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影响活性炭水处理质量的主要因素

发布时间:2021-05-20点击:

[摘 要]活性炭水处理是啤酒厂酿造水处理的常规且非常重要的工艺,本文着重对影响活性炭水处理效果的四大因素:活性炭滤料的选择、罐的设备结构、反冲洗和蒸汽灭菌操作以及检测监控体系方面进行阐述,提出如何加强对活性炭水处理效果的监控。

1 概述

由于地表水受到工农业生产和城市生活用水的影响,水质受到许多不可预知因素的污染。对于啤酒酿造用水,须进行有效和针对性的水处理。

活性炭水处理工艺已经普遍应用于啤酒厂的常规水处理,是生产酿造用水非常重要的一道工序。活性炭具有很大的比表面积,主要去除水中的游离氯和消毒副产物三氯甲烷,吸附除去有机杂质和分子态胶体微细颗粒。

本文着重对影响活性炭水处理的四大因素:活性炭滤料的选择、罐的设备结构、反冲洗和蒸汽再生操作以及检测监控体系方面进行阐述,提出如何加强对活性炭水处理效果的监控。作者结合工作实践和体会,提出一些改进建议或注意事项。

2 活性炭的性能及选择

活性炭可以由任何含碳的有机材料制得,商业用活性炭一般由锯屑、木材、木炭、泥煤、褐煤、石油焦炭、烟煤和椰壳制成。活性炭是经过一系列包括碳化、活化、酸洗和漂洗的物理和化学处理后形成的,为外观呈黑色、无毒无味的吸附剂,它具有较大的比表面积(600~2000m2/g),存在三种孔径分布(大孔:有效半径100~2000nm,过渡性中孔:2~100nm;微孔:小于2nm以下)。外观分为柱状,颗粒和粉状三种类型。啤酒厂水处理一般采用以煤质或椰壳为原料的颗粒型活性炭,颗粒大小一般为8~30目,详见(表1)。

表1两种颗粒活性炭介绍

  椰壳活性炭 煤质活性炭
介绍 以优质椰子壳为原料,经系列工艺精制而成,外观呈黑色颗粒状。优点是孔隙结构发达,比表面积大,吸附性能强,库层阻力小,化学性能稳定,易再生。 以精选的煤为原料,经过特殊工艺精制而成。孔隙发达,比表面积大,尤以容积大而独具优点,吸附速度快,容量高。
使用范围 适用于高纯度的生活用水,工业用水和废水处理的深度净化脱氯、脱色、除臭和黄金提炼等方面。 用于有毒气体的净化,废气处理,工业和生活用水的净化处理,溶剂回收等方面。
指标分析 根据木质活性炭国家一级标准形式的行业椰壳活性炭标准 净化用煤质活性炭国家标准一级标准
pH值 5.5-6.5 6-10
碘值mg/g ≥1000 950-1049
比表面积m2/g >1000 ≥900
总孔容积cm3/g >0.9 ≥0.65
苯酚吸附率mg/g ≥450 ≥140
强度% ≥95 ≥90
灰分% <4 <10

椰壳活性炭有总体吸附能力较强,但在使用时难以检测其性能,只能通过模拟中试实验,或者依据以往经验来设计选型。

1)如何选技活性炭,可参考(表2)

表2活性炭性能指标参数

性能 颗粒大小和分布 抗磨损能力 吸附性能
检测指标 目数、颗粒分布、密度均一系数、有效粒径 机械强度 比表面积、碘值、气味稀释倍数、COD去除比例、THM及农药残留量
意义 涉及吸附能力、过滤压将和反冲层能力之间的平衡 碳损耗、细粉量 体现活性炭的吸附效果和效率

2)活性炭“吸附”余氯的原理

自来水生产时一般要求管网水余氯含量控制在0.1~0.5mg/L,反应式如下:

CL2+H2O↑↓HCLO+HCL(1)

C*+HCLO→CO*+H++CL-(2)

