活性焦：用得起的吸附強(qiáng)化水處理技術(shù)

難降解廢水，顧名思義，由于廢水中含有大量的生物難降解或有毒有害物質(zhì)，單純使用生化技術(shù)，出水水質(zhì)難以滿足日益嚴(yán)格的排放和回用要求。如何實現(xiàn)難降解廢水的高效處理，一直是研究和工程實踐的熱點和難點。在眾多的物化處理技術(shù)中，吸附技術(shù)由于其可良好的生物相容性，更是受到關(guān)注和青睞。

吸附簡介

在水處理技術(shù)中，吸附技術(shù)非常悠久。早在一百年前，人們就開始使用活性炭進(jìn)行水的凈化。但是由于活性炭價格昂貴，長期以來，主要集中在飲用水深度處理領(lǐng)域，典型工藝路線為“臭氧+生物活性炭”，目前已成為控制飲用水中微污染物的主流技術(shù)。在家用凈水器中，活性炭柱也是標(biāo)配?？梢哉f，活性炭吸附水處理技術(shù)是最家喻戶曉的技術(shù)。

活性炭的吸附主要靠內(nèi)部的孔道。按照國際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)的定義：孔徑小于2納米的稱為微孔，孔徑在2到50納米之間的稱為中孔，孔徑大于50納米的稱為大孔。在吸附過程中，大孔是物質(zhì)傳輸?shù)耐ǖ?，中孔和微孔是吸附位點。一個合理的吸附劑需要與被吸附的污染物進(jìn)行匹配，即空間位阻效應(yīng)。

在工業(yè)應(yīng)用中，常采用碘值來表征比表面積尤其是微孔的表面積，微孔活性炭的比表面積一般為800-1000m2/g。長期以來，活性炭的應(yīng)用(水處理)和生產(chǎn)(煤化工)脫節(jié)，生產(chǎn)單位不清楚用戶的需求，用戶的需求無法有效傳遞給生產(chǎn)，在活性炭的使用中普遍存在“萬金油”現(xiàn)象，應(yīng)用需求和炭種不匹配，造成大量的資源浪費(fèi)，也一定程度上限制了吸附水處理技術(shù)的發(fā)展。

什么是活性焦

活性焦，Lignite-coke，是中國電科院國電富通團(tuán)隊以褐煤等低變質(zhì)煤為主要原料，開發(fā)的一種新型炭質(zhì)吸附材料，并實現(xiàn)了萬噸級的工業(yè)化生產(chǎn)，形成了活性焦企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和系列化產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的活性炭相比，活性焦孔徑結(jié)構(gòu)中孔較為發(fā)達(dá)，比表面積較低(500-6002/g)，價格低廉。

活性焦與活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)與吸附性能對比示意

由上圖可以看出，如果廢水中含有較多的大分子污染物，微孔活性炭的吸附去除效果是低于活性焦的，換句話說，如果要達(dá)到對大分子污染物相同的吸附處理效果，微孔活性炭的投加量要高于活性焦，運(yùn)行成本自然十分昂貴。煤化工廢水、印染廢水、制藥廢水中含有大量的大分子難降解污染物，活性焦對之有很好的吸附性能。

鑒于活性焦的中孔特點，原來在自來水應(yīng)用領(lǐng)域常用的碘值，已經(jīng)不能全面表征其吸附性能，迫切需要有一種新的指標(biāo)體系。

吸星大法與化功大法

難降解工業(yè)廢水的典型工藝流程為“預(yù)處理-主體生化-后處理”，生化處理是核心，而合適的預(yù)處理則是達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。生化降解猶如“化功大法”，利用微生物的代謝將污染物化之于無形;活性焦吸附則如“吸星大法”，通過物理性的吸附，強(qiáng)化生物降解，提升了對污染物的處理能力。

