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活性炭在飲用水中的應(yīng)用與使用方式
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我國從20世紀70年代末、80年代初開始，也有少數(shù)水廠采用了粒狀活性炭吸附深度處理技術(shù)?！』钚蕴恳榔渫庥^形式，活性炭分為粒狀炭(GAC)和粉狀炭(PAC)兩種。粒狀炭多用于水的深度處理，其處理方式一般為粒狀活性炭濾床過濾，經(jīng)過一段時間吸附飽和后的活性炭被再生后重復(fù)使用。粉狀炭多用于水的預(yù)處理，例如在混凝時投加到水中，吸附水中的有機物后在沉淀時與礬花一起從水中去除，所投加的粉狀炭屬一次性使用，不再進行再生。與粉狀炭相比，粒狀炭過濾的處理效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)好，吸附飽和后的活性炭可以再生重復(fù)使用，運行費用較低，因此水廠一般都使用粒狀炭吸附技術(shù)。粒狀炭的缺點是需單設(shè)炭濾池或濾罐，設(shè)備投資比粉狀炭高。
對于不受污染的天然地表水源而言，飲用水的處理對象主要是去除水中懸浮物、膠體和致病微生物;對此，常規(guī)處理工藝(即混凝、沉淀、過濾、)是十分的。但對于污染水源而言，水中溶解性的有毒有害物質(zhì)，特別是具有致癌、致畸、致突變的有機污染物(簡稱“三致物質(zhì)”)或“三致”前體物(如腐植酸等)是常規(guī)處理方法難以解決的。于是，便在常規(guī)處理基礎(chǔ)上增加預(yù)處理和深度處理。前者置于常規(guī)處理前，后者置于常規(guī)處理后，即：預(yù)處理+常規(guī)處理或常規(guī)處理+深度處理，預(yù)處理和深度處理的主要對象是水中有機污染物，主要用于飲用水處理廠。
活性炭一直以來都是凈水系統(tǒng)中主要、應(yīng)用十分多的一種吸附材料，除了在凈水行業(yè)，活性炭在家居生活凈化空氣上使用的也很多，這也說明它的吸附能力十分強。今天我們就著重介紹一下活性炭在凈水行業(yè)的作用。首先，我們先來了解一下什么是活性炭，它的分類又有哪些。
活性炭是一種黑色多孔的固體炭質(zhì)。是由椰殼、果殼等為原料，經(jīng)過炭化、活化、破碎、篩選、風(fēng)選、水洗、烘干等工序制得。上各種預(yù)處理及深度處理方法的基本作用原理概括起來，無非是吸附、氧化、生物降解、膜濾等4種作用，即：或者利用吸附劑的吸附能力去除水中有機物;或者利用氧化劑及物理化學(xué)氧化法的強氧化能力分解有機物;或者利用生物氧化法降解有機物;或者以膜濾法濾除大分子有機物。有時兩種作用可同時發(fā)揮，如臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)即發(fā)揮了氧化和吸附兩種作用。在粒狀活性炭上滋生的微生物，同時還有生物降解作用.
在地下水凈化方面，常規(guī)的污染處理方法對于提高水的清濁程度會有所幫助，但是對于其他一些污染水質(zhì)的處理效果欠佳?；谶@種情況，采用活性炭污水處理技術(shù)對飲用水進行處理的技術(shù)受到很大重視。活性炭基本性質(zhì)處理原理，制備方法，改進措施等方面進行了說明。
深度處理主要有以下幾種方法：粒狀活性炭吸附法;臭氧-粒狀活性炭聯(lián)用法或生物活性炭法;化學(xué)氧化法;光化學(xué)氧化法及超聲波-紫外線聯(lián)用法等物理化學(xué)氧化法;膜濾法等等。在以上幾種方法中，活性炭吸附及臭氧-活性炭聯(lián)用法已用于生產(chǎn)，歐洲應(yīng)用較廣泛，我國少數(shù)水廠也有應(yīng)用。生產(chǎn)實踐表明，采用臭氧-活性炭氧化工藝去除水中微量有機污染物十分，但基建投資和運行費用較高，故我國目前尚未廣泛應(yīng)用。同濟大學(xué)嚴煦世教授等在光化學(xué)氧化法的研究方面已取得重要成果，超聲-紫外聯(lián)用法也開始研究并取得定成效，但這些技術(shù)尚難在城市水廠應(yīng)用，宜用于小型飲水凈化裝置。超濾法及納濾法也具有應(yīng)用前景，但不能去除水中小分子有機物，且納濾和超濾裝置成本及運行費用較高。
