水處理工廠中顆粒活性炭的管理（碩士**譯稿節選01）
(2010-08-19 08:45:59)
報告摘要
（南非的）rietvlei水處理廠的顆粒活性炭（gac）吸附過濾系統擴建工程在經過了一系列詳盡的測試之後，於2023年投入運營。執行到2023年中時，對顆粒活性炭的效能進行了為期一年的全流程封閉監測。確認了gac的確是一種在各種操作條件下都具有高效能的產品之後，該工廠將工作重點轉移到gac處理工藝和再生系統的優化方面。
經常性地將活性炭從濾器用原料的貯存庫轉移到廠外的再生工廠、再從再生工廠將再生之後的活性炭運回處理廠，會顯著地增加操作人員的工作量並構成總體gac系統執行成本的主要組成部分。針對rietvlei水處理廠在生產實踐中暴露出的一系列問題，進行了大量的系統性調查研究工作。
本**的第一部分內容係對gac的使用和停用（離廠再生）情況進行定向跟蹤並進行定量化評估。發現gac在吸附器中的損失率為10.0%，其中因反沖洗操作造成的炭損失為0.
3%，為進行再生處理而從吸附器中取出活性炭的操作過程造成的損失率為9.7%；這些損失的活性炭用集水池並不能全部攔截，有佔活性炭全部投入量2.3%比例的活性炭最終被排入了河水中，在集水池的出口處加設一組濾網則可以消除這一損失量。
吸附器中裝填的全部炭量的其餘80.3%（除去損失量之外的剩餘炭量）的活性炭進行再生處理，而再生過程中又會損失18.7%的炭；只能通過對再生工藝的優化來使這一損失量降至最低，但這項工作需由再生承包商來具體進行。
報告的第二部分目的是考察gac在吸附床層內的行為。通過實驗室檢測及相關計算確定活性炭的孔隙度和球形度；發現粒度為12×40目和8×30目的活性炭，其孔隙度分別為0.69和0.
66；其球形度則分別為0.67和0.66。
採用經過校準的床層膨脹模型，計算出活性炭在rietvlei水處理工廠實際使用過程中兩個溫度極端值——9℃和23℃——對應的床層膨脹度；對分別採用粒度為12×40目和8×30目活性炭的吸附床，確定了床層的平均可利用自由空間高度，分別為650mm和430mm；當床層上部的自由空間高度大於這一限值時，在反沖洗操作期間不會出現gac越過溢流堰壩結構而損失的現象。
在報告的第三部分我們測定了在gac迴圈使用過程中不同位置的gac的物理性變化情況，主要的發現是在反沖洗及取出操作過程中有少量gac顆粒會破碎為更小的顆粒，在迴圈再用時會被洗出床層，與床層中的絕大多數gac相比，這些顆粒的表觀比重較大、吸附能力較低。在從吸附床中取出炭及將其運送到再生廠的過程中並未發生顯著的炭磨損、也未產生碎裂的炭顆粒。與再生之前相比，再生完成後的活性炭表觀密度降低了7%、吸附效能增加了30%。
在報告的最後乙個部分，將gac的吸附效能與炭的使用期以及濾出水的uv254去除率相關聯。活性炭再生之後，出水的uv254去除率大約為20%，使用400天後下降到14%，使用600天後再降至10%的水平；剛再生完成的活性炭碘值約為800mg/g，投入使用400天後降低為600mg/g，600天之後再降至500mg/g。
報告中採用的符號一覽表（略）
1、簡介
1.1 研究背景
從2023年始rietvlei水庫向pretoria城**飲用水。隨著近年來hennops河流域人口數量的持續增長，水庫的水質已開始劣化，該水處理廠被迫於2023年進行了技術改造，使出水水質好轉了幾個年頭。但因為這一流域內農業活動的廣泛開展，造成進入水庫的氮和磷的濃度連續增加，促進了藻類的繁殖（特別是在夏季時更是如此）。
2023年van staden在rietvlei水處理廠進行了為期192天的中試研究工作，對各種可能的輔助性水處理技術進行了相關的試驗。對顆粒活性炭（gac）加臭氧處理技術的研究結果表明，當兼顧運營成本和水質兩方面因素時，採用附加gac水處理裝置可能是最佳選擇方案。為提高供水水質，特別是去除因藻類造成的異嗅和異味，該工廠於2023年建設了gac水處理工序，並於2023年11月22日投入執行。
