活性炭吸附用于城市污水地下回灌技术的研究

皮运正，吴天宝?
（清华大学 核能技术设计研究院, 北京 100084）

　　摘　要： 通过静态吸附试验比较与Crittenden计算模型分析，选择GH—16型粒状活性炭对北京高碑店污水处理厂二级出水进行深度处理试验。结果表明：GH—16型活性炭的净化效果存在阈值，约25%的DOC不能被吸附，不被吸附的主要是分子量>3000u的有机物。对以UV254表征的有机物去除效果最好，分子量<1000u的弱极性有机物易被微孔吸附且吸附容量大，对以AOX表征的极性有机物去除效果较差。二级出水经活性炭深度处理，出水的可生化性提高。活性炭柱可运行4000床体积，吸附容量为25mgDOC/g活性炭。
　　关键词：粒状活性炭；城市污水；地下回灌；Crittenden 模型
　　中图分类号：X799.3
　　文献标识码：A
　　文章编号：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 研究用水水质

　　以北京高碑店污水处理厂二沉池出水为研究对象，试验期间二沉池出水水质见表1。分析项目及方法见表2。

2 活性炭选择?

　　为了探求适于处理高碑店二级生化出水的粒状活性炭，对山西太原生产的ZJ—15型和北京光华木材厂生产的GH—16型两种粒状活性炭的吸附能力进行了静态吸附平衡试验。将不同重量的活性炭(0.0015～0.375g)加入150mL污水水样中，在2D—3X型水平振荡器上振荡，振荡时间24h，得图1所示吸附等温线。?
　　城市污水中含有多种有机物，从潜在的毒性角度来说，以DOC表征的溶解性有机物是最有害的.这类混合污染物在活性炭上的吸附性能不同，而且由于竞争吸附作用，它们的吸附行为比其在单溶质体系中的行为更加复杂。因此利用数学方法借助于吸附分析来评价混合污染物总的等温吸附行为，以确定活性炭对微量污染物的去除效果。研究中采用德国开发的Crittenden^［2］计算模型来描述混合污染物在活性炭上的吸附行为。根据模型计算的结果，给出了这两种活性炭对二级出水中有机物的吸附性能（见表3）。

　　从图1吸附等温线和表3可看出，GH—16型活性炭更适于去除高碑店二级出水中的有机物。?

3 活性炭动态吸附试验

3.1 活性炭深度处理工艺
　　二级生化出水中含有大量生物絮体及生物残渣，若直接采用活性炭吸附会堵塞炭柱，因此活性炭处理前采用混凝、沉淀、过滤的预处理方法，去除细微颗粒和胶体（处理后水质见表4），活性炭柱出水再进入模拟地下含水层处理过程的土壤柱，流程为：二沉池出水→混凝沉淀→砂滤→活性炭床过滤→土壤柱。

3.2 试验参数
　　GH—16型活性炭粒径约2mm，柱内径为20mm，填充高度400mm，炭柱滤速5m/h， 流量37.7L/d，水力停留时间4.8min. 砂滤柱填充粒径0.5～0.9mm的石英砂，柱内径29mm，填充高度600mm。采用聚合 氯化铝作为混凝剂，配成5g/L溶液待用，每升污水中加入25mg聚合氯化铝。采用JB型混凝实验仪，快搅1min，速度150r/min ，再慢搅30min，速度30r/min，然后沉淀30min。 用计量泵将上清液抽入砂滤柱，砂滤柱出水再进入活性炭柱。

4 试验结果及分析

4.1 活性炭对多溶质污水的吸附行为?
　　活性炭柱出水水质见图2。

　　从图2可看出，活性炭对含有多种有机物质的污水其吸附行为明显不同于单溶质吸附行为。开始阶段去除率不是从100%开始，大约38%的COD、25%的DOC、15%的UV254 及60%的AOX不被吸附。?
　　一般活性炭对溶解性有机物吸附的最佳范围为：分子大小在0.1～100nm;低分子 量溶解性有机物分子量越大吸附性能越好，而极性高的低分子化合物及腐殖酸等高分子化合物难被吸附^［3］。采用截留分子量>1000u、3000u和10000u的三种超滤膜YM1 、YM3和YM10过滤分析活性炭柱进水，见表5。

　　测量活性炭柱出水初始阶段的分子量分布，发现出水中分子量>3 000 u的DOC表 征有机物占总量90%以上，说明不能被GH—16型活性炭吸附的主要是大分子有机物。?
4.2 活性炭对UV254的去除作用
　　UV254表示的是254 nm处有吸收峰的有机物，如具有C=C或C=O双键的酚类、多环芳烃、芳香酮、芳香醛等物质。活性炭表面上一定程度地覆盖有亲水性氧络合物^［4］，表面呈弱极性，对极性较弱的芳香族化合物有较好吸附作用，因此活性炭柱运行期间UV254的去除率一直最高（见表6）。

