张方方，刘景明
（青岛水务碧水源科技发展有限公司，山东 青岛266034；苏州汇博龙环保科技有限公司，江苏 苏州215122）
摘要：阐述了新型活性焦吸附工艺系统、投资成本及运行费用，同时结合两个工程应用案例，进行了活性焦再生技术—热再生技术的研究应用效益浅析, 吨水投资在616元-944元/m3之间，吨水运营成本为0.36元-0.47元/m3之间，出水水质标准达到了GB18918-2002的一级A标准，以及达到了GB3838-2002的地表水劣三类标准，取得了比较好的经济、环境和社会效益。
关键词： 活性焦 吸附机理 吸附流程 再生流程 应用效益
活性焦是以褐煤为主要原料研制出的一种具有吸附剂和催化剂双重性能的粒状物质。2008年后，由于国家对废水处理标准提标的严格要求，对成分复杂、难生物降解的工业废水和特殊污染物，没有比较好的技术手段，活性焦技术用作污水预处理、强化生化工艺、深度处理的重要工艺技术[1]，在煤化工废水、印染、农药、石油、炸药废水等工业废水以及生活污水中的应用越来越受到关注[2]，其在大型废水处理工程中的深度处理应用越来越广。为加快其高效达到地表四类水体标准、碳达峰和碳中和应用，提供一种可靠的技术措施，本文对该新型活性焦吸附技术的吸附机理、工艺流程、活性焦再生技术及工程案例运行效果，进行了应用效益浅析。
1. 活性焦吸附机理
活性焦表面含有含氧类官能团， 能与废水中含有羟基（-OH）、羧基（—COOH）、氨基（—NH2）的有机物形成氢键而发挥吸附作用[3]，更适合吸附大分子、复杂有机物。而活性炭吸附过程包括物理吸附和化学吸附，主要是物理吸附。活性焦生产成本不到活性炭的50％，在当前国家节能减排的宏观环境要求条件下，使其成为高性价比的污水深度处理新型净化材料。
2．活性焦吸附技术的工艺流程
新型活性焦吸附技术不同于传统活性炭滤池的池体结构形式、滤料清洗方式和投加提取的输送方式，其高度集成化及自动化，让投焦和补焦实可以自动完成，大大降低工艺操作难度。活性焦独特的流化式清洗方式，可以快速恢复其吸附性能，其再生技术，可以实现自动化循环利用，大大降低了工艺运行成本。活性焦吸附工艺系统主要包括三个子系统：活性焦投加输送系统、吸附池部分和活性焦再生系统：
（1）活性焦输送系统用于活性焦材料的输送、更换、清洗等功能，包括进料系统、活性焦分离系统、活性焦清洗滤液处理系统、电气自控系统等；
（2）吸附池主要完成对水中污染物的吸附过滤作用，主要检测指标为CODCr、BOD5、色度吸附效果，配套除磷加药系统后可以去除TP指标，包括布水系统、活性焦材料、清洗系统、排放系统、配套管道阀门、电气自控系统、系统所需其它设施，新型活性焦吸附池结构图，见图1；
（3）活性焦再生系统主要承担用于吸附饱和活性焦的再生用途，目前投用废水处理项目再生法主要为热再生法，包括再生系统、废气处理系统、配套管道阀门、电气自控系统等。
新型活性炭吸附工艺流程中饱和活性焦的提取再生和投加，原水经过变径进水管及吸附器底部的布水器，由下向上通过活性焦床，通过空气泵将填料提到洗料器中，洗去污染物后，净料靠自重返回料床，见图1；当活性焦吸附饱和后，利用提料单元空气提升泵，将饱和料提出，经脱水后进提升机入湿料仓，见图2。
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图1 一种活性焦吸附池示意图 图2 一种活性焦吸附工艺流程图
3. 活性焦再生技术
活性焦易吸附饱后主要包括热再生法、声波再生法、化学再生法、生物再生法、真空再生法等，由于这些技术存在各种问题，目前规模化应用在水处理中的活性焦再生方法主要是热再生法，通过皮带输送机进入再生炉，再生后的活性焦冷却后经提升进入干料仓，经过水射器投加或进入装有搅拌器的混料池加水后利用加焦泵送入吸附池上方投加，至此为一个完整的再生周期，活性焦的循环依靠压缩空气的气提作用实现，见图3。
