成都某水厂供水应急煤质粉炭投加设备

2014-08-26

 

  摘要:粉末活性炭吸附技术作为一种改善水质和应对源水突发性污染的有效措施,由于优点突出,在国内净水厂中得到越来越多的应用。本文对粉末活性炭种类的选择、投加量、投加点等的确定作了论述说明,并结合广州两间大型水厂对粉末活性炭投加工艺进行了介绍。

  关键词:粉末活性炭 吸附 比表面积 投加量


  粉末活性炭在给水处理中的使用已有70年左右的历史。自从美国**使用粉末活性炭去除氯酚产生的臭味以来,该项吸附技术在水处理行业中的应用越来越广。

  现在粉末活性炭在欧、美、日等发达国家给水处理中应用很普遍,美国在80年代初期每年用于水处理的粉末活性炭量达到近2.5万吨,且有逐年增加的趋势。我国60年代后期也开始注意被污染水源的除臭、除味问题,粉末活性炭在国内大城市如上海、哈尔滨、合肥、广州等的净水厂也逐渐得到了应用。

  本文将结合我公司在粉末活性炭使用方面的心得体会,简单介绍一下粉末活性炭在净水厂中的应用问题。

1. 粉末活性炭简介

  粉末活性炭(英文名称:Powdered ActivatedCarbon,简称PAC)外观为暗黑色,具有良好的吸附性能,化学稳定性好,可耐强酸强碱,能经受水浸、高温。比表面积高达1000~1500m2/g,属于多孔性的疏水性吸附剂。

  粉末活性炭对水中溶解的有机物如:三卤甲烷及前体物质、四氯化碳、苯类、酚类化学物有较强的吸附能力;对色度、异臭、异味、亚甲基蓝表面活性物质、除草剂、杀虫剂、农药、合成洗涤剂、合成染料、胺类化学物等也用较好的去除效果;对汞、铝、铁、镍、锌、钴等也有较强的吸附能力;但对氨氮的吸附去除率较低。

  粉末活性炭的品种很多,主要是因为制造粉末活性炭的原材料很多,例如有:木材、椰壳、果壳、煤、焦碳、骨、石油残渣等。由于某些炭种在水中会析出有毒物质,故在水处理行业中主要使用的炭种有:木质、椰壳、煤质炭。由于不同的炭种活化工艺不同,造成活性炭的元素组成和表面非结晶部位及各种官能团的分布有所不同,这都直接影响到活性炭的吸附性能和不同有机物表面扩散速度。因此,粉末活性炭在给水处理中有一定的**适用范围。对于不同的水质,不可能有统一的*佳炭种,只有在模拟静态选炭试验的基础上,同时考虑选用粉末活性炭的经济因素,才能选择合适炭种。例如我公司西村水厂、石门水厂抽取的原水分别来自珠江后航道和流溪河,水源水质较相似,经试验比较后,现使用的都是木质粉末活性炭。

  粉末活性炭使用后单独分离、回收、再生较为困难,一般都随水厂的污泥一并处理。

2. 粉末活性炭的投加

2.1.投加方法

  粉末活性炭的投加方法有干式投加和湿式投加两种,目前给水行业中常用的是湿式投加法,该方法是将粉末活性炭配置成悬乳液定量投加。悬乳液的重量百分比浓度采用5%左右为宜,浓度大了容易造成投加管道的堵塞和其他机械故障。

2.2.炭种、炭粉粒径的确定

  目前国内评价活性炭大多采用碘值、亚甲蓝值等指标,但在工程实践上,我们不仅需要考虑粉末活性炭的总吸附比表面积(也就是碘值、亚甲蓝值等指标),还要判断粉末活性炭颗粒内部的孔径分布是否容易达到快速吸附,使用中粉末活性炭是否达到吸附平衡。一般认为活性炭的中等孔隙越发达越有利于吸附动力学平衡,根据经验,可以采用一些分子量较大的吸附质来衡量孔径分布。我公司曾采用刚果红(分子量697)试剂和富里酸(腐植酸)(分子量约1000)试剂作为吸附质进行试验(相比较碘分子量254,亚甲蓝分子量320),水中的天然有机污染物质主要是指腐植酸,其中分子量1000左右的称为富里酸。

  在水厂投加粉末活性炭的生产过程中还涉及到炭粉粒径大小的问题,粒径大(目数小)的活性炭吸附的比表面积就小,吸附效果差一些;粒径小(目数大)的活性炭比表面积就大,吸附效果将好一些,但目数太大有可能穿透滤池,带来危害。

