活性炭在飲用水中的應(yīng)用與使用方式
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我國(guó)從20世紀(jì)70年代末、80年代初開(kāi)始，也有少數(shù)水廠采用了粒狀活性炭吸附深度處理技術(shù)。 活性炭依其外觀形式，活性炭分為粒狀炭(GAC)和粉狀炭(PAC)兩種。粒狀炭多用于水的深度處理，其處理方式一般為粒狀活性炭濾床過(guò)濾，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間吸附飽和后的活性炭被再生后重復(fù)使用。粉狀炭多用于水的預(yù)處理，例如在混凝時(shí)投加到水中，吸附水中的有機(jī)物后在沉淀時(shí)與礬花一起從水中去除，所投加的粉狀炭屬一次性使用，不再進(jìn)行再生。與粉狀炭相比，粒狀炭過(guò)濾的處理效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)好，吸附飽和后的活性炭可以再生重復(fù)使用，運(yùn)行費(fèi)用較低，因此水廠一般都使用粒狀炭吸附技術(shù)。粒狀炭的缺點(diǎn)是需單設(shè)炭濾池或?yàn)V罐，設(shè)備投資比粉狀炭高。
對(duì)于不受污染的天然地表水源而言，飲用水的處理對(duì)象主要是去除水中懸浮物、膠體和致病微生物;對(duì)此，常規(guī)處理工藝(即混凝、沉淀、過(guò)濾、)是十分的。但對(duì)于污染水源而言，水中溶解性的有毒有害物質(zhì)，特別是具有致癌、致畸、致突變的有機(jī)污染物(簡(jiǎn)稱“三致物質(zhì)”)或“三致”前體物(如腐植酸等)是常規(guī)處理方法難以解決的。于是，便在常規(guī)處理基礎(chǔ)上增加預(yù)處理和深度處理。前者置于常規(guī)處理前，后者置于常規(guī)處理后，即：預(yù)處理+常規(guī)處理或常規(guī)處理+深度處理，預(yù)處理和深度處理的主要對(duì)象是水中有機(jī)污染物，主要用于飲用水處理廠。
活性炭一直以來(lái)都是凈水系統(tǒng)中主要、應(yīng)用十分多的一種吸附材料，除了在凈水行業(yè)，活性炭在家居生活凈化空氣上使用的也很多，這也說(shuō)明它的吸附能力十分強(qiáng)。今天我們就著重介紹一下活性炭在凈水行業(yè)的作用。首先，我們先來(lái)了解一下什么是活性炭，它的分類又有哪些。
活性炭是一種黑色多孔的固體炭質(zhì)。是由椰殼、果殼等為原料，經(jīng)過(guò)炭化、活化、破碎、篩選、風(fēng)選、水洗、烘干等工序制得。上各種預(yù)處理及深度處理方法的基本作用原理概括起來(lái)，無(wú)非是吸附、氧化、生物降解、膜濾等4種作用，即：或者利用吸附劑的吸附能力去除水中有機(jī)物;或者利用氧化劑及物理化學(xué)氧化法的強(qiáng)氧化能力分解有機(jī)物;或者利用生物氧化法降解有機(jī)物;或者以膜濾法濾除大分子有機(jī)物。有時(shí)兩種作用可同時(shí)發(fā)揮，如臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)即發(fā)揮了氧化和吸附兩種作用。在粒狀活性炭上滋生的微生物，同時(shí)還有生物降解作用.
