污水處理知識點：活性炭的正確選擇方法

【純水設備】活性炭是水處理工業中、、的過濾材料之一。活性炭在許多污水處理廠都有應用，包括污水的深度處理和氣味的凈化。我們似乎都知道它是什么，但很難準確地描述它是什么，因為我們從大學老師那里得不到什么，或者我們在上班時沒有接受過任何關于它的正規教育。水處理媒體網站Water Technology早在2016年就邀請PACS的Henry Nowicki博士介紹活性炭的基本知識。在本期中，小編對原譯進行了補充，純水設備只針對使用磚頭來介紹翡翠的不足之處，請留下大量的意見和建議。

活性炭入門101

    活性炭已用于2500多種商業產品。大部分污水處理廠采用活性炭過濾材料去除污水和異味處理。但是在“正規教育”中，你找不到對他們的特征和屬性的描述。你通常在工作中了解他們。

    活性炭是一種惰性固體吸附材料，通常用于去除水中溶解的各種污染物和處理工業廢氣。它幾乎由所有的碳質材料制成，包括椰子殼和煤，其中大部分可以在谷歌上找到。

定植是一種氣體或液體在另一種液體或固體基質表面的積累。與吸收相反，后者的外部物質將進入底物的體內。

    活性炭具有多孔性，成本低，可作為即插即用吸附劑，提供足夠大的表面積來去除污染物。與其他物理吸附材料相比，活性炭的單位有效比表面積更大。事實上，一茶匙活性炭的表面積比一個美式足球場還大。

物理現象

    由于這些稀有的特性，活性炭特別擅長捕捉水溶性污染物，包括各種有味道、氣味、顏色和毒性的物質。其去除原理是污染物與碳石墨片表面相互作用產生的吸附效應。

以前污染物和碳表面之間的相互作用是通過范德華力和誘導偶極子相互作用發生的。用活性炭石墨片將中性有機分子誘導成分子內偶極子。工業純水設備誘導偶極使分子相互吸引，相互粘附，從溶液中分離出來，進入碳納米孔或吸附空間。這就把活性炭的作用稱為提前縮聚(過早縮聚)。

    活性炭廠家采用不同的原料和工藝參數制備各種孔徑的過濾器。適當的孔結構選擇是影響活性炭性能的關鍵。

    上圖展示的是由木材、椰殼、煙煤等不同材料制成的活性炭的真實情況。它們以不同的形式使用和銷售，如粉末、顆粒、球體、塊狀和混合物。如圖所示，它們之間的距離和粗體黑線所示石墨片的尺寸是不同的。

 粉末活性炭

    微米級的粉末狀活性炭粒子由毫米級的顆粒活性炭研磨而成，和大顆粒相比，它具有更快的動力學性和更大的污染物去除能力。

    粉狀活性炭可用于擴散面積較大的污染事件，例如藻華現象和工業廢液或石油外溢等會污染市政水源的問題。純水設備另外也可以在澄清工藝單元投加這些粉末活性炭去除污染物。再之，它還可以保護那些固定式的活性顆粒碳床免受突然的進水污染。

    如果處理廠缺少基于顆粒活性炭的基礎設施，或者在特定時間內濾池沒有足夠的顆粒活性炭來應對一些偶然性的污染事件的話，使用粉末活性炭是一個比較經濟的替代方案。一次性的粉末狀活性炭可以批量式處理污染，將污染降至特定的可接受的污染水平(maximum contamination levels - MCL)，但不一定是或者低至檢測閾值以下。

顆粒活性炭

    毫米級的顆粒活性炭可以將污染物水平降至分析檢測閾值濃度以下，而且與粉末活性炭相比，它僅需要的碳量只要后者的約四分之一。

    然而，處理廠需要適當的施設來補充新的濾料去，并且將用過的廢舊活性炭進行熱再生。再生后的活性炭成本是新鮮或未使用的顆粒狀活性炭的一半左右。顆粒活性炭的使用是一個連續過程，它是一種基于熱再生的多用途產品。這種循環回用使這種活性炭被視作“綠色化工”。

    對于可能性和頻率較高的工業污染，需要準備更多的活性炭來應對可能的緊急情況。粒狀或超大碳顆粒活性炭用于控制城市污水中的揮發性污染氣體，例如硫化氫和其他氣體。顆粒活性炭也減少了過濾床的變量，讓廢氣流通過碳床就能實現凈化，這也減少了讓廢氣通過致密濾床的風機等潛在能耗。

    使用常規活性炭，流動性的硫化氫還可以氧化成不能移動的單質硫，這些硫單質會在碳表面積聚。目前已經有人研究用生成的硫單質作為活性炭濾床是否需要更換的指示劑。再之，活性炭可以用作催化劑，催化雙氧水，純水設備可有效去除廢硫酸中的有機雜質，回收硫酸直接或者經濃縮后可回用。

傳質區間

    活性炭濾床深度一般為3至10英尺，設有幾層活性炭，其中尺寸較小的顆粒位于濾床上方，的顆粒位于底部。

吸附過程中在活性炭層中有一段特殊的位置，活性炭對污染物的吸附集中發生在該段中，該段前端(相對于水流方向)的活性炭可以看作未吸附的炭，工業純水設備而后端的活性炭都可看作飽和的炭。該段活性炭則被稱為吸附帶 (Mass transfer zone-MTZ)。在吸附帶中，活性炭的飽和程度從0到99%。

    當吸附裝置開始過濾時，吸附帶處于活性炭層上部;當表層吸附飽和后，吸附帶逐漸下移;當吸附帶移至活性炭層下沿時，出水濃度急劇增大，出水濃度增大到預定值時，炭層穿透。由于吸附帶中炭不能被全部利用，所以吸附帶的長度將影響整個活性炭層的使用率。吸附速度越快、吸附帶的長度越短、活性炭層的利用率越高。

水平推流床吸附帶的遷移曲線，垂直床利用重力流動

    對濾床進行采樣時，應該在上、中、下三個區間設計采樣點。這樣才能準確地估算吸附帶的實時位置和整個濾床的剩余使用時間。

 性能

    為了改善性能和降低成本，串聯式的多濾床是典型的配置方法。畢竟大家的最終目前都是用的成本交付質的飲用水。這種前后式串聯確保前段濾床都會使用，后段的模塊可以用作對出水的進一步優化，例如去除一些微量污染物等。整體上，這樣只需對前段的模塊做更換，延長后段模塊的使用壽命，在一定程度上減低維護成本。

 廢舊活性炭處理

    活性炭總會飽和，不可能一直用下去。無論是新的原始活性炭或再生回用的活性炭，它需要定期的更換。另外碳孔的分布是不均勻的，吸附能量有強弱之分，像上圖幾種不同材料做成的活性炭的碳石墨片那樣，間距越小的碳片可以提供更高的吸附勢能。再生活性炭的性能經過幾次循環回用之后，吸附功效會逐漸減弱，最終還是需要使用新的未用過的活性炭來代替。

    當然，有些時候通過熱再生來擴大孔徑分布是有好處的，例如對于那些較大分子和較高分子量的吸附對象。然而，像三鹵甲烷這種有水溶性的、低分子量的微量污染物，可能不易被吸附;另一方面，純水設備這些再生活性炭產生的吸附帶更長。

    因此，如果要對活性炭在污水廠的使用做進一步的討論的話，我們需要探討相應的測試方法，來幫助水廠運行人員為其具體的應用情景選擇的配置方案，并對活性炭的功效和生命周期做評估。更多環保及純水處理設備資訊請關注皙全蘇州純水設備網。