应对突发氯苯污染的粉末炭吸附工艺实验研究

林明利，崔福义，殷晓桃，赵志伟，牛 畅，汪 艳

(1.哈尔滨工业大学 城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090；2.泛华建设集团有限公司，北京100176)

氯苯是一种挥发性有机化合物(VOCs)，在人体内有蓄积作用，会抑制神经中枢，麻醉肌肉，是最优先控制的污染物之一[1－2]。氯苯是化工生产的重要原料，广泛存在于纺织、制药、洗衣、钢铁等行业排放的废水中[3]，是给水厂原水突发水质污染的重要风险污染物质之一，对城市供水安全构成了潜在威胁。目前给水厂应对原水突发氯苯污染的技术措施主要有吹脱法[4]和粉末炭(PAC)吸附法[5]，其中吹脱法具有对氯苯的去除率高、不引入新的污染、不影响后续水处理单元正常运行等优点，对具有吹脱装置的水厂来说是一种好的技术选择，但吹脱出的废气需要收集处理，否则会造成大气污染，产生更大的危害；PAC吸附法具有适用性和实效性强，响应快速，投加灵活、能够实现“关口前移”[6]等特点，被认为是大多数给水厂应对原水突发氯苯污染的一种有效措施[7]，但目前针对PAC吸附去除水中氯苯的研究少有报道。本文以《生活饮用水卫生标准》(GB5749－2006)所规定的氯苯限值0.3mg／L为处理后标准，在原水氯苯不同超标浓度的情况下进行了小试研究，为应急供水工艺参数选择提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验用水

取哈尔滨磨盘山净水厂原水，经0.45μm滤膜过滤后，置于4℃暗处储存，作为实验用水。实验期间原水水质如表1所示。

表1 实验期间原水水质

1.2 氯苯

将分析纯氯苯(天津福辰化学试剂厂)直接溶于实验用水中，不添加任何有机溶剂，配成一定浓度的氯苯使用液。水样中氯苯浓度由吹扫捕集－气质联机测定。

1.3 PAC

实验采用木质和煤质2种PAC，采用Pelekani等所述方法[8]测定2种PAC的物理化学性质，结果如表2所示。

表2 2种PAC物理化学参数

1.4 实验方案

1.4.1 模拟常规工艺对原水中氯苯的去除实验混凝沉淀实验在六联搅拌机上进行，模拟水厂常规工艺运行。设置A、B、C 3个1L烧杯，分别注入1 L相同氯苯浓度的原水，对其进行如表3所示操作。

表3 操作方法

1.4.2 吸附等温线 取一系列容积为140mL的洁净小口玻璃瓶，加入不同质量的PAC，然后注入130mL氯苯使用液，加入数粒洁净玻璃珠，塞紧带有聚四氟乙烯隔膜的橡胶塞，置于25℃水浴振荡器中，振荡速率为180r／min，振荡吸附24h后取样分析。

1.4.3 吸附动力学 取容积为140mL的小口玻璃瓶，注入130mL氯苯使用液，放入数粒洁净玻璃珠，加入3.9mg PAC，置于25℃水浴振荡器中，振荡速率为180r／min，在预定时间取样分析。

1.4.4 PAC吸附原水中氯苯的小试实验 向不同氯苯浓度的原水中，投加不同量的PAC，吸附30min后取样分析，其它操作与1.4.2同。

2 结果与讨论

2.1 模拟常规工艺对原水中氯苯的去除效果

模拟常规工艺包括混凝、沉淀和过滤，其对原水中氯苯的去除效果如图1所示。对比图1中A、B、C可知，含有氯苯的原水经砂滤后，浓度基本不变(C)，说明砂滤对水中氯苯基本无去除作用；混凝沉淀本身对水中氯苯几乎无去除效果，A、B中氯苯浓度的降低主要是由于快速搅拌过程中氯苯的挥发所造成的。分析认为混凝、沉淀和过滤主要去除相对分子质量在10 000以上的有机物[9－10]，对氯苯此类相对分子质量为112.56的小分子有机物几乎无去除效果。因此，常规工艺无法应对原水突发氯苯污染，需研发储备能有效地应对原水突发氯苯污染的水处理设备和工艺。

2.2 PAC对水中氯苯的吸附性能

2.2.1 吸附等温线 PAC对原水中氯苯的吸附等温线如图2所示。采用修正的Freundlich吸附等温式(1)对吸附等温线进行拟合[11]，结果如表4和图2所示。

