鑫凯 拦截固体颗粒 炭过滤器 运行成本低 工业水处理

一、概述

二、主要类型及结构特点

（一）活性炭过滤器

1. 罐体结构
   • 材质选择：罐体材质多样，常见的有不锈钢（如 304、316 不锈钢）、玻璃钢和碳钢。不锈钢罐体耐腐蚀性强、强度高，适用于对水质要求苛刻且可能接触腐蚀性物质的场合，如制药和食品行业。玻璃钢罐体质量轻、耐腐蚀，成本相对较低，在一般水处理场景中应用较广。碳钢罐体价格经济，但需要进行防腐处理，如衬胶或涂漆，常用于对水质腐蚀性较弱的情况。
   • 形状与设计细节：罐体通常为圆柱形，这种形状有助于均匀承受内部压力。罐体顶部设有进水口和排气口，进水口用于引入待过滤的水，排气口在注水初期排出罐内空气，防止气阻。底部设有出水口和排污口，出水口排出过滤后的水，排污口用于定期清理积累在活性炭底部的杂质。
2. 布水和集水装置
   • 布水装置功能与类型：布水装置位于罐体顶部，主要有喷头式和穿孔管式。喷头式布水装置通过多个喷头将水均匀喷洒在活性炭滤层上；穿孔管式布水装置则是在管道上开小孔，使水均匀分布在滤层表面。其目的是确保水流在活性炭滤层上均匀分布，避免局部水流不均影响过滤效果。
   • 集水装置结构与重要性：集水装置在罐体底部，由穿孔管和滤帽组成。穿孔管收集过滤后的水，滤帽防止活性炭颗粒随水流出。良好的集水装置保证出水质量和流量，若集水不均匀，可能导致未充分过滤的水混入出水中，降低水质。
3. 活性炭滤层
   • 活性炭种类及特性：
     • 颗粒活性炭（GAC）：颗粒大小一般在 0.4 - 4mm 之间，比表面积通常在 500 - 1500m2/g，孔隙结构包括微孔、中孔和大孔。微孔用于吸附小分子物质，中孔和大孔有利于吸附大分子有机物和为小分子扩散提供通道。
     • 粉末活性炭（PAC）：粒径小于 0.18mm，比表面积更大，能快速吸附杂质，但不易分离，常用于需要快速吸附处理或辅助吸附的场合。
     • 柱状活性炭：呈圆柱状，机械强度高，在水流冲刷下不易破碎，吸附性能与颗粒活性炭类似，在特定过滤装置中因形状规则，有利于填充和水流通过。
   • 滤层厚度与填充方式：滤层厚度一般在 0.5 - 2m 之间，根据过滤要求和罐体大小确定。填充时要保证活性炭均匀分布，有时采用分层填充，如底部用较大颗粒活性炭作支撑层，再填充较小颗粒活性炭以提高吸附效果。

（二）其他炭基材料过滤器（如生物炭过滤器）

1. 罐体及附属装置
   • 罐体结构类似活性炭过滤器，但可能在一些细节上有所不同。例如，生物炭过滤器可能需要考虑微生物生长环境的营造，罐体上可能会有额外的装置用于添加微生物营养物质或调节微生物生存条件，如温度和 pH 值的调节装置。
2. 炭基材料特点
   • 生物炭的特殊性质：生物炭是一种由生物质（如木材、农作物秸秆等）在缺氧条件下热解制成的炭材料。它不仅具有一定的吸附性能，还能为微生物提供附着生长的场所。生物炭表面含有丰富的官能团，如羧基、羟基等，这些官能团可以与水中的污染物发生吸附和化学反应。同时，微生物在生物炭表面生长繁殖，形成生物膜，通过微生物的代谢作用进一步分解水中的有机物，从而增强了水质净化效果。
   • 与其他材料的混合使用：在一些炭过滤器中，可能会将生物炭与其他材料（如石英砂、陶粒等）混合使用，以综合利用不同材料的优点。例如，与石英砂混合可以增强过滤的机械拦截能力，同时利用生物炭的吸附和微生物分解作用，提高对水质的净化效果。

三、工作原理

（一）物理吸附

1. 活性炭的吸附机制
   • 活性炭具有高度发达的孔隙结构，当含有杂质的水通过活性炭滤层时，水中的有机物、余氯、异味物质和部分重金属离子等杂质会在分子引力（范德华力）作用下，被吸附在活性炭的孔隙表面。例如，水中的腐殖酸、富里酸等天然有机物会被吸附在活性炭的微孔中，降低水的化学需氧量（COD）和色度；水中的余氯会与活性炭表面的活性基团发生反应，被吸附除去，这对保护后续水处理设备免受余氯氧化损伤很重要。
2. 生物炭的物理吸附补充
   • 生物炭同样具有一定的孔隙结构，对水中的杂质也有物理吸附作用。其吸附原理与活性炭类似，但由于生物炭的孔隙结构和表面性质可能因制备原料和方法不同而有所差异，吸附的选择性和效果也会有所不同。例如，生物炭对一些具有特定官能团的有机物可能有更强的吸附能力，这与其表面丰富的羧基、羟基等官能团有关。

