洛天依桌面精灵:粉末活性炭(PAC)强化处理微污染原水国内外研究现状

粉末活性炭(PAC)强化处理微污染原水国内外研究现状
侯轶 高乃云 张楠 彭广勇
(同济大学污染控制与资源化国家重点实验室，上海200092)
摘要：首先对PAC强化处理微污染原水的机理及PAC在饮用水处理中的国内外应用现状进行了综述，最后指出需要进一步研究的问题。认为需要针对各种实际的原水水质进行现场试验，研究吸附时间对吸附效果的影响，尤其需要深入研究PAC用于突发污染水质事故的应急处理。
关键词：粉末活性炭(PAC)、黄浦江、原水、微污染
1前言
近年来，水源水的污染日益严重，甚至呈发展趋势，其中对饮用水水源威胁较大的主要是有机污染物。欧、美、日等发达国家高度重视水质问题，随着检测手段的进步和水中有机物检出种类的增加，饮用水标准对有机物的种类和含量作了越来越严格的限制。我国新的国家标准GB5749-2006(生活饮用水卫生标准）颁布之后，同样也对供水水质提出了更加严格的要求。目前，水厂常规净化处理工艺难以将水中微量有毒、有害物质处理到符合安全、卫生要求的生活饮用水水质。因此，常规给水处理工艺的强化是目前亟待解决的问题。去除饮用水源中溶解性有机物和消毒副产物，有效地提高和保证饮用水的质量，是一项重要而紧迫的任务。同时研究开发高效经济去除原水有机污染物的技术，对于应对突发性污染事件、使受污染的水体快速恢复饮用水源功能具有重要的现实意义。
2 PAC及其净水机理
PAC几乎可以用含碳的任何物质作为原料来制造，制造过程分为碳化和活化两个部分。碳化可以使得原料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳和氢等，使原材料分解成碎片，并重新结合成稳定的具有发达微孔的结构。活化可使微孔扩大形成许多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被烧掉，结构出现不完整，加之灰分和其他杂原子的存在，使活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和价键，使氧和其他杂原子吸附在这些缺陷上，因而使得活性炭产生了各种各样的吸附特性。

1一大孔(微生物、吸附质、溶剂可到达表面)；2一中孔(吸附质、溶剂可到达表面)，3一微孔(小分子吸附质、溶剂可到达表面)根据国际化学净化和应用协会(International Union ofPure and Applied Chemistry)的分类，活性炭孔径可分为微孔、中孔和大孔，如图l所示。
大孔主要是溶质到达活性炭内部的通道；中孔同时起到吸附作用和通道作用，对大分子的溶质的吸附有可能堵塞小分子溶质进入微孔的通道，微孔占活性炭表面积的主要部分，是活性炭吸附微污染物的主要作用点。活性炭的孔径分布可能大不相同，据此人们把活性炭分为大孔型活性炭和微孔型活性炭,表l为活性炭的典型孔径分布。
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PAC是一种优良的吸附剂，目前广泛用于去除水中臭味，天然和合成的有机物以及微污染物质。PAC在水中具有吸附能力在于其巨大的比表面积。与活性炭吸附能力最直接相关的因素是表面的官能团的性能。一般把活性炭的表面官能团分成酸性和碱性两大类，用化学和物理化学分析方法，发现活性炭表面的官能团有羧基、羟基、酚基，羰基等。酸性官能团使活性炭具有极性的性质，因此倾向于吸附极性较强的化合物。特别是类似羧基的基团，易于吸附带极性的水，因而对水中非极性物质吸附作用不强，但当水中含有极性更强的物质时，这些物质可以置换水而被吸附。
采用活性炭吸附时，大部分比较大的有机物分子、芳香族化合物、卤代烃等能够牢固的吸附在活性炭表面上或孔隙中，并对腐殖质、合成有机物和低分子量有机物有明显的去除效果。实践证明，活性炭能够降低水中总有机碳(TOC)，总有机卤代物(TOX)和总三卤甲烷 TTHM)等指标。
