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粉末活性炭在凈水處理中應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

2015-02-13 04:12畢東蘇
應(yīng)用技術(shù)學(xué)報 2015年4期
關(guān)鍵詞:凈水活性炭粉末

臧 鵬, 畢東蘇

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,上海 201418)

粉末活性炭在凈水處理中應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

臧 鵬, 畢東蘇

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,上海 201418)

粉末活性炭(PAC)處理工藝可快速高效地吸附去除水體中各類天然或合成的有機物、芳香族化合物、微污染物質(zhì)、鹵代烴以及鐵、錳、重金屬離子等有害物質(zhì),在凈水領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用意義.探討了PAC的實際應(yīng)用及聯(lián)用其他技術(shù)所取得的成果,并基于其對有機物諸如農(nóng)藥、化工原料、氣味性化合物、藍藻毒素、總有機碳等有害物質(zhì)的有效處理從而改善出水水質(zhì),提高出水生物穩(wěn)定性,著重綜述了PAC在凈水處理中的研究進展及應(yīng)用前景.

粉末活性炭;凈水;進展;展望

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源.隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,水源水質(zhì)污染已成為一個尤為突出的現(xiàn)象,并對飲用水水質(zhì)安全構(gòu)成威脅,同時演變?yōu)橹萍s社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸.飲用水水質(zhì)安全問題直接關(guān)系到民生問題,保障飲用水水質(zhì)安全是維護公眾健康的重要基礎(chǔ),也是構(gòu)建和諧社會的重要前提.

我國傳統(tǒng)水處理工藝“混凝-沉淀-過濾-消毒”以去除水中懸浮物、膠體顆粒物為主,對受污染水源中溶解性有機物的去除能力有限,難以滿足凈水需要.《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)的頒布,對提高供水水質(zhì)和保障飲水安全健康具有重要意義,但也對傳統(tǒng)水處理工藝提出了挑戰(zhàn).因此,優(yōu)化凈水工藝、兼顧成本,已成為研究者關(guān)注的熱點問題[1].

粉末活性炭(PAC)具有投加方式快捷方便、成本費用較低、吸附循環(huán)時間較短、在面臨突發(fā)污染事故能有效迅速處理等優(yōu)點,是其他炭種無可比擬的,隨著水污染的持續(xù)惡化,PAC的應(yīng)用范圍必將擴大,被認為是最有潛力的水處理方法之一.

1 PAC在凈水處理中的應(yīng)用進展

1.1 PAC的應(yīng)用原理

PAC是一種很細小的炭粒,具很大的表面積,且炭粒中還有更細小的毛孔細管,這種毛細管具有很強的吸附能力.由于炭粒的比表面積很大,故能與水體充分接觸.水中的有機物等碰到毛細管時被吸附,從而達到凈化作用.PAC投加方法一般有2種:干式投加與濕式投加[2].

活性炭根據(jù)外形主要有顆?;钚蕴颗cPAC之分.PAC的選取需根據(jù)具體水質(zhì)情況來確定其不同比表面積、化學(xué)結(jié)構(gòu)、空隙大小和粒徑分布等.國內(nèi)外專家和學(xué)者對PAC的應(yīng)用情況和技術(shù)優(yōu)化也進行了深入研討并取得了實用性成果.本文就影響PAC吸附因素、組合工藝、修飾后應(yīng)用性能、單獨凈化工藝等方面進行闡述.

1.2 影響PAC的吸附因素

PAC吸附過程較復(fù)雜,是多個力,包括離子吸引力、范德華力、化學(xué)雜和力共同作用的結(jié)果.由于粒徑較小的PAC具有較大的比表面積,故有利于吸附能力的優(yōu)化.Ando等[3]通過粉碎普通PAC(T-PAC)方式得到比表面積較大的超粉末活性炭(SPAC)(S-PAC).利用聚離子束對吸附有聚苯乙烯磺酸鹽的SPAC切片處理,并在能量色散X射線光譜儀(EDXS)下觀察發(fā)現(xiàn),粒殼外的聚苯乙烯磺酸鹽濃度高于內(nèi)部,由此得出導(dǎo)致SPAC對天然有機物(NOM)吸附能力增強的“殼吸附機理”:SPAC對NOM的吸附并不是完全地吸收滲入至本分子內(nèi)部,而是優(yōu)先吸附在外表面附近,構(gòu)成一個殼模型.類似地,Ng等[4]檢測發(fā)現(xiàn),與中粒徑PAC相比,小粒徑更有利于減少實驗水體上清液和滲透液總有機碳濃度,這主要歸功于其較大的比表面積.而分析PAC吸附能力與吸附速率的關(guān)系受比表面積影響大外,并未對其他因素進行深入研究.日本的Matsushita等[5]發(fā)現(xiàn),S-PAC的除毒效果與本身材質(zhì)有關(guān)外,活性炭表面明顯的疏水性也有利于噬菌體的去除.閆新秀等[6]也考察了PAC不同粒徑對天然有機物吸附前后水中有機物分布情況的影響,發(fā)現(xiàn)PAC可以很好地吸附超濾(UF)膜難截留的小分子有機物,隨著粒徑減小,該作用加強.Kim等[7]研究了雜化膜組合PAC工藝對飲用水中土臭素和二甲基異莰醇的去除后得出相同結(jié)論,同時溫度也是影響生物去除效果的關(guān)鍵因素.

