粉末活性炭對特殊有機污染物的去除。

　　粉末活性炭混凝沉淀等常規工藝對某些特殊有機污染物的去除效果很差,原因是這些物質分子量都較小,很難通過混凝沉淀去除。

　　粉末活性炭對嗅味物質的去除

　　飲用水中的嗅味問題已成為供水界面臨的普遍問題。原水中土嗅味的產生歸因于某些藻類大量繁殖產生的兩種代謝物:土臭素和二甲基異冰片[7]。而混凝、沉淀、過濾、消毒等常規處理工藝很難將這些物質從水中去除。粉末活性炭(PAC)發達的微孔結構和巨大的比表面積可有效地吸附水中的嗅味物質。李大鵬等研究表明[8],除嗅效果與PAC投加量有一定的線性相關性,隨著PAC投加量的增加出水嗅閾值降低,且在一定范圍內每增加10mg/L的PAC投加量則去除率就上升5%。其原因是,其他有機物也占用了PAC的吸附空間,導致PAC投加量小時的除嗅率較低,增加PAC投加量后增加的那部分PAC相應的補充了吸附其他有機物所耗費的炭量,從而提高了對嗅味的去除率。因此在除嗅過程中,消除原水中其他有機物的干擾是提高除嗅效果的一個關鍵。另外原水嗅
閾值的大小對PAC的除嗅效率沒有明顯的影響。李偉光研究表明[9],
 PAC后移至混凝開始后再投加的效果比PAC與混凝劑(如堿鋁)同時投加會更好,在混凝中段投加PAC的除嗅效果明顯優于投加在混凝前,而且在達到同樣的效果時平均可節約10mg/L的PAC。這是因為,原水中存在著一部分即可被混凝去除又可被PAC吸附去除的有機物,如果將PAC直接投加在原水中,則其不可避免的會吸附部分可以混凝去除的有機物,這些有機物既占據了致嗅物質的吸附位置又限制了小分子有機物在空襲內的遷移,大大降低了PAC吸附嗅味物質的能力。JianweiYu等研究表明[10],雖然活性炭表面的性質(如表面C=O基、C-O基含量、微孔含量、碘值以及亞甲藍值等)對其吸附能力有很大影響,但在PAC吸附土臭素和二甲基異冰片時,只有微孔數量這一參數與其吸附能力之間有很好的線性相關性,其他的參數如碘值等對其吸附能力影響甚微,因此可以將微孔
數量作為表征PAC吸附嗅味物質能力的有效表征參數。

　　粉末活性炭對藻毒素的去除

　　富營養化湖泊中的微囊藻毒素(水華藍藻的次生代謝產物)對環境和人類健康的危害已成為全球關注的重大環境問題之一。微囊藻毒素能強烈地抑制蛋白磷酸酶(PP1、PP2A)的活性,是一種強烈的促癌劑。中國科學院武漢水生生物研究所近期的研究結果表明,微囊藻毒素以肝臟為唯一的靶器官,動物性腺是其攻擊的第二靶器官[11, 12]。然而,水廠常規混凝工藝對溶解性微囊藻毒素的去除效果較差,去除率一般在20%以下,難以滿足要求。有研究表明, PAC對溶解性的微囊藻毒素具有較好地吸附作用[13, 14]。考慮到微囊藻毒素的季節性特征,
 PAC吸附可以作為微囊藻毒素污染的應急處理措施。PAC吸附污染物需要一定的時間,其過程可分為快速吸附、基本平衡和完全平衡三個階段。劉成等研究表明[15]PAC對兩種典型的微囊藻毒素(MC-RR和MC-LR)快速吸附階段大約需要40min,可以達到80%的左右的吸附容量。因此對于取水口到凈水廠有一定距離的水廠,可在取水口處投加PAC,利用管道輸送時間來完成吸附過程;而對于取水口距離水廠很近,只能在水廠內投加粉末活性炭的情況,由于吸附時間短,加之與混凝劑形成礬花后還會影響其與水中微囊藻毒素的接觸,使得粉末炭的吸附能力難以發揮,因此需適當增加PAC的投量。隨著粉末活性炭投量的增加,對微囊藻毒素的去除效果得到明顯改善。PAC投量為20mg/L時,對MC-RR和MC-LR的去除率分別為90%和76%,也就是說對于一般原水中兩種微囊藻毒素可能發生的
大濃度(10μg/L),投加20mL的粉末活性炭即可將兩種毒素的濃度分別降低到1μg/L和2·4μg/L,加之其他水處理單元(混凝、消毒等)對微囊藻毒素的去除,出水水質可以達到國家新頒布的標準(MC—LR的限值為1μg/L)。此外, PAC對微囊藻毒素的去除率與藻毒素初始濃度無關,這可以用理想吸附溶液理論和當量本底化合物理論來證明[15]。因而,可根據原水中目標化合物的濃度和標準的要求值來判定所需的粉末活性炭投量。

