(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室)

活性炭在水处理中有着非常重要的作用，它对水中的BOD、COD、色度、绝大多数有机污染物和部分无机污染物有较好的去除效果，尤其当活性炭吸附技术与其他水处理技术结合使用时，处理的效果和范围都将大幅度提高。然而，用于水处理的活性炭经过一段时间的吸附后，吸附能力将逐渐下降以致完全丧失，最终成为“饱和炭”。由于活性炭的价格一般较昂贵，这些饱和炭如不经处理即行废弃，必将造成资源的浪费，同时成为新的污染源。因而，活性炭的再生技术的研究多年来一直是国际上关注的研究热点。目前，活性炭的再生方法主要有：加热再生法、药剂再生法、生物再生法、化学再生、湿式氧化再生法等。湿式氧化再生法与其他再生法相比，具有再生效率高、活性炭损失率低、能耗低、操作管理方便、二次污染小等优点，是一种很有前途的活性炭再生技术。

1.湿式氧化技术

湿式空气氧化（Wet Air Oxidation，简称WAO）工艺是齐末曼（Zimmermann）于1958年首先提出，并将其应用于污水处理中。它是在高温（150~320℃）、高压（3~20 MPa）条件下，通入空气或纯氧作为氧化剂，按湿式燃烧的原理使污水中的有机污染物氧化分解，从而达到废水处理的目的。目前，湿式空气氧化工艺已成功地应用于富含高浓度有机物的化工废水、造纸黑液和污水厂剩余活性污泥等的处理中。

从原理上讲，在高温高压条件下进行的湿式氧化过程可分为两个阶段，前段受氧的传质控制，而后段则由反应动力学控制。温度是该工艺的主要影响因素，压力则能保证反应过程中液相中足够的溶解氧浓度。

借鉴于WAO技术在污水、污泥处理中的应用，70年代初，格切尔（Gitchel）等人开始尝试将湿式氧化技术应用于活性炭的再生，由此WAO作为一种有吸引力的活性炭再生的方法，受到广大科研工作者的青睐。图1给出的是湿式氧化再生活性炭的工艺流程。饱和活性炭经浓缩成一定浓度的活性炭浆液，经升压泵升压并鼓入再生反应所需氧量的压缩空气，通过热交换器内管加热后送至反应塔底部。在反应塔中，活性炭上吸附的有机物在给定温度和压力下进行选择性氧化分解，使活性炭复活。再生好的活性炭浆自反应塔顶部引出，经热交换器外管冷却后，由压力调节阀减至常压后循环送入水处理系统。

图1，湿式氧化再生活性炭工艺流程图

2.影响湿式氧化再生活性炭效率的主要因素

影响活性炭湿式氧化再生效率的因素较多，主要有再生温度、再生压力、活性炭上吸附的有机物质以及活性炭自身的种类等。丁（J. Ding）等人在1987年研究了再生温度、再生时间、活性炭上吸附的有机物质对活性炭湿式氧化再生过程的影响，认为在湿式氧化过程中，活性炭本身表面也将有一部分被氧化；但对于饱和活性炭而言，氧化反应首先总是针对有机物有选择地进行，而活性炭由于本身被氧化而产生的损失将会大大降低。另外，在再生过程中，活性炭对吸附的有机物质的氧化有一定的催化作用。

2.1温度

温度是影响活性炭湿式氧化再生效率的主要因素。丁等人研究了湿式氧化再生活性炭的最佳温度范围为200~250℃在低于200℃时，反应的速度较低，活性炭再生不完全，再生效率比较低；而在250℃以上，高温可能导致活性炭自身的氧化加剧，从而使活性炭的损失率比较高。

2.2再生时间

再生时间是指反应釜温度维持在再生温度下的时间，不包括反应釜自室温升至再生温度所需的时间。再生时间的选择依赖于再生温度及饱和活性炭上吸附的有机物质的种类。例如，当再生时间从10分变到60分时，吸附于活性炭上的菲的氧化率从15%増加到68%。然而，随着再生时间的继续加长，再生效率并不再明显提高，而再生后的活性炭对低分子量芳烃的吸附能力明显降低。这是由于湿式氧化过程改变了活性炭表面的氧含量。随着再生时间的延长，炭表面的氧含量增加，从面对这些有机物的吸附量降低。但对大分子量的有机物吸附量在再生前后变化不大。