對于低濁度廢水的處理較為靈活,但需要兼顧經(jīng)濟、環(huán)保、方便等因素,從而選用最優(yōu)工藝.假若進水濁度較高則需進行經(jīng)濟技術(shù)比較.袁煦等[8]以中置式高密度沉淀池為載體,向池內(nèi)投加PAC,利用高密度沉淀池的污泥回流系統(tǒng)對PAC進行富集和回用,并延長其在沉淀池中的停留時間,考察投加PAC后有機物的強化去除效果.結(jié)果發(fā)現(xiàn),該投加方式能顯著改善對有機物的去除效果,相比不投加炭,對化學(xué)需氧量(COD)的去除率提高了近10%.

1.3 PAC組合混凝工藝

隨著水體有毒污染物含量的升高,為達到國家規(guī)定水質(zhì)指標(biāo),采取的相應(yīng)消毒措施更加密集,然而高劑量消毒劑投加必然帶來消毒副產(chǎn)物(DBPs)的驟增,從而嚴(yán)重影響了出水水質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)及口感. Kristiana等[9]研究了含高濃度溴離子水樣后發(fā)現(xiàn),對DBPs前體有機物預(yù)處理是最大化減少DBPs問題的關(guān)鍵,研究發(fā)現(xiàn),與水中較高的溴離子相比,PAC會優(yōu)先吸附其前體有機物.對采用PAC聯(lián)合混凝工藝的出水配水系統(tǒng)依次取點抽樣檢測發(fā)現(xiàn)消毒劑殘余得到有效控制,溶解有機碳(DOC)濃度顯著降低,但對溴的去除未進行更深入的探討.張玉貴等[10]結(jié)合水廠現(xiàn)有生產(chǎn)工藝,通過試驗表明濕式活性炭去除水源階段性嗅味效果顯著,可替代干式粉末活性炭,不僅解決了干式粉末活性炭投加過程中的粉塵污染,改善了工作環(huán)境、減輕了勞動強度,而且充分利用了水廠原有的設(shè)備和設(shè)施,較干式粉木活性炭投加設(shè)備簡單,投資少,對老水廠水質(zhì)提高具有很強的實用性.孫洪軍[11]也進行了類似評價分析,PAC聯(lián)合強化混凝工藝除了可以有效去除DBPs外,對諸如雙酚A、17α-乙炔基雌二醇等內(nèi)分泌干擾物也有喜人的處理效果.Joseph等[12]在此基礎(chǔ)上還納入碳納米材料進行對比研究.數(shù)據(jù)表明,大部分水樣中PAC最佳投量為80 mg/L,但由于舊垃圾填埋場內(nèi)分泌干擾物濃度高,需要更高的PAC投加量.PAC-混凝工藝的混凝劑對2種干擾物的去除率都在90%以上.高夢鴻等[13]也研究了PAC聯(lián)用KMn O4以及PAC單獨投加對混凝處理東太湖原水的強化效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn),投加PAC強化混凝效果顯著,PAC聯(lián)用KMnO4能進一步提高水中UV254的去除率,這與胡小芳等[14]的研究結(jié)論相一致.

