活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭深度處理紡織染料廢水

　　染料廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，包括紡織、制革、皮革、食品、油漆、造紙和化妝品行業(yè)。染色過程中使用了大量的水，產(chǎn)生大量廢水，由于其成分復(fù)雜，被認(rèn)為是各種工業(yè)廢水中污染很嚴(yán)重的。本次研究采用順序厭氧移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器和粉末活性炭-好氧膜生物反應(yīng)器處理紡織廢水。在活性炭反應(yīng)器中的生物活性可以再生活性炭 。傳統(tǒng)上，活性炭的吸附和生物處理是連續(xù)的過程。活性炭吸附和生物降解在一個(gè)過程中的結(jié)合提高了出水質(zhì)量，降低了運(yùn)營成本，提高了活性炭的使用率。因此，采用活性炭工藝處理紡織染料廢水，以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)和再利用要求。

　　活性炭生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)

　　運(yùn)行活性炭-生物反應(yīng)器以驗(yàn)證所提出的動(dòng)力學(xué)模型。用經(jīng)過馴化和濃縮的混合培養(yǎng)物對(duì)其進(jìn)行接種，并使用單條多孔空氣擴(kuò)散器在均質(zhì)條件下保持24小時(shí)，以形成初始的生物膜附著。圖1是活性炭反應(yīng)器裝置的示意圖。反應(yīng)器由玻璃圓筒組成，活性炭用作固定生物膜的支撐介質(zhì)。反應(yīng)器的孔隙率為85%。將帶有孔篩的鐵板放置在活性炭的頂部以固定其位置并防止被沖走。活性炭反應(yīng)器需要1.568L的有效操作體積才能產(chǎn)生4小時(shí)的水力停留時(shí)間，使用循環(huán)水浴作為外殼夾套的入口和出口。流入端口位于反應(yīng)器的底部并用蠕動(dòng)泵進(jìn)料。采用運(yùn)行的單條式空氣擴(kuò)散器以確保活性炭反應(yīng)器性能的本體液相中的完全混合條件。定期從活性炭柱測(cè)試的進(jìn)水和流出物中收集樣品用于COD、總懸浮固體(TSS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)測(cè)量。

　　圖1：活性炭-生物反應(yīng)器裝置示意圖。

　　紡織染料廢水吸附常數(shù)的測(cè)定

　　不同活性炭用量在24和54小時(shí)后COD和ADMI的變化如圖2所示。在初始COD濃度為88-136mg/L的情況下，分別通過吸附染料廢水24和52小時(shí)來完全去除COD需要45和30g的活性炭用量(圖2ab)。ADMI的降低和去除趨勢(shì)隨活性炭用量24和52小時(shí)的變化與COD變化相似(圖2)。ADMI隨著活性炭用量的增加而降低。活性炭吸附24小時(shí)和52小時(shí)后，殘留ADMI分別為4-5和5-7。隨著活性炭用量≥30g，ADMI的去除效率從88-96%提高到90-95%。

　　圖2：不同活性炭重量下化學(xué)需氧量(COD)和顏色單位(ADMI)的變化，(a)COD減少，(b)COD去除，(c)ADMI減少，和(d)ADMI去除。

　　活性炭反應(yīng)器中的COD利用率

　　來自現(xiàn)場(chǎng)處理廠的紡織染料廢水的流出物用于評(píng)估通過吸附和生物降解在活性炭反應(yīng)器中的COD去除效率。將初始生物膜厚度指定為0.2-9μm作為數(shù)學(xué)模型的輸入值。因此，假設(shè)為5.5μm的初始生物膜厚度落入0.2-9μm的范圍內(nèi)。比較測(cè)量和預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)以驗(yàn)證活性炭動(dòng)力學(xué)模型系統(tǒng)。活性炭反應(yīng)器中連續(xù)流動(dòng)的流出物COD濃度隨時(shí)間變化，如圖3a所示。由于活性炭反應(yīng)器充當(dāng)活性炭吸附器，COD濃度在試運(yùn)行開始時(shí)開始突然增加。COD值在2天的試運(yùn)行后達(dá)到峰值。在2-10天的過渡階段監(jiān)測(cè)COD的減少。COD濃度的下降是由于在此期間活躍的生物膜生長。由于生物膜生長穩(wěn)定，COD利用率在10-34天的試運(yùn)行期間變得穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平均COD去除效率約為94.45%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的COD值高于穩(wěn)態(tài)階段模型模擬所得的值。這可能是由于流出物中產(chǎn)生的可溶性微生物產(chǎn)物。

　　圖3：實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模型模擬(a)COD流出物，(b)生物質(zhì)生長，(c)流入生物膜和活性炭的通量，(d)COD去除，(e)COD曲線，和(f)COD流出物各種有機(jī)負(fù)載率(OLR)。

　　活性炭深度處理紡織染料廢水，對(duì)活性炭的吸附進(jìn)行批量實(shí)驗(yàn)以確定吸附常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型模擬確定。本研究中開發(fā)的活性炭模型通過運(yùn)行活性炭-生物反應(yīng)器來處理來自最終排放點(diǎn)的真實(shí)紡織染料廢水進(jìn)行了驗(yàn)證。在測(cè)試過程中研究了吸附和生物降解的主要機(jī)制。出水COD和懸浮生物量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型模擬吻合良好。COD、NH4+的高去除效率、色澤均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，滿足紡織染料廢水的回用要求。本工作中提出的建模和實(shí)驗(yàn)方法可用于設(shè)計(jì)用于處理紡織染料廢水的全尺寸活性炭-生物反應(yīng)器，以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)和再利用標(biāo)準(zhǔn)。

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