活性炭再生技术
来源：印染废水处理
发表时间：2016-08-16
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活性炭在水处理运行中存在使用量大、价高的问题，其费用往往占运行成本30％-45％。用过的活性炭不经处理即行废弃，不仅对资源是很大的浪费，还将造成二次污染。因此，将用过的饱和炭进行再生具有显著的经济价值。活性炭再生(或称活化)，是指用物理或化学方法在不破坏活性炭原有结构的前提下，将吸附于活性炭微孔的吸附质予以去除，恢复其吸附性能，达到重复使用目的。
1 活性炭再生的几种方法
1.1 药剂洗脱的化学法
对于高浓度、低沸点的有机物吸附质，应首先考虑化学法再生。
(1)无机药剂再生。是指用无机酸(硫酸、盐酸) 或碱(氢氧化钠)等药剂使吸附质脱除，又称酸碱再生法。例如吸附高浓度酚的炭，用氢氧化钠溶液洗涤，脱附的酚以酚钠盐形式被回收，再生工艺流程见图1。吸附废水中重金属的炭也可用此法再生，这时再生药剂使用HCl等。
图1 吸附酚的饱和炭无机药剂再生工艺流程
(2)有机溶剂再生。用苯、丙酮及甲醇等有机溶利，萃取吸附在活性炭上的吸附质。再生工艺流程见图2。例如吸附高浓度酚的炭也可用有机溶剂再生。焦化厂煤气洗涤废水用活性炭处理后的饱和炭也可用有机溶剂再生。
图2 有机溶剂再生工艺流程
采用药剂洗脱的化学再生法，有时可从再生液中回收有用的物质，再生操作可在吸附塔内进行，活性炭损耗较小，但再生不太彻底，微孔易堵塞，影响吸附性能的恢复率，多次再生后吸附性能明显降低。
1.2 生物再生法
利用经过驯化培养的菌种处理失效的活性炭，使吸附在活性炭上的有机物降解并氧化分解成CO2 和H2O，恢复其吸附性能，这种利用微生物再生饱和炭的方法，仅适用于吸附易被微生物分解的有机物的饱和炭，而且分解反应必须彻底，即有机物最终被分解为CO2和H2O，否则有被活性炭再吸附的可能。如果处理水中含有生物难降解或难脱附的有机物，则生物再生效果将受影响。
生物再生试验流程见图3。吸附试验时4柱串联运行，再生运行时4柱并联操作。
近年来利用活性炭对水中有机物及溶解氧的强吸附特性，以及活性炭表面作为微生物聚集繁殖生长的良好载体，在适宜条件下，同时发挥活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用，这种协同作用的水处理技术称为生物活性炭(Biological Activated Carbon，BAC)。这种方法可使活性炭使用周期比通常的吸附周期延长多倍，但使用一定时期后，被活性炭吸附而难生物降解的那部分物质仍将影响出水水质。因此在饮用水深度处理运行中，过长的活性炭吸附周期将难以保证出水水质，定期更换活性炭是必须的。
图3 生物再生试验流程
1.3湿式氧化法
这种再生法通常用于再生粉末活性炭，如为提高曝气池处理能力投加的粉末炭。将吸附饱和的炭浆升温至200～250℃，通入空气加压至(300～700) X104P，在反应塔内被活性炭吸附的有机物在高温高压下氧化分解，使活性炭得到再生。再生后的炭经热交换器冷却后，送入储炭槽再回用。有机物碳化后的灰分在反应器底部集积后定期排放。
湿式氧化法适宜处理毒性高、生物难降解的吸附质。温度和压力须根据吸附质特性而定，因为这直接影响炭的吸附性能恢复率和炭的损耗。这种再生法的再生系统附属设施多，所以操作较麻烦。
1.4 电解氧化法
利用电解时产生的新生态[O]，[C1]等强氧化剂，使活性炭吸附的有机物氧化分解。但在实际运行中，存在金属电极腐蚀、钝化、絮凝物堵塞等问题。而不溶性电极--石墨存在体积大、电阻高、耗电大等缺点，因此尚未见在实践中应用。
1.5 加热再生法
根据有机物在加热过程中分解脱附的温度不同，加热再生分为低温加热再生和高温加热再生。
