粉末活性炭在凈水處理中實(shí)際應用研究

摘要:國外利用粉末活性炭去除水中有機物、除色、除嗅味物質(zhì)己取得成功的經(jīng)驗與較好的去除效果。如上世紀20年代美國芝加哥,已成功利用粉末活性炭與慢砂過(guò)濾工藝相結合,防預了飲用水的氯酚污染;在東普魯士早已利用粉末活性炭消除季節性的原水藻類(lèi)異味等。認為雖然顆�；钚蕴磕鼙ＷC良好的工藝性,但吸附循環(huán)的較短時(shí)間仍是粉末活性炭的優(yōu)點(diǎn)。國內利用粉末活性炭去除污染物正處于研究之中,目前實(shí)際的應用仍然不多。

關(guān)鍵詞:粉末 活性炭 吸附投加

國外利用粉末活性炭去除水中有機物、除色、除嗅味物質(zhì)己取得成功的經(jīng)驗與較好的去除效果。如上世紀20年代美國芝加哥,已成功利用粉末活性炭與慢砂過(guò)濾工藝相結合,防預了飲用水的氯酚污染;在東普魯士早已利用粉末活性炭消除季節性的原水藻類(lèi)異味等。認為雖然顆�；钚蕴磕鼙ＷC良好的工藝性,但吸附循環(huán)的較短時(shí)間仍是粉末活性炭的優(yōu)點(diǎn)。國內利用粉末活性炭去除污染物正處于研究之中,目前實(shí)際的應用仍然不多。粉末活性炭的投加量與水的濁度、臭味物質(zhì)的濃度有關(guān),投加量應根據水質(zhì)的特點(diǎn)試驗確定。研究的關(guān)鍵是如何根據自身企業(yè)的實(shí)際情況,致突變污染物的組成,不同水源水廠(chǎng)不同工藝配置的特點(diǎn),進(jìn)行大量的室內外試驗,尋找相適應的投加工藝和投加碳的品種,以期建立相對經(jīng)濟、簡(jiǎn)單易行的投加粉末活性炭工藝。

一、粉末活性炭的凈水效能研究

粉末活性炭吸附水中溶質(zhì)分子是一個(gè)復雜的過(guò)程,是幾種力綜合作用的結果,包括離子吸引力、范德華力、化學(xué)雜和力。根據吸附的雙速率擴散理論認為,吸附是一個(gè)由迅速擴散和緩慢擴散兩階段構成的雙速過(guò)程,迅速擴散在數小時(shí)內即完成,發(fā)揮了60%-80%活性炭的吸附容量。迅速擴散是溶質(zhì)分子在碳粒內沿徑向均勻分布的阻力小的大孔隙中擴散的過(guò)程。這些大孔隙產(chǎn)生徑向的擴散阻力。當分子從大孔進(jìn)一步進(jìn)入與大孔相通的微孔中擴散時(shí),由于受到狹窄孔徑所產(chǎn)生的很大阻力,從而極為緩慢。微孔也是在碳粒內均勻分布,但不構成徑向的擴散阻力。影響粉末活性炭吸附的因素涉及溶質(zhì)分子極性、分子量大小、空間結構,這一點(diǎn)取決于水源水質(zhì)的特征�；钚蕴繉Σ煌�的物質(zhì)分子具有選擇吸附性。

(一)投加工藝的選擇

國外專(zhuān)家曾對粉末活性炭的應用情況進(jìn)行分析研究,認為粉末活性炭對人工合成化學(xué)物的吸附去除主要取決于該化合物的類(lèi)型。在選擇投加點(diǎn)時(shí),必須考慮混合程度和處理接觸時(shí)間,盡量減少水處理藥劑對吸附的干擾。根據國內某水廠(chǎng)近年應用粉末活性炭的經(jīng)驗認為,對于有生活污水、工業(yè)污水的排放,造成水體富營(yíng)養化,導致水體藻類(lèi)等微生物急劇繁殖等,屬于污染較嚴重、較為復雜的水源;枯水期時(shí)常散發(fā)成分復雜的異臭、異味,再加上取水河段為潮感河流,污水回蕩時(shí)間長(cháng),污染造成的危害較大。選取投加粉末活性炭工藝時(shí),主要考慮:

