仝贵婵 吴天宝 云桂春
提要 以城市污水处理厂二级生物处理出水地下回灌为回用目的，研究了活性炭吸附深度处理工艺。通过静态吸附试验选定了适于处理二级出水的粒状活性炭，并运用ADSA软件对有机物在活性炭上的吸附行为进行了分析。将活性炭吸附同混凝砂滤相结合，研究两种不同组合工艺对有机物的去除效果，筛选出了适于城市污水处理厂二级出水地下回灌的深度处理工艺，再生水中以DOC表征的有机物浓度可达3mg/L～4.5mg/L以下。
关键词 污水回用 地下回灌 深度处理 活性炭吸附 有机物
当今世界各国解决缺水问题时，城市污水被选为可靠的第二水源，在未被充分利用之前，禁止随意排放到自然水体中去。我国水污染防治途径是“节水、减污、净水、回用”，其中“回用”已被作为一条基本政策提出[1]。污水回用更是缺水地区的必然选择。城市污水经深度处理后地下回灌，返回到地下水源，再同原水源一起作为新的水源被开发。这种方式对回灌水水质要求较高，循环的周期也长，但却可以提供高品位的用水———饮用水，充分体现了“减量化、无害化、资源化”的原则。地下水回灌技术在我国刚刚起步，所以对地下水回灌技术的研究具有重要意义。
在地下水回灌工艺流程中，有机污染物是需要优先控制的对象[2]。活性炭具有发达的细孔结构和巨大的比表面积，对水中溶解性有机物、人工合成的有机物以及生物法和化学法难以去除的有机污染物都有较强的去除效果。所以活性炭吸附技术是城市污水地下回灌工艺流程中必不可少的手段。
1 试验部分
本试验所用原水是北京市高碑店污水处理厂的二沉池出水。参照美国和德国地下水回灌的水质标准，本研究要求经深度处理后的再生水水质达到表1的要求[3]。其中DOC指溶解性有机碳。
表1 本研究要求的再生水水质
参 数原水水质出水要求
D OC/mg/L6.5～8.03.0
COD/mg/L15～288.0
UV254/m-111～14/ 研究结果表明[3]，原水直接经土壤渗滤处理后出水水质改善不大，不能达到回灌的要求。因此，在土壤渗滤前，用活性炭进行深度处理。
1.1 试验材料
经初步筛选后，选择两种国产活性炭:ZJ-15型煤质柱状炭和GH-16型杏核无定形炭作为研究对象。
1.2 试验方法及设备
1.2.1 静态吸附试验
静态试验采用水平摇床振荡法[4]。粒状活性炭经高纯水洗涤后，在110℃下烘干3h，用球磨机研磨，取通过300目标准筛网的粉末炭备用。用移液管各取150mL原水水样加12个250mL有塞磨口锥形瓶中，分别加入不同重量的活性炭粉末(0.0015g ～0.3750g)，其中留两个瓶不加活性炭作为空白对照；在振荡器上振荡直到达到吸附平衡，然后用0.4μm的核孔膜过滤，取滤后液进行分析。本研究的吸附平衡时间采用24h。
1.2.2 动态吸附试验
将活性炭吸附的动态试验同混凝、过滤等单元处理工艺结合起来，选定2种预处理工艺。即工艺1∶原水※砂滤※粒状活性炭过滤；工艺2∶原水※混凝沉淀※砂滤※粒状活性炭过滤。在这两种工艺中，为防止悬浮物堵塞炭层，更有效地利用活性炭的吸附能力，在活性炭柱之前加砂滤柱。为更有效地去除悬浮物及胶体，在工艺2中加入混凝沉淀处理单元，这样对比工艺1和工艺2，即可考察工艺中加入混凝沉淀处理单元对出水水质(或对原水中有机
物的去除效率)、过水量(或运行周期)的影响。动态试验中，砂滤柱内径为29mm ，柱内填充粒径为0.5mm ～0.9mm 的普通工程砂，填充高度为60cm 。活性炭柱内径为2cm ，活性炭填充高度为40cm ，活性炭柱的滤速为5m /h ，即12.5BV /h (BV 称床体积，水的过流量/活性炭的装填体积)。工艺2中的混凝剂采用聚合氯化铝(P AC )，其投加量为20m g /L 。1.3 水质分析项目及方法
