方形活性焦吸附池在污水处理厂的应用研究

摘要：活性焦凭借强大的吸附能力，广泛应用于污水处理领域。试验成功搭建方形吸附池中试装置（连续运行231 d），采用扫描电子显微镜、比表面积和微孔分析仪分析活性焦的表面结构、孔径和孔容，并研究活性焦对城市污水处理厂出水的深度净化效果。试验结果表明，固定床滤池活性焦吸附后，出水化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）的浓度基本小于13 mg/L，部分时段小于10 mg/L；出水色度基本小于8度，部分时段小于5度；活性焦对总氮（Total Nitrogen，TN）和总磷（Total Phosphorus，TP）的吸附在1个月内就达到饱和；出水水质执行《贾鲁河流域水污染物排放标准》（DB 41/908—2014），其中指标COD、TN均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准，基本满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的Ⅲ类水质要求。

关键词：污水处理；活性焦；吸附；深度处理；地表水；Ⅲ类水质

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）10-0-07

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Study on the Application of Square Activated Coke Adsorption Tank in Sewage Treatment Plants

ZHANG Yan， WANG Zhihui， ZHAO Pin， XU Pengfei， YI Haiming， MA Yuanyuan， DU Guowei， WANG Ronghong

（Zhengzhou Sewage Purifying Co.， Ltd.， Zhengzhou 450044， China）

Abstract： Activated coke is widely used in the field of wastewater treatment due to its strong adsorption capacity. In this experiment， a square adsorption tank pilot plant is successfully constructed （231 d of continuous operation）， scanning electron microscopy， specific surface area， and microporous analyzer are used to analyze the surface structure， pore size， and pore volume of activated coke， and the deep purification effect of activated coke on urban sewage treatment plant effluent is studied. The experimental results show that after the adsorption of activated coke in the fixed bed filter， the concentration of Chemical Oxygen Demand （COD） in the effluent is basically less than 13 mg/L， and in some periods it is less than 10 mg/L; the chromaticity of the effluent is generally less than 8 degrees， and in some periods it is less than 5 degrees; the adsorption of Total Nitrogen （TN） and Total Phosphorus （TP） by activated coke reaches saturation within one monthMkHVFYTrWWnuFMBvX9XWd24nf2qnnM9gTLZarYR2o8A=; the effluent quality complies with the Discharge Standards for Water Pollutants in the Jialu River Basin （DB 41/908—2014）， with indicators COD and TN both exceeding the Class A standard of the Pollutant Discharge Standards for Urban Sewage Treatment Plants （GB 18918—2002）， and basically meeting the Class Ⅲ water quality requirements of the Environmental Quality Standards for Surface Water （GB 3838—2002）.

Keywords： sewage treatment; activated coke; adsorbent; deep processing; surface water; class Ⅲ water quality

随着社会经济及环境保护事业的发展，部分区域污水处理厂出水水质标准日趋严格。河南省于2014年

6月26日开始实施《贾鲁河流域水污染物排放标准》（DB 41/908—2014），其中化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、总氮（Total Nitrogen，TN）的浓度均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》

（GB 18918—2002）的一级A标准[1]。随着出水标准的提高，有必要使用先进的处理技术去除污水处理厂二级出水中的难降解有机物，从而降低COD浓度，满足排放要求[2]。污水处理厂出水经深度处理后，出水水质达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）

的Ⅲ类水质要求。

活性焦是一种多孔的含碳物质，其实质就是低表面积、高强度的活性炭[3-4]。与其他碳基材料相比，活性焦机械强度高，容易再生，价格较低，环境效益和经济效益较高[5-7]。此外，活性焦具有与活性炭相似的吸附性能，拥有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团[8-9]，在污水处理领域具有广阔的应用前景。为探索活性焦在污水深度处理中的应用，试验在对活性焦进行全面表征的同时，利用方形活性焦吸附池对污水处理厂出水进行深度处理，并长期跟踪其对COD、色度、TN和总磷（Total Phosphorus，TP）的去除效果。研究结果对活性焦滤床在污水深度处理领域的应用有重要现实意义，可为活性焦吸附池的项目建设和运行提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验场地

试验在郑州市某污水处理厂内实施。该污水处理厂的设计污水处理规模为65万m3/d，采用“粗格栅+细格栅+曝气沉砂池+初沉池+厌氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic，A2O）生化池+

二沉池+高效沉淀池+V形滤池+紫外消毒”工艺，出水水质执行《贾鲁河流域水污染物排放标准》（DB 41/908—2014），其工艺流程如图1所示。水质评价指标主要有COD、色度、TN和TP，高效沉淀池出水和最终出水水质如表1所示。

1.2 中试装置

方形活性焦试验装置包括5部分，分别为进水系统、给水系统、吸附过滤系统、反冲洗系统和取料换料系统。活性焦吸附池采用固定床滤池设计（一座两格），两格滤池单独进水（分为1号吸附池和2号吸附池），独立运行，位置如图1所示，单池总容积为171.5 m3，设计滤速均为7.0 m/h，设计水力停留时间为50 min。该滤池底部铺设厚度10 cm的砂石承托层。1号吸附池活性焦填料高度为3.7 m，填料体积为90 m3，进水为高效沉淀池出水；2号吸附池活性焦填料高度为3.4 m，填料体积为84 m3，进水为紫外消毒出水。活性焦吸附池结构如图2所示。方形活性焦吸附池从运行到结束共计231 d，每天固定时间对吸附池进行反冲洗，其运行参数如表2所示。

