粉末活性炭在饮用水处理中应用的分析研究进展 .docx

精品名师归纳总结粉末活性炭在饮用水处理中应用的讨论进展王文清 , 高乃云 , 刘 宏, 王 永 同济高校环境科学与工程学院污染掌握与资源化国家重点试验室, 上海200092>摘要: 介绍了粉末活性炭 PAC>的基本性质 , 并对其在饮用水处理应用中的重要影响因素进行了探讨。综述了 PAC 去除原水中嗅味物质、藻毒素、消毒副产物前驱物以及农药等痕量有机污染物的讨论现状。分析了粉末活性炭 PAC>与其他工艺的组合技术在饮用水处理中的应用成效, 并对其应用前景做出展望。关 键 词: 粉末活性炭 PAC>。组合技术。饮用水。净化。吸附中图分类号 :X131 ·2文献标识码 :A文章编号 : 1001-36442021>05-0084-051 引 言活性炭在水处理中的应用已有悠久的历史1 。据记载 , 原捷克斯洛伐克在 1925 年领先在水处理中使用活性炭。到了 20 世纪 50 岁月以后 , 活性炭主要用于去除水中自然或加氯后产生的异嗅和异味。到1970 年, 法国的大型水厂引入粉末活性炭PAC>处理工艺。由于活性炭能有效去除污水中大部分有机物和某些无机物, 因此, 20世纪 60 岁月初 , 欧美各国开头大量使用活性炭吸附法处理饮用水和工业废水, 而日本到 1963 年已普遍实现用粉末活性炭PAC>净化饮用水。目前给水处理中应用粉末活性炭PAC>已成为深度处理和微污染水处理的有效手段。2 PAC的基本性质PAC 是由无定形炭和不同数量灰分共同构成的一种吸附剂, 其微孔结构发达 , 内外比表面大 ,吸附性能优良 , 可有效去除嗅、味、色度、氯化有机物、农药、自然有机物及人工合成有机物, 且生产便利。 PAC制造分成炭化和活化两步。炭化是在温度小于600 的条件下 , 隔绝空气加热原材料 , 通过炭化去除大部分挥发成分, 是原材料裂解成碎片, 再组成稳固的新结构。通过活化, 烧掉炭化时吸附的炭氢化合物及孔隙边缘炭原子, 使活性炭孔隙结构发达 , 成为一种有多孔结构的炭 1 。依据 X射线分析 , 活性炭的结构由很多石墨型层状结构的微晶不规章集合而成。微晶的各层是以六个炭所组成的圆环为母体 , 但是有些部位上可以看到 , 炭原子之间的共价键已经断裂, 特殊是在层的边缘部位仍有很多非结晶结构 , 这样的非结晶部位简单进行化学反应。微晶按三维空间连接时,在微晶之间所形成的间隙, 是活性炭具有微孔结构的基础。这样, 活性炭的多孔性使活性炭具有极大的内表面积, 而非结晶部位更加强了他对外界物质的吸附作用1 。PAC吸附分物理吸附和化学吸附两种, 物理吸附和化学吸附的比较见下表1 。3 PAC在饮用水处理应用中的重要影响因素水厂在使用 PAC时应留意正确炭种挑选、投加点选取以及投加量确定这三个重要问题。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3· 1炭种挑选粉末活性炭因其孔隙外形大小分布、表面官能团分布以及灰分组成和含量等性质的不同, 表现出不同的吸附特性。这种化学性和孔隙组成的不同,会影响有机物在活性炭孔隙中的迁移和扩散速度,并使活性炭对有机物的吸附具有肯定的挑选性1 。在水处理中 , 对于不同的水质 , 所采纳的活性炭炭种会不同, 所以应在试验的基础上 , 挑选合适该水源水质的高效经济的炭种。采纳静态吸附试验, 可以初步判定活性炭的吸附才能和吸附速度 , 初选正确炭种 2 。3· 2投加点选取粉末活性炭投加点挑选主要解决可由混凝去除与粉末活性炭吸附去除有机污染物的竞争问题, 和絮凝体对粉末活性炭颗粒的包裹问题3,目的是在充分发挥混凝去除有机污染物才能的同时, 再利用粉末活性炭去除剩余有机污染物 , 而又要防止絮凝体对粉末活性炭颗粒的包裹, 使总去除率最高 ,粉末活性炭用量最省。不同投加点具有的水利条件不一样, 导致粉末活性炭的吸附成效差别很大。对于不同的原水水质, 粉末活性炭的正确投加点也有所不同, 因此投加点应视情形详细分析。3· 3投加量确定对于 PAC的投加量 , 当投加较少时 , 其吸附容量可以充分利用, PAC 基本上没有铺张 , 但同时目标物质出水浓度就较高 , 难以达标。