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粉末活性炭在凈水處理中實際應用研究

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  摘要:國外利用粉末活性炭去除水中有機物?除色?除嗅味物質己取得成功的經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異味等?認為雖然顆粒活性炭能保證良好的工藝性,但吸附循環的較短時間仍是粉末活性炭的優點?國內利用粉末活性炭去除污染物正處于研究之中,目前實際的應用仍然不多?
 
  關鍵詞:粉末 活性炭 吸附投加
 
  編者按:由澳門自來水有限公司?中國水協科技委?中法水務投資有限公司和法國蘇伊士集團主辦的水質技術發展研討會最近在澳門舉行?研討會共收到論文20余篇,中外水業專家?學者就微污染水源水紫外線預處理滅藻技術?粉末活性炭在凈水處理中的應用?改進清水池設計以提高消毒效率及減少消毒副產物等課題進行了探討,對行業水質技術的提高具有積極的推動作用?由于版面有限,本報選擇篇幅較短小的論文刊發,以饗行業讀者?
 
  國外利用粉末活性炭去除水中有機物?除色?除嗅味物質己取得成功的經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異味等?認為雖然顆粒活性炭能保證良好的工藝性,但吸附循環的較短時間仍是粉末活性炭的優點?國內利用粉末活性炭去除污染物正處于研究之中,目前實際的應用仍然不多?粉末活性炭的投加量與水的濁度?臭味物質的濃度有關,投加量應根據水質的特點試驗確定?研究的關鍵是如何根據自身企業的實際情況,致突變污染物的組成,不同水源水廠不同工藝配置的特點,進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,以期建立相對經濟?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分子是一個復雜的過程,是幾種力綜合作用的結果,包括離子吸引力?范德華力?化學雜和力?根據吸附的雙速率擴散理論認為,吸附是一個由迅速擴散和緩慢擴散兩階段構成的雙速過程,迅速擴散在數小時內即完成,發揮了60%-80%活性炭的吸附容量?迅速擴散是溶質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程?這些大孔隙產生徑向的擴散阻力?當分子從大孔進一步進入與大孔相通的微孔中擴散時,由于受到狹窄孔徑所產生的很大阻力,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分子極性?分子量大小?空間結構,這一點取決于水源水質的特征?活性炭對不同的物質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用情況進行分析研究,認為粉末活性炭對人工合成化學物的吸附去除主要取決于該化合物的類型?在選擇投加點時,必須考慮混合程度和處理接觸時間,盡量減少水處理藥劑對吸附的干擾?根據國內某水廠近年應用粉末活性炭的經驗認為,對于有生活污水?工業污水的排放,造成水體富營養化,導致水體藻類等微生物急劇繁殖等,屬于污染較嚴重?較為復雜的水源;枯水期時常散發成分復雜的異臭?異味,再加上取水河段為潮感河流,污水回蕩時間長,污染造成的危害較大?選取投加粉末活性炭工藝時,主要考慮:
 
  (1)投加點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;選取中孔較發達的木質活性炭,力求提高活性炭對有機物的吸附效能?
 
  (4)盡量減小水處理過程中的化學藥品干擾,如氯?高錳酸鉀?混凝劑等?
 
  (5)要根據投加量的多少?場地條件選取干式或濕式投加?
 
  (6)根據水質污染狀態確定投加量?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
 
  (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?南方某水體的富營養化水體不僅是藻類繁殖和殺滅過程產生的異臭,還面對復雜的工業排污污染,水體長期酚類物質的異常濃度所引起的異臭?由于致臭物質的動態性和不確定性,故臭味的定量分析成為十分艱難的課題,設想要經過多年對特定水體的調查研究,設立相關的數學模型,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重要的綜合評價指標,也是供水行業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?國內外化工行業早已有利用粉末活性炭,來凈化去除工業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評價指標?
 
  (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?如應用投加粉末活性炭?聚丙烯酰胺助凝?高錳酸鉀氧化的聯合協同作用,嚴格控制沉淀池出水濁度為1NTU以下,則藻類的去除率可高達95%-98%?
 
  (5)投加粉末活性炭使化學耗氧量(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的表征指標的下降,表明了水體有毒有害物質的去除程度?
 