其中：qe为平衡吸附量，mg／g；K、n均为常数；Ce是吸附后氯苯的平衡浓度，mg／L；D是PAC投量，mg／L。

图1 常规工艺对原水中氯苯的去除效果

表4 修正的Freundlich吸附等温式对实验数据的拟合结果

图2 PAC对原水中氯苯的吸附等温线

由表4和图2可知，修正的Freundlich吸附等温式能很好地拟合吸附实验数据(相关系数均大于0.98)，在实验的氯苯平衡浓度范围内，木质炭对水中氯苯的平衡吸附量高于煤质炭，这可能是由于实验用的木质炭较煤质炭有着更大的比表面积和总孔容积。

2.2.2 吸附动力学曲线 PAC对原水中氯苯的吸附动力学曲线如图3所示。采用假二级动力学模型(式(2))对实验数据进行拟合[12－13]，结果如表5和图3所示。

其中：k是吸附常数；qt是t时刻PAC对氯苯的吸附量，mg／g，可由式(3)计算得出：

其中C0和Ct分别是溶液中氯苯的初始浓度和t时刻浓度。

表5 假二级动力学模型的拟合结果

图3 PAC对原水中氯苯吸附速率曲线

由表5和图3可知，假二级动力学模型能够很好地拟合实验数据(R2均大于0.99)，木质炭对水中氯苯的平衡吸附量较煤质炭高，这与吸附等温线实验结果一致。5min吸附量即可达到平衡吸附量的80%以上，30min吸附量可达98%以上。因此，为充分利用PAC的吸附容量，PAC投加点宜尽可能前移，以获得足够的吸附时间，建议在实际工程应用中应满足不少于30min的PAC吸附时间。

2.2.3 氯苯初始浓度与PAC投量和吸附时间的关系式 为使PAC吸附后水质达标，应使水中氯苯浓度Ce＜0.3mg／L，因此

在实际的qe数值范围内随qe单调递增，因此当Ce＜0.3mg／L时，有

即

为使吸附t时间后水质达标，则有Ct＜0.3mg／L，代入式(6)可得出原水突发氯苯污染情况下氯苯初始浓度与PAC投量和吸附时间之间的关系式：

将2.2.1和2.2.2中拟合出的吸附动力学和吸附等温线参数带入式(7)中，可以计算出欲将原水中氯苯浓度降低至0.3mg／L以下，不同PAC投量在不同吸附时间下所能处理的原水中氯苯的最大浓度。当吸附时间为30min时，要将原水处理达标(氯苯浓度小于0.3mg／L)，不同PAC投量所能处理的氯苯最大浓度如表6所示。

表6 吸附时间为30min时，不同PAC投量所能处理的原水中氯苯的最大浓度(计算值)

2.2.4 实验验证 为验证表6的预测结果，开展了原水中氯苯PAC吸附小试实验，结果如表7和表8所示。

表7 不同投量的木质PAC吸附前后氯苯的浓度值

表8 不同投量的煤质PAC吸附前后氯苯的浓度值

根据表7和表8的结果，通过内插法确定欲将原水中氯苯浓度降低至0.3mg／L以下时，不同投炭量所能处理的原水氯苯的最大浓度，结果如表9所示。对比表6和表9可知，式(7)对较大投量的PAC所能处理的原水中氯苯最大浓度的预测值较准确，对较小投量的PAC处理能力估计过大，分析认为式(7)是根据拟合得到的吸附等温式和动力学模型推导来的，而在PAC投量较小(氯苯平衡浓度较大)的情况下测得的实验数据(实验点)较少，且较分散，拟合出的模型预测值与实际存在一定偏差。

表9 吸附30min时，不同PAC投量所能处理的原水中氯苯的最大浓度(实验值)

综合表6和表9，可以提出在原水中氯苯不同污染水平下，为有效应对突发氯苯污染所需的PAC投量(参考值)，结果如表10所示。

表10 吸附30min时，原水中氯苯不同污染水平下所需的PAC建议投量

3 结 论

1)仅通过常规工艺难以去除水中氯苯污染，向原水投加PAC进行吸附可有效应对原水突发氯苯污染。

2)PAC对水中氯苯具有很大的吸附速率，5min吸附量可达到平衡吸附量的80%以上，30min吸附量可达98%以上。

3)PAC投加点宜尽可能前移，以保证足够的吸附时间，建议实际工程应用中应满足不少于30min的PAC吸附时间。

4)突发污染时，模型预测值仅作为PAC投加量的初步参考值，具体还需结合具体水质进行实验修正。

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