  表1和表2是我公司采用目数分别为200目、250目、325目的木质和煤质粉末活性炭进行以刚果红、富里酸为吸附质的吸附试验数据,吸附时间统一为45分钟;水样在振荡器上进行混合,频率设定为180次/分钟;水样采用离心机分离,转速4000r/min,时间10分钟,**分光光度方法测定浓度。

表1 粉末活性炭对刚果红的吸附

 

木质炭(目数)

煤质炭(目数)

200

250

325

200

250

325

投加量25mg/L

0.538

0.535

0.530

0.565

0.549

0.541

单位吸附量×102mg/mg

2.04

2.24

2.60

0.16

1.28

1.84

投加量50mg/L

0.491

0.487

0.480

0.539

0.529

0.525

单位吸附量×102mg/mg

2.68

2.82

3.06

0.98

1.34

1.48

投加量100mg/L

0.446

0.420

0.393

0.532

0.525

0.514

单位吸附量×102mg/mg

2.13

2.59

3.07

0.62

0.74

0.93

投加量150mg/L

0.344

0.328

0.301

0.497

0.485

0.482

单位吸附量×102mg/mg

2.62

2.81

3.13

0.82

0.96

0.99

平均吸附量×102mg/mg

2.37

2.61

2.97

0.65

1.08

1.31

吸附效果排名

3

2

1

6

5

4

  从表1平均吸附量的数值中可以看出,对于木质而言,250目的吸附效果比200目提高10.1%,325目的比200目提高25.3%;对于煤质而言,250目的吸附效果比200目提高66.2%,325目的比200目提高101.5%;以这两种木质和煤质活性炭吸附刚果红比较,木质远远优于

煤质。

表2 粉末活性炭对富里酸的吸附

 

木质炭(目数)

煤质炭(目数)

200

250

325

200

250

325

投加量25mg/L

0.096

0.092

0.091

0.106

0.103

0.103

单位吸附量×102mg/mg

0.88

1.14

1.20

0.25

0.44

0.44

投加量100mg/L

0.080

0.052

0.044

0.093

0.087

0.085

单位吸附量×102mg/mg

0.45

0.90

1.03

0.24

0.34

0.37

投加量150mg/L

0.057

0.036

0.030

0.087

0.078

0.075

单位吸附量×102mg/mg

0.56

0.78

0.84

0.24

0.34

0.37

平均吸附量×102mg/mg

0.63

0.94

1.02

0.25

0.37

0.39

吸附效果排名

3

2

1

6

5

4


























  从表2平均吸附量的数值中可以看出,对于木质而言,250目的吸附效果比200目提高49.2%,325目的比200目提高61.9%;对于煤质而言,250目的吸附效果比200目提高48.0%,325目的比200目提高56.0%;以这两种木质和煤质活性炭吸附富里酸比较,木质远远优于煤质。

  根据上述分析,我公司在炭种的选择上选用木质粉末活性炭,炭粉的粒径采用325目。

2.3吸附时间的确定

  由于工艺流程和场地的限制,国内多数水厂粉末活性炭的吸附时间小于半小时,远达不到吸附平衡所需要的吸附时间,造成吸附能力的浪费;另外,由于吸附时间不够长或水流混合强度不够,会造成活性炭的沉淀(一般来讲,目数大的活性炭由于比重相对较小,较不容易发生沉淀),也会浪费部分吸附能力。为了确定粉末活性炭达到吸附平衡所需的时间,我公司曾做过试验,试验以粉末活性炭*有效的除色、除臭效果作为参考指标。为使试验的数据更明显及减少试验误差,特选用臭阈值较高的原水以及较实际用量高的粉末活性炭投加量。

试验在原水中投加10mg/L粉末活性炭(江西产的240目木质粉末活性炭)静置,分别于1、2、3小时后采样检验臭阀值和吸光度,同时以原水为参比。试验数据详见表3:

表3 不同吸附时间对应的吸附效果

项目

原水

水样1

水样2

水样3

臭阈值

150

25

20

20

吸光度

0.22

0.15

0.14

0.14

除臭率(%)

 

83

87

87

除色率(%)

 

32

36

36

  从试验得出:活性炭的吸附作用在1小时内基本完成,1小时后臭阈值、色度没有明显下降。

2.4.粉末活性炭和混凝剂的投加分析以及投加量的确定

  为了选择*佳投加量范围,我公司通过试验得到表4的数据,试验采用的活性炭是江西产240目木质粉末状活性炭。试验采用两种投加活性炭粉的方式,一种是活性炭粉与混凝剂同时投加,另一种是先投加活性炭粉,吸附数小时后再投加混凝剂。

