【热点聚焦】粉末活性炭在上海市饮用水处理中的应用
小编导读
活性炭是市政供水常用的应用材料之一，被广泛应用于水厂工艺、原水应急处理，以及家庭终端净水设备中。2017年本栏目邀请上海华严检测技术有限公司，通过对现有资料的收集、整理和分析，从多个角度开展活性炭在饮用水处理中的应用发展研究，并将成果以连载形式供同行参考。
第一作者|邱爱华 德州市陵城区水务局
第二作者|牟小林 高密市水业公司
活性炭在水处理中的应用已有悠久的历史。自1929年美国新米尔福水厂首次使用粉末活性炭去除氯酚产生的嗅味以来，粉末活性炭在水处理中的使用已有80多年，研究发现它对水中的色、嗅、味的处理效果都非常显著。粉末活性炭吸附处理技术已经成为水处理中去除色、嗅、味以及有机物的有效方法。
PAC微孔结构发达、比表面积大、吸附性能优良，可有效去除嗅味、色度、氯化有机物、农药、天然有机物及人工合成有机物。PAC是用含炭为主的物质作原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂，在原料进行活化过程中，含炭有机物去除后使基本晶格间生成孔隙，形成很多的各种形状和大小的细孔，孔壁的总面积即为比表面积。由于具有较高的比表面积，活性炭具有较强的吸附能力，但比表面积相同的活性炭其吸附量不一定相同，这是由孔隙构造和分布不同所致。
PAC的孔隙构造随原料、活化方法、活化条件不同而异，一般其孔隙可分为三类：1）小孔（微孔），半径在2 nm以下，其表面积占比表面积的95%以上，对吸附量的影响最大，呈现出很强的吸附作用；2）中孔（过渡孔），半径为2-50 nm，其表面积占比表面积的5％以下，它不仅为吸附质提供扩散通道，影响扩散速度，而且有利于大分子物质的吸附，能用于添载触媒及脱臭用化学药品，随着所添载的化学药品种类的不同，能具有不同的机能；3）大孔，半径大于50 nm，表面积只有0.5~2m2/g，占比表面积的比例不足1%，它主要为吸附质提供扩散通道，大孔主要作用是溶质到达活性炭内部的通道，对液相物理吸附，大孔的作用不大，但作为触媒载体时大孔的作用甚为显著。中孔同时起到吸附和通道的作用，因此吸附质的扩散速度又受过渡孔的影响；微孔占活性炭比表面积的主要部分，是活性炭吸附微污染物的主要作用点。
PAC的吸附不仅受其孔隙结构的影响，也受吸附质特性、天然有机物、余氯浓度等因素的影响。PAC不适合吸附溶解度高的有机物，这是由于该类有机物与极性溶剂之间有较强亲和力，而PAC为疏水性吸附剂，故难以吸附该类有机污染物。吸附质分子大小对PAC吸附能力影响较大，当吸附质分子大小接近PAC空隙大小时，PAC吸附能力最强。研究表明，PAC可有效吸附嗅味物质，PAC对五种嗅味物质的吸附量依次为三氯乙酸（TCA）＞2-甲氧基-3-异丁基吡嗪（IBMP）＞2-甲氧基-3-异丙基吡嗪（IPMP）＞土臭素（Geosmin）＞2-甲基异莰醇（2-MIB），且2-MIB的吸附量远低于Geosmin，这是由于Geosmin溶解度低，同时其结构易被PAC狭长状的空隙吸附。PAC吸附能力的影响因素如表1所示。
表1 PAC吸附能力的影响因素
国内外针对PAC在饮用水处理中的标准规范有美国自来水协会标准（AWWA B600-10）、英国标准（BS EN 12903：2009）、日本下水道协会标准（JWWA K113：2005）与国内木质净水用活性炭标准（GB/T 13803.2-1999）和生活饮用水净水厂用煤质活性炭标准（CJ/T 345-2010）等，各PAC标准对吸附能力的要求见表2。
表2 PAC吸附能力规范