在地下水凈化方面，常規(guī)的污染處理方法對(duì)于提高水的清濁程度會(huì)有所幫助，但是對(duì)于其他一些污染水質(zhì)的處理效果欠佳。基于這種情況，采用活性炭污水處理技術(shù)對(duì)飲用水進(jìn)行處理的技術(shù)受到很大重視。活性炭基本性質(zhì)處理原理，制備方法，改進(jìn)措施等方面進(jìn)行了說(shuō)明。
深度處理主要有以下幾種方法：粒狀活性炭吸附法;臭氧-粒狀活性炭聯(lián)用法或生物活性炭法;化學(xué)氧化法;光化學(xué)氧化法及超聲波-紫外線聯(lián)用法等物理化學(xué)氧化法;膜濾法等等。在以上幾種方法中，活性炭吸附及臭氧-活性炭聯(lián)用法已用于生產(chǎn)，歐洲應(yīng)用較廣泛，我國(guó)少數(shù)水廠也有應(yīng)用。生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用臭氧-活性炭氧化工藝去除水中微量有機(jī)污染物十分，但基建投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，故我國(guó)目前尚未廣泛應(yīng)用。同濟(jì)大學(xué)嚴(yán)煦世教授等在光化學(xué)氧化法的研究方面已取得重要成果，超聲-紫外聯(lián)用法也開(kāi)始研究并取得定成效，但這些技術(shù)尚難在城市水廠應(yīng)用，宜用于小型飲水凈化裝置。超濾法及納濾法也具有應(yīng)用前景，但不能去除水中小分子有機(jī)物，且納濾和超濾裝置成本及運(yùn)行費(fèi)用較高。
1、活性炭適用飲用水處理的基本性質(zhì)
活性炭色澤呈現(xiàn)黑色，屬于固體炭中的一個(gè)種類，其自身呈現(xiàn)蓬松且多孔的構(gòu)造，孔徑直徑屬于微型孔。由于活性炭表面具備許多微型孔，使得其比表面積達(dá)到了1000m2/g以上。比表面積的增加使得活性炭吸附能力遠(yuǎn)比使用其他材料具有更強(qiáng)的水處理能力和效果，比表面積大的屬性和具備許多微型小孔的特殊結(jié)構(gòu)，使得活性炭這種飲用水污染物吸附材料，比其他的處理材料產(chǎn)生的效果要明顯的多。
活性炭吸附性能根據(jù)吸附原理不同，分為物理吸附，化學(xué)吸附，以及離子吸附等分類，在飲用水污染物處理上，對(duì)于有機(jī)物質(zhì)的處理主要應(yīng)用了活性炭的物理吸附屬性，其原理主要是分子間作用力——范德華力發(fā)揮作用。范德華力在物理吸附中起到關(guān)鍵性作用。在處理飲用水上采用活性炭進(jìn)行處理，需要根據(jù)實(shí)際的情況制備出適合污水處理的活性炭形態(tài)。比如：顆粒狀、塊狀或粉狀活性炭。因?yàn)橹苽浠钚蕴康脑牧喜煌灾苽涑龅幕钚蕴勘旧砭哂械幕瘜W(xué)和物理性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)也會(huì)有所差異，在污水處理階段應(yīng)用不同種類和性質(zhì)的活性炭，進(jìn)行飲用水不同階段的處理。
2、活性炭制備和應(yīng)用的改進(jìn)
活性炭在水處理上應(yīng)用時(shí)間比較長(zhǎng)，因此制備工藝和技術(shù)也比較成熟，在進(jìn)行飲用水處理時(shí)，為了達(dá)到良好的飲用水處理質(zhì)量，就要通過(guò)更好的制備工藝，制作出更加適合飲用水處理的活性炭。
一般制備飲用水處理活性炭采用的制備方法有以下幾種。
①對(duì)原有的活性炭材料進(jìn)行預(yù)處理的制備方法，在預(yù)處理中主要應(yīng)用脫灰預(yù)氧化處理技術(shù)進(jìn)行處理。脫灰處理方法可以去除活性炭原材料中的Ca、Mg等雜質(zhì)，以此來(lái)提高活性炭的吸附性能。但是在活性炭制備中釆用脫灰技術(shù)的費(fèi)用較高。因此，在預(yù)處理技術(shù)中較常采用預(yù)氧化處理方法進(jìn)行處理，預(yù)氧化處理方法不僅能夠降低活性炭的溫度，還能縮短制備時(shí)間，增強(qiáng)原料表面的活性，加強(qiáng)吸附性能，這樣在污水處理中就能更好的發(fā)揮活性炭的吸附性能。