1、活性炭適用飲用水處理的基本性質(zhì)
活性炭色澤呈現(xiàn)黑色，屬于固體炭中的一個種類，其自身呈現(xiàn)蓬松且多孔的構(gòu)造，孔徑直徑屬于微型孔。由于活性炭表面具備許多微型孔，使得其比表面積達到了1000m2/g以上。比表面積的增加使得活性炭吸附能力遠比使用其他材料具有更強的水處理能力和效果，比表面積大的屬性和具備許多微型小孔的特殊結(jié)構(gòu)，使得活性炭這種飲用水污染物吸附材料，比其他的處理材料產(chǎn)生的效果要明顯的多。
活性炭吸附性能根據(jù)吸附原理不同，分為物理吸附，化學(xué)吸附，以及離子吸附等分類，在飲用水污染物處理上，對于有機物質(zhì)的處理主要應(yīng)用了活性炭的物理吸附屬性，其原理主要是分子間作用力——范德華力發(fā)揮作用。范德華力在物理吸附中起到關(guān)鍵性作用。在處理飲用水上采用活性炭進行處理，需要根據(jù)實際的情況制備出適合污水處理的活性炭形態(tài)。比如：顆粒狀、塊狀或粉狀活性炭。因為制備活性炭的原材料不同，所以制備出的活性炭本身具有的化學(xué)和物理性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)也會有所差異，在污水處理階段應(yīng)用不同種類和性質(zhì)的活性炭，進行飲用水不同階段的處理。
2、活性炭制備和應(yīng)用的改進
活性炭在水處理上應(yīng)用時間比較長，因此制備工藝和技術(shù)也比較成熟，在進行飲用水處理時，為了達到良好的飲用水處理質(zhì)量，就要通過更好的制備工藝，制作出更加適合飲用水處理的活性炭。
一般制備飲用水處理活性炭采用的制備方法有以下幾種。
①對原有的活性炭材料進行預(yù)處理的制備方法，在預(yù)處理中主要應(yīng)用脫灰預(yù)氧化處理技術(shù)進行處理。脫灰處理方法可以去除活性炭原材料中的Ca、Mg等雜質(zhì)，以此來提高活性炭的吸附性能。但是在活性炭制備中釆用脫灰技術(shù)的費用較高。因此，在預(yù)處理技術(shù)中較常采用預(yù)氧化處理方法進行處理，預(yù)氧化處理方法不僅能夠降低活性炭的溫度，還能縮短制備時間，增強原料表面的活性，加強吸附性能，這樣在污水處理中就能更好的發(fā)揮活性炭的吸附性能。
②較常采用的方法為在原材料中加入催化活化劑。采用催化劑可以提高反應(yīng)速率，使得活性炭表面的空隙分布細密并且集中。
③方法是模板制備法，采用此種方法可以在短時間內(nèi)制造出大量高性能活性炭，通過模板技術(shù)改變活性炭自身結(jié)構(gòu)，但是使用此種方法成本較高。
④方法是采用物理和化學(xué)聯(lián)用的制備方法，提高了活性炭的比表面積，制備出性能較高的活性炭。
3、活性炭技術(shù)應(yīng)用在水處理各階段中的方法
活性炭對于水處理效果發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用的時間較長。早在二十世紀二十年代，原捷克斯洛伐克就采用活性炭水處理技術(shù)。在六十年代初歐美等地區(qū)也開始使用活性炭處理工業(yè)廢水和飲用水。并且隨著發(fā)展活性炭技術(shù)不斷完善，應(yīng)用的精細化程度越來越高。在水處理階段應(yīng)用不同的吸附影響因素對水中的物質(zhì)進行吸附處理?；钚蕴炕瘜W(xué)官能團和比表面積，以及活性炭的pH值等的因素，以及活性炭在水中的溶解度和濃度等等的情況，對于水處理階段的不同時期都會有不同的作用。
通過研究表明活性炭自身的吸附能力和自身的比表面積成正比，在飲用水處理中，采用粒徑較小的煤質(zhì)炭對于水中的異味吸附處理效果更佳。并且通過試驗研究表明，活性炭對于親水性有機物的污染處理效果比疏水性有機物的處理效果要差。在污染物中，相對分子量相同物質(zhì)，在采用活性炭處理時，物質(zhì)疏水性強，采用活性炭處理的效果就要好。實踐證明，活性炭能有效去除分子量在500-3000的部分有機物質(zhì)。
4、活性炭投加位置對水質(zhì)處理影響
4.1水沉淀前投加活性炭的應(yīng)用
