活性炭在生活饮用水处理中的应用现状及存在问题（一）

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活性炭在生活饮用水处理中的应用现状及存在问题
             吉建斌  张金凤  段丽丽  （山西新华化工厂设计研究所）

与发达国家如美、日、欧共体相比，我国关于生活饮用水卫生标准的法制体系建设是比较落后的。目前仍有法律效力的GB5749-85中仅规定了四类指标共35个子项，即使在原国家建设部颁布的最新推荐指标体系《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中，对一类水司的水质指标也才88项，远少于发达国家120～135项的指标总数，另外，指标限值也比发达国家宽松得多。突出表现为对饮用水中的“三致”（致畸、致癌、致突变）物的强制性指标体系的建立严重滞后。
, L2 F( z' o7 N. n" a+ @    饮用水中“三致”物主要包括：（1）重金属离子如铜、锌、汞、镉、铬离子等；（2）可与卤素化合物（主要是氯，常用作水处理消毒剂）反应生成有毒“三致”卤代物的有机质（称为消毒副产物先质，简称DBPs先质）如低分子量的碳水化合物、氨基酸、蛋白质、脂肪及较高分子量的腐殖质等；（3）臭氧消毒灭菌副产物如甲醛、丙酮醛等有机副产物及溴酸盐等无机副产物；（4）天然水体中含有的有毒微生物；（5）天然水体中含有的放射性元素；（6）受污染饮用水源中含有的有毒人工合成化合物如农药等。
6 i2 W: T+ G7 R" i, y8 a    随着我国综合国力的逐步提高，尤其是城市分质供水规划的分类实施，目前国内水处理研究热点之一是饮用水中卤素DBPs先质、含卤DBPs、臭氧消毒副产物的去除，以期提供优质饮用水。在这些热点研究领域中，活性炭吸附剂及相关应用技术备受关注。
1、粉状活性炭（PAC）
    粉状活性炭是最古老的水处理吸附剂之一。迄今为止共有五种应用方法【1】【7】【8】。
' ~( d+ q7 U4 o, {! Z0 f. k1.1  在常规水处理工艺中投加PAC
    常规水处理工艺有三个主要工序——混凝、沉淀和过滤。PAC的投加点有混凝前、与混凝操作同时进行、沉淀之后、砂滤之后等几种，一般用于突发性水质恶化时临时投加PAC以保证出水水质。
    上海市自来水公司乐林生等针对长江水源中污染物的种类和含量特点，根据该市水处理厂的常规净化工艺，进行了PAC不同投加点的对比试验，研究表明，在原水进入水厂之后经ClO2消毒，然后投加15～20mg/L粒径10～50µm的PAC时，处理效果最理想，投加点应位于快速混合处，且应与混凝剂矾同加。
& M+ V- [9 @: V9 `    香港沙田和北港两座净水厂在混合池之前加氯消毒杀菌后，同时投加石灰混凝剂、聚合硫酸铝絮凝剂和PAC进行混凝、吸附处理，再经沉淀、砂滤，最后进行二次加氯消毒、石灰乳调PH、添加少量氟化物，出水可直接饮用【3】。
1 B5 t4 B: i6 W9 o  K/ [" {" j    松花江水源在冬季冰封时期是水污染较严重、较难处理的时期，原水厂处理工序为：原水中投加聚合铝混凝剂，在管道混合器中混合，进入网格反应池，再经斜管迷宫式沉淀池沉淀，进入无阀滤池后加氯消毒，然后出水。陈忠林等【4】在此基础上，将一定浓度的KMnO4溶液加入管道混合器，同时在网格反应池中投加一定量的PAC，试验结果表明，源水中的有机污染物部分被氧化剂氧化，部分被氧化反应中间产物水合氧化锰吸附沉淀，其余部分则被PAC吸附，两种技术联用，具有协同作用效果，水中致突变物质几乎被完全去除。
    水中孳生的藻类（尤其是蓝藻和绿藻，均为放线菌）和其它水生动植物的代谢或分解产物可使水产生强烈嗅味，运用常规处理工艺去除嗅味的效果非常差。法国某公司开发了Cristal工艺，在沉淀工序之前投加PAC吸附水中有机物、农药残留物和水中产生嗅味的化合物，再用0.01µ的中空超滤膜去除水中的悬浮颗粒、胶体颗粒、细菌和病毒，该工艺的主要目的是去除藻类造成的嗅味，同时脱除大部分“三致”物质。该工艺已在巴黎市Vigeneus-Seine水厂成功应用【5】。