表4 不同情况下吸附效果的对比

水样注1

项目

1

2

3

4

5

6

混凝剂投加量注2(mg/L)

0

145

145

145

145

145

活性炭投加量 (mg/L)

0

0

5

5

10

20

浊度 (NTU)

20

0.73

0.67

0.75

0.81

0.84

PH

7.2

7.2

7.2

7.2

7.2

7.2

色 (度)

50

35

20

20

20

20

臭阈值

6.7

5

5

5

3.3

3.3

阴离子合成洗涤剂(mg/L)

0.59

0.56

0.57

0.50

0.54

0.49

挥发酚类(mg/L)

0.006

0.005

0.009

0.007

0.005

0.005

藻类 (万个藻类细胞/升)

55.8

44.4

29.5

25.3

26

33.1

注1:水样3是指在原水中同时投加活性炭粉和混凝剂,然后静置3小时后的出水。水样4、5、6是指在原水中先投加活性炭粉,静置3小时后再投加混凝剂后的出水。

注2:投加的混凝剂是**聚合铝,投加量以原品计算。

  试验结果表明:

2.4.1 活性炭粉和混凝剂同时投加能明显地提高混凝沉淀效果。

2.4.2投加活性炭粉对去除色度有明显的效果,去除效果十分稳定。活性炭粉的两种投加方式对去除色度的效果相近。

2.4.3投加活性炭粉对除臭有明显的效果,去除效果亦十分稳定。两种投加方式中以先投加活性炭粉后投加混凝剂的除臭效果比同时投加的除臭效果好。

2.4.4投加活性炭粉对去除阴离子合成洗涤剂有一定的效果,去除率约为30%。活性炭粉的两种投加方式中以先投加活性炭粉后投加混凝剂的去除效果比同时投加的去除效果略好。

2.4.5 投加活性炭粉对去除挥发酚类的效果不明显。

2.4.6单纯投加活性炭粉对去除藻类的效果不佳,若活性炭粉与混凝剂同时投加则能取得明显的去除效果,主要原因是混凝沉淀效果明显提高的同时提高了藻类的去除率。

2.4.7 投加活性炭粉对水的PH值影响甚小。

2.4.8 活性炭粉的投加量在5mg/L~10mg/L比较适合。

2.5.粉末活性炭的投加点选择

  对于常规的混凝、沉淀、过滤水处理工艺,粉末活性炭的投加点可以有几种选择:原水吸水井投加、混凝前端投加、滤池前(沉淀池后)投加。这几个投加点的选择应采用模拟静态选炭试验进行,模拟实际工艺过程的工艺条件、水力条件,并对结果进行技术、经济比较后确定。

2.5.1一般认为下,吸水井投加能较充分地发挥粉末活性炭的吸附作用,但存在着与后续混凝工艺竞争去除有机物的问题。如果吸附与混凝竞争严重,将降低活性炭的吸附作用,造成投加量增加,处理成本加重。通常只有在原水浊度低的情况下,吸水井投加的优势才能体现出来。另有一点需指出,粉末活性炭投加在吸水井,可能会对水泵的叶轮、水封部件等产生不良影响。

2.5.2在混凝前端投加,理论上分析认为投加混凝剂后,在絮凝池中形成的微小絮体尺度发展到与粉末活性炭颗粒尺度相近的位置应作为*佳投加点。在该点投加既可在一定程度上避免竞争吸附,又可使絮体对粉末活性炭颗粒的包裹作用*小,可以充分发挥粉末活性炭的吸附效率。

2.5.3滤前投加,不存在吸附与混凝竞争问题,应该是活性炭发挥作用的*佳位置。但应该注意粉末活性炭进入滤池后,会堵塞滤料层使滤池的工作周期明显缩短。此外,粉末活性炭还有穿透滤层现象,而且吸附时间将难以得到保证。

  因此,实际工程设计中,投加点的选择需要结合以上说明,再根据原水水质和水厂处理工艺特点综合考虑决定。

3. 粉末活性炭吸附技术应用的关键问题

3.1 根据水厂原水水质状况,特别是有机物分子量的分布状况,确定投加粉末活性炭的炭种;

3.2 根据水厂的实际水质情况,确定合理、经济的投加量;

3.3根据水厂现有的生产工艺,确定合适、合理的投加点和投加方式,以解决粉末活性炭与混凝剂吸附竞争的矛盾,提高粉末活性炭的使用效率;