　　粉末活性炭對消毒副產物(DBPs)前驅物的去除

　　消毒副產物(DBPs)如三鹵甲烷(THM)、鹵乙酸(HAA)等屬三致物質,飲用水中含量超標時對人體健康影響巨大。而對消毒副產物(DB- Ps)前驅物的去除能有效減少飲用水中DBPs的形成。因此, DBPs前驅物的有效去除是現代飲用水處理中具挑戰性的任務之一[16]。DBPs前驅物以天然有機物(NOM)的形式存在于所有地表水中,能用下面的指標來反映其存在情況:溶解性有機炭(DOC), 254nm紫外線吸光度(UV254),比紫外吸光度(SUVA)以及三鹵甲烷形成潛能(THMFP)。Rizzo等研究說明[17]80mg/L的氯化鐵對于意大利的兩種地表水源水能分別產生42%和35%的DOC去除率以及56%和48%的UV254去除率,此時混凝劑消耗過高。因此VedatUyak等人引進PAC強化氯化鐵混凝以降低處理費用[16]。在相同的氯化鐵-PAC投加量下,
 UV254比DOC去除率更大,說明這種工藝去除芳香類物質比去除其他的NOM更有效,而芳香類物質是DBPs強的前驅物。比紫外吸光度(SUVA)是一個計算參數,其值等于(UV254/DOC)×100,該參數表征了水中的腐殖含量, NOM中的腐殖酸也是一類主要的DBPs前驅物, PAC對SUVA的降低效果亦優于單獨的混凝。THM形成潛能(THMFP)代表了水中三鹵甲烷前驅物的含量。氯化鐵-PAC工藝對去除THMFP效果顯著,在單獨100mg/L氯化鐵混凝工藝中, THMFP的去除率為47%,且出水THM濃度達到155μg/L,然而投加PAC后出水THM濃度可降至80μg/L。PAC強化混凝工藝對前驅物去除效果明顯優于常規工藝,其原因在于,常規混凝去除的主要是帶負電荷的大分子,對于其他低分子量的NOM有機物的去除能力很差,而PAC對低分子量不帶電的NOM物質吸附效果非常好,因此PAC可以有效去除DBPs前驅物。

　　粉末活性炭對農藥的去除

　　隨著工農業的發展,農藥的使用量逐年在增加,這些農藥殘留物進入飲用水水源中,就會污染自來水,給水廠的工藝提出了新的問題。PAC被廣泛的用于去除飲用水中的痕量有機物,然而NOM的存在會負面影響PAC對微污染物的吸附容量和吸附動力學[18]。Jiang等[19]的小試研究表明,混凝、軟化、氯化等常規工藝均不能有效去除阿特拉津等嗪除草劑。原因是混凝等常規工藝主要去除相對分子量在10000以上的有機物,對阿特拉津此類相對分子質量很小的有機物幾乎沒有去除能力。程蓓蓓等[20]研究表明PAC對阿特拉津吸附20min后可完成主要去除,考慮到競爭吸附問題PAC與混凝劑不能同時投加,可以將PAC先投加待反應20min左右后再進行混凝反應。隨著PAC投加量的增加,濾后水阿特拉津德去除率也隨之增長,但是阿特拉津德去除率并不是均勻增加。PAC濃度
越高,阿特拉津德去除率增長越不明顯,以致PAC50mg/L和PAC60mg/L時的去除率基本一致。原因可能是,去除效果是由PAC對阿特拉津的吸附性質及原水中多組分物質的競爭吸附共同決定,投加量增加,單位質量PAC對阿特拉津的吸附容量降低,因此阿特拉津的去除率呈減速增長。另外, HuguesHumbert等人研究表明[21],陰離子交換樹脂(AERs)與PAC同步聯合使用比單獨使用PAC能更有效的去除原水中的殺蟲劑等農藥物質。

　　粉末活性炭在飲用水處理中應用的發展趨勢

　　在突發事故時(如藍藻暴發),大量投加PAC會導致運行費用的大量增加,因此須考慮新的PAC工藝以增加其使用效率。因活性炭的吸附容量是吸附平衡時吸附質濃度的函數[28],出水水質越高,則活性炭的使用效率越低,那么在水廠正常生產中, PAC的吸附空間沒有得到高效的利用,如何高效地、充分地使用PAC的吸附容量尚有待進一步研究。目前水廠中使用的PAC后大都在沉淀池隨污泥排走,沒有實現重復利用。考慮到PAC回收的困難以及回收分離時損失很大,常用顆粒活性炭(GAC)代替PAC,但是GAC的吸附效果不及PAC。如何有效回收PAC,實現資源的重復利用還需深入研究和探討。在采用PAC干投裝置的水廠,操作時勞動強度極大,在裝卸、拆包、配制和投加過程中,粉塵是一個很大的問題。有時,
 PAC會從過濾水中泄漏出來進入配水系統,因此在水廠使用PAC時應注意濾池的安全運行以保證出水水質。PAC與其他水處理藥劑(尤其是氧化性藥劑)相互作用會使其他藥劑失去應有的效果,同時也降低了PAC的吸附能力,大幅度的增加制水成本,因此在某些聯合工藝中如何避免氧化性藥劑與還原性PAC相互損耗,是一個值得研究的問題。

　　粉末活性炭與高級氧化等其他深度處理方法不同,它是靠吸附分離技術來去除水中的污染物質和雜質,因此它基本上不產生化學副產物,在使用時安全有效,在以后的水處理領域仍將會得到廣泛應用。