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粉状活性炭在混凝过程中的使用问题

粉状活性炭在混凝过程中的使用问题

浏览: 发布日期:2018-06-25 10:18

粉状活性炭在混凝过程中的使用问题

随着原水有机物污染的日益严重,活性炭在给水处理中的应用越来越普遍。目前,活性炭在给水处理中的应用方式主要有:混凝过程中投加粉状活性炭和滤后水再接粒状活性炭滤池过滤。前面一种方法虽然不能充分发挥活性炭的吸附特点以及活性炭不能再生回用,但不需要再增添水处理构筑物,投资少,见效快,尤其对于水质季节性变化比较大的原水,更见其优点。但许多水厂混凝过程中投加粉末活性炭的效果不理想,并且对混凝去浊可能还产生一些负面影响。因此探讨混礙疑过程中粉末活性炭的使用问题具有一定的现实意义。

1.影响活性炭吸附的主要因素

1.1活性炭的类型

活性炭按照其制造原料的不同,主要有果壳活性炭、木质活性炭和煤质活性炭。木质活性炭孔隙半径比较大,其孔隙有效半径可达1000A左右;煤质活性炭一般具有大量的中孔,这些中孔的有效半径介于20A-1000A之间,其中褐煤制的活性炭的孔径比烟煤大;果壳活性炭一般具有发达的微孔,这些微孔的半径大多在20A以下。

有机物要被活性炭吸附,必须要进入活性炭孔隙内部,如果有机物分子尺寸大于活性炭孔隙尺寸,就不能被活性炭吸附。一般认为活性炭孔隙尺寸应大于被吸附分子尺寸的三倍,被吸附分子才能比较顺利地进入活性炭孔隙内。但孔隙尺寸大的活性炭,孔隙比表面积小,其吸附容量比较小。

1.2温度

活性炭对有机物的吸附主要是高度发达的孔隙表面积的物理吸附,吸附力是分子间力,不象化学吸附要求被吸附分子达到一定的活化能才能被吸附,因此活性炭对有机物的吸附能力并不是随着温度的增加而增大。相反,温度的增加会导致被吸附分子能量的增加,使被吸附分子的脱附能力增加,不利于活性炭的吸附,使活性炭的吸附容量下降。

但活性炭对有机物的吸附过程包括三个阶段:

(1)有机物通过活性炭颗粒表面的水膜层,称惯“膜扩散”阶段;

(2)有机物进入活性炭内部孔隙,称“孔隙扩散”阶段;

(3)有机物被吸附在活性炭内部孔隙表面上,称“吸附阶段”。

就活性炭吸附有机物整个过程的速度而言,吸附阶段的速度由于是物理吸附,是很快的,整个过程起控制作用的是有机物的扩散,温度的提高又有助于有机物的扩散。从这方面来说,温度的增加有助于提高整个吸附过程的速度。但总的说来,用活性炭对水中的有机物进行吸附,温度的增加总体上并没有什么益处。

1.3有机物的性质

对选定的活性炭而言,有机物分子的大小和水溶性对其本身的可吸附性影响很大。

总的说来,活性炭对有机物的吸附具有以下特点:

(1)当有机物分子的尺寸与活性炭的孔隙尺寸相比接近甚至超过时,难以被活性炭吸附;

(2)当有机物分子尺寸与活性炭的孔隙尺寸相比比较小时,分子量大、沸点高的有机物的可吸附性优于分子量小、沸点低的有机物;

(3)有机物如果分子大小相同,活性炭对芳香族化合物的吸附优于脂肪族化合物,对支链化合物的吸附优于直链化合物;

(4)对分子极性与水差异越大、水溶性越小的有机物的吸附优于极性与水接近、水溶性大的有机物的吸附。

因此,活性炭对有机物的吸附是有选择性的,并不是对任何有机物都有良好的吸附性能,某些分子量小、沸点很低的有机物(如CCl4)和分子量很大、分子尺寸很大的有机物(如腐植酸)都不易被活性炭吸附。

1.4pH值

pH较高时,水中典型有机污染物的一些基团容易水解以及活性碳孔隙内部可能发生某些无机盐类的沉积而降低活性炭对有机物的吸附性能,所以一般在较低的pH值下,有利于活性炭对有机物的吸附。

2.原水中的有机污染物

原水中的有机污染物种类很多,按其来源可分为两类。一类是水体中微生物的代谢产物和水体中植物、生物细胞的分解产物,是造成原水色度和不良气味的重要因素,如腐植酸、富里酸、土臭素、2-甲基茨醇等。另一类是人类在生活、生产中直接排放的污染物,常见的有芳香族化合物、有机氯化物、表面活性剂等。一般湖泊、水库中比较突出的是第一类有机污染物,而河流中占优势的常常是第二类有机污染物。水体中的有机污染物分子尺寸基本上在10A以上,大多在35A-100A之间,之间,有些有机物的分子尺寸可能很大,如腐植酸,有些很小,如CCl4。造成原水色度的某些有机物具有一定的亲水性,但很多有机物的水溶性并不好。有些有机物的沸点比较低,易挥发,但很多有机物的沸点远高于常温,如酚类。