相反 , 如 PAC 投加过多 , 虽然目标物质出水浓度很小, 能满意饮用水要求 , 但 PAC没有被充分利用 , 制水成本会很高。因此 , 应依据水厂的实际水质情形,确定合理、经济的投加量 4 。3· 4其他影响因素除了上面这三个重要的影响因素, 其他因素的影响作用也不容忽视。而环境因素如pH 值、温度、并存有机物等均不同程度的影响PAC的吸附成效。伍海辉等人 5 采纳投加粉末活性炭PAC> 进行强化黄浦江下游原水常规工艺处理成效的试验, 结果说明 : 调剂 pH 值为 6· 06·5 时其处理成效达到最好。虽然混凝预处理可以去除大分子有机物 , 防止某些胶体颗粒的在粉末活性炭上的竞争吸附, 但水中仍旧存在一些背景有机物可能会参加竞争吸附。这种竞争吸附毫无疑问会降低粉末活性炭对目标有机物的去除6 。4 粉末活性炭 PAC>对特殊有机污染物的去除混凝沉淀等常规工艺对某些特殊有机污染物的去除成效很差, 缘由是这些物质分子量都较小, 很难通过混凝沉淀去除。4· 1PAC对嗅味物质的去除饮用水中的嗅味问题已成为供水界面临的普遍问题。原水中土嗅味的产生归因于某些藻类大量繁衍产生的 两种代谢物 : 土臭素和二甲基异冰片 7 。而混凝、沉淀、过滤、消毒等常规处理工艺很难将这些物质从水中去除。粉末活性炭PAC>发达的微孔结构和庞大的比表面积可有效的吸附水中的嗅味物质。李大鹏等研究说明 8,除嗅成效与 PAC 投加量有肯定的线性相关性, 随着 PAC投加量的增加出水嗅阈值降低, 且在肯定范畴内每增加10mg/L 的 PAC投加量就去除率就上升5%。其缘由是 , 其他有机物也占用了PAC的吸附空间, 导致 PAC投加量小时的除嗅率较低 , 增加 PAC投加量后增加的那部分PAC相应的补充了吸附其他有机物所耗费的炭量 , 从而提高了对嗅味的去除率。因此在除嗅过程中, 排除原水中其他有机物的干扰是提高除嗅可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结成效的一个关键。另外原水嗅阈值的大小对PAC的除嗅效率没有明显的影响。李伟光讨论说明9, PAC 后移至混凝开头后再投加的成效比PAC 与混凝剂 如碱铝 >同时投加会更好 , 在混凝中段投加 PAC的除嗅成效明显优于投加在混凝前 , 而且在达到同样的成效时平均可节约10mg/L 的 PAC。这是由于 , 原水中存在着一部分即可被混凝去除又可被PAC吸附去除的有机物 , 假如将 PAC 直接投加在原水中 , 就其不行防止的会吸附部分可以混凝去除的有机物, 这些有机物既占据了致嗅物质的吸附位置又限制了小分子有机物在空袭内的迁移 , 大大降低了 PAC吸附嗅味物质的才能。JianweiYu等讨论说明 10,虽然活性炭表面的性质 如表面 C=O基、 C-O 基含量、微孔含量、碘值以及亚甲蓝值等 >对其吸附才能有很大影响 , 但在 PAC吸附土臭素和二甲基异冰片时 , 只有微孔数量这一参数与其吸附才能之间有很好的线性相关性 , 其他的参数如碘值等对其吸附才能影响甚微 , 因此可以将微孔数量作为表征 PAC吸附嗅味物质才能的有效表征参数。4· 2PAC对藻毒素的去除富养分化湖泊中的微囊藻毒素 水华蓝藻的次生代谢产物 >对环境和人类健康的危害已成为全球关注的重大环境问题之一。微囊藻毒素能剧烈的抑制蛋白磷酸酶PP1、PP2A>的活性 , 是一种剧烈的促癌剂。中国科学院武汉水生生物讨论所近期的讨论结果说明, 微囊藻毒素以肝脏为唯独的靶器官, 动物性腺是其攻击的其次靶器官 11, 12。然而 , 水厂常规混凝工艺对溶解性微囊藻毒素的去除成效较差, 去除率一般在20%以下 , 难以满意要求。有讨论说明, PAC 对溶解性的微囊藻毒素具有较好的吸附作用13, 14。考虑到微囊藻毒素的季节性特点 , PAC 吸附可以作为微囊藻毒素污染的应急处理措施。PAC吸附污染物需要肯定的时间, 其过程可分为快速吸附、基本平稳和完全平稳三个阶段。刘成等讨论说明15PAC 对两种典型的微囊藻毒素MC-RR和 MC-LR>快速吸附阶段大约需要40min, 可以达到 80%的左右的吸附容量。因此对于取水口到净水厂有肯定距离的水厂, 可在取水口处投加 PAC,利用管道输送时间来完成吸附过程。