摘要：首先對粉狀活性炭強化處理微污染原水的機理及粉狀活性炭在飲用水處理中的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀進行了綜述，指出需要進一步研究的問題。認為需要針對各種實際的原水水質(zhì)進行現(xiàn)場試驗，研究吸附時間對吸附效果的影響，尤其需要深入研究粉狀活性炭用于突發(fā)污染，水質(zhì)事故的應(yīng)急處理。
1、前言
近年來，水源水的污染日益嚴重，甚至呈發(fā)展趨勢，其中對飲用水水源威脅較大的主要是有機污染物。歐、美、日等發(fā)達國家高度重視水質(zhì)問題，隨著檢測手段的進步和水中有機物檢出種類的增加，飲用水標(biāo)準(zhǔn)對有機物的種類和含量作了越來越嚴格的限制。我國新的國家標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》頒布之后，同樣也對供水水質(zhì)提出了更加嚴格的要求。
目前，水廠常規(guī)凈化處理工藝難以將水中微量有毒、有害物質(zhì)處理到符合衛(wèi)生要求的生活飲用水水質(zhì)。因此，常規(guī)給水處理工藝的強化是目前亟待解決的問題。去除飲用水源中溶解性有機物和消毒副產(chǎn)物，有效地提高和保證飲用水的質(zhì)量，是一項重要而緊迫的任務(wù)。同時研究開發(fā)經(jīng)濟去除原水有機污染物的技術(shù)，對于應(yīng)對突發(fā)性污染事件、使受污染的水體快速恢復(fù)飲用水源功能具有重要的現(xiàn)實意義。
2、粉狀活性炭及其凈水機理
粉狀活性炭幾乎可以用含碳的任何物質(zhì)作為原料來制造，制造過程分為碳化和活化兩個部分。碳化可以使得原料分解放出水氣、一氧化碳、二氧化碳和氫等，使原材料分解成碎片，并重新結(jié)合成穩(wěn)定的具有發(fā)達微孔的結(jié)構(gòu)。活化可使微孔擴大形成許多大小不同的孔隙，孔隙表面一部分被燒掉，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不完整，加之灰分和其他雜原子的存在，使活性炭的基本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷和不飽和價鍵，使氧和其他雜原子吸附在這些缺陷上，因而使得活性炭產(chǎn)生了各種各樣的吸附特性。
根據(jù)國際化學(xué)凈化和應(yīng)用協(xié)會（International Union of Pure and Applied Chemistry）的分類，活性炭孔徑可分為微孔、中孔和大孔，如圖1所示。圖1中1為大孔（微生物、吸附質(zhì)，溶劑可到達表面）；2為中孔（吸附質(zhì)、溶劑可到達表面）；3為微孔（小分子吸附質(zhì)、溶劑可到達表面）。
大孔主要是溶質(zhì)到達活性炭內(nèi)部的通道；中孔同時起到吸附作用和通道作用，對大分子的溶質(zhì)的吸附有可能堵塞小分子溶質(zhì)進人微孔的通道；微孔占活性炭表面積的主要部分，是活性炭吸附微污染物的主要作用點�；钚蕴康目讖椒植伎赡艽蟛幌嗤�，據(jù)此人們把活性炭分為大孔型活性炭和微孔型活性炭，表1為活性炭的典型孔徑分布。
表1 活性炭的典型孔徑分布（孔體積cm3/g）
| 分類 | 微孔D<2nm | 中孔D=2-50nm | 大孔D>50nm |
| 大孔型活性炭 | 0.1-0.2 | 0.6-0.8 | 0.4 |
| 微孔型活性炭 | 0.6-0.8 | 0.1 | 0.3 |
| 活性焦炭 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 炭分子篩 | 0.25 | 0.05 | 0.1 |