因此原水中的有机物有一些是不能被活性炭直接吸附的,有一些能被活性炭直接吸附。因此混凝过程中投加粉末活性炭能够去掉一部分有机物。但不同的原水所含的有机物的组成可能差别比较大,活性炭的使用效果可能不一样。

3.活性炭的选择

虽然一般希望所选的活性炭具有较高的吸附容量。但原水中有机污染物的浓度一般是比较低的,并且原水中有机污染物的分子尺寸一般比较大,所以活性炭的吸附容量往往不是主要的问题,而活性炭的孔隙尺寸常常成为吸附过程的制约因素。所以果壳活性炭尽管其孔隙发达,但由于其孔隙尺寸小,不宜作为水处理用活性炭。水处理活性炭最好选用木质活性炭或褐煤质活性炭,或者两种活性炭混合使用。

4.混凝过程中粉末活性炭的投加点

粉末活性炭的投加点的选择主要要考虑以下因素:

(1)避免可通过混凝去除的有机物的竞争吸附;

(2)使活性炭与水体能较好地混合;

(3)保证一定的吸附时间;

(4)活性炭与水的分离;

(5)避免活性炭颗粒被包裹进絮体中.

在炭型选择正确的前提下,从避免竞争吸附和避免被悬浮絮体包裹的角度来看,粉状活性炭不宜投加在混凝前,也不宜与混凝药剂一道投加,投加点应尽量后移。但从活性炭与水体混合、保证足够的吸附时间以及活性炭与水分离的角度来看,投加点应尽量前移。

加药混凝的角度来看,混合完成以后胶体已经脱稳,并形成微絮凝体,经过几分钟的反应,就会形成比粉状活性炭颗粒大的絮体,这时可通过混凝去除的有机物基本上已经结合进絮体中去了,此时以后的反应时间只不过是为了使絮体进一步结成比较大的矾花,以利分离。这时投加粉状活性炭,可基本上避免竞争吸附,此外也可避免活性炭颗粒被结合进絮体中,投加的粉状活性炭在反应的中后段通过附着在絮体上在沉淀池中可被去除。此外反应池中的水流速度梯度也基本上能满足活性炭的混合要求,反应中后段所剩下的十几分钟的时间,也基本上满足吸附时间的要求。因此,一般说来,粉未活性炭应在混凝反应3-5min钟后投加。

但应注意的是,投加粉状活性炭对后面的反应沉淀有一定的干扰作用。因为此时混凝过程中的胶体脱稳过程已经完成,粉状活性炭颗粒本身并不具有凝聚的性能,粉状活性炭的加入会干扰形成的絮体进一步相互凝聚。这在一些水厂的运行实践和有关的研究中都发现了这一问题。提高混凝剂的投加量可减弱这种干扰作用。

如果通过试验,混凝过程可去除的有机物所占的比例很小,并且一泵至水厂的距离也比较长,采用泵前投加效果会更好。

对于滤前加氯的处理工艺,加氯点不宜与活性炭的投加点靠近,活性炭对氯有吸附和还原作用,会同时降低两者的使用效果。

5.活性炭的投加量

活性炭对有机物的吸附是物理吸附,理论上属于多分子层的吸附,但考虑到原水中的有机物一般分子量比较大,活性炭孔隙表面吸附了一层有机物分子后,再继续吸附有机物是比较困难的因此,在有关活性炭吸附容量的理论描述中,可采用Langmuir吸附等温式来描述活性炭对原水中有机物的吸附容量。在有机物浓度比较低时, Langmuir吸附等温式可写成直线方程的形式:

qe=KC   (1)

qe—单位重量的活性炭吸附的有机物的量(mg/mg)

C—有机物浓度(mg/L)

K—与温度有关的系数(L/mg)

根据式(1)、活性炭厂家提供的活性炭性能数据、原水中的有机物浓度可估算出所需要投加的粉状活性炭的量。一般粉状活性炭的投加量要根据具体的原水水质进行试验确定。国内、外的饮用水处理实跋中,粉状活性炭的投加量一般在20mg/L以下,投量太大,就要考虑采用活性炭滤池。

6.结语

本文通过以上的讨论,主要提出以下几点看法:

1.对于水质季节性变化比较大的原水,采用季节性投加粉状活性炭是一种可选择的方案。

2.选用何种类型的活性炭取决于原水水质,但一般来说宜选用孔隙尺寸比较大的木质活性炭和褐煤质活性炭。

3.活性炭投加点的选择要考虑到协调影响活性炭使用诸因素的关系,一般应在混凝加药后3-5分钟投加:但在有些情况下,泵前投加可能效果更好。

4.活性炭的投加量应通过实测确定,但一般不超过20mg/L。

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