②較常采用的方法為在原材料中加入催化活化劑。采用催化劑可以提高反應(yīng)速率，使得活性炭表面的空隙分布細(xì)密并且集中。
③方法是模板制備法，采用此種方法可以在短時(shí)間內(nèi)制造出大量高性能活性炭，通過(guò)模板技術(shù)改變活性炭自身結(jié)構(gòu)，但是使用此種方法成本較高。
④方法是采用物理和化學(xué)聯(lián)用的制備方法，提高了活性炭的比表面積，制備出性能較高的活性炭。
3、活性炭技術(shù)應(yīng)用在水處理各階段中的方法
活性炭對(duì)于水處理效果發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用的時(shí)間較長(zhǎng)。早在二十世紀(jì)二十年代，原捷克斯洛伐克就采用活性炭水處理技術(shù)。在六十年代初歐美等地區(qū)也開(kāi)始使用活性炭處理工業(yè)廢水和飲用水。并且隨著發(fā)展活性炭技術(shù)不斷完善，應(yīng)用的精細(xì)化程度越來(lái)越高。在水處理階段應(yīng)用不同的吸附影響因素對(duì)水中的物質(zhì)進(jìn)行吸附處理。活性炭化學(xué)官能團(tuán)和比表面積，以及活性炭的pH值等的因素，以及活性炭在水中的溶解度和濃度等等的情況，對(duì)于水處理階段的不同時(shí)期都會(huì)有不同的作用。
通過(guò)研究表明活性炭自身的吸附能力和自身的比表面積成正比，在飲用水處理中，采用粒徑較小的煤質(zhì)炭對(duì)于水中的異味吸附處理效果更佳。并且通過(guò)試驗(yàn)研究表明，活性炭對(duì)于親水性有機(jī)物的污染處理效果比疏水性有機(jī)物的處理效果要差。在污染物中，相對(duì)分子量相同物質(zhì)，在采用活性炭處理時(shí)，物質(zhì)疏水性強(qiáng)，采用活性炭處理的效果就要好。實(shí)踐證明，活性炭能有效去除分子量在500-3000的部分有機(jī)物質(zhì)。
4、活性炭投加位置對(duì)水質(zhì)處理影響
4.1水沉淀前投加活性炭的應(yīng)用
在水處理中混凝沉淀池階段投加活性炭，在沉淀池出水質(zhì)量上會(huì)有很大的改觀，這種情況適用于水質(zhì)發(fā)生突發(fā)污染的狀況，例如：飲用水質(zhì)突然發(fā)生了藻類，臭味，藻類繁殖產(chǎn)生的毒素等情況較為適用。相關(guān)處理資料表明，投加20mg/LPAC之后，對(duì)低濃度的樂(lè)果物質(zhì)去除率在70%左右，并且對(duì)于中低濃度的敵敵畏毒素去除率也可以達(dá)到90%以上。
4.2在水沉淀后投加活性炭的應(yīng)用
在水處理混凝沉淀池之后投加活性炭，對(duì)于有效去除有機(jī)物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生良好的效果，研究表明在過(guò)濾池石英砂濾料中增加設(shè)置活性炭過(guò)濾材料，對(duì)于提高過(guò)濾后出水的質(zhì)量有很大幫助，同時(shí)炭砂濾池對(duì)TOC、UV254的去除效率比單層的石英砂濾池，分別高出了24.84%、12.5%。同時(shí)在水處理聯(lián)用技術(shù)中，較常采用的方法是臭氧處理和活性炭聯(lián)合使用的方法，（O3-BAC）技術(shù)利用了臭氧氧化性較強(qiáng)的特性，以及活性炭表面活性和張力較強(qiáng)的特性，能對(duì)水中的有機(jī)物進(jìn)行良好的去除。