粉末活性炭投加的方式有两种，分别为干式投加和湿式投加。干式加药系统利用干粉投加药机等设备将粉状活性炭通过水流喷射器直接投加到处理水体中，主要单元一般包括储料间、进料单元、储料仓、计量投加药设备、自动控制系统五部分。湿式投加药系统先将PAC调制成5~10%的炭浆液，再通过计量泵加到水中，主要设备单元一般包括储料间、进料单元、储料仓、炭浆混合设备、炭浆投加药设备、自动控制系统等六部分。干式投加药系统比较简单，占地面积小，但干式PAC具有易燃易爆的危险性，且设备容易出现故障，需配合专业的维护人员。湿式投加药系统计量较精确，混合均匀，但需要设置专门的炭浆池，占地空间面积较大，设备也较复杂。在对PAC进行投加时，投加方式需要结合场地条件、投加量来进行选择。图1至图4为不同的投加药系统。
PAC投加量较少时，其吸附容量可充分利用，但有机物浓度较高时，出水难以达标；投加量过多，目标物质出水浓度低，水质达标，但PAC没被充分利用，制水成本高。由于PAC孔隙形状大小分布、表面官能团分布、灰分组成和含量不同，吸附特性不同，适合每种水源水质的炭种不同。因此需要进行混凝搅拌试验来确定合适的投加量与炭种。
每个杯瓶加入1L有嗅味污染的原水，开启搅拌装置至60~80 rpm，同时向每个杯瓶添加0 mL、0.5 mL、1 mL、2 mL PAC，则其PAC浓度分别为0 mg/L、5mg/L、10 mg/L、20 mg/L。以60~80 rpm搅拌5 分钟，结束后，每一杯瓶同时添加0.175 mL混凝剂溶液，则每一杯瓶的混凝剂浓度为20 mg/L，降低转速至30 rpm，搅拌20分，随后停止搅拌，沉淀1小时，取上澄液600 mL予以过滤，以SPME-GC/MS分析MIB/Geosmin嗅味浓度。以PAC剂量为x轴，去除率为y轴作去PAC剂量与嗅味去除率变化关系如图5。
以去除率90%为例（起始浓度100 ng/L，欲达臭味阈值10 ng/L），所需PAC的最佳剂量为19 mg/L。分别以四种不同PAC（PAC-A、PAC-B、PAC-C、PAC-D）进行上述实验，建立去除率-PAC剂量图如图6所示。
以去除率90%为例，PAC-A、PAC-B、PAC-C最佳剂量分别为14 mg/L、15.5 mg/L、19mg/L，以最低所需剂量为基准，计算PAC的效率因子分别为：PAC-B= 14/14= 1.00，PAC-C = 15.5/14 = 1.11，PAC-A = 19/14= 1.36，投加成本= 单位成本×效率因子，计算每种PAC的投加成本如表3，故最佳PAC为PAC-B。
表3 各PAC投加成本
粉末活性炭的最佳投加位置是：（1）原水取水口；（2）快速混合池；（3）活性炭浆接触器（为粉末活性炭特殊设计）。粉末活性炭不同投加位置的优缺点总结于表4中。
表4 不同投加位置投加PAC的优缺点
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投加位置 |
优点 |
缺点 |
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取水口 |
接触时间长，混合效果好 |
干扰预氧化工艺（Cl2或KMnO4），一些本该由混凝去除的物质可能被吸附，从而增加了活性炭的使用率（这需要被说明）。 |
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快速混合 |
在快速混合和絮凝过程中，混合效果好，合理的接触时间 |
干扰预氧化工艺（Cl2或KMnO4），由于混凝剂的干扰，可能降低吸附速率；对于一些污染物接触时间可能太短，达不到吸附平衡；可能产生一些分子的竞争吸附，这些分子本该在混凝中被去除。 |
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过滤池入口 |
粉末活性炭的高效使用 |
