曹雪峰，楊 姝

（1.北方華錦化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 盤錦 124000；2.盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦124000）

石油、化工行業(yè)產(chǎn)生的大量工業(yè)污染廢水（RO濃水）中，含有一定量的ROC(單位為0.001μM)。ROC有機(jī)化合物若未進(jìn)行反滲透操作而直接排放，會對土壤和地表環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。針對這種情況，通常會選用具有吸附能力的活性炭來去除ROC有機(jī)物，通過粉末活性炭（PAC）的再生作用和顆?；钚蕴浚℅AC）的大規(guī)模占比，對廢水進(jìn)行處理。

傳統(tǒng)方法大多選取單一的活性炭進(jìn)行反滲透控制，本文設(shè)計(jì)的多層活性炭過濾器，通過粉末活性炭(PAC)吸附、顆?；钚蕴?GAC)淡化、與高級氧化技術(shù)結(jié)合后再經(jīng)活性炭過濾的3層操作，實(shí)現(xiàn)對ROC的反滲透控制，從而更好地處理污水中的ROC，實(shí)現(xiàn)對水資源的回收利用。

1 多層活性炭過濾器反滲透控制技術(shù)的設(shè)計(jì)

反滲透濃水（ROC）處理中，常用的活性炭主要有粉末活性炭（PAC）和顆?；钚蕴浚℅AC）。為了使水樣中ROC的處理指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最小化，應(yīng)在排放前設(shè)置過濾器，進(jìn)行反滲透控制操作。本文設(shè)計(jì)了多層活性炭進(jìn)行吸附過濾，主要通過PAC的第一層吸附、GAC的第二層淡化以及高級氧化技術(shù)與活性炭相結(jié)合的第三層反滲透處理，實(shí)現(xiàn)對反滲透濃水ROC的控制。

1.1 設(shè)置PAC實(shí)現(xiàn)多級吸附

為了回收煉油廢水產(chǎn)生的ROC，提高RO工藝的回收率，采用粉末活性炭（PAC）進(jìn)行吸附處理。粉末活性炭（PAC）的顆粒直徑小，在過濾之前投加PAC，與MF膜結(jié)合后，進(jìn)行4級逆流吸附處理。

為了確保吸附反應(yīng)中的膜組件正常運(yùn)行，膜內(nèi)組件要完全浸泡在溶液中。膜組件與反應(yīng)中的組件要存留一部分溶液，以便后續(xù)稀釋。ROC通過水泵加入反應(yīng)器后，以液體形式儲存，在曝氣泵成膜前進(jìn)行出水運(yùn)行。每個水循環(huán)都需要間歇式吸水，以防止水位低于抽吸位置。依據(jù)PAC的吸附程度計(jì)算投放量，計(jì)算公式如下：

式中，Ce為溶液的平衡濃度，kg·mL-1；q為PAC吸附的容量，g；其他為常數(shù)。

將計(jì)算得到的碳投放量用在PAC二級吸附應(yīng)用中，具體的操作如圖1所示。

圖1 PAC二級吸附的操作示意圖

PAC二級吸附啟動后，通過進(jìn)水，將PAC接觸的溶液與高濃度的有機(jī)物混合后，再通過反應(yīng)器，與計(jì)算投放的初級PAC進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)第一級吸附。經(jīng)過第一級吸附后，再加入新的PAC進(jìn)行接觸，進(jìn)行第二級吸附。在該吸附過程中，投入的PAC經(jīng)歷了2次吸附過程，因此這種吸附操作稱為二級逆流吸附。在二級逆流吸附的基礎(chǔ)上，再重復(fù)上述操作，進(jìn)行PAC的四級逆流操作，由此完成PAC的全部吸附操作。此時PAC對ROC的吸附會更有效。

1.2 GAC淡化

相較于粉末活性炭（PAC），顆?；钚蕴浚℅AC）在吸附性能上的占比更大，更方便對ROC進(jìn)行處理回收。GAC淡化需要經(jīng)過烘干、高溫炭化、超聲波震蕩等工序。