  (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?根據水廠的應用經驗,認為在原水揮發性酚在0.005mg/L以下,投加粉末活性炭20mg/L以下,可以有效地去除;若原水揮發性酚在0.005mg/L以上,0.01mg/L以下,可明顯減低出廠水揮發性酚含量;但原水揮發性酚大于0.01mg/L時,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,是綜合評價吸附能力的重要指標,對于酚類污染嚴重的水體尤為重要?
 
  (7)投加活性炭粉時出水濁度的影響?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,會發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,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TA98?TA100,用XAD樹脂吸附水樣中致突變有機物,洗脫物用平皿滲入法作三個濃度檢驗,用突變菌落數和對應的受試物濃度作回歸曲線,以突變菌落數為自發回變菌落數兩倍時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?
 
  某水廠水源常年致突變試驗呈陽性,常規處理加氯消毒后致突變性一般會增加;投加粉末活性炭后,首次出現出廠水致突變為陰性?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的簡捷途徑?
 
  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,同時還具有良好的助凝作用,使出水水質得到大幅度提高?是一種投資相對小?收效快,尤其是對于規模較大的舊水廠,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研究
 
  另一方面,對于吸附劑粉末活性炭,其內表面化學結構?比表面積可以影響吸附能力?在實際生產應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量?因此如何評價選擇活性炭的種類和質量,如何根據水源水質選擇合適的碳種和投加量,成為生產中亟待研究解決的重要課題?
 
  國內一般主要采用碘值?亞甲藍值來評價活性炭的吸附性能?但是生產實踐和經驗都證明僅采用這兩個指標不能全面評價活性炭,與實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?準確地反應實際吸附狀況?
 
  (一)目前評價水處理粉末活性炭的指標存在的問題
 
  經過研究發現: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,但是在實際生產中有吸附速率的問題,即凈水工藝中吸附時間是有限的,水處理中應用的粉末活性炭遠未達到完全吸附平衡?活性炭顆粒內部中等孔隙是有機物分子的進入通道,一般認為活性炭的中等孔隙越發達越有利于吸附動力學平衡,所以中孔是否發達決定了吸附速率?為了結合實際應用,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活性炭的孔徑分布是否合理?
 
  進一步研究發現,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?同時這些物質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來評價粉末活性炭的綜合性能,與水廠生產情況和實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,制定相應的評價方法?
 
  隨著試驗深入,采用某水源廣泛存在的一種典型有機污染化學工業產品標樣來作為吸附質進行試驗?這種酚類物質分子量適中,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?
 
  采用綜合評價方法來衡量活性炭的性能:采用碘值?亞甲藍吸附值評價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達情況;采用一種酚類標樣作為復雜有機物質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確和客觀?
 
  吸附特定大分子有機物,對于木質碳而言,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%?對于木質和煤質活性炭吸附特定大分子有機物效果比較,木質遠遠優于煤質?
 
  吸附特定天然有機物,對于木質碳而言,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%?以這兩種木質和煤質活性炭吸附特定天然有機物比較,木質遠遠優于煤質,吸附數量超過1-2倍?
 
  試驗結果表明:l)木材?果核為原料生產的活性炭與無煙煤為原料生產的活性炭相比,中孔數量較多,從吸附性能角度看,一般木質?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用?煤質碳由于比重較大,相對用于助凝去除有機物和價格上有優勢,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?通過研究認為粉末活性炭的吸附能力與粒徑相關,粒徑越小,比表面積越大,吸附越強;但粒徑過小,易于穿透濾層,引起用戶不滿?根據生產應用經驗認為,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,宜采用目數大于250目的粉末活性炭;但同時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,宜采用小于200目的粉末活性炭,以確保自來水水質?
 
  三?小結
 
  隨著凈水深度處理工藝的推廣和活性炭生物濾池的應用,雖然顆粒活性炭表現出良好的工藝性,但粉末活性炭吸附循環時間較短,投加方式較為簡捷,費用較低,可根據水體污染情況隨時更換碳種,仍是其突出的優點?對于固有工藝的水廠改善出水水質,對于突發污染事故的迅速處理,是顆粒活性炭無法取代的功能?所以,隨著國內水體環境的不斷惡化,水質要求的不斷提升,在水處理行業應用粉末活性炭的范圍將會不斷擴大?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的應用?粉末活性炭在水處理的應用會越來越廣,將為防治污染,改善飲用水水質,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型,選用恰當的投加工藝,是水處理行業的研究重點和難點?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?以上的研究經驗和體會供同行商討?
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