活性炭对污染物的吸附有两种方式：一种是范德华吸附(即物理吸附)，吸附质通过一种相当弱的力结合到吸附剂表面上，在这种吸附中，被吸附分子的化学性质保持不变，吸附质可相对于吸附剂自由移动，吸附是可逆的；另一种方式是化学吸附，前面已经提到，活性炭在制造过程中炭表面能生成一些官能团，这些官能团使活性炭表面和吸附质之间有电子交换或共享而发生的化学反应，这种吸附是不可逆的。在水处理过程中，活性炭对有机物的吸附过程常为两种吸附作用的综合结果。
在水质控制中，采用活性炭等固体吸附剂来吸附去除水溶液中溶解性的有机物时，吸附速度是一个极其重要的因素。当含有有机污染物等杂质的水与活性炭接触时，水中溶解的有机物先扩散到活性炭的外表面，然后通过活性炭内部的细孔扩散到吸附表面，在表面作用下与吸附表面发生吸附结合，使原水得以净化。总体说来，吸附作用可分为扩散和吸附两个阶段。
吸附阶段反应速度极快，因此，吸附速度主要由扩散过程控制，溶液条件如pH值、温度、吸附质浓度、存在竞争性物质及溶剂的极性等也都会影响活性炭的吸附功能。一般来说括性炭对水中典型有机污染物的吸附，将随着pH值的降低而增加 。由于吸附是放热反应，水温越低，吸附效果越好。溶液中存在多种混和溶质时，被吸附的各种溶质，有的能够相互诱发吸附，有的能相当独立的被吸附，有的则相互干扰，竞争吸附。下述条件下将发生吸附容量的相互抑制：(1)吸附作用发生在单一或极少的分子层内；(2)溶质的吸附亲和性相差不大；(3)溶质之间不会发生特定的相互反应去诱发吸附。竞争性表明被吸附物的相互抑制程度，与被吸附分子的相对尺寸和相对亲和性以及溶质的相对浓度等因素有关。
3 PAC净水应用国内外现状
目前对于强化处理微污染原水技术，国内外水厂广泛使用的一种方法就是活性炭吸附技术。活性炭主要有粉末活性炭(PAC)和颗粒活性炭(GAC)两种。PAC技术的主要特点是设备投资省、价格便宜、对短期及突发性水质污染适应能力强。经过大量研究表明它对水中溶解的有机污染物，如三氯甲烷及前体物、苯类、酚类化合物、色度、异臭、胺类化合物、氯化有机物等都具有较好的去除效果。活性炭吸附技术是最成熟有效的方法之一，与常规净水工艺相结合，既完善了常规处理工艺，提高了水中有机污染物的去除效率，是传统老厂对工艺改善和加强处理效果的一种理想手段，也是作为一种提高出水水质和应对原水突发性污染事故的有效措施。
3．1、国外应用现状
PAC最早是由欧洲干1909年正式开始利用奥斯特雷杰科专利制造的。美国新米尔福水厂自1929年首次用PAC去除氯酚产生的嗅味以来，PAC在水处理中的应用己有近70年的历史。美国八十年代初期，每年在水源水处理中所应用的PAC约25000吨，且有逐年递增的趋势。并且PAC在荷兰、日本、法国、比利时、英国、瑞典和意大利等国都有广泛的应用。他们关于PAC对给水中的有机物的去除进行了大量的研究，取得了宝贵的经验。例如，Vedat Uyak等研究了PAC强化混凝处理饮用水源水中的消毒副产物，结果表明PAC对水中消毒副产物THM 和DOC均具有较好的去除效果，DOC去除率从45％提高到76％ ，PAC能去除大部分低分子量NOM，而且强化处理后THM 可达到150ug／L。H．Jiang等研究了传统给水处理工艺对水中除草剂ATZ、SIM、PROP、DDA等内分泌干扰物的去除效果，证实了传统混凝一沉淀一消毒工艺不能有效去除这些物质，只有结合活性炭强化处理的情况下才能达到理想的处理效果。Lionel Ho等研究了PAC强化混凝过程中NOM、浊度等条件对PAC吸附MIB的影响。结果表明絮体尺寸和浊度增大会减小MIB在PAC上的吸附量，而NOM 的负影响则更大，说明处理水质条件对PAC吸附去除水中有机物有着重要影响。Mafia等对比研究了PAC强化混凝工艺对腐植酸和苯酚的去除效果。结果表明使用PAC吸附强化混凝处理后对腐植酸和苯酚的去除效果有所改进，在pH=7时，苯酚和色度可完全去除，UV254和CODMn分别达到99％和8I～89％。国外对PAC吸附性能做了大量研究，表明PAC对二氯苯酚、农药中所含物质、消毒副产物等等均有较好的吸附效果，对色、嗅、味的去除效果已得到公认。