活性炭和余氯反应速度很快,但会逐步氧化碳层表面,使颗粒变小和产生粉末,须定期反冲洗将产生的碳粉末冲走以避免进入出水管道。活性炭过滤器出水余氯要求:<0.05 mg/L。

3)活性炭质量的定期检测和评价

可以根据各公司的水处理流程和水源水质确定对活性炭的抽检频率及指标,供应商一般建议每半年对使用中的活性炭各项指标进行检测分析,去除上层部分不合要求的活性炭,补充部分新炭。例如对使用一年后的旧炭和进货检验值进行质量指标的比较,如(表3),然后做出是否需更换的决定。

表3新碳和旧碳的质量指标对比

  单位 进货检测值 使用1年后的检测值 建议更换活性炭的参数
碘值 Iodine 995 644 小于650
灰分 Ash 8.5 15.4 增加4%以上
硬度 Har. 97.5 72.1 小于80
堆密度 AD 0.541 0.379 小于0.42
磨损值 Abr 88.3 83.1 /
粒径分布(目) 8 0.3 0.4  
12 54.6 16.0 /
16 42.3 47.1 /
20 2.1 18.2 /
30 0.1 8.9 /
底部粉末 0.2 9.4 /

4)活性炭供应商的选择

中国活性炭工业始于20世纪50年代,主要生产木质、煤基以及果壳活性炭三种。尽管中国是世界上活性炭的第二大生产国和第一大出口国,但是大多数的厂家规模较小;生产设备陈旧,低效和能耗大;与研究机构、经销商以及目的用户的联系不多。所以作为啤酒厂用户来说,需要对活性炭供应商进行现场评审考察,提出自己的质量要求,选择能满足要求的长期合作供应商。

3 活性炭罐体结构

活性炭罐的结构设计对保证过滤流量、反洗再生效果和日常监控维护都非常重要,需要从以下几方面考虑:

1)罐体的基本参:(材质、工作流量、直径、高度等)

活性炭罐体一般采用304不锈钢板建造,内部抛光处理,抛光度达到0.6μm,罐体外表面进行喷砂处理。罐体设计压力0.6MPa,上下采用旋压封头,罐筒体采用整板卷焊。出入水均为304不锈钢管道,阀门为对夹式卫生级不锈钢,进出口管道上需设置取样装置及压力表等组件,设备本体设窥视孔。蒸汽减压阀上游的蒸汽管道采用碳钢无缝钢管,减压阀下游的管道采用304不锈钢无缝管道(需保温)。

罐体直径和高度按所需的工作流量、空床接触时间(一般要求6~15min)以及9-15m3/hr.m2的流速等参数来设计制定。

2)合理的出入水分配系统

进水分配管道一般采用入水总管分为网洞型管道,均匀分布和入水;出水装置多采用多孔板+水帽的形式,多孔板为整板制作,δ=22mm;水帽采用US316材质,滤帽的间隙精度为0.2-0.25mm。

3)合理的反冲洗和蒸汽灭菌再生装置

活性炭过滤器反洗水为活性炭过滤器的自产水,蒸汽灭菌温度和时间依据再生频率和出水指标而定;为避免蒸汽冷凝水的影响及减少蒸汽消耗量,建议蒸汽流向从上到下的设计:基本的反洗、蒸汽杀菌要求见(表4)

表4活性炭过滤器反洗和蒸汽杀菌流程及流量基本要求

项目 指标
反洗 1.5×容积
排水 容器彻底排空
蒸汽杀菌温度及时间 根据检测数据和出水要求制定较合适参数
冷却及慢注 1.0×容积
反洗 1.5×容积
正向冲洗 1.0×容积

4 反冲洗和蒸汽灭菌操作

活性炭罐的基本操作就是反冲和蒸汽再生两个环节,可以只反冲不蒸汽再生,也可以反冲后进行蒸汽再生操作。反冲和蒸汽再生的频率基于进水水质和出水水质的差异。

1)反冲洗操作

反冲洗是指水从下向上流过过滤碳层,使粒状活性炭床层膨胀,膨胀范围通常在20%~25%。通过床层膨胀曲线,可获得向上的较宜线速度值。反冲的作用是疏松活性炭滤层,将细小的活性炭粉未以及吸附的杂质排出,重新调整颗粒活性炭的分布;释放活性炭的吸附孔,恢复活性炭的吸附能力。

