第五讲
水处理用煤质活性炭
水处理是活性炭最重要的应用领域，应用历史最早，应用技术最成熟。中国生产的煤质活性炭产品总量中，约80%都是用在了水处理行业。
使用活性炭的水处理行业又可细分为自来水处理（包括普通自来水生产及纯净水制造）、城市生活污水的深度净化处理、和工业产业废水的净化处理等。煤质活性炭因价格相对低廉、可大规模制造等优势，在水处理领域一直独占鳌头。
我国是世界上严重缺水的国家之一，据统计，目前全国669座城市中有近400座常年供水不足，其中又有100个属于严重缺水城市，水危机已成为影响经济健康发展及社会稳定的战略性问题。另一方面，因人类活动造成的水质污染程度已相当严重，全国境内的主要河流及湖泊等水源地中，至2003年7月已有95%左右遭受油程度的污染，其中有70%左右属重度污染，另外，地下水水质污染程度也已十分严峻，饮用水的卫生和安全问题已成为刻不容缓、需政府部门紧急应对的重大事务之一。据自来水处理业内人士估计，到2010年，我国新建和扩建的自来水厂总投资额将达2500亿元人民币【19】。
目前国内的城市污水大约有60%未经任何处理而直接排放，即便是处理了的也只有20%左右能达到国家规定的二级排放标准，严重威胁着饮用水的水质。为此，中国政府在“十五规划”中明确提出，到2010年，大城市的污水处理率必须达到80%，中小城市达到60%，为达到此标准，预计在未来10年内，与污水处理相关的投资将达3000亿元人民币【19】。
另外，2002年3月，原国家计委在新公布的《外商投资产业指导》中已明确中国的城市供排水将全面对外开放，国际三大水务巨头——法国苏伊士、威立雅和英国泰晤士已开始进入中国的水务行业，其它的国外大型涉水企业如日本的丸红一道、英国安格利水务、国泰国际集团、澳大利亚汇津中国（香港）水务、麦克唐纳水与环境公司、以及香港长江基建等公司也已与国内的水务企业开始接洽，这些国外水务公司的介入必将促进我国的水处理技术水平的进一步提高【19】。
巨大的市场机遇和国际先进技术的逐渐引入，我国的水处理行业已成为国际化的投资热点之一，必然会带动活性炭企业的进一步繁荣，据活性炭业内人士估计，到2010年，我国的水处理活性炭产品年需求量将达25万吨左右，如此巨大的市场容量势必刺xx性炭制造业的飞速发展，同时引发更激烈的市场竞争。
为了抓住即将到来的机遇，并迎接新技术的挑战，活性炭制造业应更加深入地了解水处理技术现状及活性炭在其中的应用方法。这是我们将水处理用煤质活性炭做为单独一讲内容的主要出发点。
本讲内容编排次序依次为：自来水处理；城市生活污水处理；产业废水净化。
一、自来水处理
与发达国家如美、日、欧共体相比，我国关于生活饮用水卫生标准的法制体系建设是比较落后的。目前仍有法律效力的GB5749-85中仅规定了四类指标共35个子项，即使在原国家建设部颁布的{zx1}推荐指标体系《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中，对一类水司的水质指标也才88项，远少于发达国家120～135项的指标总数，另外，指标限值也比发达国家宽松得多。突出表现为对饮用水中的“三致”（致畸、致癌、致突变）物的强制性指标体系的建立严重滞后。
饮用水中“三致”物主要包括：（1）重金属离子如铜、锌、汞、镉、铬离子等；（2）可与卤素化合物（主要是氯，常用作水处理消毒剂）反应生成有毒“三致”卤代物的有机质（称为xx副产物先质，简称DBPs先质）如低分子量的碳水化合物、氨基酸、蛋白质、脂肪及较高分子量的腐殖质等；（3）臭氧消毒灭菌副产物如甲醛、丙酮醛等有机副产物及溴酸盐等无机副产物；（4）xx水体中含有的有毒微生物；（5）xx水体中含有的放射性元素；（6）受污染饮用水源中含有的有毒人工合成化合物如农药等。