(1)低温加热再生法。对于吸附沸点较低的低分子碳氢化合物和芳香族有机物的饱和炭，一般用 100～200℃蒸汽吹脱使炭再生，再生可在吸附塔内进行。脱附后的有机物蒸汽经冷凝后可回收利用。常用于气体吸附的活性炭再生。蒸汽吹脱方法也用于啤酒、饮料行业工艺用水前级处理的饱和活性炭再生。
(2)高温加热再生法。在水处理中，活性炭吸附的多为热分解型和难脱附型有机物，且吸附周期长。高温加热再生法通常经过850℃高温加热，使吸附在活性炭上的有机物经碳化、活化后达到再生目的，吸附恢复率高、且再生效果稳定。因此，对用于水处理的活性炭的再生，普遍采用高温加热法。
经脱水后的活性炭，加热再生全过程一般需经过下述3个阶段。
(1)干燥阶段。将含水率在50％～86％的湿炭，在100～150℃温度下加热，使炭粒内吸附水蒸发，同时部分低沸点有机物也随之挥发。在此阶段内所消耗热量占再生全过程总能耗的50％～70％。
(2)焙烧阶段，或称碳化阶段。粒炭被加热升温至150～700℃。不同的有机物随温度升高，分别以挥发、分解、碳化、氧化的形式，从活性炭的基质上消除。通常到此阶段，再生炭的吸附恢复率已达到 60％～85％。
(3)活化阶段。有机物经高温碳化后，有相当部分碳化物残留在活性炭微孔中。此时碳化物需用水蒸汽、二氧化碳等氧化性气体进行气化反应，使残留碳化物在850℃左右气化成CO2，CO等气体。使微孔表面得到清理，恢复其吸附性能。
残留碳化物与氧化性气体的反应式如下：
C + O2 → CO2↑
? C + H2O → CO↑+H2↑
? C + CO2 → 2CO↑
高温再生过程中，氧对活性炭的基质影响很大，因此必须在微正压条件下运行。过量的氧将使活性炭烧损灰化，而过低的氧量又将影响炉内温度和再生效果。因此，一般的高温加热再生炉内对氧必须严格控制，余氧量小于1％，CO含量为2.5％左右，水蒸汽注入量为0.2～1 kg／kg活性炭(根据炉型确定)。
活性炭再生设备的优劣主要体现在：吸附恢复率、炭损率、强度、能量消耗、辅料消耗、再生温度、再生时间、对人体和环境的影响、设备及基础投资、操作管理检修的繁简程度。
此外，任何活性炭高温加热再生装置中都需要妥善解决的是防止炭粒相互粘结、烧结成块并造成局部起火或堵塞通道，甚至导致运行瘫痪的现象。
2 高温加热再生的几种装置
高温加热活性炭再生系统，由脱水装置、活性炭输送、高温加热再生装置、活性炭冷却、废气处理、活性炭贮罐组成。此外还有加热所需的热源，如燃油、天然气、煤气或焦炭以及电力、蒸汽锅炉。其中以再生装置为主。
加热再生装置有多种形式。目前国内外使用较多的有多层式、回转式、流化床式、移动床式等。
2.1 多层式
又称立式多段再生炉，或称多层耙式炉。主要用于再生粒状炭，在美国采用较普遍，国内也有引进。适用于大型活性炭再生，一般再生量都大于2t／d。其特点为：用天然气或油作燃料，水蒸汽活化，由炉顶部供饱和炭，用转动的粑臂将炭推送至下一层，由上至下6层(或8层)，见图4。
图4 多层式再生装置
(1)干燥段。第1～3层，停留时间15min，炉温100～700℃。
(2)焙烧段。第4层，停留时间5 min，炉温700～800℃
(3)活化段。第5～6层，停留时间10min，炉温800～900℃。此段内通水蒸汽活化。
再生炭用水槽急冷后排走。再生炭碘值恢复率 86％～95％，炭再生损耗率7％～15％(因为既有烧损又有转耙磨耗)。蒸汽耗量1 kg／kg活性炭，总能耗4 925 kcal／kg活性炭(折合电耗5．72 kW·h／kg 活性炭)。
2.2 回转式
又称转炉，有一段式或二段式，有内燃式直接加热或外燃式间接加热。内燃式炭再生损耗较大，外燃式效率较低，活化段须微正压且通水蒸汽活化。图5为二段回转式再生装置，干燥段用内燃式转炉，焙烧、活化段用外燃式转炉。
图5 二段回转式再生装置
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