    在常规水处理工艺中投加PAC，必须设法消除PAC的自凝聚结团趋势，否则将直接影响PAC的吸附能力发挥，造成水处理成本的无谓上扬或处理效果不理想。曹达文等【6】经研究提出PAC的强制分散投加工艺：将适量的PAC和水制成浓度3～5%的炭浆，用输送泵送至高位炭浆池，经投加计量器计量，再用水泵混合加压，强制分散，其中炭浆调配装置和高位炭浆池需保持连续搅拌（强度1～1.5kW/m3）；炭浆的输送流速以1.5～2.0m/s为宜；采用离心式水泵抽吸加压使投加的炭浆与部分原水被水泵抽吸混合后经一个特制的扩散器经淹没式多层小孔喷射法，使混合炭浆再与水体混合，达到瞬间分散均匀的目的。
1.2  PAC悬浮床吸附过滤技术
' p6 X, }! o3 o& I) |0 I7 Y    这是一种集吸附和过滤于一体的PAC应用方法，又称Haberer工艺。选用粒径1～3mm的轻质滤料（如聚苯乙烯小球）作载体，用水泵使PAC炭浆在滤池中循环直至全部附着于载体表面（预涂过程），滤池水流采取上向流，当PAC吸附效果降至预定值后，采用下向流冲洗法进行部分再生。有关研究表明，在悬浮床吸附过滤工序前进行混凝操作，吸附过滤工序之后再经砂滤，出水水质可达饮用水一般性指标要求【1】。
3 j7 a, g0 F) H1.3  PAC-硅藻土过滤联用技术
: H2 k$ X( }3 I) x) q* K, F    简称为PDF技术，结合了硅藻土的高效除浊、除菌精滤能力和PAC对水中溶解性物质的强吸附能力，采用自支撑滤膜形式进行饮用水处理。选用适宜挂膜的固定支架填料填充滤器，将PAC和硅藻土按一定比例和用量配成浆液，用水泵进行循环直至浆液变清滤膜形成，再开始滤水，当过滤阻力增至预定值或出水水质不符合要求时，采用反向水流将滤膜冲掉，再挂膜运转。PDF技术一般适用于小型水处理厂及饮水深度净化【1】。
1.4  壳聚糖-PAC共混超滤膜水处理技术
  `& t; F+ K: `2 Q: W7 {$ i    喻胜飞等【7】为了提高对饮用水源中大分子有机物，尤其是带发色基团的大分子有机污染物的去除效果，研制了一种具脱色协同效应的含PAC的超滤膜。将壳聚糖加入2%的醋酸水溶液中使之溶解，过滤，在清液中加入添加剂TRG、交联剂戊二醛和PAC，充分搅拌后，静置脱泡，然后在丙纶支撑体上流延成膜，25℃左右蒸发固化，经凝固浴处理，室温干燥，制成共混超滤膜。作者指出，膜中PAC的填充量4～5%时使用效果最好。但文献中未见进一步的研究报道。
1.5  PAC用作生物活性炭的载体
    文献报道中，把粉末活性炭用作生物活性炭（BAC）载体的研究非常少，因为PAC的流动性会造成生物膜迅速流失而使滤器失效。
, r7 D, W4 V/ |1 X& P2 V    葛旭等【8】对深圳市地表水源进行了多种处理工艺组合对比试验，得出结论：采用生物预处理和常规处理（混合、絮凝、沉淀、砂滤）之后，再经臭氧氧化，最后经BAC深度处理，且BAC法如投加20mg/L的粉末活性炭，臭氧接触时间为9～11分钟时，出水水质符合《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中一类水司88项指标要求。而关于如何在PAC上接种生物膜，又如何防止粉状BAC的流失，文中未明示，也未发现进一步的报道。
3 S! \8 {# i7 j3 ^+ T2、粒状活性炭（GAC）
) U! J) [  D/ V$ {/ L4 S    粒状活性炭因其适于填充固定床滤器的特点而被水处理工作者进行了广泛的研究。文献中关于GAC的水处理应用研究文章数量也远多于PAC的应用研究文献。但奇怪的是，在我国各大中型城市自来水厂中，GAC的应用却远比不上PAC那样普及，原因可能有两个，一是因GAC滤器固定投资和运行成本较高，在我国尚未实施分质供水之前，GAC的大量应用势必引起水价大幅上扬，用户难以承受；二是PAC的应用具有灵活性，可随时在出现高污染负荷时启动，亦可随时停用，被用作备用水处理剂，也就是说，建装置的水厂多实际投运的少。