在105℃下，將實(shí)驗(yàn)所需的活性物質(zhì)烘烤3h，以使活性炭的表面保持干燥狀態(tài)，并讓表面的有機(jī)物揮發(fā)，之后進(jìn)行高溫碳化。在高溫碳化前，稱取一定數(shù)量的顆?；钚蕴恐糜谀タ跓恐?，加入200mL濃度為10000μM的去離子溶劑，進(jìn)行GAC吸附準(zhǔn)備。GAC吸附前，要用烘箱進(jìn)行干燥處理。稱取0.1g的顆粒性活性炭（GAC）進(jìn)行震蕩淡化處理，震蕩淡化需要在超聲波裝置中進(jìn)行一定程度的強(qiáng)化。

用超聲波強(qiáng)化GAC，對工藝污水產(chǎn)生的ROC進(jìn)行淡化。超聲波震蕩采用BRANSON型超聲波轉(zhuǎn)換器，頻率為200kHz，聲能密度為150W。超聲波的震蕩頻率分別在5s、10s進(jìn)行提取，開啟超聲波輻射一段時間后再進(jìn)行取樣。超聲波輻射超過6h后，要把夾層反應(yīng)器探頭以同軸的形式插入低溫槽內(nèi)，進(jìn)行強(qiáng)制降溫。低溫探測槽的溫度要穩(wěn)定在30℃。超聲波震蕩可以加速GAC的吸附速度，使其以更快的速度與過濾的溶劑進(jìn)行貼合，對ROC進(jìn)行淡化。經(jīng)超聲波震蕩后，顆?；钚蕴繉ж?fù)電荷的微生物污水的去除率可再降低23%～54%。

完成上述操作后，GAC會轉(zhuǎn)化為生物活性炭，實(shí)現(xiàn)了淡化和生物降解，取得了穩(wěn)定的除污效果。

1.3 活性炭與高級氧化技術(shù)聯(lián)用對ROC進(jìn)行反滲透控制

將高級氧化技術(shù)與活性炭吸附聯(lián)用，將過濾器設(shè)計(jì)為3層活性炭吸附，以實(shí)現(xiàn)對ROC的反滲透控制。具體操作：通過高級氧化工藝，將有機(jī)物的大分子轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿?，再用活性炭進(jìn)行有機(jī)物的多級吸附和淡化，直到ROC的含量大幅度降低，由此完成反滲透處理操作。相比PAC吸附和GAC吸附，高級氧化活性炭吸附更適用于煉油廠及電廠等企業(yè)。

高級氧化主要采用臭氧氧化的方法進(jìn)行原水的過濾，具體操作如下：選取0.22mm的微濾膜進(jìn)行第1次過濾。將過濾的原水放置在燒杯中，用移液管準(zhǔn)確量取100mL、濃度為0.1mol·L-1的硫酸，用于調(diào)節(jié)水質(zhì)的pH值。向燒杯加入調(diào)制好的硫酸試劑，用攪拌器攪拌一定時間，進(jìn)行接觸反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生氣體后，逐漸加入堿性試劑，用于調(diào)節(jié)pH到8.0。將調(diào)節(jié)后的水靜置于三角洗瓶中，用于后續(xù)的水質(zhì)氧化。具體的臭氧實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 臭氧發(fā)生裝置

完成臭氧氧化操作后，再進(jìn)行活性炭吸附。用PAC粉末活性炭吸附時，將含ROC、約100mL的原水置于錐形瓶中，封口后將錐形瓶置于恒溫?fù)u床內(nèi)，在200r·min-1、25℃的條件下進(jìn)行吸附。吸附結(jié)束后，用0.22mm的平板濾膜過濾，收集濾液用于水質(zhì)分析。操作結(jié)束后，進(jìn)行GAC顆?；钚蕴康奈綄?shí)驗(yàn)。取ROC原水水樣100mL放置于錐形瓶中，靜置后接入超聲波震蕩裝置。攪拌速度為200 r·min-1，溫度為25℃，吸附操作時間分別為5s、10s、15s、20s、30s、40s。吸附結(jié)束后，用100W的攪拌器進(jìn)行震蕩，以促進(jìn)ROC有機(jī)物和原水的固液分離。操作完畢后，進(jìn)行吸附等溫操作。向錐形瓶中投加1.0g·L-1的PAC，將試劑移入燒杯中，在燒杯中平鋪0.45μm濾膜進(jìn)行液體稀釋。溶劑的pH平衡后啟動PAC二級吸附，若效果不佳則進(jìn)行四級吸附，吸附時間控制在20min～1h。高級氧化與活性炭聯(lián)用的反滲透處理的操作示意圖見圖3。

