摘要：系統(tǒng)介紹了基于不同煤源和不同生產(chǎn)工藝所得煤質(zhì)活性炭的特性；分析了活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀，重點介紹了粉末活性炭（PAC）和顆�；钚蕴浚℅AC）的單獨應(yīng)用及與其他工藝的聯(lián)合應(yīng)用；基于活性炭的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出水廠需結(jié)合原水水質(zhì)、工藝特點、制水成本等因素綜合選擇凈水用活性炭。
在我國，煤質(zhì)活性炭產(chǎn)量逐年增加，發(fā)展迅速，約占我國活性炭總產(chǎn)量的70%，是我國目前產(chǎn)量最大的活性炭品種，主要用于飲用水處理、污水處理和氣體凈化等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)用于自來水廠深度處理的臭氧/生物活性炭基本上選用的都是煤質(zhì)顆粒活性炭，具有廣闊的發(fā)展前景。
1 煤質(zhì)活性炭的種類及其特性
1.1 煤源
煤質(zhì)活性炭生產(chǎn)原料用煤來源廣泛，一般來說，腐殖煤中的泥煤、褐煤、煙煤、無煙煤都可以作為生產(chǎn)煤質(zhì)活性炭的原材料。由于原料煤性質(zhì)不同，不同煤種生產(chǎn)的活性炭性質(zhì)差別很大，其應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同。對活性炭產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的原料煤質(zhì)量指標(biāo)為水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、可磨性、反應(yīng)性等。
無煙煤制備的活性炭具有低灰、微孔發(fā)達(dá)、吸附性能高等優(yōu)點，適用于氣相吸附。低煤化度（低變質(zhì)程度）煙煤（弱粘煤、長焰煤、褐煤）含有大量未芳化的低分子化合物，揮發(fā)分含量較高，炭化后隨著揮發(fā)分的逸出，易形成各向同性，微晶傾向于無序排列，有利于后續(xù)活化制備孔容較大、中孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的活性炭。煙煤制備的活性炭具有孔隙范圍寬、孔容積較大、中孔發(fā)達(dá)等優(yōu)點，在吸附大分子化合物方面具有獨特優(yōu)勢，適用于液相吸附，特別是水處理用。我國的活性炭生產(chǎn)中心基本在原料煤產(chǎn)地，具有代表性和特色的是寧夏回族自治區(qū)和山西省大同市，目前已建成100多家活性炭廠，年生產(chǎn)能力近20×104t，約占國內(nèi)煤質(zhì)活性炭產(chǎn)量的90%，其中約80%用于出口。
1.2 種類
活性炭按照形狀來分，可分為顆�；钚蕴浚℅AC）和粉末活性炭（PAC）。目前我國大批量生產(chǎn)的煤質(zhì)GAC按生產(chǎn)工藝分為四類，即原煤破碎活性炭、柱狀活性炭和柱狀破碎活性炭、壓塊破碎活性炭。原煤破碎活性炭生產(chǎn)工藝簡單，價格便宜，以中、大孔發(fā)達(dá)為主，適用于液相處理，初次使用性能較好，但再生率差，僅為70%左右。柱狀活性炭采用濕法成型，對原煤無特殊要求，具有不同的直徑規(guī)格。柱狀破碎活性炭是在柱狀活性炭的基礎(chǔ)上再破碎，并按顆粒大小篩分而成。這兩種活性炭表面致密，以微孔發(fā)達(dá)為主，多用于氣相吸附，產(chǎn)品強(qiáng)度高，再生率較高，可達(dá)80%～90%。其缺點是生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，對環(huán)境的影響較大。壓塊破碎活性炭是一種不用添加煤焦油等粘結(jié)劑而生產(chǎn)的中孔發(fā)達(dá)的高檔活性炭產(chǎn)品，具有吸附性能好、強(qiáng)度高、孔隙均勻、再生率高（可達(dá)90%以上）等特點，在國內(nèi)外自來水凈化中應(yīng)用較廣。