　　活性炭中孔径包括：孔隙有效半径>100nm的大孔、孔隙有效半径<2nm的微孔和孔 隙有效半径2～100nm的过渡孔^［3］。从图2和表6知，活性炭对UV254去除率曲线 呈阶梯形，各阶段持续时间不同，这是活性炭中不同孔径吸附容量不同引起的。大孔及过渡孔可吸附分 子量较大的有机物，但GH—16型活性炭大孔及过渡孔比表面积仅占总量的5%，吸附容量小；微孔吸附分子量较小的有机物，其吸附容量大。当大孔及过渡孔依次饱和后，去除率就呈图2所示阶梯形。?
　　当过水量为1850～3500床体积(共1650床体积)时，用YM1超滤膜截留出水，发现分子量>1000u的UV254表征有机物占总量91%～96%，表明吸附对象主要是进水中分子量<1000u的有机物。此时起吸附作用的主要是微孔。?
4.3 活性炭柱对AOX的去除作用
　　可吸附有机卤化物(AOX)是含有氯、溴和碘的有机物总参数。试验中活性炭对AOX吸附去除率较低且吸附容量小，这是由于卤代化合物属极性较强的化合物，活性炭对它们的吸附能力弱，同时水中存在种类繁多、浓度较高的极性及弱极性有机物，通过相互干扰，竞争吸附，抑制了活性炭对AOX的去除效果。
4.4 活性炭吸附对可生化降解性的贡献?
　　由于活性炭可吸附一部分难生物降解的有机物如腐殖酸、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比值由进水约0.1上升 到出水的0.15～0.25，UV254/DOC比值由进水的约1.5降为出水的1.0～1.2，这有助于提高后续土 壤柱的净化效果。?
4.5 活性炭柱的运行终点?
　　参考国外地下水回灌标准和工程运行经验^［4］，结合我国国情，二级生化出水经活性炭吸附深度处理后回灌地下，如用于饮用水源，则水质应满足表7的回灌水水质标准。

? 活性炭出水可采用井灌或土壤渗滤方式回灌入地下含水层，后者能进一步净化降解 水中的有机物。试验表明，活性炭柱出水DOC值为4.5mg/L时，经过3 m厚好氧土壤渗滤 回灌，土壤柱出水DOC＜3mg/L，结果见表8。因而以活性炭柱出水DOC值等于4.5 mg/L作为活性炭柱理论运行终点。实际运行中 ，一根活性炭柱出水达到4.5mg/L时，出水进入另一根柱，两根串联，充分利用活性炭的吸 附容量，以出水与进水?DOC比值为0.9为运行终点，则活性炭柱可运行4000床体积 。此时活性炭吸附容量为25 mgDOC/g60mgCOD/g、0.14mgAOX/g。 活性炭的再生采用通用的热再生法，再生率可达95%左右。

5 结论

　　①污水处理厂二级生化出水中有机物种类复杂，静态等温吸附试验与Crittenden计算模型的结果表明，GH-16型活性炭更适于去除高碑店二级出水中的有机物。?
　　②动态吸附试验中，活性炭对水中有机混合物的净化效果存在阈值，约有25%的DO C不被GH-16型粒状活性炭吸附，不被吸附的主要是分子量>3000u的有机物。?
　　③活性炭对以UV254表征的芳香族化合物吸附效果好，对以AOX表征的极性化合物吸附效果差，二级出水中分子量<1000u的有机物易被活性炭的微孔吸附，吸附容量大 。?
　　④二级出水经活性炭深度处理后，可生化性提高，有利于后续土壤柱处理，试验活性炭 柱可运行4000床体积。??

参考文献：?

　　［1］蒋展鹏，祝万鹏 .环境工程监测 ［M］. 北京：清华大学出版社，1990.
　　［2］Johannsen K, Word E. Eine mathematische methode zur durchfouhrung von adsorpti onsanalysen ［J］. Acta hydrochim hydrobiol，1994, 22(5)：225-230.?
　　［3］许建华，王嘉宝 .水的特种处理 ［M］. 上海：同济大学出版社，1989.?
　　［4］David R, Pyne G. Groundwater Recharge and Wells. A guide to Aquife r storage Recovery ［M］.USA： Lewis Publishers CRC Press，1995.

　　作者简介：皮运正(1974- ),男，河南信阳人，清华大学在读博士生。
　　电　　话：（010）62778105(H)627848 43(O)?
　　收稿日期：1999-05-17