随着我国综合国力的逐步提高，尤其是城市分质供水规划的分类实施，目前国内水处理研究热点之一是饮用水中卤素DBPs先质、含卤DBPs、臭氧xx副产物的去除，以期提供优质饮用水。在这些热点研究领域中，活性炭吸附剂及相关应用技术备受关注。
1、粉状活性炭（PAC）
粉状活性炭是最古老的水处理吸附剂之一。迄今为止共有五种应用方法【1】【7】【8】。
（1）在常规水处理工艺中投加PAC
常规水处理工艺有三个主要工序——混凝、沉淀和过滤。PAC的投加点有混凝前、与混凝操作同时进行、沉淀之后、砂滤之后等几种，一般用于突发性水质恶化时临时投加PAC以保证出水水质。
上海市自来水公司乐林生等针对长江水源中污染物的种类和含量特点，根据该市水处理厂的常规净化工艺，进行了PAC不同投加点的对比试验，研究表明，在原水进入水厂之后经ClO2xx，然后投加15～20mg/L粒径10～50µm的PAC时，处理效果最理想，投加点应位于快速混合处，且应与混凝剂矾同加。
香港沙田和北港两座净水厂在混合池之前加氯xxxx后，同时投加石灰混凝剂、聚合硫酸铝絮凝剂和PAC进行混凝、吸附处理，再经沉淀、砂滤，{zh1}进行二次加氯xx、石灰乳调PH、添加少量氟化物，出水可直接饮用【3】。
松花江水源在冬季冰封时期是水污染较严重、较难处理的时期，原水厂处理工序为：原水中投加聚合铝混凝剂，在管道混合器中混合，进入网格反应池，再经斜管迷宫式沉淀池沉淀，进入无阀滤池后加氯xx，然后出水。陈忠林等【4】在此基础上，将一定浓度的KMnO4溶液加入管道混合器，同时在网格反应池中投加一定量的PAC，试验结果表明，源水中的有机污染物部分被氧化剂氧化，部分被氧化反应中间产物水合氧化锰吸附沉淀，其余部分则被PAC吸附，两种技术联用，具有协同作用效果，水中致突变物质几乎被xx去除。
水中孳生的藻类（尤其是蓝藻和绿藻，均为放线菌）和其它水生动植物的代谢或分解产物可使水产生强烈嗅味，运用常规处理工艺去除嗅味的效果非常差。法国某公司开发了Cristal工艺，在沉淀工序之前投加PAC吸附水中有机物、农药残留物和水中产生嗅味的化合物，再用0.01µ的中空超滤膜去除水中的悬浮颗粒、胶体颗粒、xx和病毒，该工艺的主要目的是去除藻类造成的嗅味，同时脱除大部分“三致”物质。该工艺已在巴黎市Vigeneus-Seine水厂成功应用【5】。
在常规水处理工艺中投加PAC，必须设法xxPAC的自凝聚结团趋势，否则将直接影响PAC的吸附能力发挥，造成水处理成本的无谓上扬或处理效果不理想。曹达文等【6】经研究提出PAC的强制分散投加工艺：将适量的PAC和水制成浓度3～5%的炭浆，用输送泵送至高位炭浆池，经投加计量器计量，再用水泵混合加压，强制分散，其中炭浆调配装置和高位炭浆池需保持连续搅拌（强度1～1.5kW/m3）；炭浆的输送流速以1.5～2.0m/s为宜；采用离心式水泵抽吸加压使投加的炭浆与部分原水被水泵抽吸混合后经一个特制的扩散器经淹没式多层小孔喷射法，使混合炭浆再与水体混合，达到瞬间分散均匀的目的。
(2)PAC悬浮床吸附过滤技术
这是一种集吸附和过滤于一体的PAC应用方法，又称Haberer工艺。选用粒径1～3mm的轻质滤料（如聚苯乙烯小球）作载体，用水泵使PAC炭浆在滤池中循环直至全部附着于载体表面（预涂过程），滤池水流采取上向流，当PAC吸附效果降至预定值后，采用下向流冲洗法进行部分再生。有关研究表明，在悬浮床吸附过滤工序前进行混凝操作，吸附过滤工序之后再经砂滤，出水水质可达饮用水一般性指标要求【1】。
（3）PAC-硅藻土过滤联用技术
简称为PDF技术，结合了硅藻土的高效除浊、xx精滤能力和PAC对水中溶解性物质的强吸附能力，采用自支撑滤膜形式进行饮用水处理。选用适宜挂膜的固定支架填料填充滤器，将PAC和硅藻土按一定比例和用量配成浆液，用水泵进行循环直至浆液变清滤膜形成，再开始滤水，当过滤阻力增至预定值或出水水质不符合要求时，采用反向水流将滤膜冲掉，再挂膜运转。PDF技术一般适用于小型水处理厂及饮水深度净化【1】。