3.4 粉末活性炭在应用中粉尘飞扬的污染问题以及投加过程中工人劳动强度大、工作环境恶劣等问题;

3.5粉末活性炭的精确制备和定量投加问题,为稳定粉末活性炭吸附除污效果,应在一定范围内尽量保证投加计量的准确,这不仅关系到处理效果,还跟制水成本密切相关;

4.粉末活性炭应用简介

  粉末活性炭投加系统根据水厂的自动化程度和各水厂的实际情况,可分为自动化投加系统和人工操作投加系统。目前,粉末活性炭自动化投加系统国内尚处于研制、开发阶段,下面以我公司两间大型水厂为例,简单介绍粉末活性炭的投加使用情况。我公司无论是石门水厂还是西村水厂,都采用湿式投加法。

4.1石门水厂

  石门水厂的产水量为75万m3/d,投加量在5~12mg/L之间。由于水源水质受污染情况比较严重,需要24小时连续不间断投加木质粉末活性炭。投加点设于一级泵站的吸水井处。石门水厂的投加系统在国内目前是属于自动化程度较高的一种,整个工艺流程见图1、图2、图3。





  从上述三图可以大体了解该投加系统的工作原理如下:

(1)操作工人往溶解池内注入半池清水;

(2)操作工人把袋装粉末活性炭搬运到脉动气力输送装置的倒料口;

(3)打开倒料口与脉动气力输送装置的贮料仓之间的电动阀门,同时启动除尘器,

(4)人工拆包把一定量的炭粉倒进输送装置的贮料仓(此时,拆包引起炭粉的飞扬通过除尘器吸走,避免工人吸入大量的粉尘,并且保证了车间的清洁。),当活性炭分量达到要求后,关闭前面提到的电动阀门;

(5)启动空压机,往储气罐充气,当储气罐内压力达到0.7Mpa时,开启储气罐与脉动气力输送装置之间的电磁阀,往输送装置的送料仓输送压力空气;

(6)打开送料仓的气刀,通过气刀的启、闭,一段一段的活性炭粉料和一段一段的压力空气紧连着通过管道送进溶解池;

(7)启动搅拌机,将活性炭粉料制成悬乳液(此时,进入溶解池的压力空气通过除尘器过滤后从溶解池内释放出来。);

(8)待炭粉输送完毕后,关闭气力输送装置和除尘器;然后通过压缩空气将过滤后粘在除尘器滤料上的炭粉抖落回到溶解池中,完成后关闭空压机;再往溶解池内注入清水,经过充分的搅拌后,制成浓度为5%~10%的活性炭悬乳液;

(9)开启螺杆输送泵,把炭浆按投加量要求输送到投加点进行投加,并利用螺杆输送泵的计量功能作投加量计量。如是者,上述操作循环进行,就完成了整个活性炭投加过程。

  上述粉末活性炭投加系统相对于一些中小型水厂,自动化程度已经有了很大的提高,工人劳动强度及工作环境也有了明显的改善,可以说该投加系统是比较先进、成功的。但本着精益求精的精神,结合石门水厂的一些使用、管理经验,我们认为该系统还存在以下一些不足,并准备在西村水厂水源泵站活性炭投加室改造工程中加以改进。

①因为要人工拆包,对于石门水厂这个产水量为75万m3/d,且要24小时连续投加的大型水厂来说,其劳动强度无疑是巨大的,如能采用自动拆包工艺,则是操作工人的福音;

②由于要考虑到拆包倒料方便等因素,脉动气力输送装置要安装在地面以下,检修较麻烦,如果设备能安装在地面上,安装检修都比较安全、省事;

③由于国内生产粉末活性炭的厂家素质良莠不齐,出厂炭粉质量得不到保证,石门水厂曾经发生过由于炭粉中含有较大块的石头,造成脉动气力输送装置送料管道堵塞,影响投加的事故,如果能在设备上增加一道筛选工艺,无疑又为安全生产提供了保障。

4.2 西村水厂

  由于西村水厂原水取自珠江后航道,其水源水质的污染情况日益严重。西村水厂现也跟石门水厂一样,必须每天24小时连续投加粉末活性炭,投加量在5~15mg/L,对于产水量100万m3/d的西村水厂来说,这就意味着每天需投加粉末活性炭15吨,也就是说每天要投规格为25kg/包的炭粉600包。现在西村水厂采用的是人工操作的投加方式,每天由工人不停地把袋装粉末活性炭搬运到溶解池处,经过人工拆包倒入溶解池内,配成悬乳液后,采用重力流的方式投加到一级泵站出水口的卫生河中,原水经过约3km长的卫生河充分吸附后(吸附时间有将近3小时),进入水厂内的反应池。