粉末活性炭（PAC）生產(chǎn)工藝過程簡單，生產(chǎn)成本低，主要用于季節(jié)性投加、突發(fā)性水源事故處理、生物預(yù)處理中。
1.3 飲用水處理用煤質(zhì)活性炭性能評價指標(biāo)
選擇飲用水處理用煤質(zhì)活性炭需要綜合考慮其物理性能、吸附性能、表面結(jié)構(gòu)等多種性能評價指標(biāo)。目前，針對飲用水生產(chǎn)用煤質(zhì)顆�；钚蕴康臉�(biāo)準(zhǔn)，主要有《煤質(zhì)顆�；钚蕴� 凈化水用煤質(zhì)顆粒活性炭》（GB/T 7701．2—2008）和《生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)活性炭》（CJ 345—2010）。另外，還可參照美國材料試驗學(xué)會（ASTM） 、日本工業(yè)規(guī)格（JIS）、美國自來水工程協(xié)會（AWWA） 、德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會（DIN）、中國城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。各標(biāo)準(zhǔn)中對活性炭的水分、灰分、碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值、粒度、強(qiáng)度、裝填密度、pH值、漂浮率以及所含重金屬等指標(biāo)都有規(guī)定，還包括一些特殊用途活性炭的檢測指標(biāo)如單寧酸、腐殖酸等。
水廠在選擇飲用水處理用活性炭時需要結(jié)合水廠實際需求，如原水水質(zhì)、工藝特點、制水成本等方面，進(jìn)行科學(xué)的選炭試驗，選取合適的顆�；钚蕴慨a(chǎn)品品種、規(guī)格型號以及性能指標(biāo)用于飲用水處理。
2 煤質(zhì)活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用
用于水處理的活性炭包括PAC和GAC，PAC一般用于去除季節(jié)性產(chǎn)生的異嗅、異味，以及去除表面活性劑、農(nóng)藥等，還可以在發(fā)生化學(xué)污染事故時作為應(yīng)急措施。使用PAC進(jìn)行水處理多為間歇操作，根據(jù)水源的不同需注意控制投加比例、混合接觸時間以及投料點的選擇。使用GAC進(jìn)行水處理，一般采用固定床或移動床進(jìn)行連續(xù)操作，活性炭需定期再生。PAC和GAC作用相同，但GAC不易流失，容易再生重復(fù)使用，適合用于污染較輕、需連續(xù)運(yùn)行的水處理工藝。PAC目前不易回收，一次性使用，多用于重污染水的間歇性處理工藝。
2.1 粉末活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用
2.1.1 單純投加PAC
單純投加粉末活性炭在目前的常規(guī)水處理工藝中應(yīng)用較多，投加點有取水口、絮凝前、絮凝中、過濾前等。根據(jù)原水水質(zhì)情況及具體凈水工藝的情況，選擇合適的投加點至關(guān)重要。粉末活性炭投加點的選擇一般按照如下原則：具有良好的炭水混合條件；保持充分的炭水接觸時間來吸附污染物； 水處理藥劑對粉末活性炭的吸附性能干擾很�。徊粨p害處理后的水質(zhì)；盡量避免吸附與混凝的競爭；能有效去除水中殘余的細(xì)小炭粒。
投加劑量視所處理水質(zhì)而定，一般為1０～15mg/L，污染較嚴(yán)重時可加至40mg/L或更多。李偉光等進(jìn)行的粉末活性炭去除飲用水中嗅味的試驗表明，當(dāng)原水嗅味值為 90、PAC投量為40mg /L時，出水無異嗅、異味。但是，加氯后PAC對嗅味的去除率明顯降低。淄博市引黃供水有限公司根據(jù)黃河水污染程度，在水處理系統(tǒng)中投加粉末活性炭，濾后水的色度能降低1～2倍，基本達(dá)到無味。
2.1.2 PAC與高錳酸鉀聯(lián)用