并且采用（O3-BAC）處理方法可以使臭氧達(dá)到再生使用的效果，并且在處理的過(guò)程中能夠一直保持活性炭應(yīng)該保持的吸附特性。臭氧與活性炭聯(lián)用方法，已經(jīng)在污水處理方面等到了廣泛的實(shí)踐以及應(yīng)用。通過(guò)對(duì)于南方運(yùn)行了6年的臭氧活性炭水處理技術(shù)研究表明，即使在處理中活性炭的亞甲藍(lán)和碘值遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值O3-BAC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用臭氧活性炭任對(duì)水中的有機(jī)物有較好的處理效果。
4.3活性炭在超濾前膜中的應(yīng)用
現(xiàn)在的一些小型水質(zhì)處理廠，采用聯(lián)合水污染處理中主要應(yīng)用活性炭超濾膜聯(lián)用的方法，（PAC/UF）此種的工藝不僅對(duì)于水質(zhì)中的有機(jī)物具備有效處理之外，并且還可以提高水處理中的透水通量。并且能夠防止在使用超濾前膜水處理中產(chǎn)生污染現(xiàn)象。據(jù)有關(guān)研究表明，在超濾前膜和活性炭聯(lián)用處理法中，在工藝之前加入50mg/L的PAC，對(duì)于水中的色度和酸腐值去除率分別增加36%和49%。
二、活性炭的分類
1.根據(jù)原料的不同，可分為：
(1)木質(zhì)炭：又可分為木炭、竹炭、果殼炭、椰殼炭。
(2)煤質(zhì)炭：以泥煤、煙煤、無(wú)煙煤等制成的活性炭
(3)骨炭：由動(dòng)物的骨頭制成。
(4)再生活性炭：以用過(guò)的廢炭為原料，進(jìn)行再活化處理的再生活性炭
2、根據(jù)形態(tài)的不同，可分為：
(1)粉末活性炭。粉末活性炭實(shí)際上是粒度更細(xì)小的顆粒活性炭。由于顆粒細(xì)小，比表面積大，它的吸附效果優(yōu)于常用的顆粒活性炭。
(2)顆?；钚蕴?。這是在直飲水機(jī)中十分常用的活性炭。顆粒越小，吸附效果越好，但水的阻力(進(jìn)出口壓差)越大，也容易漏炭，
(3)活性炭纖維氈。它的微孔比顆?；钚蕴扛啵缺砻娣e更大，吸附容量更大，吸附速度更快，而且具有良好的再生性能，脫附速度快，可重復(fù)使用。缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，也易繁殖細(xì)菌。
(4)燒結(jié)活性炭濾芯。又稱炭棒濾芯、壓縮活性炭濾芯。是由顆?；钚蕴考尤胝辰Y(jié)劑加溫?zé)Y(jié)擠壓成型，碳芯外層往往還包有白色聚丙烯(PP)無(wú)紡布。燒結(jié)活性炭濾芯兼有吸附和過(guò)濾二種功能，但其過(guò)濾功能低于PP熔噴濾芯，吸附功能低于顆?；钚蕴繛V芯。
活性炭的凈水作用：活性炭具有脫色、除味的作用，還可以去除水中的余氯、膠體、有機(jī)物、重金屬等，是使用早、廣泛實(shí)用的凈水材料。活性炭在凈化過(guò)程中形成大量的各種形狀的細(xì)微孔，構(gòu)成了巨大的具有吸附作用的表面積，比表面積越大，吸附效果越好。
采用活性炭對(duì)飲用水處理可有效清除飲用水中有毒副作用的有害物質(zhì)，提高飲用水品質(zhì)，保障飲水衛(wèi)生安全。面對(duì)嚴(yán)峻的水質(zhì)污染和飲用水質(zhì)問(wèn)題，加強(qiáng)水處理技術(shù)的精細(xì)化和完善化，對(duì)于提高飲用水處理品質(zhì)有重大意義，在水處理中要綜合使用多種處理技術(shù)和工藝，結(jié)合活性炭處理技術(shù)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行處理。使得飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到一個(gè)新的高度。