活性炭在微污染水源水处理中的应用综述

介绍了活性炭在微污染水源水处理中的应用情况，包括活性炭吸附、生物活性炭、臭氧活性炭技术等的对水源中 有机物的去除效果和工艺特点，指出活性炭对去除水中微量有机物污染方面是其他水处理单元难以取代的，在微污染水 源水处理中有较广泛的应用。
0 引言
近年来，由于城市对污水和工业废水的治理严重滞后于经济 的发展，加之水土流失等环境因素，已造成水源水中有机物的不 断增加，水质成分日益复杂。传统水处理工艺难以有效地去除饮 用水中多环芳烃、多氯联苯等持久性有机危害物。活性炭作为受 有机微污染水源水深度处理的重要手段，已经取得了越来越广泛 的应用。研究表明，活性炭去除水中农药、杀虫剂等微量有机物 污染物方面是其他水处理单元难以取代的，对臭味的控制以及获 得生物稳定的饮用水等方面也有重要的作用。活性炭在微污染 水源水处理中应用较广泛的技术有：活性炭吸附、生物活性炭、臭 氧—活性炭技术等。
1 活性炭吸附
1.1 粉末活性炭(PAC)
粉末活性炭用于水的除色、除臭、除味历史已久，它与粒状活 性炭(GAC)相比，主要优点是设备投资省、价格便宜、吸附速度 快、对短期及突发性水质污染适应能力强，故英、美、日等国至今 仍广泛采用。粉末活性炭一般情况可与混凝过程相结合，直接投 加到原水中，经混合吸附水中有机和无机杂质后，粘附在絮体上 的炭粒大部分在沉淀池中成为污泥后排除，粉末活性炭吸附效果 特别显著，同时可增加絮凝矾花的核心作用，提高悬浮颗粒的碰 撞机会及混凝工艺的处理效果，并有利于浮渣的去除。
PAC投加点、投加量、投加方式等涉及PAC与水混合程度和 接触时间，絮凝体干扰和PAC与絮凝过程的竞争等，直接影响 PAC吸附效率，不同原水水质上述关系也有所不同。用于常规处 理工艺(混凝、沉淀、过滤、消毒)，PAC最佳投加量的选择应该避 免或减少PAC与混凝竞争及其被絮凝体包裹的影响。对于不同 的水源一般根据试验确定活性炭的最佳投加量。试验研究结果 表明，PAC对三卤甲烷有一定的吸附能力，但对于水中三卤甲烷 的前体物(THMFP)的去除效果不稳定。PAC对于NH3-N和 CCl4的去除效果也不明显。Ames试验表明，原水和常规处理后 水呈强阳性(+ +)，经PAC吸附后出水转变为弱阳性(+)。
GC—MS测试结果表明，粉末活性炭对去除人体健康危害很大的多环芳烃类物质效果明显，常规处理仅能去除8%，而粉末活性炭 可去除72%，毒性很强的苯并芘，粉末活性炭去除率可达65%。
1.2 颗粒活性炭(GAC)
在20世纪60年代末70年代初粒状活性炭净化的装置在美 国、欧洲、日本等国陆续建成投产。美国以地面水为水源的水厂 已有90%以上采用了活性炭吸附工艺。目前世界上有成百座用 粒状炭吸附的水厂正在运行。
活性炭的使用方式有3种：1)用粒状活性炭替换部分砂滤 料，成为炭砂双层滤料滤池。采用这种方式，净化效果比单层好，可以减少反冲洗次数，降低反冲洗强度。2)用粒状炭替换全部砂 层，即活性炭吸附兼过滤。3)在砂滤之后建独立的活性炭吸附 池。先经砂滤，再经炭吸附池，可以延长活性炭对去除杀虫剂、酚、有机物产生的臭味的使用周期，有效的利用了活性炭的吸附 性能。特别是在原水中含铁和锰时效果更为明显。
当水源受到生物污染时，水中有机物及氨浓度增加，采用折 点加氯法可以使出水中形成显著的氯氨味，用粒状活性炭可以有效地去除氯氨味。
2 生物活性炭
利用活性炭的吸附以及活性炭层内微生物有机分解作用，延 长活性炭吸附能力的方式。也就是说，它不仅有着活性炭的吸附 力，也有着以粒状活性炭为载体，在其上生长微生物的作用。这 种处理方法即称为生物活性炭处理。