姜成春等研究發(fā)現(xiàn)，高錳酸鉀與活性炭聯(lián)用具有協(xié)同作用，能夠顯著提高混凝效果、提高對污染物的去除率。該技術(shù)的優(yōu)點是不改變現(xiàn)有水處理工藝流程、基建投資小、處理效果受水溫及季節(jié)等因素的影響較小，具有較大的應(yīng)用潛力。李偉光等通過試驗考察了單獨投加高錳酸鉀、單獨投加粉末活性炭以及高錳酸鉀與粉末活性炭聯(lián)用三種方法對嗅味的去除效果。靜態(tài)及生產(chǎn)性試驗結(jié)果表明：高錳酸鉀與粉末活性炭聯(lián)用工藝的除嗅效果較好，并且可節(jié)省20%的粉末活性炭。此外，波濤活性炭廠家研究發(fā)現(xiàn)高錳酸鉀與粉末活性炭聯(lián)用不僅可控制高藻水中產(chǎn)生的嗅味物質(zhì)，同時對藻類本身也有較好的去除效果，并可有效控制三鹵甲烷等典型消毒副產(chǎn)物的生成�？梢�，高錳酸鉀與PAC聯(lián)合使用能有效去除常規(guī)處理難以去除的物質(zhì)，且降低了粉末活性炭的投加量，節(jié)約了制水成本。
2.1.3 PAC與膜處理聯(lián)用
微濾和超濾膜系統(tǒng)雖然可以有效地去除各種顆粒和微生物，但由于膜的孔徑相當(dāng)大，容易被溶解性有機(jī)物穿透，以致達(dá)不到去除有機(jī)物的要求。粉末活性炭可以和微濾（MF）或超濾（UF）膜系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用。Kim等的研究表明，在MF系統(tǒng)中使用高劑量PAC能使微濾膜在出水水質(zhì)和過濾時間等方面達(dá)到更好的效果，PAC能去除MF膜不能去除的小分子物質(zhì)。Basar等研究發(fā)現(xiàn)，MF與PAC可有效去除水中的表面活性劑。董秉直等研究表明，超濾膜與粉末活性炭聯(lián)用可以有效去除溶解性有機(jī)物，降低膜過濾的阻力，提高透水量和防止膜污染�？梢�，在PAC/膜處理組合工藝中，PAC不僅可以吸附溶解性有機(jī)物，而且PAC的投加也能大大減輕膜污染，抑制膜通量的急劇下降。
2.1.4 PAC與硅藻土聯(lián)用
硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，為非晶體無定形結(jié)構(gòu)，呈多孔疏松狀態(tài)。將其與粉末活性炭混合使用，可進(jìn)一步提高其吸附去除有機(jī)污染物的能力。同濟(jì)大學(xué)研究使用的粉末活性炭與硅藻土聯(lián)用過濾技術(shù)，是將硅藻土先在過濾池（罐）中預(yù)涂一層硅藻土預(yù)涂膜，然后將粉末活性炭以助濾劑的形式投加。這樣在沒有增加任何設(shè)備的情況下，粉末活性炭可充分發(fā)揮其去除有機(jī)物、嗅和味的能力，同時硅藻土形成的預(yù)涂層又能降低出水濁度。該聯(lián)合工藝不僅可用作傳統(tǒng)飲用水凈化工藝，同時也可以用于濁度＜20NTU 的微污染水的直接處理。
2.2 顆粒活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用
2.2.1 活性炭吸附（GAC）技術(shù)
活性炭吸附是一種成熟有效的水處理技術(shù)，在全球范圍內(nèi)得到廣泛使用，美國以地表水為水源的水廠已有90%以上采用了活性炭吸附技術(shù)。該技術(shù)對活性炭吸附性能指標(biāo)要求較高，一旦活性炭失去吸附能力，需要再生且再生頻率較高。
2.2.2 生物活性炭（BAC）技術(shù)
BAC技術(shù)作為一種有效的飲用水深度處理方法，有其獨特的特點：①先吸附后降解的作用機(jī)理，可延長污染物的停留時間，增強(qiáng)處理效果；②活性炭吸附與微生物氧化分解的協(xié)同作用，可去除活性炭和微生物單獨使用時不能去除的污染物，大大提高了對污染物的去除率；③延長了活性炭的再生周期，減少活性炭再生頻率，降低運(yùn)行費(fèi)用；④水中氨氮可以被生物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而減少后氯化的投氯量，降低三鹵甲烷的生成量；⑤工藝設(shè)備簡單，占地面積小，且運(yùn)行管理方便，易于實現(xiàn)完全自動控制，節(jié)省人力。
