1、活性炭对水质化学安全性的影响在饮用水深度处理中,生物活性炭技术(BAC)是目前去除水中有机污染物最有效的技术之一。尽管人们对生物活性炭净水机理的认知还没有达成共识，但是一般认为，生物活性炭对有机物污染物的去除是在活性炭吸附和生物降解的共同作用下完成的 1，活性炭的吸附作用使生长在它表面的微生物获得养料，而微生物的氧化分解作用又使活性炭的吸附能力得到恢复，两者相互促进，得到稳定的处理效果。因此在生物活性炭工艺中，吸附和生物降解是相辅相成，缺一不可的。就吸附作用而言，不同活性炭由于其结构特征的不同，去除污染物的能力会有差异，并且，同种活性炭在不同地域由于水质情况的差异而表现出的吸附能力也是不尽相同
2、的。因此如何针对当地水质快速选择出最适合的活性炭、提出相应的活性炭结构，并最终建立起一套可行的活性炭性能评价体系成为当前急待解决的问题。目前，选择活性炭的常用方法是通过静态试验、活性炭滤柱实验（中试或小试）或两者相结合来进行的。静态实验主要是通过测定几个具有代表性的吸附指标，来反应活性炭的吸附能力，这种方法速度快，但是针对性较差，经常与实际运行效果有较大差别。活性炭滤柱试验是通过分析活性炭柱的出水指标，来比较活性炭吸附性能的优劣，这种方法针对性比较好，但是费时费力。针对现行的活性炭选择方法所存在的局限性，笔者提出了一种新的评价方法，对不同活性炭的结构和水质化学安全性指标进行了相关性分析。研究表
3、明这种方法针对性好，同时方便快捷，弥补了以往方法的不足，对活性炭的选择具有一定的指导意义。1 实验装置与分析方法1.1 实验装置实验是在南方地区某水厂内进行的，采用 6 个平行的活性炭柱，柱高 3 m，内径 120 mm，均装填有活性炭石英砂双层滤料。共装了 6 种炭，分别为 BAC1、BAC2、BAC3、BAC4、BAC5、BAC6。其中 BAC1、BAC5、BAC6 为柱状炭，BAC2、BAC3、BAC4 为破碎炭。活性炭层厚 1800 mm，石英砂层厚 300 mm，石英砂粒径为 0.801.20 mm。实验用水为该厂滤后水并经过臭氧化的出水。在正常的运行下，臭氧投量为 1.5 mg/L
4、；反应接触时间 t1=10 min；每个滤柱的流量 Q=80 L/h；吸附接触时间 t2=15 min。实验期间进水水质指标（平均值）见表 1。表 1 实验期间活性炭柱进水水质紫外吸光度 （UV 254，cm -1）高锰酸盐指数 (mg/L)三卤甲烷生成势 g/L)（THMFP，浊度 （NTU）余臭氧量 (mg/L)AOC g/L）（0.026 1.60 2.3 0.1 0.5 461.2 分析项目及方法分析项目与方法见表 2。表 2 分析项目与方法序号 项 目 测 定 方 法1 孔容积（cm 3/g） GB/T 7702.2019972 2 比表面积（m 2/g） GB/T 7702.211
5、9973 3 Zeta 电位（mV） JS946+型微电泳仪 4 紫外吸光度(cm -1) UV254表示 5 高锰酸盐指数（mg/L） GB5750-854 6 总有机炭 TOC(mg/L) GB5750-854 7 g/L）三卤甲烷生成势 THMFP（ GB5750-854 2 实验结果及分析2.1 水质化学安全性实验选取了紫外吸光度、三卤甲烷、高锰酸盐指数和总有机碳四个指标来反映活性炭对有机物的去除。水中的天然有机物是造成色度、嗅味的原因物质，同时也是目前氯化消毒副产物的前体物之一，它的去除情况对出水水质及后续工艺都很重要，因此选择紫外吸光度来衡量活性炭对天然有机物的去除效果。三卤甲烷由
6、于其“三致”作用，在国内外的饮用水标准中都被列为重点控制指标，实验也考察了活性炭对其生成势的吸附能力。另外，为了使实验更具可比较性和普遍性，还采用了高锰酸盐指数（耗氧量）和 TOC 两项常规的综合性指标。分析结果见表 3。 表 3 活性炭滤柱出水水质化学安全性指标（平均值）活性炭编号 UV254去除率 高锰酸盐指数去除率 TOC 去除率 THMFP 去除率BAC1 66% 54% 100% -43%BAC2 86% 65% 100% 0%BAC3 88% 71% 97% -7%BAC4 82% 66% 80% -26%BAC5 78% 65% 27% 39%BAC6 54% 51% -210%