引入生物活性炭多以水中含THM情况如何为对策，原水中 存在的有机物在氯剂处理过滤中与氯剂反应，形成THM或全有 机卤化合物(TOX)。因此，如果在氯剂处理前或处理设施中向加 氯剂处理的后面设置活性炭设备，生成的THM或TOX由于被吸 附而除去。考虑THM的吸附容量比较小，或者一旦吸附的TOX 使THM变化，活性炭的效果就不会像预想的那样。但是，生物活 性炭不经过氯剂处理而只是通过活性炭去除THMFP或TOXFP 等有机物，整体来讲THM或TOX的降低效果都增加，同时氨的硝化也是其特点。
试验表明生物活性炭当进水氨氮浓度在2 mg/L以下时，对 氨氮的去除率达到80%以上，对COD，浊度，UV254的去除率也可 分别达到25%，30%，20%以上。生物活性炭是饮用水处理中去 除有机物的有效方法，在欧洲已得到普遍使用，但由于活性炭的价格昂贵，并非任何水厂都有经济能力采用此种办法，因而妨碍 了生物活性炭技术的推广应用。但在水质污染严重的地区，可采 用在常规滤池表面增加一层活性炭来组成生物活性炭—砂过滤 滤池，也可达到生物活性炭的处理效果。
研究结果表明，生物滤料+石英砂滤料组合成的生物强化过 滤，可有效去除水中的氨氮，亚硝酸盐氮，有机物，Fe，Mn，浊度，色度等，而且该工艺只是对现有工艺的强化，不增加任何新设施，只是在原滤池内增加生物滤料，由原来的生物滤料与石英砂组成 双层滤料滤池，一般生物滤料的厚度为700 mm，石英砂为500 mm。在正常反冲洗条件下，生物膜受反冲洗的影响较小，是解决微污 染水源水质的一项新途径。
3 臭氧活性炭
臭氧生物活性炭对有机物的去除包括3个过程：臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解。即在对有机物的去除上，先发挥臭氧的强氧化能力，将有机物氧化成可被生物降解的小分子有机物，接 着利用活性炭良好的吸附性能将其吸附，再由吸附在活性炭上的生物对吸附的有机物进行生物降解，而臭氧分解后产生的氧，提 高水中的溶解氧，使水中溶解氧呈饱和状态或接近饱和状态，又 为活性炭处理中的生物降解提供必要条件。由于臭氧有很强的氧化性，而大剂量地投加臭氧，将使有机物全部变成最终产物 CO2和H2O，但这样做是不经济的。并且，大剂量地投加臭氧还 有可能增加臭氧副产物的生成量。因此臭氧投加量的选择是十 分重要的，投多少臭氧有利，要根据不同水质情况，通过试验才能 获得有实用价值的数据。
臭氧氧化对水中的致突变物有一定的去除作用，但由于臭氧 氧化时将大分子有机物变成小分子有机物及产生了一些臭氧副 产物；因而仍有微量的致突变物残留，臭氧—粒状活性炭联用处 理后，由于活性炭的吸附作用，进一步提高了去除污染效果，表现 出显著的去除水中致突变物的能力，使出水的致突变性为阴性。抽样活性炭联用后对CODMn，UV254总的去除效果比较稳定而且 一般要高于对CODMn的去除，反映出该工艺对水中吸收紫外线的不饱和有机物、含氮有机物去除效果较好，能很有效地降低AOC 值，使出水生物稳定性大大提高；由于活性炭上的微生物生长良 好，即使炭的吸附饱和后，生物作用依然存在，并能与炭的物理吸 附相辅相成(脱附与吸附)，使活性炭长期保持降低有机物的作 用，使炭的再生周期大为延长(一般为1年～1.5年)。
4 结语
1)活性炭对有机物的吸附特性和吸附容量的限制，不能保证 对所有有机化合物有稳定长久的去除效果。
2)生物活性炭被认为是饮用水处理中去除有机物的有效方 法，它在欧洲已得到普遍应用。但生物活性炭在实际应用中有时 生长有细菌的细小活性炭颗粒会在水力冲刷作用下，流入最后的氯化处理，这些细菌氯化往往很难杀死。
3)采用先进的臭氧、活性炭深度处理工艺，对去除水中污染 物和保证饮用水水质效果显著，但已有研究表明，水源经预氯化、混凝、沉淀、澄清、过滤、臭氧—活性炭吸附，氯化后仍具有致突变 性，而且臭氧的投加量也必须严格控制，否则，臭氧氧化的三卤 甲烷前驱物，再经氯化后，会使产生的三卤甲烷含量较氧化前反 而上升。