（4）壳聚糖-PAC共混超滤膜水处理技术
喻胜飞等【7】为了提高对饮用水源中大分子有机物，尤其是带发色基团的大分子有机污染物的去除效果，研制了一种具脱色协同效应的含PAC的超滤膜。将壳聚糖加入2%的醋酸水溶液中使之溶解，过滤，在清液中加入添加剂TRG、交联剂戊二醛和PAC，充分搅拌后，静置脱泡，然后在丙纶支撑体上流延成膜，25℃左右蒸发固化，经凝固浴处理，室温干燥，制成共混超滤膜。作者指出，膜中PAC的填充量4～5%时使用效果{zh0}。但文献中未见进一步的研究报道。
（5）PAC用作生物活性炭的载体
文献报道中，把粉末活性炭用作生物活性炭（BAC）载体的研究非常少，因为PAC的流动性会造成生物膜迅速流失而使滤器失效。
葛旭等【8】对深圳市地表水源进行了多种处理工艺组合对比试验，得出结论：采用生物预处理和常规处理（混合、絮凝、沉淀、砂滤）之后，再经臭氧氧化，{zh1}经BAC深度处理，且BAC法如投加20mg/L的粉末活性炭，臭氧接触时间为9～11分钟时，出水水质符合《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中一类水司88项指标要求。而关于如何在PAC上接种生物膜，又如何防止粉状BAC的流失，文中未明示，也未发现进一步的报道。
2、粒状活性炭（GAC）
粒状活性炭因其适于填充固定床滤器的特点而被水处理工作者进行了广泛的研究。文献中关于GAC的水处理应用研究文章数量也远多于PAC的应用研究文献。但奇怪的是，在我国各大中型城市自来水厂中，GAC的应用却远比不上PAC那样普及，原因可能有两个，一是因GAC滤器固定投资和运行成本较高，在我国尚未实施分质供水之前，GAC的大量应用势必引起水价大幅上扬，用户难以承受；二是PAC的应用具有灵活性，可随时在出现高污染负荷时启动，亦可随时停用，被用作备用水处理剂，也就是说，建装置的水厂多实际投运的少。
GAC应用于生活饮用水的深度处理大致有两种应用技术，一种侧重于利用其对某些有机物质的吸附能力，另一种是GAC既作为吸附剂，又作为微生物载体，吸附作用和生物化学作用协同作用降解水中有机污染物，即所谓的生物活性炭（BAC）技术。在实际使用过程中，单纯的GAC过滤作用只在一定时期内存在，生物膜的自然形成是必然的，也是有利的（大多数情况下）。GAC技术和BAC技术的{zd0}区别可能是：前者使用一定时间后，吸附剂上的生物膜是自然形成的，后者则是在启运之前控制一定的环境条件，人工接种了高选择性的微生物种类，且其生化作用处于受控状态。
（1）侧重于吸附作用的GAC的应用研究进展
由于活性炭属于较昂贵的水处理剂，且目前水处理炭的低成本再生技术问题尚未xx解决，故GAC的应用研究方向多以去除水中“三致”物及其前驱物为目标，因为大量研究结果表明，在此方面AC是目前{zh0}的处理剂。
针对饮用水源中的全溶解有机物（TOC）和致生物突变性有机物（Ames试验，阳性为具致突变性，阴性表示安全），潘海祥等【9】对珠江三角洲地区水源在丰水和枯水期进行了九种工艺组合对比试验研究，结果表明：无论在丰水期还是枯水期，含GAC过滤的组合工艺出水Ames试验均呈阴性，其它种类的组合工艺出水Ames试验结果均呈阳性；源水经含GAC吸附的组合工艺处理后，出水中TOC含量＜1.5mg/L，大大低于其它组合工艺出水中TOC含量（＞2.2mg/L）。
水中可生物同化有机碳（AOC）是反映水中xx生长的限制性营养水平，国外普遍采用该项指标鉴定饮用水的生物稳定性，尽可能低的AOC含量可避免供水管网中xx的重新生长，从而避免饮用水的二次污染。吴红伟等【10】进行了在常规水处理工艺砂滤工序之后进行GAC吸附过滤降低AOC作用的对比试验研究，结果表明，当选用粒径1～2mm的GAC，且炭滤器中水力停留时间（HRT）为9min，滤速≤10m/h时，对AOC的去除效果{zh0}。