試執行開始後，在2023年由de kloe負責組織了為期一年的封閉式監控工作，以檢測在全執行規模狀態下gac的使用效能。在確認了gac在所有執行工況下均能夠提供高質量的水產品之後，目前該工作組的工作重點已轉向了gac水處理工藝的優化以及活性炭再生系統研究方面。
1.2 存在的問題
首先暴露出的問題是gac的損失率高於設計預期值，且損失主要發生於再生處理過程。如果能採取更加嚴格的檢測及全程監控使這一初步發現的問題得以證實並定量化，則可以在新制活性炭產品採購合同中對炭的效能規格加入相關性約定條款，且在今後的gac再生處理委託加工合同條款中也加入相關約定。
發現的另乙個問題是活性炭水處理裝置的執行費用較高，這是由兩個方面的原因造成的。第一，活性炭是一種昂貴的水處理材料，其在使用過程中不可避免的損失量造成執行成本較高（應想方設法使損失量最小化）；第二，該水處理廠所用活性炭必須周期性地從過濾器中取出、通過商業化方式運輸到廠外進行熱再生處理，再生後的炭重新運回並加裝到過濾器中重新使用，由此引起的執行費用也是非常高的。若選擇達到uv穿透點之後再對活性炭再生處理，則執行費用將會大幅降低。
解決上述問題的方法是尋求乙個最具經濟效益性的途徑來執行及維持工藝裝置，即：通過進一步的探索研究來尋求一種與世界其它地方不同的工藝操作方式，形成具有當地特色的技術解決方案。由於rietvlei的gac水處理裝置是南非迄今唯一已投入執行的同類裝置，故尚無可資利用的、具當地特點的、與gac裝置運營、gac處置和再生、以及與gac運輸相關的過程損失量的資料。
1.3 研究的目標及宗旨
本**通過系統性調查研究工作，就rietvlei水處理廠在執行過程中暴露出來的下述實踐性問題做出回答及專題報告：
（1）如何對活性炭的效能進行規定，以及如何對活性炭的選擇標準進行權衡？
（2）由於廠內沖刷操作造成的gac損失量有多大？如何對反沖洗迴圈工藝進行修改從而避免這一損失率過高？
（3）gac的處置操作過程中損失量有多大？以及如何能使這一損失率降至最低？
（4）在再生過程中gac的損失量有多少？如何降低再生損失？
（5）哪些效能引數可用來對gac的再生處理效果進行相應規定？
（6）如何選擇停止gac吸附操作的時機，以取出活性炭並進行再生處理？應該選擇對出水質量進行連續監測方案，還是應該選擇週期性檢測gac的殘留吸附能力的監測方案？
2、關於gac的文獻調研結果
2.1 顆粒活性炭簡介
很久之前人們就將活性炭作為一種可從液相中有效脫除某些低濃度成分的、具有多功能的吸附劑材料加以應用。木炭作為現代活性炭產品的先驅早在西元前2023年就被古埃及人用作醫療目的以及用於水的淨化處理（資料**：faust & aly, 1983）。
迄今為止，活性炭是已知的有吸附能力的材料中物理吸附力最強、有效吸附孔容積最高的吸附劑。
顆粒活性炭被用於各種各樣的水處理系統，目的是從原水中去除氯、濁度、可溶性有機物、異嗅、異味、色度、以及合成有機化學品汙染物等。活性炭獲得如此廣泛應用的主要原因是它具有高吸附能力，這種能力應歸因於它的高孔隙率，以及由此產生的巨大的比表面積（高達1500m2/g）。（資料**：
faust & aly, 1983; kienle, & baeder, 1980）。
活性炭的這種應用優勢使得它成為一種適合於飲用水淨化處理過程的吸附劑，特別是在南非，由於水質一直在持續劣化，所以活性炭的應用前景日益廣泛。
2.2 活性炭的製造及其活化工藝
可採用多種具高含碳量的材料來製造活性炭，如：煙煤、木材、堅果殼、褐煤、泥炭、鋸末、骨頭和石油焦等。與任一產品的製造過程相同之處在於，活性炭原料的質量對最終產品的品質也有決定性作用。
