粉末活性炭處理酚類突發(fā)性水污染的應(yīng)用研究

賀亦博 杜禹 馮萬(wàn)平

摘要：粉末活性炭吸附水中溶質(zhì)分子是一個(gè)復(fù)雜的過程，是幾種力綜合作用的結(jié)果，包括離子吸引力、范德華力、化學(xué)雜和力。根據(jù)吸附的雙速率擴(kuò)散理論認(rèn)為，吸附是一個(gè)由迅速擴(kuò)散和緩慢擴(kuò)散兩階段構(gòu)成的雙速過程，迅速擴(kuò)散在數(shù)小時(shí)內(nèi)即完成，發(fā)揮了60%-80%活性炭的吸附容量。迅速擴(kuò)散是溶質(zhì)分子在碳粒內(nèi)沿徑向均勻分布的阻力小的大孔隙中擴(kuò)散的過程。這些大孔隙產(chǎn)生徑向的擴(kuò)散阻力。當(dāng)分子從大孔進(jìn)一步進(jìn)入與大孔相通的微孔中擴(kuò)散時(shí)，由于受到狹窄孔徑所產(chǎn)生的很大阻力，從而極為緩慢。微孔也是在碳粒內(nèi)均勻分布，但不構(gòu)成徑向的擴(kuò)散阻力。影響粉末活性炭吸附的因素涉及溶質(zhì)分子極性、分子量大小、空間結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)取決于水源水質(zhì)的特征?；钚蕴繉?duì)不同的物質(zhì)分子具有選擇吸附性。

關(guān)鍵詞：粉末活性炭;酚類;突發(fā)性水污染;處理;應(yīng)用研究

一、粉末活性炭的凈水效能研究

（一）投加工藝的選擇

國(guó)外專家曾對(duì)粉末活性炭的應(yīng)用情況進(jìn)行分析研究，認(rèn)為粉末活性炭對(duì)人工合成化學(xué)物的吸附去除主要取決于該化合物的類型。在選擇投加點(diǎn)時(shí)，必須考慮混合程度和處理接觸時(shí)間，盡量減少水處理藥劑對(duì)吸附的干擾。根據(jù)國(guó)內(nèi)某水廠近年應(yīng)用粉末活性炭的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，對(duì)于有生活污水、工業(yè)污水的排放，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致水體藻類等微生物急劇繁殖等，屬于污染較嚴(yán)重、較為復(fù)雜的水源;枯水期時(shí)常散發(fā)成分復(fù)雜的異臭、異味，再加上取水河段為潮感河流，污水回蕩時(shí)間長(zhǎng)，污染造成的危害較大。選取投加粉末活性炭工藝時(shí)，主要考慮：

（1）投加點(diǎn)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(zhǎng)粉末活性炭與水體接觸吸附時(shí)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(duì)大;選取中孔較發(fā)達(dá)的木質(zhì)活性炭，力求提高活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附效能。

（4）盡量減小水處理過程中的化學(xué)藥品干擾，如氯、高錳酸鉀、混凝劑等。

（5）要根據(jù)投加量的多少、場(chǎng)地條件選取干式或濕式投加。

（二）投加粉末活性炭明顯改善出水水質(zhì)

（1）投加粉末活性炭對(duì)去除色度有明顯效果。色度的去除有報(bào)道可達(dá)70%，色度低表明去除有機(jī)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(fù)雜的機(jī)理，還有待下一步研究。

（2）投加粉末活性炭對(duì)去除嗅味有明顯效果。南方某水體的富營(yíng)養(yǎng)化水體不僅是藻類繁殖和殺滅過程產(chǎn)生的異臭，還面對(duì)復(fù)雜的工業(yè)排污污染，水體長(zhǎng)期酚類物質(zhì)的異常濃度所引起的異臭。由于致臭物質(zhì)的動(dòng)態(tài)性和不確定性，故臭味的定量分析成為十分艱難的課題，設(shè)想要經(jīng)過多年對(duì)特定水體的調(diào)查研究，設(shè)立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)立相應(yīng)的分析方法，才能逐步解決。目前臭味的檢測(cè)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(gè)重要的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是供水行業(yè)目前面臨的確保飲用水安全的極其重要、難度相當(dāng)大的感官指標(biāo)。