(1)投加點(diǎn)要有充足的攪拌條件,使粉末活性炭能快速與處理水有良好的混合接觸。

(2)盡量延長(cháng)粉末活性炭與水體接觸吸附時(shí)間,充分利用粉末活性炭的吸附能力,提高吸附率。

(3)盡量選取粒徑小的粉末活性炭,使同等重量的活性炭吸附面積相對大;選取中孔較發(fā)達的木質(zhì)活性炭,力求提高活性炭對有機物的吸附效能。

(4)盡量減小水處理過(guò)程中的化學(xué)藥品干擾,如氯、高錳酸鉀、混凝劑等。

(5)要根據投加量的多少、場(chǎng)地條件選取干式或濕式投加。

(6)根據水質(zhì)污染狀態(tài)確定投加量。投加量從5-30mg/L不等。某水廠(chǎng)投加粉末活性炭工藝如下:

(二)投加粉末活性炭明顯改善出水水質(zhì)

(1)投加粉末活性炭對去除色度有明顯效果。色度的去除有報道可達70%,色度低表明去除有機物的效率高,除鐵、錳的效果好。但去除色度的效果并沒(méi)有和投加活性炭量成正比,其復雜的機理,還有待下一步研究。
 
(2)投加粉末活性炭對去除嗅味有明顯效果。南方某水體的富營(yíng)養化水體不僅是藻類(lèi)繁殖和殺滅過(guò)程產(chǎn)生的異臭,還面對復雜的工業(yè)排污污染,水體長(cháng)期酚類(lèi)物質(zhì)的異常濃度所引起的異臭。由于致臭物質(zhì)的動(dòng)態(tài)性和不確定性,故臭味的定量分析成為十分艱難的課題,設想要經(jīng)過(guò)多年對特定水體的調查研究,設立相關(guān)的數學(xué)模型,設立相應的分析方法,才能逐步解決。目前臭味的檢測一般是用人的感官去鑒定,人為的誤差較大。除臭是粉末活性炭去除污染物的一個(gè)重要的綜合評價(jià)指標,也是供水行業(yè)目前面臨的確保飲用水安全的極其重要、難度相當大的感官指標。

(3)投加活性炭有助于去除陰離子洗滌劑。國內外化工行業(yè)早已有利用粉末活性炭,來(lái)凈化去除工業(yè)廢水中的洗滌劑的工藝。也是粉末活性炭去除較大分子合成有機物的一個(gè)評價(jià)指標。

(4)投加活性炭有助于對藻類(lèi)的去除。投加了粉末活性炭阻隔了藻類(lèi)的光吸收,同時(shí)在濁度較低的水源中有明顯的助凝作用,有助于在混凝沉淀中去除藻類(lèi)。如應用投加粉末活性炭、聚丙烯酰胺助凝、高錳酸鉀氧化的聯(lián)合協(xié)同作用,嚴格控制沉淀池出水濁度為1NTU以下,則藻類(lèi)的去除率可高達95%-98%。

(5)投加粉末活性炭使化學(xué)耗氧量(CODmn和CODcr)、五日生化需氧(BOD5)量大大降低,這些與水體有機污染程度正相關(guān)的表征指標的下降,表明了水體有毒有害物質(zhì)的去除程度。

(6)投加粉末活性炭對酚類(lèi)的去除有良好的效果。上世紀30年代,國外已有采用粉末活性炭吸附焦化廠(chǎng)廢水中苯酚的工藝。根據水廠(chǎng)的應用經(jīng)驗,認為在原水揮發(fā)性酚在0.005mg/L以下,投加粉末活性炭20mg/L以下,可以有效地去除;若原水揮發(fā)性酚在0.005mg/L以上,0.01mg/L以下,可明顯減低出廠(chǎng)水揮發(fā)性酚含量;但原水揮發(fā)性酚大于0.01mg/L時(shí),單靠投加粉末活性炭,難以得到良好的去除效果。粉末活性炭對酚類(lèi)的去除效果,是綜合評價(jià)吸附能力的重要指標,對于酚類(lèi)污染嚴重的水體尤為重要。

(7)投加活性炭粉時(shí)出水濁度的影響。投加活性炭后由于活性炭比重大,并具有良好吸附性能,吸附在絮狀物上,增加絮狀物的比重,使水中相當部分有機物得到去除,具有良好的助凝性能。對于某濁度低,絮狀物由于有機膠體過(guò)多而輕浮的水體,助凝效果較顯著(zhù)。投加粉末活性炭后,沉淀池、濾池出水濁度大幅度下降,自來(lái)水水質(zhì)大幅度提高。沉淀池出水濁度下降近60%,出廠(chǎng)水出水濁度下降近70%。但粉末活性炭投量大時(shí),會(huì )發(fā)生微小碳粒穿透濾池的現象,影響出水濁度,所以當投加量大時(shí),要嚴格控制好濾速和濾池出水濁度。