粉狀活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑，目前廣泛用于去除水中臭味，天然和合成的有機物以及微污染物質(zhì)。粉狀活性炭在水中具有吸附能力在于其巨大的比表面積。與活性炭吸附能力直接相關(guān)的因素是表面的官能團的性能。一般把活性炭的表面官能團分成酸性和堿性兩大類，用化學(xué)和物理化學(xué)分析方法，發(fā)現(xiàn)活性炭表面的官能團有羧基、羥基、酚基、羰基等。酸性官能團使活性炭具有極性的性質(zhì)，因此傾向于吸附極性較強的化合物。特別是類似羧基的基團，易于吸附帶極性的水；因而對水中非極性物質(zhì)吸附作用不強，但當(dāng)水中含有極性更強的物質(zhì)時，這些物質(zhì)可以置換水而被吸附。
采用活性炭吸附時，大部分比較大的有機物分子、芳香族化合物、鹵代烴等能夠牢固的吸附在活性炭表面上或孔隙中，并對腐殖質(zhì)、合成有機物和低分子量有機物有明顯的去除效果。實踐證明，活性炭能夠降低水中總有機碳（TOC），總有機鹵代物（TOX）和總?cè)u甲烷（TTHM）等指標(biāo)。
活性炭對污染物的吸附有兩種方式：一種是范德華吸附（即物理吸附），吸附質(zhì)通過一種相當(dāng)弱的力結(jié)合到吸附劑表面上，在這種吸附中，被吸附分子的化學(xué)性質(zhì)保持不變，吸附質(zhì)可相對于吸附劑自由移動，吸附是可逆的，另一種方式是化學(xué)吸附，前面已經(jīng)提到，活性炭在制造過程中炭表面能生成一些官能團，這些官能團使活性炭表面和吸附質(zhì)之間有電子交換或共享而發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這種吸附是不可逆的。在水處理過程中，活性炭對有機物的吸附過程常為兩種吸附作用的綜合結(jié)果。
在水質(zhì)控制中，采用活性炭等固體吸附劑來吸附去除水溶液中溶解性的有機物時，吸附速度是一個 重要的因素。當(dāng)含有有機污染物等雜質(zhì)的水與活性炭接觸時，水中溶解的有機物先擴散到活性炭的外表面，然后通過活性炭內(nèi)部的細孔擴散到吸附表面，在表面作用下與吸附表面發(fā)生吸附結(jié)合，使原水得以凈化。
總體說來，吸附作用可分為擴散和吸附兩個階段。吸附階段反應(yīng)速度很快，因此，吸附速度主要由擴散過程控制，溶液條件如pH值、溫度、吸附質(zhì)濃度、存在競爭性物質(zhì)及溶劑的極性等也都會影響活性炭的吸附功能。一般來說活性炭對水中典型有機污染物的吸附，將隨著pH值的降低而增加。由于吸附是放熱反應(yīng)，水溫越低，吸附效果越好。溶液中存在多種混和溶質(zhì)時，被吸附的各種溶質(zhì)，有的能夠相互誘發(fā)吸附，有的能相當(dāng)獨立的被吸附，有的則相互干擾，競爭吸附。
下述條件下將發(fā)生吸附容量的相互抵制：
（1）吸附作用發(fā)生在單一或很少的分子層內(nèi)；
（2）溶質(zhì)的吸附親和性相差不大；
（3）溶質(zhì)之間不會發(fā)生特定的相互反應(yīng)去誘發(fā)吸附。競爭性表明被吸附物的相互抵制程度，與被吸附分子的相對尺寸和相對親和性以及溶質(zhì)的相對濃度等因素有關(guān)。
3、粉狀活性炭凈水應(yīng)用國內(nèi)外現(xiàn)狀