在歷史上用於工業應用領域的活性炭產品通常是採用木材、泥炭和其它植物性材料的派生物為原料來製造的；發展至今，由於褐煤、其它原煤以及焦炭的**廣泛、**低廉，已成為最大宗的活性炭製造原料。
活性炭的製造涉及一系列的工序環節。首先是將原材料加工成尺寸均勻的顆粒，可採用的技術包括高壓擠出、造粒或壓塊成型等，該工序對最終產品的物理效能（如產品的粒度、粒度分布、外形、粗糙度及硬度等）有影響；與採用的原材料是含碳水化合物還是含纖維素（例如木材）的原料相對應，活性炭製造的第二步驟被稱為炭化或熱解，在該工序原料在隔絕空氣的前提下被緩慢地加熱到低於600℃，使熱解產物從原料中揮發去除；最後進行活化加工，在活化過程中通過碳結構的微觀撕裂、龜裂以及部分孔洞選擇性崩塌等作用形成微孔結構，從而獲得巨大的比表面積。
可選擇造粒後再炭活化、或者直接炭活化製造工藝，當選用後者時，將跳過上述第一道工序環節而直接進入破碎、篩選、焙燒（炭化）和活化等加工環節。由於較大顆粒物料的活化過程必須從顆粒的外表逐漸向內部進行，所以當採用直接炭活化工藝時，所製成的產品近外層部分會具有高表面活化度，而顆粒的內部表面積則很小。
採取這兩種工藝製造的顆粒活性炭具備不同的效能特點，先經過壓塊成型的工藝過程製造的活性炭產品密實度更高、抗磨損能力更好，而且可通過新增人工合成的成孔劑而使壓塊成型顆粒的活化度提高、同時調整產品的特定吸附能力和特殊的應用效能（資料**：van stone, brooks, & neulight, 1999）。
有兩類有很大差別的活化工藝方式。其一是化學活化法，適用於非碳化性（即非熱解性）原材料如鋸末和泥炭等，採用脫水劑如氯化鋅或磷酸在高溫條件下對這些原材料進行處理，以獲得大量的微孔結構體系；其二是氣體活化工藝，適用於可碳化性原料如木炭、泥炭焦化料及堅果殼等，採用水蒸氣或二氧化碳等氧化性氣體於特殊的活化爐（如最常用的多段爐）中、在溫度約800至1000℃範圍內，氧化劑氣體選擇性與炭化料發生部分反應使炭化料發生氣化而轉化為氣相產物，從而在炭結構中形成有一定排列的、大量存在的空心狀孔隙系統（資料**：zolf, steenkamp, & breet,2000）。
最終的活性炭產品經過粉碎可獲得粉狀炭產品。
原料種類及活化工藝對活性炭產品的特點和效能具有巨大的影響作用（資料**：chemviron carbon, n.d）。
2.3 活性炭的結構
按照規律，活性炭通常被歸類於具有「三分散型」結構的吸附劑，即：它們同時包含有微孔、過渡孔（中孔）和大孔結構。依據dubinin(1966)的觀點，僅有極少數的微孔可以直接通向炭顆粒的外部表面，而絕大多數的孔隙結構以下述模式分布於顆粒內部：
大孔直接開口於炭顆粒的外部表面；過渡孔則象樹枝一樣從大孔的孔道中「生長」出來；而微孔隨後也象樹枝一樣從過渡孔的孔道中「生長」出來。活性炭總比表面積值的90%以上是由微孔貢獻的（資料**：u.
s. sub***mittee on adsorption of the national research council's safe drinking water ***mittee, 1999）。在活性炭顆粒中存在的上述各種孔隙對吸附作用的發揮均很重要，比如：
不同尺寸的吸附質分子可充填到不同尺寸的孔隙空間內；對於生活用水的處理產業來說，微孔十分重要，原因是從原水中被吸附脫除掉的汙染物分子絕大多數可在活性炭的微孔結構中被找到。
活性炭在廢水處理中的應用
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活性炭吸附技術在水處理方面的應用
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顆粒物計數儀在給水處理工藝中的應用
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