怎 样才能提高水处理中的TOC去除率呢

在火力发电厂水处理系统中应用活性炭，主要是去除水中活性氯和有机物，也可以吸附去除铁和硅胶。因为有机物会污染离子交换树脂及反渗透膜并引起汽轮机腐蚀，腐蚀的原因是蒸汽和凝结水中含有有机物热力分解生成的酸性生物。   一、活性炭去除活性氯   为破坏水中细菌、病原和原生动物而施加杀菌剂，一般采用活性氯。活性氯的残余量如不在预处理系统中去除，则会影响下游部件的运行，它可使除盐设备（特别是阳离子交换剂）中离子交换树脂氧化降解，从而逐渐使其交换容量降低，许多高纯水系统中反渗透装置作为主要去除离子装置，其中聚酰胺复合膜对进水中的活性氯是敏感的。   利用活性炭的触媒性质及化学性质对进水的脱氯处理是十分有效的，活性炭上形成表面氧化物，其反应如下：    Cl2 + H2O → HOCl + HCl HOCl → HCl + [ O ] C* + 2 [ O ] → CO2* 反应式中C*代表活性炭表面，而CO2*代表活性炭表面氧化物，随着炭床寿命的增大，一些表面氧化物可能作为CO或CO2释放。美国资料中指出：活性炭脱氯的粗估能力是1克氯/1克炭。反应速度与pH有关，pH越高，ClO- 所占比例越大，反应速度越低。每克炭在大约2.5克氯荷载后，要出现炭广泛的破坏，这种破坏常以过滤器洗提出棕色为标志。应该指出炭表面的氯（作为表面氧化物）是不能通过反洗加以去除的。   日方资料指出，一般使用粒状活性炭去除余氯的试验结果表明：活性炭脱氯处理应遵循一定的法则，就是“半值长”的概念，这个“半值长”在10m/sec 的流速下使任意浓度的氯降低1/2 时的活性炭高度，活性炭的脱氯能力与水流速度及活性炭的层高有关系，“半值长”概念可用下式表示：    HL = 0.301*h/ log（Co/Cx） 这里：        HL——半值长，cm                 h ——层高，cn                 Co——入口氯浓度，mg/l                 Cx——出口氯浓度，mg/l   层高h与流速v的平方根成比例，就是说如果层高1/2，流速就必须是1/4。从式中可以看出炭层越高，“半值长”越大，另外半值长与活性炭颗粒有关，颗粒越小，半值长也越小。因此颗粒大小可以筛分分析，则可正确决定半值长。活性炭脱氯作用在运行初期十分迅速，随时间延长而逐渐减慢，这可用疲劳的概念表示。实际上，活性炭的疲劳是十分缓慢的。如果处理水十分透明，则活性炭在几年内可连续进行脱氯处理，有相当长的使用寿命，所以脱氯费用在整个运行费用中所占比例很小。活性炭过滤也可去除水中浊度，浊度也会污染炭层，可以通用反洗清除这种污染。   二、活性炭去除有机物   同一种活性炭对于不同的污染物的吸附能力有很大的差别，影响吸附的因素：（1）溶解度。对同一族物质的溶解度随链的加长而增加。溶解度越小，越易吸附。如活性炭从水中吸附有机酸的次序是按甲酸——乙酸——丙酸——丁酸而增加。（2）分子构造。吸附质分子的大小和化学结构对吸附也有较大影响，因为吸附速度受内扩散速度的影响，吸附质（溶剂）分子的大小与活性炭孔径大小成一定比例，最利于吸附。在同系物中，分子大的较分子小的易吸附，不饱和键的有机物较饱和的易吸附，芳香族的有机物较脂肪族的有机物易于吸附。（3）极性。活性炭基本可以堪称是一种非极性的吸附剂，对水中非极性物质的吸附能力大于极性物质。（4）吸附质（溶质）的浓度。在浓度一定范围时，随着浓度增高，吸附容量也变化。因此吸附质的浓度变化，活性炭对该种吸附质的吸附容量变化。活性炭从水中吸附有机物污染物质的效果，一般随溶液pH值的增加而降低，pH高于9.0时，不易吸附，pH值越低效果越好。在实际应用中，通过试验确定最佳pH范围。用活性炭水处理时，温度对吸附的影响不显著。由于水中不是单一的污染物质，而是多组分污染物的混合物，在吸附时，它们之间可以共吸附，互相促进或互相干扰。