(8)投加粉末活性炭對水體致突變性的影響

水體致突變性用Ames試驗檢驗,試驗菌種為T(mén)A98、TA100,用XAD樹(shù)脂吸附水樣中致突變有機物,洗脫物用平皿滲入法作三個(gè)濃度檢驗,用突變菌落數和對應的受試物濃度作回歸曲線(xiàn),以突變菌落數為自發(fā)回變菌落數兩倍時(shí)的對應水樣體積作為該水樣的最低致突變劑量。比較各水樣的最低致突變劑量可知其所含致突變有機物的多少。

某水廠(chǎng)水源常年致突變試驗呈陽(yáng)性,常規處理加氯消毒后致突變性一般會(huì )增加;投加粉末活性炭后,首次出現出廠(chǎng)水致突變?yōu)殛幮�。這不得不歸功于粉末活性炭對有機污染物的有效去除,從而證明投加粉末活性炭,是常規工藝改善飲用水水質(zhì)的簡(jiǎn)捷途徑。

投加粉末活性碳后,水體相當部分有機物得到去除,水體中膠狀物質(zhì)含量減少,表面粘度下降。粉末活性碳吸附在絮凝物上,有利于絮體的架橋,能改善絮體的結構。所以對濁度較低、污染嚴重的水體,投加粉末活性炭除有良好的去除有機污染能力,同時(shí)還具有良好的助凝作用,使出水水質(zhì)得到大幅度提高。是一種投資相對小、收效快,尤其是對于規模較大的舊水廠(chǎng),是處理污染水源的一種可靠的凈化工藝。

二、粉末活性炭的吸附性能評價(jià)研究

另一方面,對于吸附劑粉末活性炭,其內表面化學(xué)結構、比表面積可以影響吸附能力。在實(shí)際生產(chǎn)應用中還有吸附速率的問(wèn)題,活性炭顆粒的孔隙大小、粒徑分布決定了溶質(zhì)分子向碳粒內部擴散的速度。所以活性炭的吸附能力和吸附速率兩方面決定了活性炭的質(zhì)量。因此如何評價(jià)選擇活性炭的種類(lèi)和質(zhì)量,如何根據水源水質(zhì)選擇合適的碳種和投加量,成為生產(chǎn)中亟待研究解決的重要課題。

國內一般主要采用碘值、亞甲藍值來(lái)評價(jià)活性炭的吸附性能。但是生產(chǎn)實(shí)踐和經(jīng)驗都證明僅采用這兩個(gè)指標不能全面評價(jià)活性炭,與實(shí)際的吸附效果有所差距。因此采用這些指標判斷活性炭的效能只有部分理論意義,不能全面、準確地反應實(shí)際吸附狀況。

(一)目前評價(jià)水處理粉末活性炭的指標存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)研究發(fā)現:碘值、亞甲藍值只能夠表明活性炭顆粒中細小孔徑的比表面積大小,但是在實(shí)際生產(chǎn)中有吸附速率的問(wèn)題,即凈水工藝中吸附時(shí)間是有限的,水處理中應用的粉末活性炭遠未達到完全吸附平衡�；钚蕴款w粒內部中等孔隙是有機物分子的進(jìn)入通道,一般認為活性炭的中等孔隙越發(fā)達越有利于吸附動(dòng)力學(xué)平衡,所以中孔是否發(fā)達決定了吸附速率。為了結合實(shí)際應用,我們不僅考慮粉末活性炭的總吸附比表面積(也就是碘值、亞甲藍值等指標),還要判斷粉末活性炭顆粒內部的孔徑分布是否容易達到快速吸附,即明確轉化為如何評價(jià)活性炭的孔徑分布是否合理。

進(jìn)一步研究發(fā)現,采用一些具有特定立體空間結構的有色大分子可以表征活性炭的孔徑分布。同時(shí)這些物質(zhì)可以采用一定的分析方法精確定量。采用這一系列的分子量階梯排列的吸附質(zhì)來(lái)評價(jià)粉末活性炭的綜合性能,與水廠(chǎng)生產(chǎn)情況和實(shí)際水樣吸附效果相一致。

