80 多年历史！活性炭在水处理中的应用效果究竟如何？

80 多年历史！活性炭在水处理中的应用效果究竟如何？

编者注

活性炭是市政供水常用材料之一，广泛应用于水厂工艺、原水应急处理、家用终端净水设备等。2017年本栏目邀请通过对现有资料的收集、整理和分析，从多角度对活性炭在饮用水处理中的应用及发展进行研究，并将研究成果以系列化形式提供，供同行参考。

第一作者 | 邱爱华 德州市陵城区水务局

第二作者 | 牟晓琳

活性炭在水处理中的应用历史悠久，从1929年美国新米尔福德水厂首次使用粉末活性炭去除氯酚产生的臭味开始，粉末活性炭在水处理中的应用已达80多年。研究发现其对水中色、臭、味的处理效果十分显著。粉末活性炭吸附处理技术已成为水处理中去除色、臭、味及有机物的有效方法。

PAC吸附机理

PAC具有发达的微孔结构，较大的比表面积，具有优良的吸附性能，能有效去除臭味、色度、含氯有机物、农药、天然有机物和合成有机物。PAC是由碳基材料经高温炭化、活化而制成的疏水性吸附剂。原料在活化过程中，含碳有机物被除去，使基本晶格间产生孔隙，形成许多形状、大小不一的孔隙，孔壁的总面积就是比表面积。由于活性炭的比表面积大，所以有很强的吸附能力，但相同比表面积的活性炭的吸附能力并不一定相同，这是由于孔隙结构和分布不同所致。

PAC的孔结构随原料、活化方法和活化条件的不同而不同，一般其孔可分为三类：1）小孔（微孔），孔径半径小于2nm，表面积占表面积的95%以上，对吸附量影响最大，表现出较强的吸附效果；2）中孔（过渡孔），孔径半径为2～50nm，表面积占表面积的5%以下，不仅为吸附质提供扩散通道，影响扩散速率，而且有利于大分子物质的吸附，可用于负载催化剂和除臭化学品，随着负载化学品种类的不同，可发挥不同的作用；3）大孔，孔径半径大于50nm，表面积仅为0.5～2m2/g，占表面积不足1%，主要为吸附质提供扩散通道。 大孔的主要作用是为溶质到达活性炭内部提供通道。对于液相物理吸附，大孔作用不大，但作为催化剂载体，大孔的作用十分显著。中孔既起吸附作用，又起通道作用，因此吸附质的扩散速度受过渡孔的影响；微孔占活性炭比表面积的主要部分，是活性炭吸附微污染物的主要作用点。

PAC的吸附不仅受其孔隙结构的影响，还受到吸附质特性、天然有机物、余氯浓度等因素的影响。PAC不适宜吸附溶解度较大的有机物，这是因为这类有机物与极性溶剂有很强的亲和力，而PAC是疏水性的吸附剂，所以很难吸附这类有机污染物。吸附质的分子大小对PAC的吸附能力有很大影响，当吸附质的分子尺寸与PAC孔隙尺寸接近时，PAC的吸附能力最强。研究表明，PAC能有效吸附恶臭物质。 PAC对5种恶臭物质的吸附量大小为三氯乙酸（TCA）>2-甲氧基-3-异丁基吡嗪（IBMP）>2-甲氧基-3-异丙基吡嗪（IPMP）>土臭素（）>2-甲基异莰醇（2-MIB），且2-MIB的吸附量远低于2-MIB，这是由于其溶解度小，且其结构易被PAC窄而长的孔隙所吸附。影响PAC吸附能力的因素见表1。

表1 影响PAC吸附容量的因素

PAC工程应用技术

2.1

产品标准

国内外关于饮用水处理中PAC的标准和规范主要有美国水务协会标准（AWWA B600-10）、英国标准（BS EN 12903:2009）、日本下水道协会标准（JWWA K113:2005）、国内净水用木质活性炭标准（GB/T 13803.2-1999）、饮用水净化厂用煤质活性炭标准（CJ/T 345-2010），各PAC标准对吸附容量的要求见表2。

