摘要:國外利用粉末活性炭去除水中有機(jī)物、除色、除嗅味物質(zhì)己取得成功的經(jīng)驗(yàn)與較好的去除效果。如上世紀(jì)20年代美國芝加哥,已成功利用粉末活性炭與慢砂過濾工藝相結(jié)合,防預(yù)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(jié)性的原水藻類異味等。認(rèn)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(nèi)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(yīng)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(jī)物、除色、除嗅味物質(zhì)己取得成功的經(jīng)驗(yàn)與較好的去除效果。如上世紀(jì)20年代美國芝加哥,已成功利用粉末活性炭與慢砂過濾工藝相結(jié)合,防預(yù)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(jié)性的原水藻類異味等。認(rèn)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(nèi)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(yīng)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(yīng)根據(jù)水質(zhì)的特點(diǎn)試驗(yàn)確定。研究的關(guān)鍵是如何根據(jù)自身企業(yè)的實(shí)際情況,致突變污染物的組成,不同水源水廠不同工藝配置的特點(diǎn),進(jìn)行大量的室內(nèi)外試驗(yàn),尋找相適應(yīng)的投加工藝和投加碳的品種,以期建立相對經(jīng)濟(jì)、簡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(fù)雜的過程,是幾種力綜合作用的結(jié)果,包括離子吸引力、范德華力、化學(xué)雜和力。根據(jù)吸附的雙速率擴(kuò)散理論認(rèn)為,吸附是一個(gè)由迅速擴(kuò)散和緩慢擴(kuò)散兩階段構(gòu)成的雙速過程,迅速擴(kuò)散在數(shù)小時(shí)內(nèi)即完成,發(fā)揮了60%-80%活性炭的吸附容量。迅速擴(kuò)散是溶質(zhì)分子在碳粒內(nèi)沿徑向均勻分布的阻力小的大孔隙中擴(kuò)散的過程。這些大孔隙產(chǎn)生徑向的擴(kuò)散阻力。當(dāng)分子從大孔進(jìn)一步進(jìn)入與大孔相通的微孔中擴(kuò)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(nèi)均勻分布,但不構(gòu)成徑向的擴(kuò)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(jié)構(gòu),這一點(diǎn)取決于水源水質(zhì)的特征�；钚蕴繉Σ煌奈镔|(zhì)分子具有選擇吸附性。

(一)投加工藝的選擇

國外專家曾對粉末活性炭的應(yīng)用情況進(jìn)行分析研究,認(rèn)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(jù)國內(nèi)某水廠近年應(yīng)用粉末活性炭的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,對于有生活污水、工業(yè)污水的排放,造成水體富營養(yǎng)化,導(dǎo)致水體藻類等微生物急劇繁殖等,屬于污染較嚴(yán)重、較為復(fù)雜的水源;枯水期時(shí)常散發(fā)成分復(fù)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,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(dá)的木質(zhì)活性炭,力求提高活性炭對有機(jī)物的吸附效能。

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

(5)要根據(jù)投加量的多少、場地條件選取干式或濕式投加。

(6)根據(jù)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(bào)道可達(dá)70%,色度低表明去除有機(jī)物的效率高,除鐵、錳的效果好。但去除色度的效果并沒有和投加活性炭量成正比,其復(fù)雜的機(jī)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。南方某水體的富營養(yǎng)化水體不僅是藻類繁殖和殺滅過程產(chǎn)生的異臭,還面對復(fù)雜的工業(yè)排污污染,水體長期酚類物質(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(shè)想要經(jīng)過多年對特定水體的調(diào)查研究,設(shè)立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型,設(shè)立相應(yīng)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(biāo),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(dāng)大的感官指標(biāo)。

(3)投加活性炭有助于去除陰離子洗滌劑。國內(nèi)外化工行業(yè)早已有利用粉末活性炭,來凈化去除工業(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(jī)物的一個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

(4)投加活性炭有助于對藻類的去除。投加了粉末活性炭阻隔了藻類的光吸收,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。如應(yīng)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(yán)格控制沉淀池出水濁度為1NTU以下,則藻類的去除率可高達(dá)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(jī)污染程度正相關(guān)的表征指標(biāo)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的去除有良好的效果。上世紀(jì)30年代,國外已有采用粉末活性炭吸附焦化廠廢水中苯酚的工藝。根據(jù)水廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),認(rèn)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。粉末活性炭對酚類的去除效果,是綜合評價(jià)吸附能力的重要指標(biāo),對于酚類污染嚴(yán)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(dāng)部分有機(jī)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(jī)膠體過多而輕浮的水體,助凝效果較顯著。投加粉末活性炭后,沉淀池、濾池出水濁度大幅度下降,自來水水質(zhì)大幅度提高。沉淀池出水濁度下降近60%,出廠水出水濁度下降近70%。但粉末活性炭投量大時(shí),會發(fā)生微小碳粒穿透濾池的現(xiàn)象,影響出水濁度,所以當(dāng)投加量大時(shí),要嚴(yán)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(yàn)檢驗(yàn),試驗(yàn)菌種為TA98、TA100,用XAD樹脂吸附水樣中致突變有機(jī)物,洗脫物用平皿滲入法作三個(gè)濃度檢驗(yàn),用突變菌落數(shù)和對應(yīng)的受試物濃度作回歸曲線,以突變菌落數(shù)為自發(fā)回變菌落數(shù)兩倍時(shí)的對應(yīng)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(jī)物的多少。

