粉末活性炭應(yīng)用于突發(fā)性水污染處理的探討

籍繼花

水是生命的源泉，沒有水就沒有生命，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，各類工業(yè)廢棄物和城市垃圾的持續(xù)增多，對生活用水安全造成了嚴重威脅，突發(fā)性水污染事故時有發(fā)生。目前城市凈水工藝普遍不具備應(yīng)對水源突發(fā)性污染的處理能力。因此提高凈水廠的應(yīng)急處理能力是保障城市安全供水的必然要求。

其中采用粉末活性炭吸附是一種非常重要和經(jīng)常使用的應(yīng)急處理措施之一。但粉末活性炭并非對所有的有機污染物都適用，并且針對不同的污染物，在不同的生產(chǎn)條件下，粉末活性炭的吸附性能有所不同，下文主要針對粉末活性炭的吸附特性、影響因素、如何正確使用等幾個方面加以論述。

1 活性炭對污染物的理論吸附特性

1)活性炭的非極性吸附理論。活性炭是一種多孔隙、非極性的吸附劑，具有巨大的表面積(800 m2/g～1 300 m2/g)，其吸附作用主要來源于物理表面吸附作用，如范得華力等。活性炭對非極性、弱極性和水溶性差的有機物有較好的吸附能力，對于較強極性和水溶性較好的有機物，吸附能力較差。

2)活性炭的直徑限制吸附理論。活性炭的直徑限制吸附理論主要指兩個方面:a.吸附作用主要發(fā)生在微孔中，即孔隙直徑小于4 nm的孔。一般活性炭表面積占活性炭總表面積的95%以上，因此活性炭與其他吸附劑相比，具有微孔特別發(fā)達的特征。b.吸附質(zhì)分子大小與其孔隙大小存在匹配問題。

對于液相吸附其最佳吸附范圍內(nèi)活性炭中起吸附作用的孔直徑(D)與吸附質(zhì)分子直徑(d)之比D/d=1.7～6。D=1.7d的孔是活性炭中對該吸附質(zhì)起作用的最小的孔，對于分子量M=1 000的有機物，其平均分子直徑約為1.3 nm。由此可以推斷被活性炭吸附的主要物質(zhì)為分子量小于1 000的物質(zhì)。

2 活性炭的實驗吸附特性

表1 芳香族化合物的粉末活性炭吸附去除可行性研究測試數(shù)據(jù)

粉末活性炭對不同的污染物體現(xiàn)出不同的吸附特性，按照結(jié)構(gòu)和來源，一般把有機物分為芳香族類、農(nóng)藥類、氯代烴、消毒副產(chǎn)物類和人工合成有機物五類。對粉末活性炭吸附性能的可行性研究試驗是在去離子水條件下，用20 mg/L的粉末活性炭吸附2 h后的去除效果，去除率在70%～90%之間為可行且效果較好;去除率在50%～70%之間為可行但效果一般;投炭量偏大，去除效率小于50%為不可行。表1～表4分別為部分芳香族類、農(nóng)藥類、氯代烴、消毒副產(chǎn)物類和人工合成有機物類的粉末活性炭吸附去除可行性研究測試數(shù)據(jù)。

表2 農(nóng)藥的粉末活性炭吸附去除可行性研究測試數(shù)據(jù)

表3 氯代脂肪烴的粉末活性炭吸附去除可行性研究測試數(shù)據(jù)

表4 主要消毒副產(chǎn)物和人工合成有機物的粉末活性炭吸附去除可行性研究測試數(shù)據(jù)

3 使用粉末活性炭需注意的問題

3.1 確定粉末活性炭是否適用

因為粉末活性炭對不同的物質(zhì)體現(xiàn)出不同的吸附特性，因此首先需要確定水中所含有污染物的種類。當(dāng)水中污染物為醇類，低分子的酮、酸、醛、糖類，分子量大于2 000的高分子有機物，低分子脂肪類有機物，部分氯代脂肪烴如:氯乙烯、二氯甲烷、1，2二氯乙烷，消毒副產(chǎn)物如:三氯甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸等時，因為平衡濃度高、平衡時間長、投加量太大而應(yīng)避免采用活性炭應(yīng)急處理。

3.2 測定活性炭的吸附參數(shù)

針對不同的污染物，粉末活性炭的吸附容量、平衡濃度、吸附時間都不同，因此在應(yīng)急處理時需要測定吸附參數(shù)。

1)吸附容量。在一定溫度條件下，活性炭的吸附容量，即達到飽和時，單位質(zhì)量活性炭上的吸附污染物的質(zhì)量，與吸附飽和時污染物的濃度存在一定的關(guān)系，其中弗蘭德里希吸附等溫吸附比較符合水處理的吸附現(xiàn)狀，在水處理工程中應(yīng)用最廣泛。平衡時間可以為120 min，也可以根據(jù)工藝實際活性炭的停留時間進行選取，活性炭投加量 Ct分別為5 mg/L，10 mg/L，15 mg/L，20 mg/L，50 mg/L。而且由于水中存在多種污染物時，存在競爭吸附的現(xiàn)象，因此實際處理所需的粉末炭投加量大于用單一物質(zhì)純水配水試驗所得的結(jié)果，因此不能簡單采用資料中的數(shù)據(jù)，而應(yīng)進行吸附試驗。

2)吸附時間。粉末活性炭吸附需要一定的吸附時間，不同的污染物，達到平衡濃度的時間不同，例如同屬于農(nóng)藥類在超標5倍時，投加粉末活性炭10 mg/L，滴滴涕吸附時間為30 min就可以去除90%以上，而敵敵畏吸附時間為30 min時只能去除污染物的30%，一般來講，粉末活性炭的吸附時間通常在30 min以上，一般吸附時間越長，粉末活性炭的吸附能力發(fā)揮的越充分，1 h～2 h可以達到基本平衡。對于混凝時間不足的工藝條件限制的情況下，需要加大粉末活性碳的投加量降低平衡濃度，因此應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的時間進行相應(yīng)的吸附試驗。

3.3 正確選定活性投加點

當(dāng)取水口距離水廠有一定距離時，投加點應(yīng)選在取水口，利用原水在管道的輸送時間可以提高活性炭對污染物的吸附程度。當(dāng)取水口距離水廠很近時，一般在水廠內(nèi)與混凝劑同時投加，利用混合設(shè)備和絮凝設(shè)備加強粉末活性炭與污染物的接觸，達到吸附去除污染物的效果。

在水廠內(nèi)投加時，要考慮混凝劑形成的礬花對粉末活性炭吸附的傳質(zhì)影響，經(jīng)試驗即使沒有明顯的影響，但由于受到混凝工藝的限制，總的吸附時間一般在0.5 h之內(nèi)，雖然處于粉末活性炭的“主要吸附作用期”，但由于之后礬花將其包裹沉降與水流主體分離，難以繼續(xù)發(fā)揮吸附能力，最終只發(fā)揮了吸附能力的60%～80%。因此如果條件限制只能在水廠中投加粉末活性炭，需根據(jù)實際條件適當(dāng)增加投加量。

4 粉末活性炭的其他應(yīng)用

單獨使用粉末活性炭的吸附作用可以減少水中有機物的含量，另外采用高錳酸鉀+粉末活性炭，氣浮+粉末活性炭還可除藻和藻毒素，因此粉末活性炭與其他方式聯(lián)合使用于飲用水的應(yīng)急處理也是水處理的研究課題和方向之一。

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