表2 PAC吸附容量规格

2.2

给药方法

粉末活性炭的投加方式有两种，即干投和湿投。干投系统是利用干粉投加机等设备，通过水射流直接将粉末活性炭投加到处理水中。其主要设备单元一般包括储料室、进料单元、储料仓、计量投加设备、自动控制系统五部分。湿投系统是先将PAC调制成5~10%炭浆，然后通过计量泵投加到水中。其主要设备单元一般包括储料室、进料单元、储料仓、炭浆搅拌设备、炭浆投加设备、自动控制系统六部分。干投加系统相对简单，占地面积小，但干投加PAC易燃易爆，设备容易出现故障，需要专业维护人员。湿投加系统计量更准确，混合均匀，但需要专门的炭浆池，占地面积大，设备更复杂。投加PAC时，需要根据现场情况和投加剂量选择投加方式。 图 1 至图 4 显示了不同的配料系统。

2.3

用量和碳类型的选择

PAC投加量较少时，可充分利用其吸附能力，但有机物浓度较高时，出水难以达标；投加量过多时，出水目标物质浓度较低，水质达标，但PAC未得到充分利用，且产水成本较高。由于PAC的孔隙形状及大小分布、表面官能团分布、灰分组成及含量不同，吸附特性各有不同，适合每种水源水质的炭种也不同。因此，需进行混凝搅拌试验，确定合适的投加量及炭种。

每个杯瓶中加入1L含有臭味污染的原水，开启搅拌装置至60~80 rpm，同时向每个杯瓶中加入0 mL、0.5 mL、1 mL、2 mL PAC，使PAC浓度分别为0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、20 mg/L。以60~80 rpm 的速度搅拌5分钟。结束后，同时向每个杯瓶中加入0.175 mL混凝剂溶液，使每个杯瓶的混凝剂浓度为20 mg/L。降低转速至30 rpm，搅拌20分钟，然后停止搅拌，静置1小时，取600 mL上清液过滤，通过SPME-GC/MS分析MIB/臭味浓度。 PAC投加量与臭味去除率关系如图5所示，以PAC投加量为横轴，去除率为纵轴。

以去除率90%为例（起始浓度100ng/L，达到气味阈值10ng/L），所需PAC最佳投加量为19mg/L。采用四种不同的PAC（PAC-A、PAC-B、PAC-C、PAC-D）进行上述实验，建立去除率-PAC剂量图如图6所示。

以去除率90%为例，PAC-A、PAC-B、PAC-C的最佳投加量分别为14 mg/L、15.5 mg/L、19 mg/L。根据最小所需投加量，计算PAC的效率因子为：PAC-B=14/14=1.00，PAC-C=15.5/14=1.11，PAC-A=19/14=1.36，投加成本=单位成本×效率因子。各PAC的投加成本计算如表3所示，故最佳PAC为PAC-B。

表 3 添加每个 PAC 的成本

2.4

加药位置

粉末活性炭最佳投加位置为：（1）原水进水口；（2）快速混合池；（3）活性炭浆液接触器（专为粉末活性炭设计）。表4总结了粉末活性炭不同投加位置的优缺点。

表4 不同位置添加PAC的优缺点

加药位置

优势

缺点

水摄入量

接触时间长，混合效果好

干扰预氧化过程（Cl2或KMnO4），一些本来应该用混凝去除的物质可能会被吸附，从而增加活性炭的使用量（这个需要说明）。

快速混合

快速混合絮凝，混合效果好，接触时间合理

预氧化过程（Cl2或KMnO4）的干扰，可能由于混凝剂的干扰，降低吸附率；某些污染物的接触时间太短，不能达到吸附平衡；某些分子可能发生竞争吸附，而这些分子在混凝过程中应该被去除。

