废弃WG-12颗粒活性炭的全规模水处理厂再生：一种循环吸附剂管理策略

《Water Resources and Industry》：Regeneration of Spent WG-12 Granular Activated Carbon from Full-Scale Water Treatment Plants as a Circular Adsorbent Management Strategy

　　

颗粒活性炭（Granular Activated Carbon, GAC）广泛用于地表水深度处理，但长期运行会耗尽吸附容量，需进行床层更换或再生。本研究评估了三个以地表水为水源的全规模市政水处理厂运行五年后的WG-12 GAC的再生效果。样品在600–850°C蒸汽中热再生20分钟，随后用1.75% HCl脱矿。通过碘值（Iodine Number, IN）、比表面积（Specific Surface Area, S_BET）、堆密度（Bulk Density, ρ）、机械强度（Mechanical Strength, MS）、再生质量产率（Regeneration Mass Yield, η_R）和吸附–机械折中指数（Adsorption–Mechanical Compromise Index, I_SM）评估性能，并通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）辅助分析。最有利的结果在800°C随后HCl脱矿时获得。对于华沙水处理厂样品，IN达到909.0 mg/g，S_BET达到891.0 m²/g，分别相当于原始WG-12参考规格值的95.68%和99.00%。将温度升至850°C并未改善吸附性能，反而造成更大的质量损失。在三个水厂中，800°C + HCl处理在吸附恢复和机械稳定性之间提供了最佳平衡，而热再生阶段比850°C处理保持了更有利的物质平衡。这些结果支持将再生WG-12作为全规模水处理系统循环吸附剂管理策略进行进一步中试规模评估。

随着水质标准日益严格，地表水处理常采用颗粒活性炭（Granular Activated Carbon, GAC）吸附作为深度处理的关键工序。然而，长期运行会使GAC吸附容量逐渐下降，导致需要更换或再生。从循环经济角度看，废弃GAC应被视为可回收的二次资源。目前关于长期运行后从全规模水厂采集的GAC再生研究有限，尤其是同时评估吸附恢复、机械稳定性和质量产率的研究更少。为此，研究人员评估了WG-12颗粒活性炭在三个全规模市政水厂使用五年后的再生性能，相关成果发表于《Water Resources and Industry》。

研究人员选取波兰三个以地表水为水源的水厂（Rzeszów–Zwi?czyca、Warsaw、Pietrasze in Bia?ystok）运行五年后的WG-12样品，在600–850°C蒸汽气氛下热再生20分钟，随后用1.75% HCl溶液脱矿。通过碘值（Iodine Number, IN）、比表面积（Specific Surface Area, S_BET）、堆密度（Bulk Density, ρ）、机械强度（Mechanical Strength, MS）、再生质量产率（Regeneration Mass Yield, η_R）和吸附–机械折中指数（Adsorption–Mechanical Compromise Index, I_SM）评价再生效果，并使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）分析表面形态与化学性质。主要技术方法包括实验室管式炉热再生系统、HCl脱矿处理、标准物化参数测定以及SEM/FTIR表征。样本队列来源为上述三个全规模水厂。

研究结果如下：

3.1 跨厂再生性能比较（Cross-Site Comparison of Regeneration Performance）。通过测定三个水厂样品在不同温度下再生后的IN和S_BET，发现800°C为最佳再生温度，HCl脱矿可进一步提高吸附性能。华沙水厂样品恢复程度最高，800°C + HCl后IN达909.0 mg/g，S_BET达891.0 m²/g，分别为新炭参考值的95.68%和99.00%；Bia?ystok–Pietrasze样品恢复较低，但机械强度保持较好；Rzeszów–Zwi?czyca样品在800°C时具有最高的再生产率（80.40%）。结果表明，再生效果不仅取决于工艺条件，还取决于水厂运行历史。

3.2 再生效果评价（Evaluation of Regeneration Effectiveness）。通过计算I_SM，随温度从600°C升至800°C，I_SM持续升高，HCl脱矿使所有温度点的I_SM进一步上升，而850°C时I_SM下降。这说明800°C + HCl能最好地平衡吸附恢复与机械强度。

3.3 与既往研究比较（Comparison with Previous Studies）。与文献报道的废GAC再生研究对比，发现最佳温度受碳类型、运行历史、污染负荷等影响，本研究确定的800°C与文献中的热再生温度范围一致，但应视为WG-12在特定条件下的结果。

3.4 与工业再活化实践的关系（Relation to Industrial Reactivation Practice）。工业再活化通常采用更高温度（约850–950°C），但本研究在20分钟停留时间下800°C即足以恢复吸附性能，850°C反而增加碳损失；酸脱矿可作为补充处理，但需注意其条件远未达到工业优化水平。

3.5 经济性初步评价（Screening-Level Economic Implications of Regeneration）。基于再生质量产率，按每吨废GAC计算，800°C时需补充新炭约196–230 kg，而850°C时需补充约279–290 kg，因此800°C可减少约51–88 kg/t的新炭需求，经济上更有利。

3.6 SEM分析（SEM Analysis）。SEM观察显示，废炭颗粒表面覆盖沉积物，孔道堵塞；经800°C + HCl再生后，大部分沉积物被去除，孔道重新暴露，但仍有局部结构损伤，与吸附性能恢复和机械强度下降相符。

3.7 FTIR分析（FTIR Analysis）。FTIR光谱显示，废炭在2853 cm^?1和2924 cm^?1处出现脂肪族C–H吸收峰，再生后2853 cm^?1峰消失，表明部分吸附的有机物被去除；但含氧官能团和矿物残留峰仍存在，说明再生不能完全恢复原始表面化学状态。

3.8 局限性与未来验证（Limitations and Future Validation）。研究仅评价了物化性能恢复，未直接验证对实际污染物的去除效果，因此需要通过柱实验或中试进一步验证再生炭的实际处理性能。

讨论部分强调，同一商业WG-12在相同标称使用期后，不同水厂的再生响应存在差异，废炭的初始污染状态和运行历史是决定再生效果的关键因素，因此一个水厂的最优再生条件不能直接照搬到另一水厂。初步经济分析显示800°C较850°C具有更好的材料平衡，但要完整评估工业可行性还需考虑能耗、酸耗、废水处理、运输等多方面因素。

研究结论可翻译为：（1）五年运行使WG-12吸附性能显著下降，下降程度因水厂而异，Rzeszów–Zwi?czyca炭的剩余吸附性能最高，Bia?ystok–Pietrasze炭下降最大。（2）蒸汽热再生能有效恢复吸附性能，升至800°C时IN和S_BET最高，850°C不再改善甚至略降。（3）热再生后使用1.75% HCl脱矿可进一步增强效果，华沙样品在800°C + HCl后恢复最佳，IN和S_BET分别达到参考值的95.68%和99.00%。（4）吸附性能改善伴随ρ和MS变化，η_R随温度升高而降低，800°C时η_R为77.02%–80.40%，850°C降至71%–72%，故800°C物质平衡更好。（5）I_SM表明800°C + HCl是最有利的吸附–机械折中变体，但并非工业通用最佳值。（6）SEM和FTIR定性支持上述解释，再生不能使炭完全恢复原始状态，但能显著恢复使用性能。（7）本研究仅评价单次再生循环，且未优化HCl浓度，需要更多柱/中试验证。（8）材料经济分析表明800°C比850°C更有利，每吨废炭可减少约51–88 kg新炭用量。