(二)通過(guò)研究分析尋找水體特定的污染表征物,制定相應的評價(jià)方法。

隨著(zhù)試驗深入,采用某水源廣泛存在的一種典型有機污染化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品標樣來(lái)作為吸附質(zhì)進(jìn)行試驗。這種酚類(lèi)物質(zhì)分子量適中,中等極性,分子空間結構較大,所以可以很好地代表水中的較復雜有機分子。

采用綜合評價(jià)方法來(lái)衡量活性炭的性能:采用碘值、亞甲藍吸附值評價(jià)粉末活性炭的微孔比表面積;采用一些具有特定結構的大分子表征活性炭的中孔發(fā)達情況;采用一種酚類(lèi)標樣作為復雜有機物質(zhì)的代表來(lái)確定活性炭的吸附能力,通過(guò)三方面綜合評判可以更加準確和客觀(guān)。

吸附特定大分子有機物,對于木質(zhì)碳而言,250目的吸附效果比200目提高10.1%,325目的比200目提高25.3%;對于煤質(zhì)而言,250目的吸附效果比200目提高66.2%,325目的比200目提高101.5%。對于木質(zhì)和煤質(zhì)活性炭吸附特定大分子有機物效果比較,木質(zhì)遠遠優(yōu)于煤質(zhì)。

吸附特定天然有機物,對于木質(zhì)碳而言,250目的吸附效果比200目提高49.2%,325目的比200目提高61.9%;對于煤質(zhì)而言,250目的吸附效果比200目提高48.0%,325目的比200目提高56.0%。以這兩種木質(zhì)和煤質(zhì)活性炭吸附特定天然有機物比較,木質(zhì)遠遠優(yōu)于煤質(zhì),吸附數量超過(guò)1-2倍。

試驗結果表明:l)木材、果核為原料生產(chǎn)的活性炭與無(wú)煙煤為原料生產(chǎn)的活性炭相比,中孔數量較多,從吸附性能角度看,一般木質(zhì)、果核類(lèi)活性炭較適合于某重污染水源,去除以酚類(lèi)為主的致臭污染物水處理應用。煤質(zhì)碳由于比重較大,相對用于助凝去除有機物和價(jià)格上有優(yōu)勢,尤其是對于不是以酚類(lèi)為主的污染源的吸附流程較短的水廠(chǎng)。通過(guò)研究認為粉末活性炭的吸附能力與粒徑相關(guān),粒徑越小,比表面積越大,吸附越強;但粒徑過(guò)小,易于穿透濾層,引起用戶(hù)不滿(mǎn)。根據生產(chǎn)應用經(jīng)驗認為,如在吸水口投加的水廠(chǎng),為了充分利用粉末活性炭的吸附能力,宜采用目數大于250目的粉末活性炭;但同時(shí)必須嚴格控制沉淀池出水濁度為1NTU左右,嚴格控制好濾池濾速。投加量較大的和在混凝沉淀后投加的水廠(chǎng),宜采用小于200目的粉末活性炭,以確保自來(lái)水水質(zhì)。

三、小結

隨著(zhù)凈水深度處理工藝的推廣和活性炭生物濾池的應用,雖然顆�；钚蕴勘憩F出良好的工藝性,但粉末活性炭吸附循環(huán)時(shí)間較短,投加方式較為簡(jiǎn)捷,費用較低,可根據水體污染情況隨時(shí)更換碳種,仍是其突出的優(yōu)點(diǎn)。對于固有工藝的水廠(chǎng)改善出水水質(zhì),對于突發(fā)污染事故的迅速處理,是顆�；钚蕴繜o(wú)法取代的功能。所以,隨著(zhù)國內水體環(huán)境的不斷惡化,水質(zhì)要求的不斷提升,在水處理行業(yè)應用粉末活性炭的范圍將會(huì )不斷擴大。逐漸從迫不得已的應急事故處理應用,轉向為提高和改善水質(zhì)的應用。粉末活性炭在水處理的應用會(huì )越來(lái)越廣,將為防治污染,改善飲用水水質(zhì),做出重要的貢獻。

如何根據不同的處理水體的污染特征物,選用相適應的活性炭類(lèi)型,選用恰當的投加工藝,是水處理行業(yè)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。國外對凈水處理活性炭要求較高,而國內相對顯得跟不上。對于活性炭去除水體異臭的重要指標ABS值和酚值研究不多,再加上國內水體污染物比國外的復雜得多,給處理對象的確定帶來(lái)巨大的困難。由于處理對象的復雜,使應用水平提高受到制約。以上的研究經(jīng)驗和體會(huì )供同行商討。來(lái)源：谷騰水網(wǎng)