穿透滤池，降低出水水质并难以满足出水浊度要求。 |
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快速混合后的活性炭接触器 |
设计接触时间过程中混合效果好，不受混凝剂干扰以及在絮凝和沉淀过程可能会有额外的接触时间 |
需要建立一个新的水池和混合器，可能产生一些分子的竞争吸附，这些分子本可能在混凝中被除去。 |
①湿式粉末活性炭在开袋作业时会产生粉末飞散，因此必须在集尘装置运转，并穿着防尘护具状况下进行作业。
②添加粉末活性炭作业期间，需注意应具备集尘装置的防护措施，与环境卫生的管理，必要时得参考《粉尘危害预防标准》中各项粉尘危害预防措施办理。
③粉末活性炭停注入后或停止期间，溶解槽会有残存的液体，应在适当时机启动搅拌机，防止粉末活性炭沉积而固化。
④采用干式投加时，应注意防火、防尘，并评估其对电源设备的不利影响。干粉末活性炭注入液态时，应与液面下注入，并应注意溶解槽内是否有发生粉末活性炭上浮情形，必须确认适当的搅拌状态，使活性炭流入。
⑤粉末活性炭通常藉由混凝沉淀及过滤单元予以去除，但由于粉末相当细微，在高浓度投加时，若混凝剂剂量不足、沉淀时间过短或长时间连续高滤率经过快滤池，细微活性炭会贯穿滤床，使过滤水中含有活性炭。
⑥粉末活性炭与氯消毒同时加入的情况下，通常每添加1 mg/L粉末活性炭会消耗氯0.2~0.3 mg/L，故为避免影响活性炭吸附效果及降低活性炭耗氯量，应考虑调整前加氯点至适当位置。
⑦含水粉末活性炭具腐蚀性质，因此重要管线设备应为316不锈钢为材质。粉末活性炭停止添加后（停用期间），投加管、配管等设施应以清水洗净，适当时间应进行设施设备总检查、补修、改善等整备作业，以便下次再次启用。
⑧高台添加粉末活性炭作业，应备有防止坠落的安全防护器具等设施。添加粉末活性炭作业人员应穿戴防尘衣及防尘面具等防护器具，以防止粉尘危害。
⑨添加粉末活性炭作业场所，应按照劳动安全法相关规定执行。雇用作业人员时，应实施一般体格检查，在职劳工应依定期实施特殊健康检查，并实施健康管理。担任添加粉末活性炭作业的主管，应接受粉尘作业主管的安全卫生教育培训。
上海市供水系统在取水头部和水厂头部均设置了PAC投加装置，在应急处置季节性藻类引起的嗅味及其他突发性水质污染问题，发挥了重要作用，极大提高了上海市供水水质应急保障能力。黄浦江上游水源地松浦大桥取水泵站和青草沙水库五号口泵站均建设成大型粉末活性炭投加系统；水厂头部设置粉末活性炭投加点，主要是应对就地取水时，原水水质较差，通过粉末活性炭的投加，能有效去除水中的色度和嗅味，提高供水安全保障水平，杨树浦水厂、长桥水厂、金山一水厂、临江水厂、奉贤水厂等各水厂均建设有粉末活性炭投加装置。其投加设备分别如图7至图12所示。
图7 松浦大桥取水泵站PAC投加示意图
图8 松浦大桥取水泵站混合罐、投加泵和炭液投加管
水体富营养化直接导致饮用水原水季节性藻类污染问题突出，其中因藻类污染引起的水质嗅味，是供水企业面临的主要问题。粉末活性炭是应对嗅味去除的有效手段之一。
上海市粉末活性炭投加点设置的科学合理，原水取水头部设置粉末活性炭投加点，该点投加粉末活性炭可有效延长粉末活性炭的吸附时间，处理效率极大提高。水厂头部设置粉末活性炭投加点，主要是应对就地取水时，原水水质较差，通过粉末活性炭的投加，能有效去除水中的色度和嗅味，提高供水安全保障水平。
尽管粉末活性炭投加在我国也有多年使用经验，但从行业角度，还未有统一的技术规范和标准。本文建议，上海市相关主管部门或行业领导，研究编制净水用粉末活性炭技术导则，从粉末活性炭选型、投加点设置、投加量试验、投加方式、运行管理、运输存贮、安全应急等系统全面的建立一个规范化、科学化的技术标准，为上海市饮用水处理技术提供支撑。