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图3 热源为天然气的活性焦热再生工艺流程图
4. 活性焦案例工程设计参数及成本效益
目前，国内大型污水厂应用活性焦吸附技术的工程案例仅有两个，其一，高密第二污水厂10万吨/天的提标改造工程[4]；其二，郑州马头岗污水处理厂总处理水量60万m3/d的升级改造工程[5]。
表1 高密第二污水厂进出水水质 单位：mg/L
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高密第二污水处理厂的活性焦吸附过滤池由4座并联运行，为钢筋混凝土水池结构，每座8组，每组有8个吸附过滤单元，每个单元平面尺寸2.4m×2.4m，下部为60度锥角8棱椎台，参见图1，设计进出水水质见表1；活性焦的设计参数为床高度2m、吸附滤速3m/h、吸附时间40min；该工程总投资为9435.22万元，其中一类工程费为7414.72万元，二类工程费是845.44万元，合计投资约944元/吨水，运行成本0.36元/吨水。
由表1运行数值、设计参数和费用情况，从高密第二污水处理厂的活性焦应用效果，可以得出以下分析结论：
（1）高密第二污水处理厂主要接纳城区北部工业区、开发区排放的工业废水和少量生活污水，接纳的废水中90%是各纺织印染企业自有废水处理设施处理后排放的尾水，废水中的易生物降解的有机物基本已被处理，剩余大量的木质素、助染剂、表面活性剂等难降解有机物，进水B/C比为0.12，废水生化性较差，处理的难度很大；
（2）由于活性焦主要孔径在2nm-50nm范围的孔为中孔，主要起输送被吸附物质使之到达微孔边缘的通道作用，以及在液相吸附中吸附分子直径较大的吸附质的作用，少部分孔径大于50nm的大孔主要起运输通道的作用，活性焦的孔径特点中孔发达，与废水中大分子污染物的分子直径契合，所以更适合吸附剩余大量的木质素、助染剂、表面活性剂等大分子、复杂有机物和难降解有机物；
（3）活性焦吸附大分子、复杂有机物和难降解有机物效果很好，CODCr从100 mg/L吸附到50mg/L，色度从100 倍吸附到30倍，出水标准达到GB18918-2002的一级A标准；
（4）活性焦吸附NH3-N、TN和TP效果很差，NH3-N从5（8） mg/L吸附到5（8）mg/L，TN从15 mg/L吸附到15mg/L，TP从1 mg/L吸附到0.5mg/L，NH3-N、TN没有吸附去除，TP出水标准达到GB18918-2002的一级A标准；
（5）10万吨/天的提标改造工程，投资约944元/吨水，运行成本0.36元/吨水。
郑州马头岗污水处理厂是目前国内最大的活性焦污水处理应用的市政污水处理厂，废水处理水量为60万吨/天。于2017年，河南省政府要求郑州市市政污水处理厂要达到三类水体排放标准，该污水处理厂进行了升级改造工程，改造后出水达到GB3838-2002地表水环境质量标准中劣三类水质标准，深度处理采用新型活性焦吸附工艺，设计进出水水质见表2。
表2 郑州马头岗污水处理厂进出水水质 单位：mg/L
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该深度处理工程水量60万吨/天，分为两期建设，一、二期各30万吨/天，工程设置活性焦吸附池4座，每2座吸附池配套1座活性焦房。单座吸附池内设置5m*5m活性焦吸附塔48座，每列6座，共8列，每两列公用操作管廊，单座活性焦吸附池共设置4个管廊。每座吸附塔高度9.5m，内部活性焦装填粒径2-5mm，装填高度7m，上升滤速6.7m/h，空床停留时间约60min。本工程总投资37061.72万元，其中一类工程费31163.25万元，二类费3354.56万元，合计吨水投资616元/m3，单位经营成本0.47元/m3。
由表2运行数值、设计参数和费用情况，从郑州马头岗污水处理厂的活性焦应用效果，可以得出以下分析结论：
