摘要：首先對粉狀活性炭強(qiáng)化處理微污染原水的機(jī)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(jìn)行了綜述，指出需要進(jìn)一步研究的問題。認(rèn)為需要針對各種實(shí)際的原水水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，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(yán)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(jī)污染物。歐、美、日等發(fā)達(dá)國家高度重視水質(zhì)問題，隨著檢測手段的進(jìn)步和水中有機(jī)物檢出種類的增加，飲用水標(biāo)準(zhǔn)對有機(jī)物的種類和含量作了越來越嚴(yán)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(yán)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(qiáng)化是目前亟待解決的問題。去除飲用水源中溶解性有機(jī)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(jì)去除原水有機(jī)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(shí)意義。
2、粉狀活性炭及其凈水機(jī)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(dá)微孔的結(jié)構(gòu)�；罨墒刮⒖讛U(kuò)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(dá)表面）；2為中孔（吸附質(zhì)、溶劑可到達(dá)表面）；3為微孔（小分子吸附質(zhì)、溶劑可到達(dá)表面）。
大孔主要是溶質(zhì)到達(dá)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(jìn)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(diǎn)�；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(jī)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(tuán)的性能。一般把活性炭的表面官能團(tuán)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(tuán)有羧基、羥基、酚基、羰基等。酸性官能團(tuán)使活性炭具有極性的性質(zhì)，因此傾向于吸附極性較強(qiáng)的化合物。特別是類似羧基的基團(tuán)，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(qiáng)，但當(dāng)水中含有極性更強(qiáng)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(jī)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(jī)物和低分子量有機(jī)物有明顯的去除效果。實(shí)踐證明，活性炭能夠降低水中總有機(jī)碳（TOC），總有機(jī)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(tuán)，這些官能團(tuán)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(jī)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(jī)物時，吸附速度是一個 重要的因素。當(dāng)含有有機(jī)污染物等雜質(zhì)的水與活性炭接觸時，水中溶解的有機(jī)物先擴(kuò)散到活性炭的外表面，然后通過活性炭內(nèi)部的細(xì)孔擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(jī)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(dú)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(qiáng)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�；钚蕴績煞N。粉狀活性炭技術(shù)的主要特點(diǎn)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(qiáng)。經(jīng)過大量研究表明它對水中溶解的有機(jī)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(jī)物等都具有較好的去除效果�；钚蕴课郊夹g(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(jī)污染物的去除效率，是傳統(tǒng)老廠對工藝改善和加強(qiáng)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(jī)物的去除進(jìn)行了大量的研究，取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。例如, Vedat Uyak等研究了粉狀活性炭強(qiáng)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(qiáng)化處理后THM可達(dá)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(shí)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(qiáng)化處理的情況下才能達(dá)到理想的處理效果。
Lionel Ho等研究了粉狀活性炭強(qiáng)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(fù)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(jī)物有著重要影響。
Maria等對比研究了粉狀活性炭強(qiáng)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(qiáng)化混凝處理后對腐植酸和苯酚的去除效果有所改進(jìn)，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(rèn)。
3.2.國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀
我國在20世紀(jì)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)、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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過燒杯試驗(yàn)確定了適宜的活性炭炭種、投加量和投炭點(diǎn)。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(jì)合理，投加點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行深人的研究。
（1）粉狀活性炭吸附有機(jī)物具有很強(qiáng)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(diǎn)以及較佳投加量都存在差異，因此要根據(jù)實(shí)際的原水水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，才能確定較佳的處理方案。
（2）粉狀活性炭吸附的有機(jī)物分子量分布及其吸附機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。另外，可對粉狀活性炭進(jìn)行一些改性，如氧化改性改變其碘吸附值、零電荷點(diǎn)、表面官能團(tuán)等，或還原改性和負(fù)載金屬離子改性等來加強(qiáng)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(jì)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(fèi)或達(dá)不到應(yīng)有的處理效果。
（4）加強(qiáng)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。