1.4 PAC組合UF工藝

近年來,PAC吸附與UF聯(lián)用越來越受到研究人員的青睞.Ivancev-Tumbas等[15]在實驗室研究了PAC/UF工藝去除對-硝基苯酚,發(fā)現(xiàn)無論有無空氣沖刷,孔徑偏小和動力學(xué)最快的炭種去除效果總是最好.武延坤等[16]也研究了利用該組合工藝的不同處理單元對各種有機物的去除效果及其特性,發(fā)現(xiàn)PAC對有機物去除受接觸時間影響,而UF可繼續(xù)去除PAC未吸附完全的有機物,由此可知,組合工藝對各類有機物去除更有效.尋昊等[17]發(fā)現(xiàn)膜絲表面的微生物含量較高,會增加濾餅的密實度,而造成膜絲污染的主要是大分子腐殖酸類以及蛋白質(zhì)類物質(zhì).這與孫麗華等[18]的研究結(jié)果一致.劉永旺等[19]利用PAC/UF組合工藝處理微污染含藻水也證明了該結(jié)論.周莎莎等[20]通過浸沒式超濾試驗研究發(fā)現(xiàn),該工藝對濁度污染物具有較強的去除能力,能夠保證出水濁度低于0.06 NTU(濁度單位),陳釗等[21]也得出類似結(jié)論,試驗發(fā)現(xiàn)對可逆和不可逆污染都具一定緩解作用并對有機物具有明顯的去除效果,這與李鳳等[22]的研究結(jié)論相一致.

浸沒式厭氧生物膜反應(yīng)器(SAMBR)含鹽出水問題一直困擾著業(yè)內(nèi)研究人員.Vyrides等[23]針對該問題的出現(xiàn),提出了PAC后處理方案.對液-液萃取得到的餾分進一步分離,發(fā)現(xiàn)大部分小于1 k Da的分子不易去除,但對出水進行好/厭氧生物與PAC組合對比試驗發(fā)現(xiàn),好氧生物的投入可以有效解決該問題.當(dāng)廢水面臨高含鹽量和低溫雙重惡劣狀況時,PAC也能有效地改善膜生物反應(yīng)器(MBR)的污泥過濾特性.Remy等[24]研究了低劑量PAC對低溫、含鹽量高廢水的污泥過濾能力的作用,發(fā)現(xiàn)投加高濃度Na+對污泥惡化嚴(yán)重,但投加低劑量PAC后污泥惡化程度很低,這與Vyrides等[23]的理論一致.在較低溫度下,低劑量PAC可很好地優(yōu)化膜通量,緩解膜結(jié)垢,同時增強了膜垢的可逆性.Ng等[4]認為PAC在與MBR聯(lián)合應(yīng)用中充當(dāng)著生物活性炭(BAC)的角色,且有效地促進了總有機碳的分解和生物降解,有利于混合液懸浮固體的增加. Munz等[25]將該工藝應(yīng)用于中試規(guī)模處理制革廢水,取得了很好的效果,且此前無更多相關(guān)報道.

1.5 PAC組合序列間歇式反應(yīng)器(SER)工藝

垃圾滲濾液的成分非常復(fù)雜,金屬和氨氮含量較高、BOD5和COD濃度高、水質(zhì)水量變化大、微生物營養(yǎng)元素比例失調(diào),對其有效處理產(chǎn)生很大障礙. Aziz等[26]通過PAC強化雙反應(yīng)去除-序列間歇式反應(yīng)器(DRS-SBR)對垃圾滲濾液進行處理,對非PAC序列間歇式反應(yīng)器(NPAC-SBR)、PAC序列間歇式反應(yīng)器(PAC-SBR)、DRS-SBR這3種類型SBR進行對比分析.DRS-SBR采用“進水-反應(yīng)1-沉淀1-反應(yīng)2-沉淀2-出水-閑置”對垃圾滲濾液進行了20組實驗,結(jié)果表明:PAC-SBR、DRS-SBR能更好地提高污泥的活性,PAC-SBR與NPAC-SBR相比,除氨效果顯著,節(jié)約曝氣量為50.54%,更節(jié)能.而DRS-SBR(240 L/周期)曝氣比PAC-SBR短,除氨不及后者徹底.且PAC有助于反應(yīng)器大微生物絮體的形成和對有機物的吸附,保持了很好的混合液懸浮濃度和較高的氧化換還原勢,形成了很好的沉降性能,降低了溶解氧的消耗.值得重視的是,PAC的計量和曝氣量對于SBR很關(guān)鍵.這都體現(xiàn)了PAC在SBR中不可替代的優(yōu)勢.