  由于采用人工操作,工人的劳动强度非常大,且由于活性炭粉尘的污染,操作环境比较恶劣。为了减轻工人劳动强度,改善工作环境,在吸取石门水厂粉末活性炭投加工艺的经验、教训的基础上,我公司对西村水厂水源泵站活性炭投加室进行重新建设。

  石门水厂的运行经验证明,采用螺杆输送泵投加及采用塑烧板除尘器除尘是成功的,但需对炭粉输送设备进行进一步的改进。经过我们在国内外的大量调研、了解,我们准备从国外引进一套全新的袋装粉末活性炭输送设备。该设备主要有以下几部分组成:液压供料台、皮带输送机、自动拆包机、筛选机(主要作用是把炭粉与包装袋、杂质分离)、空料袋收集压缩机。这套输送设备在活性炭投加室的工艺布置如图4、图5、图6所示:







  从上图西村水厂粉末活性炭投加工艺流程图中可以清楚地看到整个活性炭投加过程和原理为:

(1)操作工人往溶解池内注入清水,通过超声波液位计自动控制进水量约为半池;

(2)开启整套活性炭输送设备(包括:液压供料台、皮带输送机、自动拆包机、筛选机、空料袋收集压缩机等)、除尘器、搅拌机;

(3)操作工人开动叉车把一定数量的袋装粉末活性炭运送到液压供料台上,根据皮带输送机的高度升降供料台,以方便工人将炭包放在皮带输送机;

(4)工人把炭包放到皮带输送机上,活性炭包被自动送入自动拆包机的进料仓,拆包机首先调整炭包的位置,然后绞刀组将炭包绞碎,炭粉和包装袋碎片掉入到筛选机上,经过筛选机内旋转筛的筛选,炭粉落入溶解池,而包装袋碎片及混在炭粉中的杂质则被无轴螺旋输送器送往空料袋收集压缩机;

(5)当皮带输送机把炭包送进拆包机的时候,安装在皮带机上方的计量探头同时工作,记录着已送进拆包机的炭包数量,使工人能清楚的知道已拆多少包,根据投加浓度要求,还需拆多少包;

(6)在炭包进入拆包机被绞刀组较碎的同时,安装在绞刀组上方的除尘器工作,将拆包扬起的灰尘吸走,避免工人吸入大量的粉尘,并且保证了车间的清洁。

(7)空料袋收集压缩机在接收到包装袋碎片后通过液压将包装袋压缩、打包,工人随后将经打包的包装袋取走处理;

(8)根据投加量的要求,当往溶解池输送的炭粉量达到要求后,关闭整套活性炭输送设备及除尘器,利用压缩空气将过滤后粘在除尘器滤料上的炭粉抖落回到溶解池中;

(9)再往溶解池内注入清水,通过超声波液位计控制溶解池内的液面高度,经过充分的搅拌后,制成浓度为5%~10%的活性炭悬乳液;


(10)开启螺杆输送泵,调节螺杆泵流量,把炭浆按投加量要求输送到投加点进行投加。如是者,上述操作循环进行,就完成了整个活性炭投加过程。

  上文已经提到过,自动化活性炭投加系统国内还处于研制、开发阶段,粉末活性炭输送装置作为整个活性炭投加系统的核心设备,经过我们调研、了解,国外已有生产厂商能提供整套设备,而国内厂家的产品尚未完全成熟,可以这么说,活性炭输送设备是目前制约活性炭吸附技术应用的瓶颈。

5. 结束语

  投加粉末活性碳后,无论是石门水厂还是西村水厂,水体中相当部分有机物得到去除,水体中胶状物质含量减少,表面粘度下降。粉末活性碳吸附在絮凝物上,有利于絮凝体的架桥,改善了絮凝体结构;除有良好的去除有机污染能力外,石门、西村水厂的经验告诉我们,粉末活性炭还具有良好的助凝作用,使出水CODcr、色度、浊度大幅度下降。

  总之,净水厂中应用粉末活性炭吸附技术,是一项非常有前景的技术,因为粉末活性炭吸附技术作为水厂改善水质的措施,特别是作为处理突发性源水污染的应急措施,运行方式灵活,投资相对较小,效果明显。只要解决好该技术在应用方面存在的局限性,必将在国内净水厂中得到普及应用。


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