一般情况下，多组分吸附时分别的吸附容量比单组分吸附时低。因为活性炭液相吸附时，外扩散（液膜扩散）速度对吸附有影响，所以吸附装置的型式，接触时间（通水速度）等对吸附效果都有影响。   地表水中的臭气、臭味、色度都是有机物组成的。随着工业发展，地表水的污染日益严重，据日方资料介绍，以德国莱茵河为例，六十年代前，河水水质较好，一般通过河床过滤（即河床井水）就可取得相当清洁的水源；到七十年代，水质明显恶化，单纯的河床过滤已无法使水澄清。长期以来欧洲的科学家做了大量研究，如原水中加入20~30g/m3 活性炭粉，河水就可以澄清，但此方案经济性较差，粉状活性炭去除有机物十分有效，但水质恶化后，活性炭消耗量增加，而采用活性炭与加氯，次氯酸盐，臭氧处理联合使用，试验表明，加氯处理可使活性炭的耗量减少二分之一，臭氧处理对活性炭清洗是有益的。运行经验表明，用臭氧与活性炭过滤可彻底去除河床过滤水中的有机物。未经河床过滤的地表水经过凝聚、澄清、砂滤及活性炭过滤可使原水彻底脱色。所以去除有机物组分是活性炭过滤的第二个主要功能。地表水源和某些地下水，含相当数量的有机组分，这些组分一般来自流域中腐烂的植物，会使除盐装置的阳离子部分受到不可逆的污染，使之逐渐降低功能，也能污染反渗透膜，使膜的清洗次数增多。   地表水中有机物可概略分为两类，较轻部分主要称富维酸（fulvie acid）和较重部分称为腐植酸（umic acid）有些研究人员曾试图确定大多数水源中存在的富维酸的相对分子量，有位研究者利用超过滤分离技术确定出大约51%的富维酸的表观分子量（apparent nwtecular welght）是10000，而39%则小于1000；另一个研究结果得出一个美国东北部地表水源，17.5%有分子量大于10000的富维酸，50%在5000~10000之间，27.5%在1000~5000之间。这些数据固然说明地表水源中，富维酸的变化特性也证实了富维酸物质的分子量较低（与腐植酸类物质相比）。   另一方面腐殖质物质较难识别及描绘，它们实际上是多种化合物的混合物，化学结构分成包括化学方程式及分子量，每个水源各不相同，腐殖质物质实际上是一组酸性的、多分散的随机聚合大分子。萃取的腐殖酸，有的示出，有机碳含量大约为33%（按重量），腐殖质较重部分可以同某些物质相结合，产生一种有机胶态复合物，最应重视的胶态物质一般由硅、铁及铝形成的。   最后应重视的有机质是三氯甲烷，它是由腐殖酸及富维酸同氯反应而生成的。氯仿是这种反应产生的主要三氯甲烷之一。水源水中存在的大多数三卤素甲烷的分子量比其他地面水源中有机物成分的分子量要小很多。   有机物质被活性炭吸附机理是物理吸附。由于原水水源中有机物品种不同，特性各异，吸附机理也不相同，与吸附关系最大的一个因素是孔的大小，大的孔有利于腐殖酸等较重物质的吸附，而小孔的有利于富维酸及三卤素甲烷等较轻部分吸附。对于活性炭去除有机物的有效性和运行寿命是很难预测的。此外近来研究工作表明去除有机物对于炭床中细菌生产可能极为重要的作用，在该研究工作中，活性炭床连续运行了80个星期，经行了TOC和CO2监督，活性炭去除有机物在80个星期内有两种不同的机理，在运行初始星期内，TOC是活性炭物理吸附作用而去除的；在第22到44星期可以发现Cl2产量有明显增大，这期间TOC的去除显然是两种机理，这机理是炭的物理吸附和微生物降解相结合，在此期从CO2生长速度和微生物降解相对比，可得知TOC约30~40%是由于这个过程所去除的；在运行66星期后，微生物过程似乎成了去除TOC的主要机理，所以微生物降解所引起的有机成分去除可能对活性炭过滤器的物理吸附能力给出一个虚假的指示。最后还应指出有机成分和活性炭表面吸引力是相当弱的（范德华力），这种物理吸附过程特性可能引起原来已经吸附的物质解析，依赖于运行参量的改变或进水的有机物组成。