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活性焦用得起的吸附强化水处理技术

发布时间:2018/01/31 点击量:

  难降解废水,顾名思义,由于废水中含有大量的生物难降解或有毒有害物质,单纯使用生化技术,出水水质难以满足日益严格的排放和回用要求。如何实现难降解废水的高效处理,一直是研究和工程实践的热点和难点。在众多的物化处理技术中,吸附技术由于其可良好的生物相容性,更是受到关注和青睐。
  
  在水处理技术中,吸附技术非常悠久。早在一百年前,人们就开始使用活性炭进行水的净化。但是由于活性炭价格昂贵,长期以来,主要集中在饮用水深度处理领域,典型工艺路线为“臭氧+生物活性炭”,目前已成为控制饮用水中微污染物的主流技术。在家用净水器中,活性炭柱也是标配??梢运?,活性炭吸附水处理技术是最家喻户晓的技术。
  
  活性炭的吸附主要靠内部的孔道。按照国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)的定义:孔径小于2纳米的称为微孔,孔径在2到50纳米之间的称为中孔,孔径大于50纳米的称为大孔。在吸附过程中,大孔是物质传输的通道,中孔和微孔是吸附位点。一个合理的吸附剂需要与被吸附的污染物进行匹配,即空间位阻效应。
  
  在工业应用中,常采用碘值来表征比表面积尤其是微孔的表面积,微孔活性炭的比表面积一般为800-1000m2/g。长期以来,活性炭的应用(水处理)和生产(煤化工)脱节,生产单位不清楚用户的需求,用户的需求无法有效传递给生产,在活性炭的使用中普遍存在“万金油”现象,应用需求和炭种不匹配,造成大量的资源浪费,也一定程度上限制了吸附水处理技术的发展。
  
  什么是活性焦
  
  活性焦,Lignite-coke,是中国电科院国电富通团队以褐煤等低变质煤为主要原料,开发的一种新型炭质吸附材料,并实现了万吨级的工业化生产,形成了活性焦企业标准和系列化产品。与传统的活性炭相比,活性焦孔径结构中孔较为发达,比表面积较低(500-6002/g),价格低廉。
  
  活性焦与活性炭的孔径结构与吸附性能对比示意
  
  可以看出,如果废水中含有较多的大分子污染物,微孔活性炭的吸附去除效果是低于活性焦的,换句话说,如果要达到对大分子污染物相同的吸附处理效果,微孔活性炭的投加量要高于活性焦,运行成本自然十分昂贵。煤化工废水、印染废水、制药废水中含有大量的大分子难降解污染物,活性焦对之有很好的吸附性能。
  
  鉴于活性焦的中孔特点,原来在自来水应用领域常用的碘值,已经不能全面表征其吸附性能,迫切需要有一种新的指标体系。
  
  吸星大法与化功大法
  
  难降解工业废水的典型工艺流程为“预处理-主体生化-后处理”,生化处理是核心,而合适的预处理则是达标的关键。生化降解犹如“化功大法”,利用微生物的代谢将污染物化之于无形;活性焦吸附则如“吸星大法”,通过物理性的吸附,强化生物降解,提升了对污染物的处理能力。
  
  本技术成果利用活性焦对大分子难降解物质的选择性吸附作用,对生化过程进行强化,延长微生物与污染物的作用时间,提升处理效果和系统抗冲击负荷能力,在保障出水水质的前提下减少生化处理单元的构筑物尺寸,缩短水力停留时间。国电团队还开发出新型动态吸附池、生物流动床、活性焦生物滤池等高效反应器,成功地掌握了废焦回流、气液耦合流态化等关键技术,实现了高效传质和强化反应。
  
  尤其是在强化预处理方面,创造性地利用含焦剩余污泥絮体的高比面积和逆流吸附废焦的剩余能力,大大增强了预处理单元对难降解物质的去除,从而提升了整体工艺的效率。
  
  本技术成果申请专利11项,发表论文6篇,通过了中国化工学会组织的专家鉴定,形成了自主知识产权的活性焦吸附生物降解耦合技术(LAB, Lignite-coke Adsorption Biodegradation)。
  
  本技术成果成功应用于全球规模最大的煤制气废水项目(大唐克旗),以及我国最大的制药园区废水处理项目(石家庄良村南)等多个重大工程项目,取得了良好的经济、社会和环境效益。本技术还获得2016年度环境?;た蒲Ъ际踅?,是一项适用于难降解废水的新建和改造工程的实用技术。
  
  活性焦技术在煤化工废水中的应用实践
  
  内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气是国家煤制气示范项目。该项目所产生的综合废水中CODCr在3500 mg/L左右、氨氮在200 mg/L左右,废水含高浓度有机污染物包括酚类、多环芳香族化合物及含氮、氧、硫的杂环化合物等,色度极高,是一种典型难降解工业废水。项目采用生化+深度处理工艺,其中深度处理采用LAB技术,出水COD小于50mg/L。
  
  大唐克旗项目工艺路线
  
  大唐克旗项目吸附池
  
  经验与启示
  
  当前,环保产业快速发展,环保技术创新是学界和业界共同关心的话题,本技术成果的研发和产业化过程,或许可以提供一些借鉴。
  
 ?。?)需求导向
  
  2009年是我国煤制天然气等新型煤化工快速发展的开局之年,废水处理与回用问题成为当时影响项目审批和运行的关键。研究团队成立之初就有明确的产业化目标,即攻克煤气化废水处理难关,为2012年首个项目的投标和设计建设提供技术支撑。因此以目标项目进行倒逼,倒排工期,技术开发产业化是按照系统工程的思维进行整体统筹的,在各关键时点都配置了大量的资源。
  
  LAB工艺研发历程
  
 ?。?)高效且多元化的团队
  
  本技术成果的关键材料活性焦是一种有别于传统活性炭的新材料,其研发成功很大程度上有赖于一个背景多元的团队,团队由一批环境工程、煤加工、热工、机械等多学科的高素质人才组成,硕士以上学历超过50%,年龄结构上既有经验丰富的老同志,也有新的毕业生,团队有很强的战斗力。
  
 ?。?)投入充分
  
  一项创新性的工程技术的开发需要大量的人力和资金等各方面的投入。本技术成果研发过程中,在领导的大力支持下,稳定的技术队伍有20多人,公司(包括上级单位和国家863项目)累计投入经费超千万元,在研发过程中也建立了包括CMA测试、中试等链条完整的创新基地,为后续其他项目的研发提供了坚实的基础。

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