2.3再生压力

压力对活性炭湿式氧化再生效率的影响主要体现在对液相中溶解氧浓度的影响。高的氧分压，使液相中溶解氧的浓度较高，从而使吸附于炭上的有机物与氧反应速率加快，在相同的时间里活性炭的再生效率高；氧分压过低，使液相中的溶解氧不足，吸附于活性炭表面的有机物氧化不完全，进而降低了活性炭的再生效率。当然，过高的氧分压，使再生后的活性炭的表面氧含量增加，反而降低了对低分子量的芳烃的吸附量。

2.4活性炭上吸附的有机物质

吸附于活性炭上的有机物对活性炭的湿式氧化再生有较大影响。格切尔等人的研究结果表明，当再生温度高于200℃时，未经吸附的活性炭在湿式氧化过程中自身的损失率比较大；而当活性炭上吸附有有机物时，活性炭的损失率仅在1~5%之间。这是由于当活性炭上无有机物吸附时，液相中的氧将进攻活性炭，使炭表面氧化而使炭的损失率较高；当吸附有有机物时，氧在进攻活性炭之前优先与有机物质反应，即在液相中有机物比炭更易氧化，从而被氧化的活性炭减少，活性炭的损失率降低。在研究中还发现，活性炭对吸附于其上的有机物的氧化具有一定的催化作用。

2.5活性炭的种类

活性炭的种类也对活性炭的湿式氧化再生效率产生影响。维德金（Wedeking）等人考察了由褐煤、木材和煤3种原料制成的不同类型的活性炭的湿式氧化再生情况，发现由于此3种活性炭的表面氧含量及微孔结构的不同，其再生的情况也不相同。在相同的再生条件下，木材基的活性炭比煤基活性炭及褐煤基活性炭再生得更完全。

活性炭的结构不同，湿式氧化再生的效果也不同。粉末状活性炭相对颗粒状活性炭的再生效率要高，这是由于颗粒状活性炭的微孔结构分布比较深，氧的传质受到的阻力比较大，氧化就不完全；而粉末状炭的颗粒相对比较小，微孔结构分布比较浅，氧的传质所受的阻力就小，氧化程度就高，因而再生效率就高。

3.湿式氧化再生活性炭的应用实例

生物处理与活性炭吸附相结合，可以同时取两工艺之长，大大提高废水的处理深度。PACT过程就是将粉末状活性炭直接投入到活性污泥过程中，并采用湿式氧化技术再生活性炭的一种水处理方法，它比活性污泥过程后再用活性炭吸附处理的方法更加优越，其出水可达到三级深度处理的水质。该流程如图2所示。活性炭直接加入到曝气池中，产生的混合污泥在沉淀池中沉淀分离，溢流水经过滤、加氯消毒后得到处理水；沉淀池中分离出的混合污泥一部分回流，另一部分即相当于剩余污泥，送入浓缩池中浓缩为6~8%的活性炭浆，再送入湿式氧化再生系统再生，并循环使用。与活性污泥过程相比，其优点为：装置小，处理负荷大，废水处理深度高，有明显的脱色、脱臭的消泡效果，而且污泥的沉降速度快，在一定程度上能抑制污泥膨胀问题。此外，在湿式氧化再生活性炭的同时，带入再生系统的剩余污泥也被氧化，这样可解决一般生物处理法难以解决的剩余污泥的处理问题。

图2 PACT过程流程图

美国的Zimpro公司于70年代在威斯康星州罗斯谢尔德的一个污水处理厂进行了50多天的该项技术的生产试验，取得了良好的效果。试验是在对污水厂原有设备稍作改造的基础上进行的。该水厂的平均日处理量为3000吨/天，进水水质及PACT过程的出水水质见表1。从表中可以看出，经过PACT过程的处理，其出水水质已达到非常高的标准。这里，曝气池的平均停留时间为4.6小时，而污泥的平均泥龄为12.5天，这均是传统的活性污泥过程无法达到的。

表1PACT过程的出水水质

经过对运行费用的分析发现，PACT过程的费用只比传统的活性污泥过程稍微高一点，但其水质是传统的活性污泥过程所无法达到的。

结 语

已有的研究结果表明，湿式空气氧化再生活性炭技术具有以下优点 :

①与传统的热法再生活性炭技术相比，该技术具有投资和能耗低，工艺操作简单等特点；

②再生效率高，活性炭损失率低，对吸附性能影响小；

③再生过程无二次污染；

④再生过程应用于水处理中，可得到较好的出水水质。

由于WAO再生活性炭工艺具有显著优点，开发出性能良好的催化剂，以便能在更低的再生温度和压力条件下获得更高的再生效果，将是今后课题研究的重点，这也必将为活性炭的广泛应用奠定坚实的基础。