COD 采用标准重铬酸钾法测定,DOC 采用Ele -mentar HighTOC 分析仪测定,UV 254采用岛津UV -3100型紫外可见近红外分光光度计测定。2 试验结果及讨论
2.1 静态吸附试验
GH -16型活性炭与ZJ -15型活性炭以C OD 、DOC 、UV 254表示的吸附等温线分别示于图1、图2和图3。从图中可以看出,GH -16型活性炭对水中有机物的去除效果优于ZJ -15型活性炭
。
图1 ZJ -15和G H -16的等温吸附曲线(以COD 表示
)
图2 ZJ -15和GH -16的等温吸附曲线(以DOC 表示
)
送给老师的贺卡图片图3 ZJ -15和GH -16的等温吸附曲线(以UV 254表示)
静态吸附试验结果用德国开发的ADSA 软件进
行分析[5]。城市污水中含有多种有机溶解物质，它们在活性炭上的吸附性能不同，而且由于竞争吸附作用，它们的吸附行为又远比其在单溶质体系中的行为复杂。同时很难具体确定污水中有机污染物的成分，从而也就无法确定具体有机污染物的吸附行为。ADSA 软件是通过求解Crittenden 方程来估计污
水中不同类有机物被吸附到活性炭上的可能性。这些有机物以DOC 方式按可吸附性被分为几类。分析结果可用于指示组分未知的混合有机物的吸附行为，也可对DOC 的去除效率进行估计。Crittenden 方程是把Freundlich 等温吸附方程应用于IAST (理想吸附溶液理论)模型得到的，每种吸附质的浓度表示为:
C i =
q i
∑N j =1
q j
∑M
j =1
q j
n j
K F i
n i
1n i
i =1,2……N
少年歌行第二季 其中:K F i ,n i ，表示组分i 的Freundlich 常数;q i 表示组分i 的固相浓度。
通过选用不同的K F i ，出合适的方程参数来拟合吸附等温线。当利用Crittenden 方程计算出的吸附等温线与试验得到的吸附等温线之间的误差达
到最小时，就可以得出K F i 值和污水中具有不同K F 值的有机混合物的含量。德国的M .Jekel 教授[6]给出了不同的K F 值对应的有机混合物的吸附性能，见表2。
表2 有机物质的吸附性能与对应的K F 值
吸附性能不能被吸附极差差
一般
较好
很好
K F 值
0～1818～3030～5050～100大于100
根据ADSA 软件的计算结果，并对照表2，表3给出了两种活性炭对水中有机物的吸附行为。
表3 ZJ -15和GH -16型活性炭对废水中有机物的吸附效果
活性炭
种 类有机物占水中有机物总量的百分比
吸附效果极好吸附效果较好吸附效果一般吸附效果差不能被吸附GH -16ZJ -15
34.3-3.123佘诗曼林峰
26.12.1
-38.9
36.436
ADSA 软件的分析结果也表明,GH -16型活性炭更适于城市污水厂二级出水的深度处理。
ADSA 软件还给出了这两种活性炭由模型拟合得到的计算吸附等温线与通过试验得到的实测等温线之间的误差。ZJ -15型、GH -16型活性炭的两种等温线之间的误差分别为0.79%和0.74%。因为Crittenden 方程是根据Freundlich 方程得出的，由它计算得到的吸附等温线也符合Freundlich 方程。而试验中以DOC 为衡量参数的实测等温线与计算等温线之间的误差均小于1%，这说明这两种炭对污水中有机污染物的吸附行为符合Freundlich 方程。
ADSA 软件还可将所测的DOC 与UV 254之间建立直线关系，以便对某些DOC 值进行校正。用AD -SA 软件计算出的ZJ -15型和GH -16型活性炭的DOC 和UV 254之间的关系为:寄生虫电影