本技術(shù)成果利用活性焦對大分子難降解物質(zhì)的選擇性吸附作用，對生化過程進(jìn)行強(qiáng)化，延長微生物與污染物的作用時間，提升處理效果和系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力，在保障出水水質(zhì)的前提下減少生化處理單元的構(gòu)筑物尺寸，縮短水力停留時間。國電團(tuán)隊還開發(fā)出新型動態(tài)吸附池、生物流動床、活性焦生物濾池等高效反應(yīng)器，成功地掌握了廢焦回流、氣液耦合流態(tài)化等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了高效傳質(zhì)和強(qiáng)化反應(yīng)。

尤其是在強(qiáng)化預(yù)處理方面，創(chuàng)造性地利用含焦剩余污泥絮體的高比面積和逆流吸附廢焦的剩余能力，大大增強(qiáng)了預(yù)處理單元對難降解物質(zhì)的去除，從而提升了整體工藝的效率。

LAB工藝路線圖

本技術(shù)成果申請專利11項，發(fā)表論文6篇，通過了中國化工學(xué)會組織的專家鑒定，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的活性焦吸附生物降解耦合技術(shù)(LAB, Lignite-coke Adsorption Biodegradation)。

本技術(shù)成果成功應(yīng)用于全球規(guī)模最大的煤制氣廢水項目(大唐克旗)，以及我國最大的制藥園區(qū)廢水處理項目(石家莊良村南)等多個重大工程項目，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。本技術(shù)還獲得2016年度環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)獎，是一項適用于難降解廢水的新建和改造工程的實用技術(shù)。

活性焦技術(shù)在煤化工廢水中的應(yīng)用實踐

內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣是國家煤制氣示范項目。該項目所產(chǎn)生的綜合廢水中CODCr在3500 mg/L左右、氨氮在200 mg/L左右，廢水含高濃度有機(jī)污染物包括酚類、多環(huán)芳香族化合物及含氮、氧、硫的雜環(huán)化合物等，色度極高，是一種典型難降解工業(yè)廢水。項目采用生化+深度處理工藝，其中深度處理采用LAB技術(shù)，出水COD小于50mg/L。

大唐克旗項目工藝路線

大唐克旗項目吸附池

經(jīng)驗與啟示

當(dāng)前，環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新是學(xué)界和業(yè)界共同關(guān)心的話題，本技術(shù)成果的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程，或許可以提供一些借鑒。

(1)需求導(dǎo)向

2009年是我國煤制天然氣等新型煤化工快速發(fā)展的開局之年，廢水處理與回用問題成為當(dāng)時影響項目審批和運(yùn)行的關(guān)鍵。研究團(tuán)隊成立之初就有明確的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)，即攻克煤氣化廢水處理難關(guān)，為2012年首個項目的投標(biāo)和設(shè)計建設(shè)提供技術(shù)支撐。因此以目標(biāo)項目進(jìn)行倒逼，倒排工期，技術(shù)開發(fā)產(chǎn)業(yè)化是按照系統(tǒng)工程的思維進(jìn)行整體統(tǒng)籌的，在各關(guān)鍵時點都配置了大量的資源。

LAB工藝研發(fā)歷程

(2)高效且多元化的團(tuán)隊

本技術(shù)成果的關(guān)鍵材料活性焦是一種有別于傳統(tǒng)活性炭的新材料，其研發(fā)成功很大程度上有賴于一個背景多元的團(tuán)隊，團(tuán)隊由一批環(huán)境工程、煤加工、熱工、機(jī)械等多學(xué)科的高素質(zhì)人才組成，碩士以上學(xué)歷超過50%，年齡結(jié)構(gòu)上既有經(jīng)驗豐富的老同志，也有新的畢業(yè)生，團(tuán)隊有很強(qiáng)的戰(zhàn)斗力。

(3)投入充分

一項創(chuàng)新性的工程技術(shù)的開發(fā)需要大量的人力和資金等各方面的投入。本技術(shù)成果研發(fā)過程中，在領(lǐng)導(dǎo)的大力支持下，穩(wěn)定的技術(shù)隊伍有20多人，公司(包括上級單位和國家863項目)累計投入經(jīng)費(fèi)超千萬元，在研發(fā)過程中也建立了包括CMA測試、中試等鏈條完整的創(chuàng)新基地，為后續(xù)其他項目的研發(fā)提供了堅實的基礎(chǔ)。

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