我国大多数水厂采用加氯法进行饮用水的消毒灭菌工作，且一般均采用原水进厂加氯（预氯化）和出水二次加氯两级xx工艺。近年来国内外研究表明，卤素xx副产物（DBPs）如三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）等，尤其是HAAs，具有较高的致癌风险。对于预氯化产生的DBPs，混凝沉淀工序和煤砂滤池可部分去除，但效果不理想；要想控制二次加氯产生的DBPs的浓度，只能依靠在水处理工序过程中强化对DBPs先质的去除效率。李爽等【11】对北京几大水厂的水质调查结果表明，预氯化可使源水中HAAs含量增加8～9.5倍，GAC吸附过滤工序可使总HAAs去除率提高46～86%，是目前xxx的DBPs去除方法。
由于水厂出水加氯二次xx会不可避免地产生DBPs，且会使水中带有不愉快的嗅味，近年来用臭氧作为深度处理消毒剂已成为一个发展方向。但近来研究证实，采用臭氧xx也并非万无一失，当臭氧投加量不足或在水中分布不均衡时，许多有机物的部分氧化会产生醛类化合物，含溴物质被氧化生成溴酸根，这些都属于臭氧副产物，发达国家已将甲醛和溴酸根列为可能致癌物。周云等【12】对水中的臭氧副产物进行了详细论述，并指出：采用GAC在臭氧xx工序之后进行把关性吸附终滤，不仅能降低水中有机物含量，且可降低臭氧的副产物，其中溴酸根的去除系因AC表面的碳元素及其它一些表面基团的还原作用生成Br-而脱毒的。
据资料报道，深圳市和大庆市已在一些示范居民小区内建设含GAC过滤工序在内的小型深度净水站，实现小区域分质供水（供应直饮优质水，这种水的水质与市售纯净水有本质的区别）【13】。大同市册田水库水源因受上游工业废水污染，采用传统水处理工艺无法满足国家饮用水水质标准基本要求，于1994年引进澳大利亚连续中孔微滤膜—GAC组合技术，进行了处理规模3000～5000m3/day，为期一年的中试，证明这种组合技术xx可替代传统工艺，占地面积小，处理效果好，失活的GAC可采用NaOH和盐酸进行再生处理【14】。
(2)生物活性炭（BAC）
绝大部分的BAC水处理工艺都采用GAC作为生物膜的载体。大多数的BAC工序是与臭氧技术联用的，即所谓的“O3-BAC水处理技术”。BAC技术多用于饮用水的深度处理，总体来讲，BAC技术可去除的水中污染物的种类与PAC、GAC相同（即：使用目的是相同的），但BAC对污染物的去除率更高，且因生化作用而使BAC不断得到一定程度的再生，故使用寿命要比GAC和PAC长得多。
孙建平等【15】筛选了xx胞菌属，芽胞杆菌属等11种菌株，在试验室条件下将其接种于ZJ15活性炭上制成BAC。对比试验发现，对同等富营养水，普通GAC在35天时吸附饱和，而BAC在60天时才失效，且再生率达81%，其中微孔再生为81～95%。BAC对试验原水的浊度、高锰酸盐指数和色度的去除率分别达到40～70%，30～60%和20～40%，具有比普通GAC更高的吸附活性。
张金松等【16】对广东省某水源（含多种重点有机污染物）进行O3-BAC深度处理试验表明，进水浊度≤5NTU时深度处理效果{zh0}，另外，该处理工艺可有效地控制和xx饮用水源中微量高毒害性有机污染物，可使COD减少70%左右。
3、讨论和结论
（1）关于水处理活性炭的吸附机理问题
