焦炭在工业废水处理中的应用试验及设计

1  试验用水及试验装置

　　试验用废水样品采自某油田采油厂预处理后的采油废水，石油烃类含量为10.35 mg/L。为防止在处理过程中因废水中石油烃类物的破乳析出而改变其在废水中的含量，故加入了适量乳化剂。
　　筛选粒径为2～8 mm的粒状焦炭，在0.1 mol/L的稀盐酸中浸泡一昼夜后水洗，再用0.1 mol/L NaOH浸泡一昼夜后水洗至中性晾干，装填于高0.8 m、直径3 cm的三根玻璃管中，焦炭层厚分别为：h₁＝0.5 m，h₂＝0.3 m，h₃＝0.7 m，焦炭层两端分别用玻璃纤维封垫。
　　试验装置见图1。试验过程中，控制出水的石油烃含量≯1.0 mg/L。

　　2  试验结果

　　共进行了三个空床线速度和三种焦炭层厚度的试验，取得九组数据，试验结果列于表1。
　　将试验数据进行回归分析，可以得到不同空床线速度条件下炭床累积工作时间(t)与焦炭层厚度(h)的直线回归方程：
　　v=4.58 m/h时，t＝2 131 h-557
　　v=6.21 m/h时，t＝1 471 h-417
　　v=9.28 m/h时，t＝894 h-310

表1　焦炭柱吸附石油烃试验数据空床线速度(m/h)焦炭层厚度(m)总处理水量(m³)累积工作时间(h)4.580.5
0.8
1.51.66
3.69
8.55513
1140
26416.210.5
0.8
1.51.46
3.25
7.88332
740
17959.280.5
0.8
1.51.04
2.46
6.82158
375
1040

　　由以上三条回归直线的斜率和截距，可以计算出重要的设计参数饱和吸附量(N0)、吸附速率常数(K)和不同空床线速度条件下的h0(见表2)。

表2　N0、K、h0的计算值空床线速度(m/h)斜率
(h/m)截距
(h)N0
(kg/m3)K
〔m3/(kg·h)〕h0(m)4.58
6.21
9.282131
1471
894-557
-417
-310101
95
860.387
0.518
0.6970.262
0.284
0.347

　　3  讨论

　　①  饱和吸附量N0是焦炭的特性，从表2数据看，随着空床线速度(v)的提高，N0呈下降趋势。
　　②  由表2可见，吸附速率常数K随着空床线速度的增大而显著提高。因为流速增大，使得焦炭表面上的水膜更新加剧，有利于吸附过程的进行。
　　③焦炭床的临界高度(h0)随着空床线速度(v)的增加有比较明显的提高。因为空床线速度的提高减少了废水停留时间，尽管吸附速率常数K也随空床线速度提高而增大，但K仅与v的0.828 3次方呈正比。因此，在保证出水石油烃浓度符合处理要求的情况下，增大废水的空床线速度，焦炭床的临界高度必有所增加。
　　④  对于工业生产装置而言，为了使所处理的废水在整个床层截面上的流速分布均匀，通常床层高度至少等于床面直径。因此一般情况下，床层高度远大于临界高度h0，空床线速度对临界高度的影响在设计中可不作为主要设计参数考虑。

　　4  设计实例

　　在某含油废水处理工艺设计中，采油废水经粗粒化、混凝沉降除油等工序后，废水中含油浓度可从10 mg/L以上降至2～3 mg/L。为达到含油浓度降至1.0 mg/L以下的深度处理要求，增加并设计了焦炭吸附床处理工序，具体设计参数如下：
　　进水石油烃含量：C0≤5 mg/L
　　出水石油烃含量：Ce≤1.0 mg/L
　　处理水量：Q＝100 m3/d
　　每日处理时间：t=8 h
　　选取空床线速度：v=11 m/h。
　　计算焦炭床层直径：D＝1000.758×11×8＝1.203 m，取1 200 mm
　　焦炭层高度：取床直径的1.5倍，h=1.5 D＝1.8 m
　　根据表2计算数据得到的N0～v，K～v幂函数拟合关系，如图2、3。

　　由图2、3的两条曲线可查得，当空床线速度为11 m/h时，有：
　　N₀＝82.6 kg/m³
　　K＝0.808 m³/(kg·h)
　　此时的临界高度为：
　　h₀＝(v/KN₀)ln(C₀/C_e-1)=11/(0.808×82.6) ln(5/1-1)＝0.228 m
　　焦炭柱可工作时间为：
　　t＝(N₀·h)／(C₀·v)-1/(C₀·K) ln(C_0/C_e-1)＝ 82.6×1.8/5.0×10^-3×11.0-1/(5.0×10_-3×0.808)·ln(5-1)＝2360 h
　　每年更换次数：
　　365×8/2360＝1.24次
　　焦炭床利用率为：
　　(h-h₀)/h×100%＝1.8-0.228/1.8×100%≈87%

　　5  结论

　　①  在某些工业废水处理工艺中，应用焦炭作为废水深度处理的吸附剂是合适、经济的，特别是在一些较大型的处理装置中，用焦炭代替活性炭，可以大大降低处理成本。
　　②  试验数据以及应用实例的设计计算方法，为利用焦炭作为废水处理吸附剂的工业装置设计提供了可资借鉴的设计方法和依据。通过设计实例，可以看出在废水处理工艺中用焦炭代替活性炭的现实可能性。