焦炭在工業廢水處理中的應用試驗及設計
1 試驗用水及試驗裝置
試驗用廢水樣品采自某油田采油廠預處理后的采油廢水，石油烴類含量為10.35 mg/L。為防止在處理過程中因廢水中石油烴類物的破乳析出而改變其在廢水中的含量，故加入了適量乳化劑。
篩選粒徑為2～8 mm的粒狀焦炭，在0.1 mol/L的稀鹽酸中浸泡一晝夜后水洗，再用0.1 mol/L NaOH浸泡一晝夜后水洗至中性晾干，裝填于高0.8 m、直徑3 cm的三根玻璃管中，焦炭層厚分別為：h1＝0.5 m，h2＝0.3 m，h3＝0.7 m，焦炭層兩端分別用玻璃纖維封墊。
試驗裝置見圖1。試驗過程中，控制出水的石油烴含量≯1.0 mg/L。
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2 試驗結果
共進行了三個空床線速度和三種焦炭層厚度的試驗，取得九組數據，試驗結果列于表1。
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將試驗數據進行回歸分析，可以得到不同空床線速度條件下炭床累積工作時間(t)與焦炭層厚度(h)的直線回歸方程：
v=4.58 m/h時，t＝2 131 h-557
v=6.21 m/h時，t＝1 471 h-417
v=9.28 m/h時，t＝894 h-310
由以上三條回歸直線的斜率和截距，可以計算出重要的設計參數飽和吸附量(N0)、吸附速率常數(K)和不同空床線速度條件下的h0(見表2)。
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3 討論
① 飽和吸附量N0是焦炭的特性，從表2數據看，隨著空床線速度(v)的提高，N0呈下降趨勢。
② 由表2可見，吸附速率常數K隨著空床線速度的增大而顯著提高。因為流速增大，使得焦炭表面上的水膜更新加劇，有利于吸附過程的進行。
③焦炭床的臨界高度(h0)隨著空床線速度(v)的增加有比較明顯的提高。因為空床線速度的提高減少了廢水停留時間，盡管吸附速率常數K也隨空床線速度提高而增大，但K僅與v的0.828 3次方呈正比。因此，在保證出水石油烴濃度符合處理要求的情況下，增大廢水的空床線速度，焦炭床的臨界高度必有所增加。
④ 對于工業生產裝置而言，為了使所處理的廢水在整個床層截面上的流速分布均勻，通常床層高度至少等于床面直徑。因此一般情況下，床層高度遠大于臨界高度h0，空床線速度對臨界高度的影響在設計中可不作為主要設計參數考慮。
4 設計實例
在某含油廢水處理工藝設計中，采油廢水經粗粒化、混凝沉降除油等工序后，廢水中含油濃度可從10 mg/L以上降至2～3 mg/L。為達到含油濃度降至1.0 mg/L以下的深度處理要求，增加并設計了焦炭吸附床處理工序，具體設計參數如下：
進水石油烴含量：C0≤5 mg/L
出水石油烴含量：Ce≤1.0 mg/L
處理水量：Q＝100 m3/d
每日處理時間：t=8 h
選取空床線速度：v=11 m/h。
計算焦炭床層直徑：D＝1000.758×11×8＝1.203 m，取1 200 mm
焦炭層高度：取床直徑的1.5倍，h=1.5 D＝1.8 m
根據表2計算數據得到的N0～v，K～v冪函數擬合關系，如圖2、3。
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由圖2、3的兩條曲線可查得，當空床線速度為11 m/h時，有：
N0＝82.6 kg/m3
K＝0.808 m3/(kg·h)
此時的臨界高度為：
h0＝(v/KN0)ln(C0/Ce-1)=11/(0.808×82.6) ln(5/1-1)＝0.228 m
焦炭柱可工作時間為：
t＝(N0·h)/(C0·v)-1/(C0·K) ln(C0/Ce-1)＝ 82.6×1.8/5.0×10-3×11.0-1/(5.0×10-3×0.808)·ln(5-1)＝2360 h
每年更換次數：
365×8/2360＝1.24次
焦炭床利用率為：
(h-h0)/h×100%＝1.8-0.228/1.8×100%≈87%
5 結論
① 在某些工業廢水處理工藝中，應用焦炭作為廢水深度處理的吸附劑是合適、經濟的，特別是在一些較大型的處理裝置中，用焦炭代替活性炭，可以大大降低處理成本。
② 試驗數據以及應用實例的設計計算方法，為利用焦炭作為廢水處理吸附劑的工業裝置設計提供了可資借鑒的設計方法和依據。通過設計實例，可以看出在廢水處理工藝中用焦炭代替活性炭的現實可能性。
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