活性炭吸附在微污染水源处理中的应用前景

2022-09-10

《中国环境公报》指出:“我国地表水污染普遍, 特别是流经城市的河段有机污染较重, 湖泊富营养化问题突出;地下水受到点状或面状污染, 水位下降, 加剧了水资源的供需矛盾”。特别是近年来, 由于对城市污水和工业废水的治理滞后, 加之水土流失等环境因素, 已造成水源水中有机物不断增多, 水质成分日益复杂。

常规处理很难把受污染水源水处理到国家饮用水标准, 许多研究证明, 活性炭在去除水中农药、杀虫剂等微量污染物方面是其他单元工艺难以取代的, 对臭味的控制以及获得生物稳定的饮用水等方面也有重要的作用。

1 活性炭吸附机理

活性炭其吸附性能主要是活性炭孔隙的物理结构和孔表面的化学结构。活性炭是由类似石墨的碳微晶按“螺层形结构”排列, 由微晶间的强烈交联形成了发达的微孔结构, 通过活化反应使微孔扩大了许多大小不同的孔隙, 孔隙表面一部分被烧掉结构出现不完整, 加之灰分和其它杂原子的存在, 使活性炭的基本结构产生缺陷和不饱和价, 使氧和其它杂原子吸着于这些缺陷上, 因而使活性炭产生各种各样的吸附特性[1]。

由于活性炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积, 对水中溶解的有机物, 如苯类、酚类化合物、石油产品等具有较强的吸附能力, 而且对用生物法及其他方法难以去除的有机物, 如色度、异臭、表面活性物质、除草剂、合成染料、胺类化合物及许多人工合成的有机化合物有较好的去除效果。

2 活性炭的主要用途

2.1 活性炭对有机物的去除作用

活性炭对有机物的去除机理主要为物理吸附和微生物降解。活性炭按其孔径大小可大致分为三部分:孔径大于1 0 0 n m的大孔主要分布于活性炭的表面, 它对水中有机物的吸附作用不大, 但它是微生物的繁殖和栖息之地, 也是水中较大颗粒的聚集场所;孔径在4~100nm之间的过渡孔, 比表面积不超过活性炭比表面积的5%, 是水中大分子有机物的吸附场所和小分子有机物进人微孔的必由之路;孔径小于4 n m的微孔占活性炭比表面积的9 5%以上, 是活性炭吸附有机物的主要场所和被吸附的小分子有机物的最终归宿。

龙小庆等[2]研究发现活性炭对T O C的去除率为55%左右, 对AOC去除率28.6%~6 4.3%。另有研究表明, G A C对烷烃类有机物的去除效率最高, 其次是苯类、硝基苯类、多环芳烃类和卤代烃类, 对醇类、酮类、酚类的去除效率相对较弱。经研究, 活性炭一般难于吸附有机大分子物, 易于吸附水中苯类化合物和小分子量腐殖质, 对分子量在500~3000的有机物去除率较高。

2.2 活性炭对色度、异臭的去除

活性炭吸附是除色、臭最有效的方法之一, 用于铁、锰及植物分解产物或由于有机物污染而使水体带有颜色的去除是十分有效的。南方一些城市为了改善饮用水质, 研制了不同规格、型号的活性炭净水器, 用于工厂、饭店及家庭。

自然界的天然水源若受到污染, 严重时会造成水源的富营养化并产生藻毒素, 危害人类身体健康。F a w e l l等研究发现:以硫酸铁作混凝剂, 投加2 0 m g/L粉状活性炭可去除8 5%的毒素, 继续增加活性炭量, 去除率维持在8 0%左右, 以木质炭效果最好。粒状活性炭也可用于去除藻毒素, 但需较长的接触时间, 生物活性炭更为有利。

3 活性炭组合工艺及其应用前景

在微污染水源处理技术的发展过程中, 活性炭与其它方法联合法改善水质处理效果显著, 弥补了活性炭由于再生频繁而成本较高的问题。活性炭结构中具有结晶缺陷, 使其有扩展的表面积, 再加上其巨大的吸附潜能, 这些物理和结构上的特点使活性炭有多种应用方法。

3.1 生物活性炭

生物活性炭法是将活性炭作为生物膜载体, 利用活性炭吸附和生物膜降解去除水中的有机物的一种新方法, 在发达国家大部分已采用。该技术与纯粹的活性炭吸附法相比, 使用周期可大大延长。由于其先吸附后降解的独特作用机理, 污染物停留时间越长, 处理效果就越好。

水中有不少有机物不能被生物氧化或氧化速度很慢, 在生物活性炭池前加上臭氧氧化工艺以提高处理效率, 使不可生化的有机物转化成可生物降解的有机物, 称臭氧—生物活性炭 (O3—BAC) 水处理工艺既节约O3用量降低能耗, 又保证饮用水水质, 延长活性炭使用周期, 目前己被西方国家广泛采用。

3.2 活性炭与膜联用

活性炭与纳滤膜、超滤膜联用, 作为一种新兴工艺, 最显著的优点是能有效的去除水中的病原菌, 为生产安全优质饮用水提供了保证, 被广泛研究并应用于饮用水的深度处理中。

在活性炭—超滤膜组合工艺中, 活性炭对进水进行必要的前处理, 能去除水中大部分的浊度、有机物、无机物和色度, 缓解了膜阻塞和膜污染的问题, 极大的延长了膜的使用寿命。用膜进行后处理有效地解决了出水中含有一定细菌的问题, 保障了出水水质。活性炭与纳滤膜联用能有效地去除进水中大部分T O C和A m e s致突变物, 使A m e s试验结果均呈阴性。

王琳等[3]人利用活性炭—超滤膜组合系统进行了饮用水深度净化研究, 结果表明, 该系统能有效地去除水中的浊度、高锰酸钾指数、大肠杆菌、U V 2 5 4、消毒副产物, 还能降低膜过滤的阻力, 提高透水量和防止膜污染。

3.3 其它组合工艺

我国一些水厂对微污染水源的处理还常采用高锰酸钾—活性炭联用法, 对降解有机物, 提高去除嗅、色能力, 对浊度降低, 矾耗的节约均效果显著。此外, 臭氧—生物活性碳—膜组合工艺在处理微污染水源时也具有良好的运行效能。

4 结语

活性炭吸附技术处理微污染的水源水, 具有许多优点, 且由于水源水质进一步恶化, 为了提高有机污染物的去除率, 活性炭吸附与其它水处理方法的组合工艺在给水处理中得到应用和发展。与单纯的活性炭吸附技术相比, 能更有效地、更多地去除水源中的有机污染物, 使出水快速达到饮用水的标准。从国内外的研究可以看出:活性炭吸附与其它水处理工艺的组合工艺有取代单纯活性炭吸附的趋势, 将会有更多的活性炭组合工艺成为微污染水源治理的有效而成熟的方法之一。

摘要：本文主要介绍了活性炭在给水微污染水源处理中的应用, 以及其吸附机理、吸附方法等。指出了活性炭吸附及组合工艺在给水处理中的应用和发展。活性炭吸附与其它给水处理技术的组合工艺发展迅速, 及其发展前景。

关键词：活性炭,微污染水,生物活性炭,活性炭—超滤膜