1.6 PAC經(jīng)修飾處理后的應(yīng)用

六價鉻(Cr(VI))是國際抗癌研究中心和美國毒理學(xué)組織公布的致癌物,具有明顯的致癌性.Li等[27]研究了用可食單寧酸固化PAC(TA-PAC)去除低溫微污染地表水中Cr(VI)(0.500 mg/L)的能力,由氮吸附-脫附等溫線和孔徑分布分析得知:可食單寧酸固化對PAC無不利影響,卻可增加其吸附特性.采用Boehm滴定和紅外光譜比較TA-PAC與未經(jīng)固化PAC的表面特性也看到,單寧酸固化增加了PAC的羥基和羰基官能團,從而強化了吸附性能.由此可見,TA-PAC在低溫微污染下對Cr(VI)的去除效果是非常可觀的.李春畫等[28]從雞蛋殼廢棄物中提取鈣溶液,該鈣溶液作為一種低成本的活化劑,可提高經(jīng)過磷酸化的PAC在自來水中對As3+、Cd2+、Pb2+和Cr6+的吸附性能,而PAC吸附性能的提高與其表面磷酸鈣的形成有關(guān).試驗發(fā)現(xiàn),在室溫26°C,p H值為7的自來水中,雞蛋殼廢料及磷酸改性的粉末活性炭用量1 g/L就可一次去除《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[29]中As3+、Cd2+、Pb2+和Cr6+限值的2.5倍量,且自來水中原有Cu2+、Zn2+、Al3+含量均有所降低.

Ellerie等[30]以多壁碳納米管(MWCNTs)、納米石墨烯板(NGPS)、S-PAC作為微濾膜吸附涂層研究了更有利于污染物去除,同時對膜通量減少最小的材質(zhì),選用亞甲基藍和阿特拉津作為模型污染物.結(jié)果表明,MWCNTs對模型污染物的去除能力最小,而S-PAC去除能力最優(yōu).同時粒徑、膜和吸附涂層的兼容性、通量阻力、吸附性能以及動力學(xué)之間的平衡是構(gòu)成理想優(yōu)化過濾方式的重要因素.汪浩等[31]研究了活性炭(AC)表面化學(xué)鍍銀技術(shù),對比研究了AC吸附銀后化學(xué)鍍銀、常規(guī)敏化活化化學(xué)鍍銀和AC吸附銀后化學(xué)鍍銀再常規(guī)敏化活化化學(xué)鍍銀3種方法對AC化學(xué)鍍銀的影響,發(fā)現(xiàn)AC吸附銀后化學(xué)鍍銀再常規(guī)敏化活化化學(xué)鍍銀技術(shù)產(chǎn)生的鍍層表面形貌更好,測試性能最好,具有用于導(dǎo)電填料的潛能.

1.7 PAC的單獨應(yīng)用

與Cr(VI)危害性一樣巨大的還有1,1,2,2,3-五氯丙烷,其主要用作防治農(nóng)作物害蟲的有效熏蒸劑,在常溫常壓下較穩(wěn)定,經(jīng)吸入對肝臟有損害作用,具有強腐蝕性、刺激性,可致人體灼傷.賈麗莉[32]研究了1,1,2,2,3-五氯丙烷在PAC上的吸附特性,研究發(fā)現(xiàn)PAC在純水中對其吸附強于在原水中的效果.飲用水中除草定(農(nóng)藥)的存在也是不容忽視的,Mardini等[33]研究了在相同試驗條件下,NOM濃度對PAC吸附除草定的影響,發(fā)現(xiàn)水中NOM的存在會與目標(biāo)化合物除草定存在激烈的競爭,且低分子量NOM競爭能力要強于高分子NOM.結(jié)果表明,較為實用的方法是無論NOM是否存在,用偽單溶質(zhì)等溫線來預(yù)測PAC在反應(yīng)器內(nèi)的吸附情況是可行的.

近年來,國內(nèi)外各大湖泊相繼出現(xiàn)藍藻水華爆發(fā)現(xiàn)象,湖泊富營養(yǎng)化問題日益受到人們的關(guān)注.國內(nèi)對此領(lǐng)域的研究還比較薄弱,更多集中在宏觀層面上,對于采用PAC去除藍細菌及其代謝物的的相關(guān)報道尚少.Ho等[34]針對PAC應(yīng)用于藍藻水華的劇毒次生代謝產(chǎn)物——柱胞藻毒素(CYN)和微囊藻毒素進行了研究.研究者選用2種不同的PAC相繼評價了澳大利亞3個污水處理廠水樣中CYN和微囊藻毒素4個變異體:MCRR、MCYR、MCLR、MCLA的去除情況.分析研究了大量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),PAC對MCRR和CYN的吸附程度相似,之前無相關(guān)報道.這種“可替代”相關(guān)性的發(fā)現(xiàn)可解決不少類似問題.