圖3 反滲透處理示意圖

經(jīng)高級氧化技術(shù)處理后的溶液，再通過3層反滲透過濾器進(jìn)行過濾，以確保工業(yè)水質(zhì)從高ROC含量降低到低ROC含量，從而完成對工業(yè)廢水的反滲透控制處理。

2 測試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的多層活性炭過濾器反滲透控制技術(shù)的性能，與傳統(tǒng)的工業(yè)廢水反滲透控制技術(shù)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)部分

準(zhǔn)備體積約1L的水桶，作為吸附前的原水罐。二級吸附的反應(yīng)器A的有效體積約為5L，設(shè)有鋼柱，用于吸附污水的稱重。反應(yīng)器的內(nèi)壁有能精確反應(yīng)水位的水位線，反應(yīng)器底部設(shè)置有能夠排放活性炭的管道和手動排放活性炭的漏斗。PAC攪拌器和GAC攪拌器選用塑料材質(zhì)，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)置為200r·min-1。粉末型活性炭PAC一般選用X/V型的活性炭進(jìn)行二級吸附。PAC在加入溶液前要與原水試劑均勻混合。選擇以玻璃為主材質(zhì)的流量計(jì)，用來測量出水口的水流。在反應(yīng)器A的出口設(shè)置最終膜出水的投加泵，從反應(yīng)器A結(jié)束吸附的活性炭，再投入反應(yīng)器B中。反應(yīng)器B的構(gòu)造與反應(yīng)器A相同，同時加了一層聚偏氟乙烯材質(zhì)的微濾膜，用于過濾出水的纖維，以便在吸附操作進(jìn)行時，能穩(wěn)定溶液的平衡濃度。PLC控制器可以實(shí)現(xiàn)吸附反應(yīng)器的自動運(yùn)行，提高活性炭的整體吸附效率。具體的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)選用廠內(nèi)未進(jìn)行預(yù)處理的污水混合液，污水與活性炭的比例約為1∶1。前期采用PAC進(jìn)行二級吸附，再通過顆粒活性炭GAC和超聲波震蕩，進(jìn)行第二層吸附。第三層為高級氧化處理，要確保氧化時間持續(xù)1h，活性炭的吸附時間為0.5h，進(jìn)水量保持在0.5L。PAC吸附的活性炭用量為100mg·L-1，GAC淡化用活性炭的量為50mg·L-1。垃圾滲濾液的預(yù)處理采用頻率200kHz的超聲波震蕩儀，以促使ROC有機(jī)物排放。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將設(shè)計(jì)的多層活性炭過濾器反滲透控制技術(shù)與傳統(tǒng)的污水反滲透技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，分別在0.5h、1h、1.5h和2h進(jìn)行取樣，出水監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可知，在測試時間內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的多層活性炭過濾器的ROC含量少于傳統(tǒng)方法的ROC含量，表明多層活性炭的吸附效果更強(qiáng)，反滲透控制技術(shù)的應(yīng)用效果更好。

表1 實(shí)驗(yàn)后的出水監(jiān)測數(shù)值

完成出水監(jiān)測數(shù)值評估后，對多層活性炭過濾器的出口壓力變化進(jìn)行研究，出口壓力結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，采用本方法，過濾器的出口壓力均小于0.10MPa，傳統(tǒng)方法控制的出口壓力最高達(dá)到0.13MPa。出口壓力過大會導(dǎo)致反滲透現(xiàn)象出現(xiàn)，而本方法可以降低出口壓力，因此可以有效地控制過濾器的反滲透現(xiàn)象。

圖5 過濾器的出口壓力

3 結(jié)論

本文基于活性炭吸附力強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多層活性炭過濾器反滲透控制技術(shù)。與傳統(tǒng)方法對比后得出結(jié)論，新設(shè)計(jì)的方法在ROC的吸附上實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制。但受到時間和條件的限制，相關(guān)的一些操作還有進(jìn)一步的提升空間。本文設(shè)計(jì)的方法還可以與其他工藝聯(lián)用，以實(shí)現(xiàn)活性炭在反滲透控制上的最佳效果。