3．2、国内应用现状
我国在2O世纪6O年代末开始将PAC技术用于污染水源的除臭、除味。近年来，我国越来越重视对活性炭的研究和应用，活性炭吸附技术在国内水厂得到越来越多的应用，并已经取得较好效果，同时也开展了大量关于PAC强化处理工艺的研究。高乃云、王荣昌等人在上海市闵行水厂二分厂用PAC处理黄浦江上游微污染原水取得了较好的效果，PAC对CODMn和UV254净增加去除率分别为21．3％和29．8％。实验研究表明最佳PAC炭种为1#PAC，最佳投加点为吸水井处，最佳投加量为10mg／L，在最佳投加量时制水成本增加5.9分／m3，。潘碌亭等研究了PAC强化混凝处理黄浦江水源水，对浊度、CODMn、UV 254等均有较好效果，PAC投加点、投加方式等都对处理效果有一定影响，同时投加效果最好。梁存珍等分别采用煤质和木质PAC去除饮用水中嗅味物质，如MIB、TCA、IPMP和IBMP等，研究了PAC种类、投加量、嗅味物质初始浓度、余氯等因素的影响，结果表明煤质PAC相对木质PAC具有更高的MIB去除率。另外，也有关于PAC作为水源水突发污染事故的应急处理研究。高乃云、陈蓓蓓等通过中试实验研究了水源水中阿特拉津突发污染的应急处理，结果证实PAC可有效去除阿特拉津，PAC投加量为50mg／L时，可使初始浓度为200ug／L的阿特拉津降低到2ug／L以下。周克梅等对长江南京段微污染原水PAC应急投加进行了实验研究，通过烧杯试验确定了适宜的活性炭炭种、投加量和投炭点。结果表明煤质PAC较木质或椰壳炭更为经济合理，投加点越靠前越有利于吸附作用的发挥，活性炭与混凝剂的竞争吸附现象不明显，针对该水质活性炭最佳投量为20～30mg／L。王生辉等研究了PAC吸附硝基苯的性能，结果表明PAC对硝基苯具有良好的吸附去除能力，可作为应急处理工艺有效应对原水的硝基苯污染，保证供水安全。高乃云、刘成等研究了高藻污染原水的投加PAC应急处理工艺，实验结果表明10mg／L的PAC可明显改善混凝工艺对藻类的去除效果，藻类去除率从60％提高到96％，同时还可有效去除土嗅素和二甲基异冰片等致嗅物质，对高藻后期高浓度的微囊藻毒素，投加20mg／L保持接触时间40min就可降到水质标准值以下。刘恒等采用PAC强化混凝工艺处理微污染水源水，活性炭投加量为200mg／L，对各种污染物的去除效果较好，对源水异嗅味、色度、浊度、矿物油和苯酚的去除率分别达到7l～90％，对CODMn、TOC和氨氮去除率分别为47％～53％、26～27％和l0～l8％。另外，目前将PAC用于突发污染水质事故的应急处理(如哈尔滨和无锡)已有成功的案例。
4.需要进一步研究的问题
通过对国内外相关研究的了解，对PAC在常规水处理中的应用情况的研究，发现自来水厂应用PAC吸附技术，是一项非常有效，并且应用方便的强化处理技术。但是在技术应用方面还存在一些问题，要想真正发挥PAC吸附技术的优势还需要对以下方面进行深入的研究。
1)PAC吸附有机物具有很强的选择性。对于不同的原水水质，处理效果有很大的不同，同时不同的水质，对PAC的种类、投加点以及最佳投加量都存在差异，因此要根据实际的原水水质进行现场试验，才能确定最佳的处理方案。
2)PAC吸附的有机物分子量分布及其吸附机理还有待进一步研究。另外，可对PAC进行一些改性，如氧化改性改变其碘吸附值、零电荷点、表面官能团等，或还原改性和负载金属离子改性等来加强吸附效果。
3)我国对于PAC在处理微污染水源水中的应用研究还很不够。目前，将PAC应用于生产的水厂并不多，而且在应用过程中，对于如何经济有效地利用PAC的吸附能力，往往缺乏深入研究，从而造成PAC的浪费或达不到应有的处理效果。
4)加强对PAC用于突发污染水质事故的应急处理研究。
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