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

投加粉末活性碳后,水體相當(dāng)部分有機(jī)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(jié)構(gòu)。所以對濁度較低、污染嚴(yán)重的水體,投加粉末活性炭除有良好的去除有機(jī)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(guī)模較大的舊水廠,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(nèi)表面化學(xué)結(jié)構(gòu)、比表面積可以影響吸附能力。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中還有吸附速率的問題,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(nèi)部擴(kuò)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)選擇活性炭的種類和質(zhì)量,如何根據(jù)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(nèi)一般主要采用碘值、亞甲藍(lán)值來評價(jià)活性炭的吸附性能。但是生產(chǎn)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)都證明僅采用這兩個(gè)指標(biāo)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(biāo)判斷活性炭的效能只有部分理論意義,不能全面、準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際吸附狀況。

(一)目前評價(jià)水處理粉末活性炭的指標(biāo)存在的問題

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn):碘值、亞甲藍(lán)值只能夠表明活性炭顆粒中細(xì)小孔徑的比表面積大小,但是在實(shí)際生產(chǎn)中有吸附速率的問題,即凈水工藝中吸附時(shí)間是有限的,水處理中應(yīng)用的粉末活性炭遠(yuǎn)未達(dá)到完全吸附平衡�；钚蕴款w粒內(nèi)部中等孔隙是有機(jī)物分子的進(jìn)入通道,一般認(rèn)為活性炭的中等孔隙越發(fā)達(dá)越有利于吸附動(dòng)力學(xué)平衡,所以中孔是否發(fā)達(dá)決定了吸附速率。為了結(jié)合實(shí)際應(yīng)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(lán)值等指標(biāo)),還要判斷粉末活性炭顆粒內(nèi)部的孔徑分布是否容易達(dá)到快速吸附,即明確轉(zhuǎn)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(xiàn),采用一些具有特定立體空間結(jié)構(gòu)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)來評價(jià)粉末活性炭的綜合性能,與水廠生產(chǎn)情況和實(shí)際水樣吸附效果相一致。

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

隨著試驗(yàn)深入,采用某水源廣泛存在的一種典型有機(jī)污染化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品標(biāo)樣來作為吸附質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。這種酚類物質(zhì)分子量適中,中等極性,分子空間結(jié)構(gòu)較大,所以可以很好地代表水中的較復(fù)雜有機(jī)分子。

采用綜合評價(jià)方法來衡量活性炭的性能:采用碘值、亞甲藍(lán)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(jié)構(gòu)的大分子表征活性炭的中孔發(fā)達(dá)情況;采用一種酚類標(biāo)樣作為復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)的代表來確定活性炭的吸附能力,通過三方面綜合評判可以更加準(zhǔn)確和客觀。

吸附特定大分子有機(jī)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(jī)物效果比較,木質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于煤質(zhì)。

吸附特定天然有機(jī)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(jī)物比較,木質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于煤質(zhì),吸附數(shù)量超過1-2倍。

試驗(yàn)結(jié)果表明:l)木材、果核為原料生產(chǎn)的活性炭與無煙煤為原料生產(chǎn)的活性炭相比,中孔數(shù)量較多,從吸附性能角度看,一般木質(zhì)、果核類活性炭較適合于某重污染水源,去除以酚類為主的致臭污染物水處理應(yīng)用。煤質(zhì)碳由于比重較大,相對用于助凝去除有機(jī)物和價(jià)格上有優(yōu)勢,尤其是對于不是以酚類為主的污染源的吸附流程較短的水廠。通過研究認(rèn)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(qiáng);但粒徑過小,易于穿透濾層,引起用戶不滿。根據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,如在吸水口投加的水廠,為了充分利用粉末活性炭的吸附能力,宜采用目數(shù)大于250目的粉末活性炭;但同時(shí)必須嚴(yán)格控制沉淀池出水濁度為1NTU左右,嚴(yán)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,宜采用小于200目的粉末活性炭,以確保自來水水質(zhì)。

三、小結(jié)

隨著凈水深度處理工藝的推廣和活性炭生物濾池的應(yīng)用,雖然顆�；钚蕴勘憩F(xiàn)出良好的工藝性,但粉末活性炭吸附循環(huán)時(shí)間較短,投加方式較為簡捷,費(fèi)用較低,可根據(jù)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法取代的功能。所以,隨著國內(nèi)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(yīng)用粉末活性炭的范圍將會不斷擴(kuò)大。逐漸從迫不得已的應(yīng)急事故處理應(yīng)用,轉(zhuǎn)向?yàn)樘岣吆透纳扑|(zhì)的應(yīng)用。粉末活性炭在水處理的應(yīng)用會越來越廣,將為防治污染,改善飲用水水質(zhì),做出重要的貢獻(xiàn)。

如何根據(jù)不同的處理水體的污染特征物,選用相適應(yīng)的活性炭類型,選用恰當(dāng)?shù)耐都庸に?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(nèi)相對顯得跟不上。對于活性炭去除水體異臭的重要指標(biāo)ABS值和酚值研究不多,再加上國內(nèi)水體污染物比國外的復(fù)雜得多,給處理對象的確定帶來巨大的困難。由于處理對象的復(fù)雜,使應(yīng)用水平提高受到制約。以上的研究經(jīng)驗(yàn)和體會供同行商討。

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