目前對于強化處理微污染原水技術(shù)，國內(nèi)外水廠廣泛使用的一種方法就是活性炭吸附技術(shù)�；钚蕴恐饕蟹蹱罨钚蕴亢皖w粒活性炭兩種。粉狀活性炭技術(shù)的主要特點是設(shè)備投資省、價格便宜、對短期及突發(fā)性水質(zhì)污染適應(yīng)能力強。經(jīng)過大量研究表明它對水中溶解的有機污染物，如三氯甲烷及前體物、苯類、酚類化合物、色度異臭、胺類化合物、氯化有機物等都具有較好的去除效果。活性炭吸附技術(shù)是成熟有效的方法之一，與常規(guī)凈水工藝相結(jié)合，既完善了常規(guī)處理工藝，提高了水中有機污染物的去除效率，是傳統(tǒng)老廠對工藝改善和加強處理效果的一種理想手段，也是作為一種提高出水水質(zhì)和應(yīng)對原水突發(fā)性污染事故的有效措施。
3.1、國外應(yīng)用現(xiàn)狀
粉狀活性炭在早期是由歐洲于1909年正式開始利用奧斯特雷杰科專利制造的。美國新米爾福水廠自1929年首先用粉狀活性炭去除氯酚產(chǎn)生的嗅味以來，粉狀活性炭在水處理中的應(yīng)用己有近70年的歷史。美國八十年代初期，每年在水源水處理中所應(yīng)用的粉狀活性炭約25000噸，且有逐年遞增的趨勢。并且粉狀活性炭在荷蘭、日本、法國、比利時、英國、瑞典和意大利等國都有廣泛的應(yīng)用。他們關(guān)于粉狀活性炭對給水中的有機物的去除進行了大量的研究，取得了寶貴的經(jīng)驗。例如, Vedat Uyak等研究了粉狀活性炭強化混凝處理飲用水源水中的消毒副產(chǎn)物，結(jié)果表明粉狀活性炭對水中消毒副產(chǎn)物THM和DOC均具有較好的去除效果，DOC去除率從45%提高到76%，粉狀活性炭能去除大部分低分子量NOM，而且強化處理后THM可達到150μm/L。
H·Jiang等同研究了傳統(tǒng)給水處理工藝對水中除草劑ATZ、SIM、PROP、DDA等內(nèi)分泌干擾物的去除效果，證實了傳統(tǒng)混凝——沉淀——消毒工藝不能有效去除這些物質(zhì)，只有結(jié)合活性炭強化處理的情況下才能達到理想的處理效果。
Lionel Ho等研究了粉狀活性炭強化混凝過程中NOM、濁度等條件對粉狀活性炭吸附MIB的影響。結(jié)果表明絮體尺寸和濁度加大會減小MIB在粉狀活性炭上的吸附量，而NOM的負影響則更大，說明處理水質(zhì)條件對粉狀活性炭吸附去除水中有機物有著重要影響。
Maria等對比研究了粉狀活性炭強化混凝工藝對腐植酸和苯酚的去除效果。結(jié)果表明使用粉狀活性炭吸附強化混凝處理后對腐植酸和苯酚的去除效果有所改進，在pH=7時，苯酚和色度可去除，國外對粉狀活性炭吸附性能做了大量研究，表明粉狀活性炭對二氯苯酚、農(nóng)藥中所含物質(zhì)，消毒副產(chǎn)物等等均有較好的吸附效果，對色、嗅.味的去除效果已得到公認。
3.2.國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀
我國在20世紀60年代末開始將粉狀活性炭技術(shù)用于污染水源的除臭、除味。近年來，我國越來越重視對活性炭的研究和應(yīng)用，活性炭吸附技術(shù)在國內(nèi)水廠得到越來越多的應(yīng)用，并已經(jīng)取得較好效果，同時也開展了大量關(guān)于粉狀活性炭強化處理工藝的研究。高乃云、王榮昌等人在上海市閔行水廠二分廠用粉狀活性炭處理黃浦江，上游微污染原水取得了較好的效果，粉狀活性炭對COD和UV凈增加去除率分別為21.3%和29.8%。實驗研究表明較佳粉狀活性炭炭種為1#粉狀活性炭，較佳投加點為吸水井處，較佳投加量為10mg/L，在較佳投加量時制水成本增加5.9分/m3。潘碌亭等研究了粉狀活性炭強化混凝處理黃浦江水源水，對濁度、COD、UV等均有較好效果，粉狀活性炭投加點、投加方式等都對處理效果有一定影響，同時投加效果好。梁存珍等分別采用煤質(zhì)和木質(zhì)粉狀活性炭去除飲用水中嗅味物質(zhì)，如MIB、TCA、IPMP和IBMP等，研究了粉狀活性炭種類、投加量、嗅味物質(zhì)初始濃度、余氯等因素的影響，結(jié)果表明煤質(zhì)P粉狀活性炭相對木質(zhì)粉狀活性炭具有更高的MIB去除率。另外，也有關(guān)于粉狀活性炭作為水源水突發(fā)污染事故的應(yīng)急處理研究。