2 材料的表征与分析

2.1 扫描电子显微镜分析

为了观察活性焦样品的表面形态，采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）对新活性焦和方形吸附池吸附后活性焦进行分析，如图3所示。从图3（a）可见，新活性焦表面呈现凹L20mOzZ5CvAX6ewg+JjmWQN7n1MnuBW3kDkaBpF3RC4=凸不平、相对杂乱的状态，表面呈蜂巢状，分布很多孔隙。从图3（b）可见，原先蜂巢状的结构已经被吸附物覆盖，变得相对封闭，自身存在的孔隙被污染物质填充，比表面积减小，吸附位点也相应减少。水中有物质吸附在活性焦表面，吸附在表面的物质可能阻止水中物质进一步向活性焦中扩散，从而影响吸附效果。

2.2 比表面积及孔结构分析

借助比表面积和微孔分析仪，分析活性焦材料的比表面积及微孔特征，并计算孔容，结果如图4所示。活性焦的N2吸附脱附等温线属于Ⅰ型吸附等温线和Ⅳ型吸附等温线的结合，存在H4型的滞后环，滞后环比较宽，说明活性焦颗粒含有丰富的孔径结构。当相对压力P处于低压端（P＜0.1）时，吸附曲线起始快速上升，呈Ⅰ型且偏向Y轴，说明活性焦与N2有较强的作用力，发生单分子层吸附，直接反应形成微孔结构；当相对压力处于中压端（0.1≤P＜0.9）时，吸附曲线上升速度变缓，发生多分子层吸附，活性焦呈现出中孔特性；当相对压力处于高压端（0.9≤P≤1）时，曲线陡峭，拖尾上升，发生毛细凝聚和离子堆积，活性焦呈现大孔特性。

3 吸附效果分析

3.1 方形吸附池COD吸附效果分析

由图5可知，试验期间，1号方形吸附池的进水COD浓度均值为17.04 mg/L，出水COD浓度均值为10.43 mg/L，平均去除率为38.79%，COD吸附量为

3 237.88 kg，吨焦吸附量为71.95 kg。试验第一周出水COD浓度都在8 mg/L以下，3个月内出水COD基本都在13 mg/L以下，第4个月开始出现出水COD浓度大于13 mg/L的情况。试验期间，2号方形吸附池的进水COD浓度均值为16.36 mg/L，出水COD浓度均值为10.74 mg/L，平均去除率为34.36%，COD吸附量为3 050.97 kg，吨焦吸附量为71.27 kg。第一周出水COD浓度为8 mg/L，运行3个月内出水COD浓度都小于13 mg/L，第4个月开始出现出水COD浓度大于13 mg/L的情况；运行6个月后，COD去除率降至20%～30%。活性焦对水中COD的吸附能力主要依靠其大量的微孔以及活性炭表面官能团的作用，大孔在吸附过程中起到通道作用，中孔可以起到通道和部分吸附作用。随着时间的增加，出水COD浓度增加，这是因为活性炭吸附位点减少，高沸点的有机物替代了低沸点的有机物。

图4 活性焦的N2吸附脱附等温线图

3.2 方形吸附池色度吸附效果分析

由图6可知，试验期间，1号方形吸附池的进水色度均值为16.27度，出水为6.79度，平均去除率为58.27%。第1周出水发蓝，色度在8度以下，3个月

内出水色度均值为6度。2号方形吸附池的进水色度均值为12.77度，出水为6.83度，平均去除率为46.52%。第1周出水发蓝，色度在8度以下；运行

3个月内，出水色度均值为6度；运行6个月后，色度均值在8度左右，感官效果较差。色度的降低是因为活性焦对水中的悬浮颗粒和溶解性有机物都有一定的吸附效果，有利于水中表色和真色的去除。

3.3 方形吸附池TN吸附效果分析

由图7可知，试验期间，1号方形吸附池的进水TN浓度均值为8.10 mg/L，出水为7.42 mg/L，平均去除率为8.40%，吨焦吸附量为1.48 kg。2号方形吸附池的进水TN浓度均值为7.83 mg/L，出水为5.77 mg/L，平均去除率为26.31%，吨焦吸附量为1.51 kg。进水中的TN以硝态氮为主，活性焦对TN的吸附主要依托表面的极性官能团，1个月后进出水TN浓度基本一致，原因可能是表面极性活性位点被消耗，TN吸附效果变差。

3.4 方形吸附池TP吸附效果分析

由图8可知，1号方形吸附池的进水TP浓度均值为0.16 mg/L，出水为0.10 mg/L，平均去除率为37.5%，吨焦吸附量为0.15 kg。2号方形吸附池的进水TP浓度均值为0.12 mg/L，出水为0.10 mg/L，平均去除率为16.67%，吨焦吸附量为0.046 kg。这与TN处理效果相似，进水中TP以磷酸盐的形式存在，更容易与活性焦表面的极性官能团反应，1个月后活性位点减少，导致进出水TP浓度基本一致。

4 结论

吸附试验显示，方形活性焦吸附池吸附后，运行期间，出水COD浓度基本小于13 mg/L，部分时段小于10 mg/L，1号吸附池吨焦吸附量为71.95 kg，

2号吸附池吨焦吸附量为71.27 kg。但是，COD还未完全吸附饱和，需要进行下一步试验。活性焦可以去除生物法、物理法或者化学法不能去除的微量呈溶解状态的有机物，性能优异。方形活性焦吸附池吸附后，出水色度基本小于8度，前3个月出水色度基本都在6度以下。活性焦对污水的色度具有很好的去除效果。活性焦对TN和TP的吸附在一个月内就达到饱和，说明活性焦对二者的去除不能持续，这可能与TN、TP的浓度、离子性和极性有关。活性焦属于非极性吸附材料，对水中非极性或者弱极性物质有较好的吸附效果，但是对极性物质的吸附则依靠极性官能团，这可能导致活性焦对水中TN和TP的去除效果不理想，但对COD和色度的去除效果较好。

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