在水處理中混凝沉淀池階段投加活性炭，在沉淀池出水質(zhì)量上會有很大的改觀，這種情況適用于水質(zhì)發(fā)生突發(fā)污染的狀況，例如：飲用水質(zhì)突然發(fā)生了藻類，臭味，藻類繁殖產(chǎn)生的毒素等情況較為適用。相關(guān)處理資料表明，投加20mg/LPAC之后，對低濃度的樂果物質(zhì)去除率在70%左右，并且對于中低濃度的敵敵畏毒素去除率也可以達到90%以上。
4.2在水沉淀后投加活性炭的應(yīng)用
在水處理混凝沉淀池之后投加活性炭，對于有效去除有機物質(zhì)會產(chǎn)生良好的效果，研究表明在過濾池石英砂濾料中增加設(shè)置活性炭過濾材料，對于提高過濾后出水的質(zhì)量有很大幫助，同時炭砂濾池對TOC、UV254的去除效率比單層的石英砂濾池，分別高出了24.84%、12.5%。同時在水處理聯(lián)用技術(shù)中，較常采用的方法是臭氧處理和活性炭聯(lián)合使用的方法，（O3-BAC）技術(shù)利用了臭氧氧化性較強的特性，以及活性炭表面活性和張力較強的特性，能對水中的有機物進行良好的去除。并且采用（O3-BAC）處理方法可以使臭氧達到再生使用的效果，并且在處理的過程中能夠一直保持活性炭應(yīng)該保持的吸附特性。臭氧與活性炭聯(lián)用方法，已經(jīng)在污水處理方面等到了廣泛的實踐以及應(yīng)用。通過對于南方運行了6年的臭氧活性炭水處理技術(shù)研究表明，即使在處理中活性炭的亞甲藍和碘值遠低于標準值O3-BAC標準時，采用臭氧活性炭任對水中的有機物有較好的處理效果。
4.3活性炭在超濾前膜中的應(yīng)用
現(xiàn)在的一些小型水質(zhì)處理廠，采用聯(lián)合水污染處理中主要應(yīng)用活性炭超濾膜聯(lián)用的方法，（PAC/UF）此種的工藝不僅對于水質(zhì)中的有機物具備有效處理之外，并且還可以提高水處理中的透水通量。并且能夠防止在使用超濾前膜水處理中產(chǎn)生污染現(xiàn)象。據(jù)有關(guān)研究表明，在超濾前膜和活性炭聯(lián)用處理法中，在工藝之前加入50mg/L的PAC，對于水中的色度和酸腐值去除率分別增加36%和49%。
二、活性炭的分類
1.根據(jù)原料的不同，可分為：
(1)木質(zhì)炭：又可分為木炭、竹炭、果殼炭、椰殼炭。
(2)煤質(zhì)炭：以泥煤、煙煤、無煙煤等制成的活性炭
(3)骨炭：由動物的骨頭制成。
(4)再生活性炭：以用過的廢炭為原料，進行再活化處理的再生活性炭
2、根據(jù)形態(tài)的不同，可分為：
(1)粉末活性炭。粉末活性炭實際上是粒度更細小的顆?；钚蕴俊Ｓ捎陬w粒細小，比表面積大，它的吸附效果優(yōu)于常用的顆粒活性炭。
(2)顆?；钚蕴俊＿@是在直飲水機中十分常用的活性炭。顆粒越小，吸附效果越好，但水的阻力(進出口壓差)越大，也容易漏炭，
(3)活性炭纖維氈。它的微孔比顆?；钚蕴扛?，比表面積更大，吸附容量更大，吸附速度更快，而且具有良好的再生性能，脫附速度快，可重復(fù)使用。缺點是價格較貴，也易繁殖細菌。
(4)燒結(jié)活性炭濾芯。又稱炭棒濾芯、壓縮活性炭濾芯。是由顆?；钚蕴考尤胝辰Y(jié)劑加溫?zé)Y(jié)擠壓成型，碳芯外層往往還包有白色聚丙烯(PP)無紡布。燒結(jié)活性炭濾芯兼有吸附和過濾二種功能，但其過濾功能低于PP熔噴濾芯，吸附功能低于顆粒活性炭濾芯。
活性炭的凈水作用：活性炭具有脫色、除味的作用，還可以去除水中的余氯、膠體、有機物、重金屬等，是使用早、廣泛實用的凈水材料?；钚蕴吭趦艋^程中形成大量的各種形狀的細微孔，構(gòu)成了巨大的具有吸附作用的表面積，比表面積越大，吸附效果越好。
采用活性炭對飲用水處理可有效清除飲用水中有毒副作用的有害物質(zhì)，提高飲用水品質(zhì)，保障飲水衛(wèi)生安全。面對嚴峻的水質(zhì)污染和飲用水質(zhì)問題，加強水處理技術(shù)的精細化和完善化，對于提高飲用水處理品質(zhì)有重大意義，在水處理中要綜合使用多種處理技術(shù)和工藝，結(jié)合活性炭處理技術(shù)，對水質(zhì)進行處理。使得飲用水安全標準達到一個新的高度。