高乃云、陳蓓蓓等通過中試實驗研究了水源水中阿特拉津突發(fā)污染的應(yīng)急處理，結(jié)果證實粉狀活性炭可有效去除阿特拉津，粉狀活性炭投加量為50mg/L時，可使初始濃度為200ug/L的阿特拉津降低到2μg/L以下。周克梅等對長江南京段微污染原水粉狀活性炭應(yīng)急投加進行了實驗研究，通過燒杯試驗確定了適宜的活性炭炭種、投加量和投炭點。結(jié)果表明煤質(zhì)粉狀活性炭較木質(zhì)或椰殼炭更為經(jīng)濟合理，投加點越靠前越有利于吸附作用的發(fā)揮，活性炭與混凝劑的競爭吸附現(xiàn)象不明顯，針對該水質(zhì)活性炭較佳投量為20~30mg/L。王生輝等研究了粉狀活性炭吸附硝基苯的性能，結(jié)果表明粉狀活性炭對硝基苯具有良好的吸附去除能力，可作為應(yīng)急處理工藝有效應(yīng)對原水的硝基苯污染，保證供水健康。
高乃云、劉成等研究了高藻污染原水的投加粉狀活性炭應(yīng)急處理工藝，實驗結(jié)果表明10mg/L的粉狀活性炭可明顯改善混凝工藝對藻類的去除效果，藻類去除率從60%提高到96%，同時還可有效去除土嗅素和二二甲基異冰片等致嗅物質(zhì)，對高藻后期高濃度的微囊藻毒素，投加20mg/L保持接觸時間40min就可降到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值以下。劉恒等以采用粉狀活性炭強化混凝工藝處理微污染水源水，活性炭投加量為200mg/L，對各種污染物的去除效果較好，對源水異嗅味、色度、濁度、礦物油和苯酚的去除率分別達到71~90%，對COD、TOC和氨氮去除率分別為47%~53%、26~27%和10~18%。另外，目前將粉狀活性炭用于突發(fā)污染水質(zhì)事故的應(yīng)急處理（如哈爾濱和無錫）已有成功的案例。
4、需要進一步研究的問題
通過對國內(nèi)外相關(guān)研究的了解，對粉狀活性炭在常規(guī)水處理中的應(yīng)用情況的研究，發(fā)現(xiàn)自來水廠應(yīng)用粉狀活性炭吸附技術(shù)，是一項非常有效，并且應(yīng)用方便的強化處理技術(shù)。但是在技術(shù)應(yīng)用方面還存在一些問題，要想發(fā)揮粉狀活性炭吸附技術(shù)的優(yōu)勢還需要對以下方面進行深人的研究。
（1）粉狀活性炭吸附有機物具有很強的選擇性。對于不同的原水水質(zhì)，處理效果有很大的不同，同時不同的水質(zhì)，對粉狀活性炭的種類、投加點以及較佳投加量都存在差異，因此要根據(jù)實際的原水水質(zhì)進行現(xiàn)場試驗，才能確定較佳的處理方案。
（2）粉狀活性炭吸附的有機物分子量分布及其吸附機理還有待進一步研究。另外，可對粉狀活性炭進行一些改性，如氧化改性改變其碘吸附值、零電荷點、表面官能團等，或還原改性和負載金屬離子改性等來加強吸附效果。
（3）我國對于粉狀活性炭在處理微污染水源水中的應(yīng)用研究還很不夠。目前，將粉狀活性炭應(yīng)用于生產(chǎn)的水廠并不多，而且在應(yīng)用過程中，對于如何經(jīng)濟有效地利用粉狀活性炭的吸附能力，往往觖乏深人研究，從而造成粉狀活性炭的浪費或達不到應(yīng)有的處理效果。
（4）加強對粉狀活性炭用于突發(fā)污染水質(zhì)事故的應(yīng)急處理研究。