多层活性炭过滤器反渗透控制技术及应用

曹雪峰，杨 姝

（1.北方华锦化学工业集团有限公司，辽宁 盘锦 124000；2.盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦124000）

石油、化工行业产生的大量工业污染废水（RO浓水）中，含有一定量的ROC(单位为0.001μM)。ROC有机化合物若未进行反渗透操作而直接排放，会对土壤和地表环境造成严重的危害。针对这种情况，通常会选用具有吸附能力的活性炭来去除ROC有机物，通过粉末活性炭（PAC）的再生作用和颗粒活性炭（GAC）的大规模占比，对废水进行处理。

传统方法大多选取单一的活性炭进行反渗透控制，本文设计的多层活性炭过滤器，通过粉末活性炭(PAC)吸附、颗粒活性炭(GAC)淡化、与高级氧化技术结合后再经活性炭过滤的3层操作，实现对ROC的反渗透控制，从而更好地处理污水中的ROC，实现对水资源的回收利用。

1 多层活性炭过滤器反渗透控制技术的设计

反渗透浓水（ROC）处理中，常用的活性炭主要有粉末活性炭（PAC）和颗粒活性炭（GAC）。为了使水样中ROC的处理指标实现最小化，应在排放前设置过滤器，进行反渗透控制操作。本文设计了多层活性炭进行吸附过滤，主要通过PAC的第一层吸附、GAC的第二层淡化以及高级氧化技术与活性炭相结合的第三层反渗透处理，实现对反渗透浓水ROC的控制。

1.1 设置PAC实现多级吸附

为了回收炼油废水产生的ROC，提高RO工艺的回收率，采用粉末活性炭（PAC）进行吸附处理。粉末活性炭（PAC）的颗粒直径小，在过滤之前投加PAC，与MF膜结合后，进行4级逆流吸附处理。

为了确保吸附反应中的膜组件正常运行，膜内组件要完全浸泡在溶液中。膜组件与反应中的组件要存留一部分溶液，以便后续稀释。ROC通过水泵加入反应器后，以液体形式储存，在曝气泵成膜前进行出水运行。每个水循环都需要间歇式吸水，以防止水位低于抽吸位置。依据PAC的吸附程度计算投放量，计算公式如下：

式中，Ce为溶液的平衡浓度，kg·mL-1；q为PAC吸附的容量，g；其他为常数。

将计算得到的碳投放量用在PAC二级吸附应用中，具体的操作如图1所示。

图1 PAC二级吸附的操作示意图

PAC二级吸附启动后，通过进水，将PAC接触的溶液与高浓度的有机物混合后，再通过反应器，与计算投放的初级PAC进行接触，实现第一级吸附。经过第一级吸附后，再加入新的PAC进行接触，进行第二级吸附。在该吸附过程中，投入的PAC经历了2次吸附过程，因此这种吸附操作称为二级逆流吸附。在二级逆流吸附的基础上，再重复上述操作，进行PAC的四级逆流操作，由此完成PAC的全部吸附操作。此时PAC对ROC的吸附会更有效。

1.2 GAC淡化

相较于粉末活性炭（PAC），颗粒活性炭（GAC）在吸附性能上的占比更大，更方便对ROC进行处理回收。GAC淡化需要经过烘干、高温炭化、超声波震荡等工序。

在105℃下，将实验所需的活性物质烘烤3h，以使活性炭的表面保持干燥状态，并让表面的有机物挥发，之后进行高温碳化。在高温碳化前，称取一定数量的颗粒活性炭置于磨口烧杯瓶中，加入200mL浓度为10000μM的去离子溶剂，进行GAC吸附准备。GAC吸附前，要用烘箱进行干燥处理。称取0.1g的颗粒性活性炭（GAC）进行震荡淡化处理，震荡淡化需要在超声波装置中进行一定程度的强化。

用超声波强化GAC，对工艺污水产生的ROC进行淡化。超声波震荡采用BRANSON型超声波转换器，频率为200kHz，声能密度为150W。超声波的震荡频率分别在5s、10s进行提取，开启超声波辐射一段时间后再进行取样。超声波辐射超过6h后，要把夹层反应器探头以同轴的形式插入低温槽内，进行强制降温。低温探测槽的温度要稳定在30℃。超声波震荡可以加速GAC的吸附速度，使其以更快的速度与过滤的溶剂进行贴合，对ROC进行淡化。经超声波震荡后，颗粒活性炭对带负电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会转化为生物活性炭，实现了淡化和生物降解，取得了稳定的除污效果。

1.3 活性炭与高级氧化技术联用对ROC进行反渗透控制

将高级氧化技术与活性炭吸附联用，将过滤器设计为3层活性炭吸附，以实现对ROC的反渗透控制。具体操作：通过高级氧化工艺，将有机物的大分子转变为小分子，再用活性炭进行有机物的多级吸附和淡化，直到ROC的含量大幅度降低，由此完成反渗透处理操作。相比PAC吸附和GAC吸附，高级氧化活性炭吸附更适用于炼油厂及电厂等企业。