    GAC应用于生活饮用水的深度处理大致有两种应用技术，一种侧重于利用其对某些有机物质的吸附能力，另一种是GAC既作为吸附剂，又作为微生物载体，吸附作用和生物化学作用协同作用降解水中有机污染物，即所谓的生物活性炭（BAC）技术。在实际使用过程中，单纯的GAC过滤作用只在一定时期内存在，生物膜的自然形成是必然的，也是有利的（大多数情况下）。GAC技术和BAC技术的最大区别可能是：前者使用一定时间后，吸附剂上的生物膜是自然形成的，后者则是在启运之前控制一定的环境条件，人工接种了高选择性的微生物种类，且其生化作用处于受控状态。
2.1  侧重于吸附作用的GAC的应用研究进展
5 N( P. M" a: j* V    由于活性炭属于较昂贵的水处理剂，且目前水处理炭的低成本再生技术问题尚未完全解决，故GAC的应用研究方向多以去除水中“三致”物及其前驱物为目标，因为大量研究结果表明，在此方面AC是目前最好的处理剂。
9 c2 n. E2 v: b3 y' X    针对饮用水源中的全溶解有机物（TOC）和致生物突变性有机物（Ames试验，阳性为具致突变性，阴性表示安全），潘海祥等【9】对珠江三角洲地区水源在丰水和枯水期进行了九种工艺组合对比试验研究，结果表明：无论在丰水期还是枯水期，含GAC过滤的组合工艺出水Ames试验均呈阴性，其它种类的组合工艺出水Ames试验结果均呈阳性；源水经含GAC吸附的组合工艺处理后，出水中TOC含量＜1.5mg/L，大大低于其它组合工艺出水中TOC含量（＞2.2mg/L）。
3 R4 G! l! k5 R    水中可生物同化有机碳（AOC）是反映水中细菌生长的限制性营养水平，国外普遍采用该项指标鉴定饮用水的生物稳定性，尽可能低的AOC含量可避免供水管网中细菌的重新生长，从而避免饮用水的二次污染。吴红伟等【10】进行了在常规水处理工艺砂滤工序之后进行GAC吸附过滤降低AOC作用的对比试验研究，结果表明，当选用粒径1～2mm的GAC，且炭滤器中水力停留时间（HRT）为9min，滤速≤10m/h时，对AOC的去除效果最好。
$ ^( M/ ~9 P0 P. K7 O, n0 G' O. `    我国大多数水厂采用加氯法进行饮用水的消毒灭菌工作，且一般均采用原水进厂加氯（预氯化）和出水二次加氯两级消毒工艺。近年来国内外研究表明，卤素消毒副产物（DBPs）如三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）等，尤其是HAAs，具有较高的致癌风险。对于预氯化产生的DBPs，混凝沉淀工序和煤砂滤池可部分去除，但效果不理想；要想控制二次加氯产生的DBPs的浓度，只能依靠在水处理工序过程中强化对DBPs先质的去除效率。李爽等【11】对北京几大水厂的水质调查结果表明，预氯化可使源水中HAAs含量增加8～9.5倍，GAC吸附过滤工序可使总HAAs去除率提高46～86%，是目前最有效的DBPs去除方法。
    由于水厂出水加氯二次消毒会不可避免地产生DBPs，且会使水中带有不愉快的嗅味，近年来用臭氧作为深度处理消毒剂已成为一个发展方向。但近来研究证实，采用臭氧消毒也并非万无一失，当臭氧投加量不足或在水中分布不均衡时，许多有机物的部分氧化会产生醛类化合物，含溴物质被氧化生成溴酸根，这些都属于臭氧副产物，发达国家已将甲醛和溴酸根列为可能致癌物。周云等【12】对水中的臭氧副产物进行了详细论述，并指出：采用GAC在臭氧消毒工序之后进行把关性吸附终滤，不仅能降低水中有机物含量，且可降低臭氧的副产物，其中溴酸根的去除系因AC表面的碳元素及其它一些表面基团的还原作用生成Br-而脱毒的。
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