2.2.3 臭氧—生物活性炭聯(lián)用技術(shù)
影響臭氧—生物活性炭聯(lián)用工藝凈水效果的工程參數(shù)主要包括：余臭氧濃度、臭氧接觸時間、活性炭濾池濾速、濾池停留時間、炭層高度和溫度等。根據(jù)長期生產(chǎn)運(yùn)行試驗結(jié)果，O3—BAC在生產(chǎn)應(yīng)用中的主要參數(shù)為：①活性炭濾池濾速為6～10m/h，炭層高度為2m左右；②為保證低溫季節(jié)的處理效果，炭層停留時間建議在15min以上；③綜合整個流程的運(yùn)行情況，前臭氧主要用于改善絮體的沉降性能，較佳投加量為1．0mg/L左右，接觸時間在5min以內(nèi)；④后臭氧主要用于有機(jī)物的分解及便于在活性炭上的吸附，較佳投加量為3mg/L左右，接觸時間應(yīng)在15min左右；⑤臭氧投加量可以用余臭氧濃度進(jìn)行控制，一般情況下余臭氧濃度應(yīng)低于0.2mg/L，以防止活性炭上微生物中毒。
另外，通過人工加氨可使活性炭快速掛膜，延長活性炭的使用壽命，降低運(yùn)行成本。在砂濾柱提升泵前加氨，經(jīng)提升泵混合進(jìn)入砂濾柱，使得炭柱進(jìn)水氨氮濃度提高到0．8mg/L左右，有利于活性炭柱的掛膜。相關(guān)試驗研究表明，引入生物工程技術(shù)，針對自然形成生物活性炭的特點，篩選、馴化出能夠去除微污染有機(jī)物的工程菌，并通過固定化手段，快速形成生物活性炭，對有機(jī)物和氨氮取得了一定的去除效果，4～5個月后活性炭表面出現(xiàn)大量的鐘蟲、線蟲和輪蟲等，標(biāo)志著生物相已完全成熟。
哈爾濱建筑工程學(xué)院采用O3—BAC法處理飲用水的中試結(jié)果表明，O3—BAC工藝可以去除絕大部分的有機(jī)物和全部的“三致”物質(zhì)。上海自來水公司的Ames試驗表明，自來水經(jīng)O3—BAC工藝深度處理后出水可轉(zhuǎn)為陰性，說明該工藝對減少水中致突變活性物質(zhì)也有良好的處理效果。于萬波的中試研究結(jié)果表明，臭氧—生物活性炭對CODMn的去除率平均達(dá)到73%，并能去除絕大部分的有機(jī)物和全部的“三致”物質(zhì)。眾多的研究結(jié)果表明，臭氧—生物活性炭工藝對微污染原水的處理效果明顯，具有良好的應(yīng)用前景。
2.2.4 GAC—膜處理技術(shù)
顆�；钚蕴俊ぬ幚砺�(lián)合工藝是近幾年發(fā)展起來的一種新興工藝，活性炭作為預(yù)處理工藝，能有效去除水體中膜本身難以去除的溶解性有機(jī)物，特別是低分子溶解性有機(jī)物。通過活性炭預(yù)處理后水體的濁度、色度及各種有機(jī)物的濃度都相應(yīng)降低，為后續(xù)的膜過濾提供保障，以減輕膜的負(fù)擔(dān)，防止膜阻塞和膜污染問題，延長膜的使用壽命。另外，該工藝能有效去除水中的病原菌，完全保證出水水質(zhì)的安全。
3 結(jié)語
① 按原煤性質(zhì)和生產(chǎn)工藝劃分，煤質(zhì)顆�；钚蕴恐饕譃槌Ｓ玫脑浩扑榛钚蕴俊⒅鶢罨钚蕴�、柱狀破碎活性炭和壓塊破碎活性炭四大種，分析結(jié)果表明原煤破碎炭和壓塊破碎炭更適用于飲用水處理。
② 按用途和使用方式劃分，凈水用活性炭分為粉末活性炭和顆�；钚蕴�，粉末活性炭處理工藝有單獨投加、與高錳酸鉀聯(lián)用、與膜處理聯(lián)用、與硅藻土聯(lián)用技術(shù)；顆粒活性炭處理工藝有吸附活性炭技術(shù)、生物活性炭技術(shù)、臭氧生物活性炭聯(lián)用、顆�；钚蕴颗c膜處理聯(lián)用技術(shù)等。
③ 與其他材質(zhì)的活性炭產(chǎn)品相比，煤質(zhì)活性炭擁有較豐富的原材料和較成熟的制備工藝，同時由于煤質(zhì)活性炭具有諸多適用于飲用水凈化處理的優(yōu)點，以及近年來煤質(zhì)活性炭在國內(nèi)水處理中的應(yīng)用逐漸增加，在飲用水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。