高级氧化主要采用臭氧氧化的方法进行原水的过滤，具体操作如下：选取0.22mm的微滤膜进行第1次过滤。将过滤的原水放置在烧杯中，用移液管准确量取100mL、浓度为0.1mol·L-1的硫酸，用于调节水质的pH值。向烧杯加入调制好的硫酸试剂，用搅拌器搅拌一定时间，进行接触反应。反应产生气体后，逐渐加入碱性试剂，用于调节pH到8.0。将调节后的水静置于三角洗瓶中，用于后续的水质氧化。具体的臭氧实验装置如图2所示。

图2 臭氧发生装置

完成臭氧氧化操作后，再进行活性炭吸附。用PAC粉末活性炭吸附时，将含ROC、约100mL的原水置于锥形瓶中，封口后将锥形瓶置于恒温摇床内，在200r·min-1、25℃的条件下进行吸附。吸附结束后，用0.22mm的平板滤膜过滤，收集滤液用于水质分析。操作结束后，进行GAC颗粒活性炭的吸附实验。取ROC原水水样100mL放置于锥形瓶中，静置后接入超声波震荡装置。搅拌速度为200 r·min-1，温度为25℃，吸附操作时间分别为5s、10s、15s、20s、30s、40s。吸附结束后，用100W的搅拌器进行震荡，以促进ROC有机物和原水的固液分离。操作完毕后，进行吸附等温操作。向锥形瓶中投加1.0g·L-1的PAC，将试剂移入烧杯中，在烧杯中平铺0.45μm滤膜进行液体稀释。溶剂的pH平衡后启动PAC二级吸附，若效果不佳则进行四级吸附，吸附时间控制在20min～1h。高级氧化与活性炭联用的反渗透处理的操作示意图见图3。

图3 反渗透处理示意图

经高级氧化技术处理后的溶液，再通过3层反渗透过滤器进行过滤，以确保工业水质从高ROC含量降低到低ROC含量，从而完成对工业废水的反渗透控制处理。

2 测试实验

为了验证本文设计的多层活性炭过滤器反渗透控制技术的性能，与传统的工业废水反渗透控制技术进行了对比实验。

2.1 实验部分

准备体积约1L的水桶，作为吸附前的原水罐。二级吸附的反应器A的有效体积约为5L，设有钢柱，用于吸附污水的称重。反应器的内壁有能精确反应水位的水位线，反应器底部设置有能够排放活性炭的管道和手动排放活性炭的漏斗。PAC搅拌器和GAC搅拌器选用塑料材质，搅拌转速设置为200r·min-1。粉末型活性炭PAC一般选用X/V型的活性炭进行二级吸附。PAC在加入溶液前要与原水试剂均匀混合。选择以玻璃为主材质的流量计，用来测量出水口的水流。在反应器A的出口设置最终膜出水的投加泵，从反应器A结束吸附的活性炭，再投入反应器B中。反应器B的构造与反应器A相同，同时加了一层聚偏氟乙烯材质的微滤膜，用于过滤出水的纤维，以便在吸附操作进行时，能稳定溶液的平衡浓度。PLC控制器可以实现吸附反应器的自动运行，提高活性炭的整体吸附效率。具体的实验装置图如图4所示。

图4 实验装置图

实验选用厂内未进行预处理的污水混合液，污水与活性炭的比例约为1∶1。前期采用PAC进行二级吸附，再通过颗粒活性炭GAC和超声波震荡，进行第二层吸附。第三层为高级氧化处理，要确保氧化时间持续1h，活性炭的吸附时间为0.5h，进水量保持在0.5L。PAC吸附的活性炭用量为100mg·L-1，GAC淡化用活性炭的量为50mg·L-1。垃圾渗滤液的预处理采用频率200kHz的超声波震荡仪，以促使ROC有机物排放。

2.2 实验结果

将设计的多层活性炭过滤器反渗透控制技术与传统的污水反渗透技术的实验结果进行比较，分别在0.5h、1h、1.5h和2h进行取样，出水监测的实验结果如表1所示。从表1数据可知，在测试时间内，本文设计的多层活性炭过滤器的ROC含量少于传统方法的ROC含量，表明多层活性炭的吸附效果更强，反渗透控制技术的应用效果更好。

表1 实验后的出水监测数值

完成出水监测数值评估后，对多层活性炭过滤器的出口压力变化进行研究，出口压力结果如图5所示。从图5可以看出，采用本方法，过滤器的出口压力均小于0.10MPa，传统方法控制的出口压力最高达到0.13MPa。出口压力过大会导致反渗透现象出现，而本方法可以降低出口压力，因此可以有效地控制过滤器的反渗透现象。

图5 过滤器的出口压力

3 结论

本文基于活性炭吸附力强的特点，设计了多层活性炭过滤器反渗透控制技术。与传统方法对比后得出结论，新设计的方法在ROC的吸附上实现了精准控制。但受到时间和条件的限制，相关的一些操作还有进一步的提升空间。本文设计的方法还可以与其他工艺联用，以实现活性炭在反渗透控制上的最佳效果。