（3）投加粉末活性炭對(duì)酚類的去除有良好的效果。上世紀(jì)30年代，國(guó)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(jù)水廠的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在原水揮發(fā)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(fā)性酚在0.005mg/L以上，0.01mg/L以下，可明顯減低出廠水揮發(fā)性酚含量;但原水揮發(fā)性酚大于0.01mg/L時(shí)，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(duì)酚類的去除效果，是綜合評(píng)價(jià)吸附能力的重要指標(biāo)，對(duì)于酚類污染嚴(yán)重的水體尤為重要。

以苯酚和多種氯酚（CPs）為代表的酚類是一類重要的有機(jī)污染物。針對(duì)飲用水突發(fā)性酚類污染物控制，考察了粉末活性炭（PAC）吸附工藝對(duì)苯酚及CPs的去除效果，并討論了主要影響因素。結(jié)果表明，對(duì)CPs和苯酚的吸附反應(yīng)可在10～60 min、300 min內(nèi)完成，吸附速率從快到慢依次為TCP、MCP、DCP、PCP和苯酚。由于酚羥基（Ar—OH）電離作用受到影響，在3～11范圍內(nèi)去除率隨pH值升高而降低。少量腐殖酸對(duì)吸附影響不大，但TOC質(zhì)量濃度超過10 mg/L時(shí)腐殖酸可產(chǎn)生明顯競(jìng)爭(zhēng)吸附作用。熱力學(xué)擬合表明，吸附反應(yīng)符合Freundlich和Langmuir吸附等溫式，苯酚/CPs在PAC上的吸附過程以物理吸附為主，且為放熱反應(yīng)，較低溫度有利于吸附反應(yīng)的進(jìn)行。相比于準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)和孔內(nèi)擴(kuò)散反應(yīng)，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可較好地描述吸附過程。將PAC用于中山市某飲用水源的模擬突發(fā)性污染應(yīng)急處理，投加10 mg/L的PAC即可有效去除原水中超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)3～5倍的CPs類污染物，同時(shí)水處理成本僅有少量增加。

二、粉末活性炭的吸附性能評(píng)價(jià)研究

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：碘值、亞甲藍(lán)值只能夠表明活性炭顆粒中細(xì)小孔徑的比表面積大小，但是在實(shí)際生產(chǎn)中有吸附速率的問題，即凈水工藝中吸附時(shí)間是有限的，水處理中應(yīng)用的粉末活性炭遠(yuǎn)未達(dá)到完全吸附平衡?；钚蕴款w粒內(nèi)部中等孔隙是有機(jī)物分子的進(jìn)入通道，一般認(rèn)為活性炭的中等孔隙越發(fā)達(dá)越有利于吸附動(dòng)力學(xué)平衡，所以中孔是否發(fā)達(dá)決定了吸附速率。為了結(jié)合實(shí)際應(yīng)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(lán)值等指標(biāo)），還要判斷粉末活性炭顆粒內(nèi)部的孔徑分布是否容易達(dá)到快速吸附，即明確轉(zhuǎn)化為如何評(píng)價(jià)活性炭的孔徑分布是否合理。

三、小結(jié)

隨著凈水深度處理工藝的推廣和活性炭生物濾池的應(yīng)用，雖然顆?；钚蕴勘憩F(xiàn)出良好的工藝性，但粉末活性炭吸附循環(huán)時(shí)間較短，投加方式較為簡(jiǎn)捷，費(fèi)用較低，可根據(jù)水體污染情況隨時(shí)更換碳種，仍是其突出的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于固有工藝的水廠改善出水水質(zhì)，對(duì)于突發(fā)污染事故的迅速處理，是顆?；钚蕴繜o法取代的功能。所以，隨著國(guó)內(nèi)水體環(huán)境的不斷惡化，水質(zhì)要求的不斷提升，在水處理行業(yè)應(yīng)用粉末活性炭的范圍將會(huì)不斷擴(kuò)大。逐漸從迫不得已的應(yīng)急事故處理應(yīng)用，轉(zhuǎn)向?yàn)樘岣吆透纳扑|(zhì)的應(yīng)用。粉末活性炭在水處理的應(yīng)用會(huì)越來越廣，將為防治污染，改善飲用水水質(zhì)，做出重要的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張樂、王歡.城市供水系統(tǒng)應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社2010.

[2]洪景濤.長(zhǎng)江下游區(qū)域水源突發(fā)性污染應(yīng)急供水處理[J].山西建筑，2010（12）：168-169.