ZJ -15型活性炭:DOC /mg /L =0.48·UV 254/m -1+1.77,R =0.982;GH -16型活性炭:DOC /mg /L =0.4·UV 254/m -1+1.18,R =0.993。2.2 动态吸附试验
陈浩然两种工艺以连续流的方式共进行了288h 的运
行，过水量为3600倍床体积。
工艺1的试验结果如图4所示。在运行期间，工艺1对DOC 的去除率为19.3%～66%，对COD 的去除率为24.5%～65.5%，对UV 254的去除率为35.6%～82
%。
图4 工艺1GH -16活性炭柱的穿透曲线1原水DOC 2出水D OC 3原水COD 4出水COD 5原水U V 254 6出水UV
254
图5 工艺2GH -16活性炭柱的穿透曲线1原水DOC 2出水D OC 3原水COD 4出水COD 5原水U V 254 6出水UV 254
工艺2的试验结果如图5所示。运行期间工艺2对DOC 、C OD 和UV 254的去除率分别为30.5%～77%,30%～74%,56%～92%。可见工艺1对以上
各参数表征的有机物的去除效果都不如工艺2。根据粉末活性炭与好氧土壤渗滤的运行结果,
好氧土壤柱的进水DOC 在大约4.5mg /L 左右时，其出水DOC 可小于3mg /L [3]，故活性炭柱的运行终点定为4.5mg /L 。从图4、图5可以看出，工艺1和工艺2分别在活性炭柱产水为床体积的1900倍和2200倍时达到4.5mg /L 。但是，工艺1在活性炭柱产水为床体积的1900倍后出水的DOC 均大于4.5mg /L ，而工艺2的活性炭柱在产水为床体积的2200～3500倍时出水DOC 值的平均值为4.41mg /L ，故工艺1活性炭柱的产水是床体积的1900倍，而工艺2活性炭柱的产水可认为是床体积的3500倍。从试验中还可以看出，工艺2的出水水质明显好于工艺1。工艺2在出水达到1025倍床体积前DOC 值可保持在3m g /L 以下，而工艺1在出水仅为500倍床体积时DOC 值已超过3mg /L ；工艺1活性炭柱整个运行期间出水的平均DOC 值为4.21mg /L (对DOC 的平均去除率为39.34%)，而工艺2活性炭柱出水的平均DOC 值为3.53mg /L (对DOC 的平均去除率为49.14%)。说明混凝沉淀对活性炭床的运行有重要的意义，工艺2更适合作为城市污水地下水回灌深度处理工艺。3 结论
通过活性炭吸附工艺处理城市污水厂二级出水的静态试验和动态试验的研究，可以得出以下结论:
(1)ZJ -15型煤质柱状炭和GH -16型杏核无定形炭对高碑店污水处理厂二级出水中的有机污染物的吸附行为符合Freundlich 方程。这两种炭吸附有机污染物的DOC 与UV 254的关系符合线性关系。
(2)对高碑店污水处理厂的二级出水,GH-16型活性炭的吸附性能优于ZJ-15型活性炭，它对二级出水中63.5%的有机物有较好的吸附能力。
(3)GH-16型活性炭吸附的工艺组合试验结果表明，二沉池出水经混凝沉淀、砂滤和活性炭过滤，可有效去除其中的有机污染物。活性炭柱的产水量为3500倍床体积时出水仍能满足DOC小于4.5mg/ L的要求。将此混合出水再经好氧土壤柱渗滤，再生水DOC可小于3mg/L，满足回灌水对DOC的要求。
参考文献
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★作者通讯处:100084 北京清华大学能科楼601室
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收稿日期:1999-4-26
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