活性炭再生技術
來源：印染廢水處理
發表時間：2016-08-16
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活性炭在水處理運行中存在使用量大、價高的問題，其費用往往占運行成本30％-45％。用過的活性炭不經處理即行廢棄，不僅對資源是很大的浪費，還將造成二次污染。因此，將用過的飽和炭進行再生具有顯著的經濟價值。活性炭再生(或稱活化)，是指用物理或化學方法在不破壞活性炭原有結構的前提下，將吸附于活性炭微孔的吸附質予以去除，恢復其吸附性能，達到重復使用目的。
1 活性炭再生的幾種方法
1.1 藥劑洗脫的化學法
對于高濃度、低沸點的有機物吸附質，應首先考慮化學法再生。
(1)無機藥劑再生。是指用無機酸(硫酸、鹽酸) 或堿(氫氧化鈉)等藥劑使吸附質脫除，又稱酸堿再生法。例如吸附高濃度酚的炭，用氫氧化鈉溶液洗滌，脫附的酚以酚鈉鹽形式被回收，再生工藝流程見圖1。吸附廢水中重金屬的炭也可用此法再生，這時再生藥劑使用HCl等。
圖1 吸附酚的飽和炭無機藥劑再生工藝流程
(2)有機溶劑再生。用苯、丙酮及甲醇等有機溶利，萃取吸附在活性炭上的吸附質。再生工藝流程見圖2。例如吸附高濃度酚的炭也可用有機溶劑再生。焦化廠煤氣洗滌廢水用活性炭處理后的飽和炭也可用有機溶劑再生。
圖2 有機溶劑再生工藝流程
采用藥劑洗脫的化學再生法，有時可從再生液中回收有用的物質，再生操作可在吸附塔內進行，活性炭損耗較小，但再生不太徹底，微孔易堵塞，影響吸附性能的恢復率，多次再生后吸附性能明顯降低。
1.2 生物再生法
利用經過馴化培養的菌種處理失效的活性炭，使吸附在活性炭上的有機物降解并氧化分解成CO2 和H2O，恢復其吸附性能，這種利用微生物再生飽和炭的方法，僅適用于吸附易被微生物分解的有機物的飽和炭，而且分解反應必須徹底，即有機物最終被分解為CO2和H2O，否則有被活性炭再吸附的可能。如果處理水中含有生物難降解或難脫附的有機物，則生物再生效果將受影響。
生物再生試驗流程見圖3。吸附試驗時4柱串聯運行，再生運行時4柱并聯操作。
近年來利用活性炭對水中有機物及溶解氧的強吸附特性，以及活性炭表面作為微生物聚集繁殖生長的良好載體，在適宜條件下，同時發揮活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用，這種協同作用的水處理技術稱為生物活性炭(Biological Activated Carbon，BAC)。這種方法可使活性炭使用周期比通常的吸附周期延長多倍，但使用一定時期后，被活性炭吸附而難生物降解的那部分物質仍將影響出水水質。因此在飲用水深度處理運行中，過長的活性炭吸附周期將難以保證出水水質，定期更換活性炭是必須的。
圖3 生物再生試驗流程
1.3濕式氧化法
這種再生法通常用于再生粉末活性炭，如為提高曝氣池處理能力投加的粉末炭。將吸附飽和的炭漿升溫至200～250℃，通入空氣加壓至(300～700) X104P，在反應塔內被活性炭吸附的有機物在高溫高壓下氧化分解，使活性炭得到再生。再生后的炭經熱交換器冷卻后，送入儲炭槽再回用。有機物碳化后的灰分在反應器底部集積后定期排放。
濕式氧化法適宜處理毒性高、生物難降解的吸附質。溫度和壓力須根據吸附質特性而定，因為這直接影響炭的吸附性能恢復率和炭的損耗。這種再生法的再生系統附屬設施多，所以操作較麻煩。
1.4 電解氧化法
利用電解時產生的新生態[O]，[C1]等強氧化劑，使活性炭吸附的有機物氧化分解。但在實際運行中，存在金屬電極腐蝕、鈍化、絮凝物堵塞等問題。而不溶性電極--石墨存在體積大、電阻高、耗電大等缺點，因此尚未見在實踐中應用。
1.5 加熱再生法
根據有機物在加熱過程中分解脫附的溫度不同，加熱再生分為低溫加熱再生和高溫加熱再生。
