活性炭及其在淨水技術中的應用

1  前言

    活性炭具有較強的吸附性和催化性能 ，原料充足且安全性高 ，耐酸堿 、耐熱 、不溶於水和有機溶劑 、易再生等優點 ，是一種環境友好型吸附劑 。活性炭作為一種優良的吸附劑在給水處理領域得到廣泛的應用 ，是去除水中有機物 、嗅、特別是合成有機物的有效手段 。活性炭具有很大的吸附性能主要是由其特殊的表麵結構特性和表麵化學特性所決定 ，同時活性炭的電化學性質對吸附性能也有很大影響 。

　   隨著城市生活飲用水水源受汙染程度日益加劇 ，為提升飲用水水質 ，需要改造水廠常規水處理工藝 ，臭氧-活性炭深度水處理技術的應用將日益普及 ，活性炭的選型將直接影響深度水處理的效果和投資建設資金 。

2  活性炭

    活性炭廣泛用於工業三廢治理 、溶劑回收 、食品飲料提純 、載體 、醫藥、黃金提取 、半導體應用 、電池和電能貯存等 。調整活性炭的孔隙結構 ，對表麵基團進行改性 ，對提高其特殊性能和特定吸附催化作用具有十分重要的作用[1] 。

    絕大部分含碳物質都可製備活性炭 ，如木材 、鋸末 、煤類 、泥炭類 、果殼 、果核 、蔗渣及稻殼 、石油廢料 、廢舊塑料 、廢舊皮革 、廢輪胎 、造紙廢料 、城市垃圾等廢棄物 。目前普遍認為果殼是製備活性炭的最佳原料 ，但我國果殼資源十分有限 ，且不易集中 、貯存 ，價格昂貴 。近年來 ，國內外對各種價格較低 、來源廣泛的廢棄物相繼進行了製備活性炭的試驗[1] 。目前由廢棄物製得的活性炭性能並不高 ，實際應用還較少 ，但因其價格低廉、含碳率高 、材料易得 、原料充足且綠色無毒而日益受到青睞 。有效地利用廢棄物生產活性炭 ，不僅可節約資源且有利於保護生態環境 。

    在環保產業當中 ，活性炭用量最大的是城市水源淨化工程和汙水處理工程 ，約占環保產業活性炭總用量的70％以上 ；其次是空氣淨化 ，活性炭用量也在逐年上升 。然而 ，活性炭生產過程卻存在著一定程度的環境汙染 。在國家環保政策越來越嚴的情況下 ，解決好活性炭生產企業的環保問題 ，是活性炭行業可持續發展的重大課題 。有專家指出 ：未來10-20年 ，我國的活性炭需求將進一步加大 ，中國活性炭產業將向著低消耗 、低汙染和高品質 、高科技的方向發展[2] 。

    活性炭作為優良的吸附劑在飲水的淨化 、廢水的深度處理 、淨化或儲存氣體等方麵有著廣泛的應用 。研究表明 ，活性炭主要對相對分子質量小於3000 ，尤其是500-1000的有機物吸附作用較強 。影響活性炭性能的主要因素有比表麵積大小 、孔容和孔徑分布 。一般比表麵積 、孔容越大 ，其吸附能力越強 。

3  活性炭在淨水技術中的應用

    目前,城市飲用水處理工藝以去除懸浮物 、濁度和病原微生物的混凝→沉澱→過濾→消毒常規處理工藝為主 ，並根據水源水的特性選擇適當的處理構築物類型,組合成飲用水處理工藝流程 。消毒方式主要以氯消毒為主 ，也有少數水廠采用二氧化氯、臭氧或紫外線消毒 。出水水質一般要求達到國家頒布的生活飲用水質標準 。

    對於水質良好的水源 ，傳統的水處理工藝可獲得安全合格的飲用水 。但隨著水源水的汙染 ，在對有機物去除 、降低三氮含量這些目前飲用水急需解決的問題上 ，傳統的水處理工藝滿足不了要求[3] ，大部分地區的飲用水雖然經過了常規處理 ，但仍然含有多種多樣的微量有機物 ，特別是有毒有害 、致畸、致癌和致突變物質逐漸增多 ，人們長期飲用 ，會出現眩暈 、疲勞 、脫發 、癌症發病率增高等現象[4] 。隨著城市化和工業化的迅猛發展 ，飲用水中不斷出現新的病原微生物因子 ，加氯消毒也不能有效殺滅水中的病原菌 、病毒和抗氯型的病原寄生蟲如賈第蟲胞囊和隱孢子蟲卵囊等 。抗氯型病原微生物如隱孢子蟲的出現也使人們對傳統的加氯消毒工藝產生了質疑[5] 。

    為了改善和提高飲用水水質 ，有效地去除飲用水中微量有機物以及鐵、錳 、重金屬離子等有害物質 ，防止THMs等致畸 、致癌物質的產生 ，世界上眾多的國家都開展了這方麵的研究 ，並采取了相應的措施 。從現有的資料來看,飲用水深度淨化主要采取預氧化 、活性炭吸附和臭氧氧化等措施[6] 。

    活性炭在淨化給水方麵不僅對色 、嗅去除效果良好 ，而且對合成洗滌劑ABS 、三鹵甲烷（THMs） 、鹵代烴 、遊離氯也有較高的吸附能力 ，也能有效地去除幾乎無法分解的氨基甲酸酯類殺蟲劑等 。活性炭能有效地去除水中的遊離氯和某些重金屬（如Hg, Sb, Sn, Cr）且不易產生二次汙染 ，常用於家庭用水及飲用水的淨化處理工藝中[7] 。活性炭在廢水處理方麵的主要優點是處理程度高 、出水水質穩定 。與其他方法配合使用可獲得質量很高的出水水質 ，甚至達到飲用水標準。在淨水技術中 ，一般分為預處理和深度處理技術 。