探讨含多种污染物的生活饮用水源中活性炭的选择性吸附机理几乎是不可能的，甚至是毫无意义的。之所以在此文中仍提此问题，是为了xx一些思维定势。众所周知，活性炭是一种非极性或弱极性的吸附剂，一般认为其对非极性或弱极性且分子量不太大的吸附质易于吸附，而对极性较强的吸附质吸附效果较差甚至无效，这一论点用于气相吸附领域一般是正确的，但某些水处理工作者根据这一论点推论：在水处理工艺中，活性炭不能有效去除水中的卤代烃等强极性的吸附质，但大量的试验结果表明，活性炭恰是处理水中DBPs或其先质的xxx的吸附剂；另外，有学者提出，由于沸石类吸附剂具强色散力和静电引力，用于去除水中“三致”物（多为极性化合物）的效果理论上应优于活性炭，但实际情况恰恰相反。这说明在水处理领域，活性炭本身的非极性性质是众多影响其选择性吸附性能因素中较为次要的因素。我们认为，位于活性炭巨大表面上的、以氢键缔合的水分子膜以及因活性炭表面“吸附活性点”引起的水膜局部荷电异常，才是液相吸附中活性炭对某些物质发生选择性吸附的根本原因。上述水膜可视为水处理活性炭的表面修饰剂，极性有机物被水膜中某些荷电异常的“活性位”吸附并被迁移而来的溶解氧或其它活性自由基氧化或还原；产物若为非极性或弱极性物质，则渗透并被活性炭吸附，若仍为极性物质，则被其它活性位捕获，或扩散进入主液相。
生物膜亦可视为活性炭的表面修饰剂，生物活性炭因其外层水膜，中层生物膜的选择性吸附、酶催化、生物吸收消化等作用，再加上活性炭本身的吸附功能，故BAC的使用寿命和使用效果均优于普通的GAC。
众多的水处理工作者采用不同材质的原料、不同形态的活性炭作水处理剂而得出了大致相同的结论，也进一步说明活性炭本身的表面性质和晶态排列情况并非是影响其液相吸附性能的主要因素，而自然的或人工的表面修饰才是主因之一。从这一点来讲，液相吸附活性炭的作用机理则远比气相吸附机理要简单。
（2）关于水处理活性炭的适用指标问题
控讨活性炭的适用指标，则势必牵涉其适宜的孔径分布和有效孔隙，探讨活性炭的{zj0}孔分布及有效孔隙问题，实在是一件令人头疼的事。
GB/T7701.4-1997净化水用煤质颗粒活性炭国家标准中规定的，与水处理活性炭的孔结构有关的技术指标有以下几项：孔容积≥0.65m3/g；比表面积≥900m2/g；苯酚吸附值≥140mg/g；碘吸附值≥800mg/g（合格品）；亚甲蓝吸附值≥120mg/g（合格品）。该标准是由活性炭制造行业牵头制订的，总体来看，似乎是水处理用活性炭的微孔越发达越好，但水处理工作者却对此提出了许多不同看法，具有代表性的为丁桓如等【17】的意见，他们在应用研究中发现，水处理活性炭的一般性吸附性能指标比表面积、碘吸附值、亚甲蓝吸附值和xxxx吸附值等，与其对xx水体中有机物的实际吸附能力之间的相关性严重偏离，难以用这些常规指标来衡量，选择适用的活性炭产品品种。他们认为天然气水体中有机物的分子体积大于活性炭一般吸附性能测试中所用的碘、亚甲蓝、xxxx等的分子体积，xx水体中的有机物主要包含四组腐殖质—腐殖酸、富里酸、木质素和丹宁，其分子量从几百到几十万不等，活性炭对这些物质的吸附主要受过渡孔的影响而不是受微孔支配的。他们研究了活性炭对上述四组腐殖质的吸附量和吸附速率，并与实际应用效果进行关联后，认为这四种指标可作为评价和选择水处理活性炭的较适用的指标。
近来水处理活性炭适用指标问题也已引起活性炭研究工作者的注意【18】，提出了用碘吸附值、亚甲蓝吸附值和糖蜜吸附值作为衡量水处理活性炭的三个基本指标。
究竟哪些指标可以作为水处理活性炭的适用指标，尚需水处理工作者和活性炭研究者共同协作，进一步探讨。
（3）结论
活性炭（PAC、GAC和BAC）作为生活饮用水的深度处理剂，在去除水中“三致”物方面是目前可选的{zj0}吸附剂。
水处理活性炭的吸附机理与气相吸附机理差异较大，似乎在液相吸附中活性炭表面的修饰（自然或人工形成的）是引起这种差异的主因之一。
水处理活性炭的现用表征指标体系存在严重缺陷，寻求适宜的表征指标已成当务之急，可尽量避免活性炭选择时的盲目性。
参考文献（共19篇，此处略）
