中有機物種類復雜，靜態(tài)等溫吸附試驗與Crittenden計算模型的結果表明，GH-16型活性炭更適于去除高碑店二級出水中的有機物。?
　　②動態(tài)吸附試驗中，活性炭對水中有機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的有機物。?
　　③活性炭對以UV254表征的芳香族化合物吸附效果好，對以AOX表征的極性化合物吸附效果差，二級出水中分子量<1000u的有機物易被活性炭的微孔吸附，吸附容量大 。?
　　④二級出水經(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，試驗活性炭 柱可運行4000床體積。??

參考文獻：?

　　［1］蔣展鵬，祝萬鵬 .環(huán)境工程監(jiān)測 ［M］. 北京：清華大學出版社，1990.
　　［2］Johannsen K, Word E. Eine mathematische methode zur durchfouhrung von adsorpti onsanalysen ［J］. Acta hydrochim hydrobiol，1994, 22(5)：225-230.?
　　［3］許建華，王嘉寶 .水的特種處理 ［M］. 上海：同濟大學出版社，1989.?
　　［4］David R, Pyne G. Groundwater Recharge and Wells. A guide to Aquife r storage Recovery ［M］.USA： Lewis Publishers CRC Press，1995.

　　作者簡介：皮運正(1974- ),男，河南信陽人，清華大學在讀博士生。
　　電　　話：（010）62778105(H)627848 43(O)?
　　收稿日期：1999-05-17