3．1 吸附預處理技術

    吸附預處理技術是指利用物質的吸附性能或交換作用來去除水中汙染物的方法 。目前用於水處理的吸附劑有活性炭 、矽藻土 、二氧化矽 、活性氧化鋁 、沸石及離子交換樹脂等[8] 。近年來又研製開發了一些新型吸附材料 ，如多孔合成樹脂 、活性炭纖維等 。其中用的最多的是對水中有機汙染物和臭味有較強吸附作用的疏水性物質-活性炭 。但是粉末活性炭參與混凝沉澱過程後 ，殘留於汙泥中 ，目前尚無很好的回收再生方法 ，致使處理費用較高,難以推廣應用 。粘土礦物類吸附劑雖然貨源充足 、價格便宜 ，具有很好的吸附性能 ，但大量粘土投入混凝劑中增加了沉澱池的排泥量 ，給生產運行帶來了一定困難[8][9] 。

3．2 深度處理技術

以下簡單介紹兩種活性炭深度處理技術 。

一 、氧-活性炭聯用深度處理技術

     活性炭是一種由大孔 、中孔 、微孔組成的多孔性物質, 對有機物的去除主要靠中孔和微孔的吸附作用 。臭氧活性炭聯用深度處理技術采取先臭氧氧化後活性炭吸附 ，在活性炭吸附中又繼續氧化的方法 。其基本原理是在炭層中投加臭氧 ，使水中的大分子轉化為小分子,改變其分子結構形態 ，提供了有機物進入較小孔隙的可能性 ，使大孔內活性炭表麵的有機物得到氧化分解 ，從而使活性炭可以充分吸附末被氧化的有機物，達到水質深度淨化的目的[8] 。當然臭氧活性炭聯用技術也有其局限性 ，如臭氧在破壞一些有機物結構的同時也可能產生一些有毒有害的中間產物 。研究結果表明 ，水源經臭氧2活性炭吸附深度處理,氯化後出水水質可能仍具有致突變性 。

二 、臭氧-生物活性炭技術

     臭氧-生物活性炭工藝是采用活性炭物理化學吸附 、臭氧化學氧化 、生物氧化降解及臭氧滅菌消毒四種技術合為一體的工藝。首先利用臭氧預氧化作用 ，初步氧化分解水中的有機物及其它還原性物質 ，降低生物活性炭濾池的有機負荷 ，同時臭氧氧化能使水中難以生物降解的有機物斷鏈 、開環 ，轉化成簡單的脂肪烴 ，改變其生化特性 。臭氧除了自身能將某些有害有機物氧化變成無害物外 ，在客觀上還可以增加小分子的有機物 ，使活性炭的吸附功能得到更好的發揮 。活性炭能夠迅速地吸附水中的溶解性有機物 ，同時也能富集微生物 ，使其表麵能夠生長出良好的生物膜 ，靠本身的充氧作用 ，炭床中的微生物就能以有機物為養料大量生長繁殖好氣菌 ，致使活性炭吸附的小分子有機物充分生物降解 。臭氧-生物活性炭工藝能夠有效地去除水中的有機物和氨氮 ，對水中的無機還原性物質 、色度 、濁度也有很好的去除效果 ，並且能有效地降低出水致突變活性 ，保證了飲用水的安全 。但該法對汙染源水的指標（如氨氮含量）及原處理工藝（如預氯化）部分有一定的要求[10] 。

    臭氧-生物活性炭工藝是目前世界上公認的去除飲用水中有機汙染物最為有效的深度處理方法之一 。該工藝是在活性炭吸附的基礎上發展起來的 ，綜合了臭氧 、活性炭兩者的優點 。若單獨使用臭氧 ，成本高 ，且水中可生物同化有機碳（AOC） 增加 ，導致水的生物穩定性變差 ；單獨使用活性炭 ，其吸附及微生物降解協同作用效果減弱 ，吸附的飽和周期縮短 ，為保持水質目標 ，必須經常再生[11] 。臭氧-活性炭聯用工藝則有效地克服了以上兩者單獨采用的局限性 ，又充分發揮了兩者的優點 ，使水質處理效果大為改善 。此外 ，采用臭氧-活性炭聯用工藝還能有效地降低AOC （生物可同化有機碳）值 ，使出水的生物穩定性大為提高 ，活性炭上附著的微生物使其能長期保持活性 ，有效延長活性炭的再生周期[12] 。

4   結  語

    目前我國大部分城市水源受到不同程度汙染,常規處理工藝不能有效工作的情況下,活性炭可作為飲用水處理深度處理 、預處理的有效手段,從而針對活性炭去除飲用水中有機物質的研究很有意義。在預處理方麵 ，因新型吸附材料的發展 ，使吸附預處理具有較好的應用前景；在深度處理方麵 ，臭氧-生物活性炭技術已成為微汙染水處理的主流工藝 。今後的水處理技術將越來越強調將物理 、化學 、生物等方法有機結合起來 ，充分發揮各自的技術特點和優勢進行綜合治理 ，以達到最低成本下的最佳去除效果 。當然 ，要真正解決飲用水水質問題,除加強水處理工藝技術發展外 ，還應加強源頭控製 ，加強環境保護的宣傳 ，提高全民的環境意識等 。