7、 -809%平均值 76% 62% 32% -154%从以上结果可以看出：1. 总的来说，6 根活性炭滤柱对 UV254的去除比较高，其中效果最差的 BAC6 滤柱去除率为 54%，效果最好的 BAC3 滤柱则可以达到接近 88%的去除率。整体来看，运行初期破碎炭对天然有机物的吸附能力明显优于柱状炭。2. 破碎炭对耗氧量的去除效果略好于柱装炭，其中 BAC3 的去除率超过了70%，其它两种破碎炭也可以达到 65%以上。柱状炭中 BAC5 的去除效果最好，为 65%，BAC1 和 BAC6 为 51%和 54%。3. 13活性炭对 TOC 的去除效果很好，在进水 TOC 为 0.3 mg/L 时
8、，BAC1和 BAC2 的出水结果为 0 mg/L，而 BAC3 也仅为 0.01 mg/L。与它们炭相比，BAC4 的去除率略底，为 80。BAC5 去除效果较差，去除率仅为 27，而 BAC6的出水却出现了负去除。虽然从 UV254和 CODMn两个参数来看，BAC6 的去除能力也是最低的，但出现负去除是反常情况，这有可能是 BAC6 的制造过程中含有一些有机物，在滤柱通水运行的过程中被冲刷下来，造成了出水 TOC 比进水还高。4. 由表 1 可知，活性炭滤柱进水的三卤甲烷生成势已经比较低，经过滤后，只有 BAC5 对 THMFP 有一定去除，其他活性炭滤柱的出水，除 BAC2 去除率为
9、0 %以外，都表现为不同程度的升高，其中以 BAC6 升高的幅度最大，接近 6 倍。这说明活性炭滤柱对三卤甲烷生成势的控制效果不好。有文献表明 4：THMFP 是比较难被吸附的一类物质，当有易吸附的物质与其产生竞争时，它很容易从活性炭表面解吸出来，而且活性炭对 THMFP 的吸附周期也比其他吸附质短，容易出现泄漏。因此，活性炭对 THMFP 的低去除率很可能是由吸附质的特性决定的，同时也不排除天然有机物等易于被吸附的物质与其产生竞争吸附的可能性。5. 总的来说，BAC2 和 BAC3 对有机物的去除效果最好，BAC6 的效果最差。活性炭对天然有机物的控制效果最好，对消毒副产物生成势没有去除。2
10、.2 活性炭结构特征2.2.1 活性炭孔径特征实验采用比表面积、孔容积和孔径分布来表征活性炭的孔径特征。比表面积和孔容积是反映活性炭吸附能力的常规指标，由于在活性炭的孔隙结构中，微孔占了绝大的比例，所以比表面积和孔容积反映的通常是微孔的发达情况。但在水处理中，期望被去除的污染物质的分子通常比较大，它被微孔吸附的可能性就大大低于小分子吸附质，因此仅用微孔容积来衡量活性炭的吸附能力显然是不全面的。所以，实验通过孔径分布来描述不同活性炭中孔和大孔的容积，以考察它们对不同分子量大小的有机物的去除情况。活性炭的孔径特征参数见表 4 和表 5。表 4 不同活性炭的比表面积和孔容积活性炭编号 比表面积(m
11、2/g) 孔容积(mL/g)BAC1 1 114 0.5790BAC2 1 091 0.6480BAC3 1 328 0.8363BAC4 1 100 0.5636BAC5 1 027 0.5489BAC6 917.5 0.4446从分析结果来看：总体说来 BAC3 的比表面积和孔容积值与其他 5 种炭相比显出了绝对的优势，而 BAC6 的两项指标均比其他五种活性炭的低。BAC1、BAC2、BAC4 和 BAC5 相差则不大。由于活性炭的吸附能力与其内部的孔径分布特征是息息相关的，所以需要对活性炭在不同孔径范围下的孔容积作详细的分析，见表 5*。表 5 活性炭不同孔径孔容积的分布 （nm）活性炭编号 50nm 的大孔越多，水质越安全。3. 活性炭吸附能力的评价体系可以由活性炭的孔径分布、表面 Zeta 电位值以及总孔容积三个指标构建，通过该体系能快速估测活性炭对水中有机物的去除能力。并由此可作为饮用水处理中活性炭选择的依据。本文由 网站原创