过滤池入口

高效利用粉末活性炭

渗透滤池，降低出水水质，难以满足出水浊度要求。

快速混合活性炭接触器

设计接触时间以实现良好的混合，不受混凝剂的干扰，并且在絮凝和沉淀过程中可能增加接触时间

需要建造一个新的盆和搅拌器，这可能会导致一些分子的竞争性吸附，否则这些分子会在凝结过程中被去除。

2.5

防范措施

①湿的粉末活性炭在开袋时，会有粉末飞扬，因此除尘器必须处于运转状态，操作时必须穿戴防尘用具。

②投加粉末活性炭作业过程中应注意收尘装置的防护措​​施及环境卫生的管理，必要时可参照《粉尘危害防治标准》中各项粉尘危害预防措施执行。

③粉末活性炭停止注入后或停止期间，溶解罐内会有残液，应适时启动搅拌器，防止粉末活性炭沉淀、凝固。

④采用干法投加时，应注意防火、防尘，并应评估其对供电设备的不良影响。干粉状活性炭注入液体时，应注入液面以下，并注意粉状活性炭是否浮在溶解槽内。必须确认适当的搅拌，使活性炭流入。

⑤粉末活性炭通常采用混凝、沉淀、过滤装置去除，但因为粉末很细，在高浓度添加时，若混凝剂投加量不足、沉淀时间太短，或快速滤池长时间连续高速率过滤，细小活性炭就会渗透滤床，造成过滤后的水中含有活性炭。

⑥当粉末活性炭与氯同时投加消毒时，通常每投加1mg/L粉末活性炭要耗费0.2~0.3mg/L氯。因此，为避免影响活性炭的吸附效果，减少活性炭的耗氯量，应将前氯化点调整到合适的位置。

⑦含水粉末活性炭具有腐蚀性，重要管路设备应采用316不锈钢材质。粉末活性炭停止投加后（停用期间），应用清水冲洗加药管、管路等设施，适时对设施设备进行检查、维修、改进等准备工作，以便下次再使用。

⑧在高台上添加粉末活性炭时，应有防止坠落的安全防护设备。添加粉末活性炭的工人应穿戴防尘服、防尘口罩等防护用品，防止粉尘危害。

⑨ 添加粉末活性炭的工作场所应符合《劳动安全法》的有关规定。在雇用工人时，应进行一般体检，并定期对员工进行专门的健康检查和健康管理。负责添加粉末活性炭的主管应接受粉尘作业主管的安全卫生教育和培训。

PAC在上海饮用水处理中的应用实例

上海市供水系统在取水​​头、水厂头均设置了PAC加药装置，在季节性藻类引起的恶臭等突发性水污染问题的应急处理中发挥了重要作用，大大提高了上海市供水水质的应急保障能力。黄浦江上游水源地松浦大桥取水泵站、青草沙水库第五泵站均已建成大型粉末活性炭加药系统；在水厂头设置粉末活性炭加药点，主要针对就地取水时原水水质较差的情况。投加粉末活性炭可有效去除水中的色度、气味，提高供水保障水平。杨树浦水厂、长桥水厂、金山第一水厂、临江水厂、奉贤水厂等水厂均建设了粉末活性炭加药装置。 加药设备分别如图7至图12所示。

图7 松浦大桥取水泵站PAC注入示意图

图8 松浦大桥取水泵站混合池、加药泵及碳液加药管道

建议

水体的富营养化直接导致原饮用水季节性藻类污染问题突出，其中藻类污染导致的水质异味是供水企业面临的主要问题，粉末活性炭是处理除味的有效手段之一。

上海市粉末活性炭投加点设置科学合理，在原水取水口首部设置粉末活性炭投加点，在此点投加粉末活性炭可以有效延长粉末活性炭的吸附时间，大大提高处理效率。在水厂首部设置粉末活性炭投加点主要是为了应对就地取水时原水水质较差的情况，投加粉末活性炭可以有效去除水中的色度、气味，提高供水安全水平。

虽然我国在粉末活性炭的使用方面已有多年经验，但从行业角度看，尚无统一的技术规范和标准。本文建议上海市相关主管部门或行业领导研究编制净水用粉末活性炭技术指南，从粉末活性炭选用、加药点设置、加药试验、加药方式、运行管理、运输贮存、安全及应急处置等方面建立规范、科学的技术标准，为上海市饮用水处理技术提供支撑。