（1）郑州马头岗污水处理厂主要接纳城区市政污水，分为两期建设，一、二期各30万吨/天，废水中的易生物降解的有机物基本在该厂的前部生化工艺都处理了，剩余的污染物组成主要由木质素、纤维束、表面活性剂等难降解有机物，进水B/C比为0.2，废水生化性还可以，处理的难度相对不大；
（2）由于活性焦主要孔径在2nm-50nm范围的孔为中孔，主要起输送被吸附物质使之到达微孔边缘的通道作用，以及在液相吸附中吸附分子直径较大的吸附质的作用，少部分孔径大于50nm的大孔主要起运输通道的作用，活性焦的孔径特点中孔发达，与废水中大分子污染物的分子直径契合，所以更适合吸附剩余大量的木质素、纤维束、表面活性剂等大分子、复杂有机物和难降解有机物；
（3）活性焦吸附大分子、复杂有机物和难降解有机物效果很好，CODCr从50 mg/L吸附到20mg/L，BOD5从10mg/L吸附到5mg/L，CODCr出水标准达到地表三类水质标准，BOD5和SS出水标准没有达到地表三类水质标准；
（4）活性焦吸附NH3-N、TN和TP效果很差，NH3-N从5 mg/L吸附到1mg/L，TN从20 mg/L吸附到15mg/L，TP从1 mg/L吸附到0.2mg/L，NH3-N吸附效果比较好，TN基本没有吸附去除，是由NH3-N吸附效果造成的TN从20 mg/L吸附到15mg/L的变化，TP出水标准达到地表三类水质标准，TN出水标准没有达到地表三类水质标准；
（5）60万吨/天的提标改造工程，投资约616元/吨水，运行成本0.47元/吨水。
通过高密第二污水厂10万吨/天的提标改造工程和郑州马头岗污水处理厂总处理水量60万m3/d的升级改造提标工程的深度处理运行参数研判和效益分析可知：采用新型活性焦吸附技术作为提标改造的深度废水处理技术手段，吨水投资在616元-944元/m3之间，吨水运营成本为0.36元-0.47元/m3之间，取得了比较好的经济、环境和社会效益。
5．新型活性焦吸附应用前景展望
新型活性焦吸附技术，打破了技术瓶颈—活性焦流化反洗，使反洗更彻底，运用自动提取和投加技术，使得整个运行过程实现了完全自动化控制、工艺操作性强、不产生二次污染等显著优势，是一种低成本可持续的废水深度处理绿色技术，比臭氧催化氧化工艺废水深度处理费用节省50%。本文提出将磨损掉的活性焦粉回用至前端生化池作为污泥增浓剂，可作为未来工程应用的一个研究方向；目前活性焦技术应用时间尚短，活性焦再生后，其比表面积变化、吸附效率和机械强度等性能仍需要在以后应用中进行系统的测试是另一个研究方向。
6.结论
（1）活性焦床装填高度为2 m -7m、上升滤速3.0 m/h -6.7m/h、空床停留时间约40 min
-60min；
（2）新型活性焦深度废水吸附技术投资在616元-944元/m3之间，运营成本为0.36元-0.47元/m3之间；
（3）高密第二污水厂10万吨/天的提标改造工程废水处理后的出水水质标准，达到了GB18918-2002的一级A标准，以及郑州马头岗污水处理厂的出水水质标准达到了GB3838-2002的地表水劣三类标准；
（4）新型活性焦深度废水吸附技术还需要在未来的废水深度处理应用中不断地总结、完善和提高。
参考文献
[1]陈盛，许士洪，李登新.活性焦在水处理中的应用研究与进展[J].2018，47（9）：1962-1965
[2]李励，郭兴芳，孙永利.活性焦技术在水处理中的应用与展望[J].工业用水与废水，2020,51（5）：1-4
[3] 陈盛，许士洪，李登新.活性焦在水处理中的应用研究与进展[J].化工应用，2020,47（9）：1962-1965
[4]刘永峰.活性炭吸附工艺在纺织印染废水深度处理的工业化应用[D].河南：郑州大学，2017
[5]李金国，李霞，王万寿.活性焦吸附工艺在市政污水深度处理中的应用[J].给水排水，2018,44（5）：28-30
[收稿日期：2021-
作者简介：张方方（1984-），女，硕士研究生，工程师，研究方向为污水处理]