而对于取水口距离水厂很近, 只能在水厂内投加粉末活性炭的情形, 由于吸附时间短 , 加之与混凝剂形成矾花后仍会影响其与水中微囊藻毒素的接触 , 使得粉末炭的吸附才能难以发挥, 因此需适当增加 PAC的投量。随着粉末活性炭投量的增加, 对微囊藻毒素的去除成效得到明显改善。PAC 投量为 20mg/L 时, 对 MC-RR和 MC-LR的去除率分别为90%和 76%,也就是说对于一般原水中两种微囊藻毒素可能发生的最大浓度10 g/L>, 投加 20mL 的粉末活性炭即可将两种毒素的浓度分别降低到1 g/L 和 2·4 g/L, 加之其他水处理单元 混凝、消毒等 >对微囊藻毒素的去除 , 出水水质可以达到国家新颁布的标准MC LR 的限值为 1 g/L> 。此外 , PAC 对微囊藻毒素的去除率与藻毒素初始浓度无关, 这可以用抱负吸附溶液理论和当量本底化合物理论来证明15 。因而 , 可依据原水中目标化合物的浓度和标准的要求值来判定所需的粉末活性炭投量。4· 3PAC对消毒副产物 DBPs>前驱物的去除消毒副产物DBPs>如三卤甲烷 THM>、卤乙酸 HAA>等属三致物质, 饮用水中含量超标时对人体健康影响庞大。而对消毒副产物DB- Ps> 前驱物的去除能有效削减饮用水中 DBPs的形成。因此 , DBPs 前驱物的有效去除是现代饮用水处理中最具挑战性的任务之一16 。DBPs前驱物以自然有机物NOM>的形式存在于全部的表水中,能用下面的指标来反映其存在情形: 溶解性有机炭 DOC>, 254nm 紫外线吸光度 UV254>, 比紫外吸光度 SUVA>以及三卤甲烷形成潜能 THMFP>。 Rizzo等讨论说明1780mg/L的氯化铁对于意大利的两种的表水源水能分别产生42%和 35%的 DOC去除率以及 56%和48%的 UV254去除率 , 此时混凝剂消耗过高。因此VedatUyak 等人引进 PAC强化氯化铁混凝以降低处理费用16 。在相同的氯化铁 -PAC 投加量下 , UV254 比 DOC去除率更大 , 说明这种工艺去除芳香类物质比去除其他的 NOM更有效 , 而芳香类物质是 DBPs最强的前驱物。比紫外吸光度SUVA>是一个运算参数 , 其值等于 UV254/DOC>×100, 该参数表征了水中的腐殖含量, NOM 中的腐殖酸也是一类主要的DBPs前驱物 , PAC 对SUVA的降低成效亦优于单独的混凝。THM 形成潜能 THMFP>代表了水中三卤甲烷前驱物的含量。氯化铁- PAC工艺对去除 THMFP成效显著 , 在单独 100mg/L 氯化铁混凝工艺中 , THMFP 的去除率为 47%,且出水 THM 浓度达到 155 g/L, 然而投加 PAC后出水 THM浓度可降至 80 g/L 。PAC强化混凝工艺对前驱物去除成效明显优于常规工艺 , 其缘由在于 , 常规混凝去除的主要是带负电荷的大分子, 对于其他低分子量的NOM有机可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结物的去除才能很差 , 而 PAC对低分子量不带电的 NOM物质吸附成效特别好 , 因此 PAC可以有效去除 DBPs前驱物。4· 4 PAC对农药的去除随着工农业的进展 , 农药的使用量逐年在增加 , 这些农药残留物进入饮用水水源中 , 就会污染自来水 , 给水厂的工艺提出了新的问题。 PAC被广泛的用于去除饮用水中的痕量有机物 , 然而 NOM的存在会负面影响 PAC 对微污染物的吸附容量和吸附动力学 18 。Jiang 等19 的小试讨论说明 , 混凝、软化、氯化等常规工艺均不能有效去除阿特拉津等嗪除草剂。缘由是混凝等常规工艺主要去除相对分子量在10000 以上的有机物 , 对阿特拉津此类相对分子质量很小的有机物几乎没有去除才能。程蓓蓓等20 讨论说明 PAC对阿特拉津吸附 20min 后可完成主要去除 , 考虑到竞争吸附问题PAC与混凝剂不能同时投加 , 可以将 PAC先投加待反应20min 左右后再进行混凝反应。随着PAC投加量的增加 , 滤后水阿特拉津德去除率也随之增长, 但是阿特拉津德去除率并不是匀称增加。