（二）化学吸附（部分情况）

1. 活性炭表面化学反应
   • 在某些情况下，活性炭表面的化学官能团会与水中的杂质发生化学反应，从而实现化学吸附。例如，活性炭表面的一些含氧官能团（如羧基、羟基等）可以与水中的重金属离子发生离子交换或络合反应，将重金属离子吸附在活性炭表面。
2. 生物炭的化学作用增强
   • 生物炭除了物理吸附外，其表面的官能团还能与水中的污染物发生化学反应。而且，生物炭上附着的微生物可以通过代谢活动，将水中的有机物分解为二氧化碳和水等简单物质。例如，微生物可以将水中的氨氮转化为硝酸盐，进一步降低水中的有害物质含量。

四、特点

1. 高效的净化能力
   • 炭过滤器对水中多种杂质都有很好的去除效果。对有机物的去除率可高达 80% - 90% 以上，对余氯的去除率几乎能达到 100%，对色度和异味物质也有显著的去除效果。能有效改善水质的感官性状和化学性质，使水变得清澈、无味。
2. 化学稳定性和适应性
   • 活性炭在较宽的 pH 值范围（一般为 4 - 10）内能保持稳定的吸附性能，对酸碱环境有一定耐受性。生物炭等炭基材料也能在一定的环境条件下稳定工作，并且炭过滤器可以根据不同的水质和处理要求进行调整，适应多种水源，如地表水、地下水、工业废水等。
3. 相对经济的运行成本
   • 活性炭成本相对合理，虽然需要定期更换（根据进水水质和处理量，使用寿命一般为数月至数年），但与一些高精度过滤设备相比，炭过滤器的运行成本（包括设备折旧、炭材料更换、能耗等）较低，具有较高的性价比。生物炭的制备原料通常来自生物质，来源广泛，成本也有一定的优势。
4. 操作和维护的便利性
   • 炭过滤器的操作相对简单，主要包括控制进水流量、定期反冲洗和更换炭材料等基本操作。反冲洗过程可以通过自动化控制系统实现，也可以手动操作。通过观察进出口压力差、出水水质等指标，就能容易地判断设备运行状态和维护需求。

五、应用领域

1. 生活饮用水处理
   • 作为预处理或深度处理设备，炭过滤器可去除原水中的有机物、余氯、异味和色度。在自来水厂，它可以在混凝沉淀和砂滤后进一步提高水质，去除残留的农药、化工污染物、藻类分泌物等有机物和消毒过程中的余氯，使饮用水更安全、可口。
2. 工业用水处理
   • 纯水制备和膜系统保护：在工业纯水制备（如电子、制药工业）中，炭过滤器用于去除水中有机物和余氯，防止对反渗透膜、离子交换树脂等深度处理设备造成污染和损坏，提高纯水质量和生产效率。
   • 循环冷却水系统优化：在工业循环冷却水系统中，炭过滤器可去除水中有机物和微生物滋生所需营养物质，防止冷却设备结垢、腐蚀和微生物滋生，延长设备使用寿命，降低维护成本。
3. 食品饮料行业
   • 在饮料生产（如矿泉水、果汁、啤酒等）中，用于去除水中杂质、异味和有机物，确保饮料清澈度和口感。在食品加工中，用于原料液过滤，如在食用油精炼中过滤杂质和胶质，在乳制品生产中过滤牛奶中的杂质和细菌，保证产品质量和安全。
4. 制药行业
   • 制药行业对过滤设备要求高，炭过滤器用于原料药精制、注射用水过滤、药品包装前除菌过滤等环节。例如，在注射用水制备中，能去除水中微粒、细菌和热原物质，确保注射用水无菌性和纯净度，符合药品生产质量管理规范（GMP）要求。
5. 污水处理
   • 在污水处理过程中，炭过滤器可用于深度处理，去除污水中的有机物、色度和部分重金属。如在印染废水处理中，有效去除染料和助剂等有机物，降低废水色度和化学需氧量（COD），使污水达到回用标准或更严格排放标准。在电镀废水处理中，可吸附部分重金属离子，辅助其他处理工艺，提高废水处理效果。