(1)新活性炭的处理:容器中活性炭占20%,缝隙空间占40%(活性炭颗粒之间),孔体积占40%(炭颗粒内部的空间)。如果空气滞留在孔体积中,待处理的液体不能进入吸附孔中,因此,空气是活性炭正常工作的障碍。典型情况下,需要将待处理的液体注入活性炭吸附系统后,停放24小时,在这期间,液体可以将活性炭中的空气替换掉,24小时后,进行逆流向上的反洗处理,将残留在炭床里面的空气去除。反洗过程还可以将系统中的活性炭粉末去掉,此过程开始时须保持低速,一般用30~45分钟的时间。

(2)如何制定合适的反冲工艺参数?

反洗后要达到大小颗粒炭重新分层,合理分布,因此需要根据活性炭的颗粒大小选择合适的流速LV,例如8×16目的颗粒煤质活性炭建议流速要大于35m/h;8×30目的流速大于25m/h(具体反冲洗流量可在设计时确定)。反洗频率一般为每周一次,每次需要10~15分钟,这由炭床体积和反洗流速决定。

2)蒸汽灭菌操作工艺

严格意义上说活性炭再生是指在800℃高温对已被吸附的有机化合物进行选择性气化,同时不会烧坏活性炭结构或改变孔结构,使恢复吸附能力。在啤酒厂水处理系统进行的蒸汽“再生”其实主要是对活性炭吸附的微生物进行蒸汽灭菌,释放活性炭吸附的有机物和挥发性不良物质(主要是THM三氯甲烷类)。蒸汽灭菌再生过程需要注意的是需先将罐体内的水排空;灭菌结束后打开排空阀,将罐内的蒸汽和冷凝水排空,采取自然降温的方式降到60℃以下才能打开进水阀用自来水浸泡;此外灭菌时要关好其它罐的蒸汽进口阀,以防止产生水锤现象。

5 建立有效的活性炭处理水质监控检测体系

为稳定活性炭处理的有效性,需要建立一套合理、经济、可操作性强的监控检测体系。

1)日常运行过程的水质监控指标和频率

水质监控指标为外观、气味、口味、浊度、pH、总硬度、残留碱度、暂时硬度、电导率、游离氯去除效果、有机物去除率(以高锰酸盐指数的下降表示);微生物指标(细菌总数、大肠菌群)。有机物去除率可根据每个罐的再生周期制定检测计划(根据有机物去除率曲线采取前疏后密的抽样方式);微生物指标一般为蒸汽灭菌前后取样检测,评价灭菌效果和监控活性炭和水质受微生物污染的情况。水质气味和口感是一个综合性的评价指标,直接影响啤酒的感官品质,需要定期专人负责对水样品评确认。

2)非常规指标的检测要求

非常规指标为三氮化合物(氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮)阴阳离子(钙、镁、锰、铁、钠、硫酸根、氯离子)、THM (三氯甲烷)、农药残留量等,根据水质变化不定期检测或送检,建议每月至少抽样检测一次水源水和酿造用水。

3)活性炭质量的检测要求

(1)活性炭标准的建立:除符合国家强制标准的项目外,还须建立一套适合本公司水处理系统的活性炭检测评价标准;如对样品进行模拟中试试验;着重关注以下指标:漂浮率、灰分、机械强度、密度、均一系数、吸附有机物的能力。

(2)验收和评价体系:进货抽样检测验收、投入使用后的效果评价、每半年对活性炭的质量和使用效果进行检测评价。

6 总结

通过对活性炭材质、罐体结构、反冲和蒸汽灭菌工艺、水质指标监控检测体系的阐述,基本涵盖了影响活性炭水处理质量的主要因素,若在此基础上对每一处细节加强分析和改进,则酿造水质的改善和稳定控制将会有较明显的变化,从而也会对啤酒感官质量起到明显的改善作用。