(1)低溫加熱再生法。對于吸附沸點較低的低分子碳氫化合物和芳香族有機物的飽和炭，一般用 100～200℃蒸汽吹脫使炭再生，再生可在吸附塔內進行。脫附后的有機物蒸汽經冷凝后可回收利用。常用于氣體吸附的活性炭再生。蒸汽吹脫方法也用于啤酒、飲料行業工藝用水前級處理的飽和活性炭再生。
(2)高溫加熱再生法。在水處理中，活性炭吸附的多為熱分解型和難脫附型有機物，且吸附周期長。高溫加熱再生法通常經過850℃高溫加熱，使吸附在活性炭上的有機物經碳化、活化后達到再生目的，吸附恢復率高、且再生效果穩定。因此，對用于水處理的活性炭的再生，普遍采用高溫加熱法。
經脫水后的活性炭，加熱再生全過程一般需經過下述3個階段。
(1)干燥階段。將含水率在50％～86％的濕炭，在100～150℃溫度下加熱，使炭粒內吸附水蒸發，同時部分低沸點有機物也隨之揮發。在此階段內所消耗熱量占再生全過程總能耗的50％～70％。
(2)焙燒階段，或稱碳化階段。粒炭被加熱升溫至150～700℃。不同的有機物隨溫度升高，分別以揮發、分解、碳化、氧化的形式，從活性炭的基質上消除。通常到此階段，再生炭的吸附恢復率已達到 60％～85％。
(3)活化階段。有機物經高溫碳化后，有相當部分碳化物殘留在活性炭微孔中。此時碳化物需用水蒸汽、二氧化碳等氧化性氣體進行氣化反應，使殘留碳化物在850℃左右氣化成CO2，CO等氣體。使微孔表面得到清理，恢復其吸附性能。
殘留碳化物與氧化性氣體的反應式如下：
C + O2 → CO2↑
? C + H2O → CO↑+H2↑
? C + CO2 → 2CO↑
高溫再生過程中，氧對活性炭的基質影響很大，因此必須在微正壓條件下運行。過量的氧將使活性炭燒損灰化，而過低的氧量又將影響爐內溫度和再生效果。因此，一般的高溫加熱再生爐內對氧必須嚴格控制，余氧量小于1％，CO含量為2.5％左右，水蒸汽注入量為0.2～1 kg／kg活性炭(根據爐型確定)。
活性炭再生設備的優劣主要體現在：吸附恢復率、炭損率、強度、能量消耗、輔料消耗、再生溫度、再生時間、對人體和環境的影響、設備及基礎投資、操作管理檢修的繁簡程度。
此外，任何活性炭高溫加熱再生裝置中都需要妥善解決的是防止炭粒相互粘結、燒結成塊并造成局部起火或堵塞通道，甚至導致運行癱瘓的現象。
2 高溫加熱再生的幾種裝置
高溫加熱活性炭再生系統，由脫水裝置、活性炭輸送、高溫加熱再生裝置、活性炭冷卻、廢氣處理、活性炭貯罐組成。此外還有加熱所需的熱源，如燃油、天然氣、煤氣或焦炭以及電力、蒸汽鍋爐。其中以再生裝置為主。
加熱再生裝置有多種形式。目前國內外使用較多的有多層式、回轉式、流化床式、移動床式等。
2.1 多層式
又稱立式多段再生爐，或稱多層耙式爐。主要用于再生粒狀炭，在美國采用較普遍，國內也有引進。適用于大型活性炭再生，一般再生量都大于2t／d。其特點為：用天然氣或油作燃料，水蒸汽活化，由爐頂部供飽和炭，用轉動的粑臂將炭推送至下一層，由上至下6層(或8層)，見圖4。
圖4 多層式再生裝置
(1)干燥段。第1～3層，停留時間15min，爐溫100～700℃。
(2)焙燒段。第4層，停留時間5 min，爐溫700～800℃
(3)活化段。第5～6層，停留時間10min，爐溫800～900℃。此段內通水蒸汽活化。
再生炭用水槽急冷后排走。再生炭碘值恢復率 86％～95％，炭再生損耗率7％～15％(因為既有燒損又有轉耙磨耗)。蒸汽耗量1 kg／kg活性炭，總能耗4 925 kcal／kg活性炭(折合電耗5．72 kW·h／kg 活性炭)。
2.2 回轉式
又稱轉爐，有一段式或二段式，有內燃式直接加熱或外燃式間接加熱。內燃式炭再生損耗較大，外燃式效率較低，活化段須微正壓且通水蒸汽活化。圖5為二段回轉式再生裝置，干燥段用內燃式轉爐，焙燒、活化段用外燃式轉爐。
圖5 二段回轉式再生裝置
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