PAC浓度越高 , 阿特拉津德去除率增长越不明显, 以致 PAC50mg/L 和PAC60mg/L时的去除率基本一样。缘由可能是, 去除成效是由 PAC对阿特拉津的吸附性质及原水中多组分物质的竞争吸附共同打算 ,投加量增加 , 单位质量 PAC对阿特拉津的吸附容量降低, 因此阿特拉津的去除率呈减速增长。另外 , HuguesHumbert等人讨论说明 21,阴离子交换树脂 AERs>与 PAC同步联合使用比单独使用 PAC 能更有效的去除原水中的杀虫剂等农药物质。5 粉末活性炭 PAC>与其他工艺的组合使用5· 1微滤 MF>-PAC组合工艺Han-SeungKim 等人2224 讨论了微滤 MF> 和 PAC联合工艺在饮用水深度处理方面的应用。在MF系统中使用高剂量的 PAC能使微滤膜在出水水质和过滤时间等方面的达到更好的成效。PAC 能去除 MF膜不能去除的小分子物质。而在相同的PAC 投加量之下 , 滤速 或通量 >不会影响处理效率。另一方面, 活性炭能提高过滤效率是通过降低滤速来缓解逐步增加的膜渗透压, 以达到延长运行周期的目。对于去除表面活性剂, 这种联合技术比PAC单独使用更有成效 , 主要缘由可能是粉末活性炭在MF膜表面上和孔隙内部形成了次生 膜。5· 2超滤 UF>-PAC 组合工艺溶解性的有机物是造成膜污染的主要因素, 因此, 超滤膜常与混凝、 PAC组合, 形成深度处理膜工艺25 。UF-PAC联合技术比超滤单独使用能更有效的去除原水中的有机物和消毒副产物, 该系统中 PAC的作用是吸附 UF 不能去除的低分子量有机化合物, 且运行时 PAC能有效防止膜污染、提高膜通量, 促进反冲洗时膜的有效复原 25, 26。5· 3离子交换树脂 IERs>-PAC 组合工艺HuguesHumbert 等人21 讨论了阴离子交换树脂 AERs> - 粉末活性炭 PAC>联合技术对去除自然有机物NOM>和杀虫剂 锈去津和异丙隆 >的成效。结果说明 , PAC 对 AERs去除 DOC只有很小的帮助成效。而对去除锈去津和异丙隆等杀虫剂, 该联合工艺成效显著, 其缘由是 AERs去除了堵塞 PAC孔隙的高分子量物质。5· 4高锰酸钾 -PAC 组合工艺可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结高锰酸钾与 PAC联合使用能有效去除常规处理很难去除的物质, 且降低了粉末活性炭的投加量, 节约了制水成本。针对太湖B 支流水体发臭现象严峻、采纳常规工艺处理很难去除嗅味物质的情形, 李伟光等人 27 通过试验考察了单独投加高锰酸钾、单独投加粉末活性炭以及高锰酸钾与粉末活性炭联用三种方法对嗅味的去除成效。静态及生产性试验结果说明: 高锰酸钾与粉末活性炭联用工艺的除嗅成效最好, 并且可节约粉末活性炭投量约 20%。此外 , 高锰酸钾与粉末活性炭联用对藻类也有较好的去除成效。6 PAC在饮用水处理中应用的进展趋势在突发事故时 如蓝藻暴发 >, 大量投加 PAC 会导致运行费用的大量增加, 因此须考虑新的 PAC 工艺以增加其使用效率。因活性炭的吸附容量是吸附平稳时吸附质浓度的函数28,出水水质越高 , 就活性炭的使用效率越低 , 那么在水厂正常生产中 , PAC 的吸附空间没有得到高效的利用,如何高效的、充分的使用PAC的吸附容量尚有待进一步讨论。目前水厂中使用的PAC最终大都在沉淀池随污泥排走, 没有实现重复利用。考虑到 PAC 回收的困难以及回收分别时缺失很大, 常用颗粒活性炭 GAC>代替 PAC,但是 GAC的吸附成效不及 PAC。如何有效回收 PAC,实现资源的重复利用仍需深化讨论和探讨。在采纳PAC干投装置的水厂 , 操作时劳动强度极大 , 在装卸、拆包、配制和投加过程中, 粉尘是一个很大的问题。有时, PAC 会从过滤水中泄漏出来进入配水系统,因此在水厂使用PAC时应留意滤池的安全运行以保证出水水质。PAC与其他水处理 药剂 特殊是氧化性药剂 >相互作用会使其他药剂失去应有的成效, 同时也降低了PAC的吸附才能 , 大幅度的增加制水成本 , 因此在某些联合工艺中如何防止氧化性药剂与仍原性PAC相互损耗 , 是一个值得讨论的问题。可编辑资料 - - - 欢迎下载