大多数活性炭床是根据运行时间或出水TOC值的差值来经行更换。   一个活性炭床对有机物的总吸附能力是可以预测的，实际能力将随水源水中有机物的类型而变，不过活性炭过滤器的典型吸附能力是14000个床的体积，一旦达到其能力后，则靠吸附过程出有机物的效率降为新床的20%左右，在此时，一些选择性的品种洗提作用也可能发生   三、影响吸附过程性能的因素   有人注意到某些阳离子的存在将大大提高活性炭床的有机物吸附速度和能力，当腐殖酸类的较重部分存在而活性炭孔径太小不能吸附时，这种影响特别明显，有人认为钙镁通过影响离子的溶液强度而同有机成分发生反应，这将引起大的腐殖酸分子发生一种被称为“盘旋作用”（Cocling）的过程，盘旋机理会降低分子的尺寸，提高吸附能力。一个研究人员用如下结果来证实这个事实，溶于自来水中的腐殖质物质比溶于除盐水、蒸馏水中的同样腐殖质物质其去除量要大得多，其他阳离子如钠和钾对吸附过程没有明显影响。对于腐殖酸而言，则炭粒大小（筛目）和孔的大小都对吸附特性有一定影响，较小的活性炭尺寸可使对腐殖质的吸附能力增大，可是孔的尺寸较大则对去除较高分子量的腐殖质更有好处，这两个说明好像有矛盾，其原因很可能是由于炭颗粒尺寸比较小时，则颗粒内部的涌塞减小，因而将更大的孔留给实际的有机成分。   进水pH对吸附过程有一定影响，要与活性炭和吸附质（溶质）的影响综合考虑。溶液的pH控制了酸性和碱性化合物的离解度，当pH值达到某个范围时，这些化合物就要离解，印象对这些化合物的吸附。溶液的pH值还会影响吸附质的溶解度以及影响胶体物质吸附质的带电情况。另外活性炭能吸附水中氢和氧离子，因此影响对其他离子的吸附。所以当PH由9下降至7时，活性炭吸附腐殖质物质的能力将略有加大，当pH降至3.5时，吸附能力增加很多，研究人员试图用有机物质的微酸性的特性来解释这个现象，在较低pH下，平衡被扰乱结果形成更多的非离子态的颗粒更不易被吸附。   进水温度可能对吸附过程有影响，一般较低的运行温度将有利于吸附过程。不过，关于进水温度问题，有一个重要因素要考虑，例如，许多地表水在春秋季要发生热力翻转，在此期间内，进水TOC含量可能变化大小，结果活性炭过滤器的效率可能由于TOC含量较高而似乎降低了，虽然进水温度是在降低（指秋季）另一个应考虑的因素是温度对炭床中发生微生物过程的影响，如果这个过程是去有机物成分的主要机理（同吸附过程相对而言），则由于细菌生长的加速而使去除有机物的效率随水温升高而提高。   最后一点是活性炭过滤器的效率将受各种预处理的重大影响。   四、活性炭对水中其他物质的吸附   水中所含的铁离子，胶硅也可以用活性炭吸附而去除，我国有的电厂经行了这方面的试验，用木炭、煤粉和煤焦油粘合压成柱形活性炭和果核制活性炭进行吸附性能的比较试验。柱型活性炭在去除水中的铁离子时，最后由炭中释放铁离子量大于吸附量，而吸附胶体硅效能较好，对有机物吸附性能较差。而果核制活性炭对铁离子、硅胶和有机物均有较好的吸附性能，特别对有机物吸附量为柱型碳粉制炭的三倍。   五、活性炭水处理的吸附装置   目前活性炭吸附装置较多，使用固定床和间歇式移动床，吸附装置的特点比较见下表：                床型   比较项目    固定床 移动床 设计条件  SV （L/h）              LV(m/h)    ~2.0 5~10 ~5.0 16~30 吸附过程  吸附  容量 （kg COD/ kg 炭） 活性炭损耗： 必要量 损失量 0.2~0.25       多 少 较前者低       少 少 再生过程   排炭方式              再生损失              再生炉运转率    间歇式 少 低 可间歇式也可连续式 少 高 处理费    处理规模大时高 处理规模大时低

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