此外,PAC對催化臭氧氧化領(lǐng)域也很有代表性.Pocostales等[35]研究了PAC對臭氧化磺胺甲基異惡唑機械動力學(xué)的催化作用,試驗發(fā)現(xiàn),PAC具有消除外部液-固和內(nèi)部擴散傳質(zhì)阻力的作用,對施加的氣-液傳質(zhì)阻力也有去除貢獻.

菲是具有代表性的多環(huán)芳烴類持久性有機物,其獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)與多環(huán)芳烴的致癌性密不可分.李政劍等[36]以菲為目標(biāo)污染物,研究了PAC在微尺度(1~100μm)下粒徑效應(yīng)對多環(huán)芳烴吸附性能的影響.對PAC物化性質(zhì)進行表征,發(fā)現(xiàn)粒徑減小可使PAC的BET比表面積和總孔容增加10%~20%,但對PAC表面化學(xué)性質(zhì)的影響較小.巢猛等[37]研究了PAC對鉈的吸附,研究發(fā)現(xiàn),隨著PAC的投加量不斷增加,鉈的去除也隨之增加,采用PAC吸附可有效控制水中鉈的量不超過0.2μg/L.

2 展 望

隨著社會發(fā)展步伐的加快,新型污染物不斷涌現(xiàn),水污染問題日趨復(fù)雜,飲用水呈現(xiàn)出污染物、污染過程和污染效應(yīng)復(fù)合的污染特征;另一方面,公眾對污染的認識不斷深化,對飲用水質(zhì)的要求不斷提高.這種局面使得飲用水質(zhì)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),同時也為發(fā)展PAC凈水技術(shù)帶來了機遇.PAC技術(shù)已在凈水處理中發(fā)揮著越來越重要的作用,但由于未能很好地解決該技術(shù)在實際應(yīng)用中的局限性,難以發(fā)揮PAC技術(shù)的優(yōu)勢,導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用達不到預(yù)期效果.為更有效地使用好PAC技術(shù),未來還需在以下方面做好工作:

(1)根據(jù)實際水質(zhì)情況,尤其是有機物的分布情況,選擇適宜的炭種;

(2)根據(jù)具體工況,選擇合理、有效的PAC投加點和投加方式,從而解決PAC與混凝劑競爭問題,提高PAC的使用效率;

(3)在PAC轉(zhuǎn)運、拆包、炭液制備等實際使用過程中,由于勞動強度大,易產(chǎn)生粉塵,需要處理好粉塵引起的污染、液位計誤動等問題[38];

(4)根據(jù)實際水質(zhì),在投加過程中,要做好定量、穩(wěn)定、適量投加,這不僅關(guān)系到水質(zhì)平衡穩(wěn)定,還涉及到經(jīng)濟成本;

(5)如何實現(xiàn)符合廠況的自動化設(shè)備機制,以滿足穩(wěn)定出水水質(zhì),節(jié)約勞力等,這是制約PAC技術(shù)的關(guān)鍵因素;

(6)為滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的標(biāo)準(zhǔn)[29],對原廠設(shè)備進行改造的投資和成本控制成了PAC應(yīng)用技術(shù)最為關(guān)鍵的問題.

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(編輯 呂丹)

Application Status and Prospect of Powdered Activated Carbon in Water Treatment

ZANG Peng, BI Dongsu
(School of Chemical and Environmental Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China)

The treatment technology of powdered activated carbon(PAC)can quickly and efficiently adsorb and remove all kinds of natural or synthetic organic compounds,aromatic compounds,micro-pollutants,halogenated hydrocarbons as well as iron,manganese,heavy metals and other hazardous substances in water,which has extensive and far-reaching application significance in water purification fields.The practical application and achievements of PAC combined with other technologies were discussed.And based on their effective reduction in pesticides,chemical materials,odor compounds,cyanobacterial toxins,total organic carbon and other harmful substances in organic matter,the water quality and biological stability were improved.A detailed review of research progress and prospect of PAC in water purification was made emphatically.

powdered activated carbon(PAC);water purification;progress;prospect

X 52

A

1671-7333(2015)04-0344-05

10.3969/j.issn.1671-7333.2015.04.006

2015-07-13

上海市科委科研計劃資助項目(12231201702)

臧 鵬(1990-),男,碩士生,主要研究方向為綠色能源和凈水處理.E-mail:zangpengmir@126.com

畢東蘇(1977-),男,教授,博士,主要研究方向為水污染防治與治理.E-mail:bidongsu@126.com

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