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粉状活性炭(PAC)在给水处理中的应用

导读:1.概述 由于水质标准的提高和受污染水源的不断增加,水厂一般用常规净水工艺难以将水中微量有毒、有害物质处理到符合卫生要求的生活饮用水水质。活性炭常与某些常规净水工艺适当结合,作为一种理想的深度净水手段,受到水处理工作者的高度重视。 活性炭主要有

1.概述

由于水质标准的提高和受污染水源的不断增加,水厂一般用常规净水工艺难以将水中微量有毒、有害物质处理到符合卫生要求的生活饮用水水质。活性炭常与某些常规净水工艺适当结合,作为一种理想的深度净水手段,受到水处理工作者的高度重视。

活性炭主要有粉状活性炭(PAC)和颗粒活性炭(GAC)两种。主要吸附分子量在100-10000之间的 化合物。吸附成因包括有机物的疏液性和有机物对活性炭的亲合性。这种亲合性主要是电吸附、范得华引力等物理吸附和活性炭表面非结品部位不同官能团对水中物质的化学吸附。

2.粉状活性炭(PAC)的应用

欧洲于1909年正式开始利用奥斯特雷杰科专利制造粉状活性炭。1929年美国新米尔福水厂用粉状活性炭去除酚产生的嗅味。此后,活性炭吸附成为给水界用于去除 色、嗅、味和其它有机物的有效方法。

选择粉状活性炭投加点时,应注意以下几点:

(1)应保证粉状活性炭与全部处理水有良好的混合和接触。

(2)有吸附去除有机物所需的充足时间。

(3)要尽量减少水处理中化学药品(如混凝剂等)对粉状活性炭吸附作用的干扰。

(4)处理后的水质不能降低。

充足的接触时间是十分重要的,各种有机物所需的接触时间与各自分子的性质和浓度有关。在没有混凝与吸附竞争和矾花絮体干扰的情况下,对小分子,如二甲基苯酚(分子量= 122,浓度 =90mg/L ,炭的剂量250mg/L)与325#(粒径44μm)颗粒充分混合,15分钟可达吸附平衡。当分子量增加,进入粉状活性炭孔稼的扩散速度减小。例如,染料碱性蕊香红(分子量=422),大约需5小时才能达到平衡,分子重1000的黄福酸箭17小时,分子量5000的腐植酸需二天时间,吸附动力和平衡容录取决于所使用的粉状活性炭类型。假如不能提供充足的吸附时间,则需要增加粉状活性炭的剂量来达到所需的去除效果。且吸附量与吸附速度都明显优于颗粒活性炭。

粉状活性炭可采用干式投加和湿式投加两种方法。一般干式投加采用干式投加机,湿式投加采用计量泵。在常规处理厂,粉状活性炭的一般投加点是:水厂进水口,快速混合处,滤池进口。另外还可投加在快速混合前的连续泥浆反应器里。在不存在矾花絮体条件下,粉状活性炭可与水剧烈混合,获得快速吸附的动力。然后通过快速混合与矾花絮体结合,一起通过沉淀和过滤去除。下面表1列出了各投加点的优缺点。

表1 粉状活性炭不同投加点的优缺点

投加点 优点 缺点
进水口 接触时间长、混合好。 可能吸附凝聚作用去除的某些物质,因此增加了炭的用量。
快速混合 在快速混合和絮凝作用下混合良好,接触时间合理。 因为凝聚剂的干扰,可能降低了吸附作用,对某些污染物达到平衡状态的接触时间可能太短,与能被凝聚去除的某些分子可能出现竞争。
滤池进水 粉状活性炭有效地使用。 粉状活性炭漏失,可能进入清水池或配水系统。
在快速混合前泥浆反应器 可设计接触时间混合良好,与絮凝剂无干扰,在絮凝和沉淀期间有增加接触时间的可能。 需要建新的池子和混合器,与能被凝聚去除的某些份子可能出现竞争。

3.粉状活性炭的特色工艺研究

由于考虑经济因素,粉状活性炭的投量受到限制,一般都要求低于15-30mg/L,这样对于一些有机物的吸附效果不明显。同时粉状活性炭的吸附容量往往不能充分发挥。针对这一问题,在粉状活性炭特色工艺开发方面已有了一些有益尝试,开辟了粉状活性炭代替GAC的前景。其特点是高浓度的炭液接触和粉状活性炭在工艺中停留时间的延长。

将粉状活性炭投加到泥涟接触澄清池中,由于粉状活性炭与水接触时间的延长,可以大大改善粉状活性炭的吸附性能。 将粉状活性炭累积在澄清的悬浮泥渣层中,可使PAC浓度高达3200mg/L。而且在这种条件下,粉状活性炭与水接触条件会更好。对吸附容量研究表明,粉状活性炭停留时间在100小时以内时,对氯仿的吸附性能无明显降低。

日本玉川净水厂采用把沉淀池一部分改建成大约能停留一小时左右的PAC接触池工艺,使效果和经济性都得到了改善。

Adham在超滤池投加粉状活性炭,回流运行,可使粉状活性炭浓度达600mg/L,从而使TOC去除率从10%以下提高到45%。同时充分利用了吸附容量。

同济大学范现初教授课题组研究的粉状活性炭与硅藻土联用技术,也是将粉状活性炭累积在硅藻土滤膜中,处理自来水,可使UV消光值降低70%以上,CODMN和TOC亦去除40%以上,取得很好效果。

德国威斯巴登水厂于八十年代将微小的树脂球滤料表面涂覆粉状活性炭外壳,当吸附饱和时,进行反冲,将粉状活性炭从支承介质上冲洗下来。以聚苯乙烯滤球为过泌介质和粉状活性炭的附着填料,研制了一种粉状活性炭吸附与混凝过速相结合的装置,可去除有机物60%以上,对溶解有机物的去除率稳定在20%以上,对4-苯酚也有20%的去除率,对THMFP能去除50%-60%。

4.粉状活性炭的吸附效能

4.1 去除敛嗅、味物质

关国广泛应用粉状活性炭控制嗅、味,产生性味问题的化合物,从强吸附性的低分子化合物如2.4二氯苯酚(2.4-DCP)到弱吸附性的高分子化合物如腐植物质类型的某些化合物等有很大的不同。这就造成了粉状活性炭吸附效率的很大差异。

4.2 去除农药和除草剂

水源中不断发现在农药和除草剂正引起不少水处理工作者的重视。

美国饮用水标准中包括六种杀虫剂,异狄氏剂、高丙体六六六、甲氧基氯、毒杀芬、2,4-D和2,4.5-TP(2.4.5-涕丙酸)。自1989年5月提出的新标准不包括异狄氏剂,但包括十一种补充杀虫剂。

对粉状活性炭去除地表水体中农药类物质研究表明。粉状活性炭对草不绿、卡巴呋喃、西玛嗪、莠去津、利谷隆等用絮凝基本无法去除的亲水性有机物有很强的吸附,并提出粉状活性炭使用的经济条件:去除率要求不是很高(低于80%)而投炭量小于30mg/L时宜采用。

4.3 合成有机物SOCs

合成有机化合物是制造工业的广泛产物,其中某些产物对人类和动物的健康是有害的。有时,这些化合物由于偶然的溢出、泄漏、倾倒、或浸入地下含水层污染了天然水源。

在路易斯安那州,新奧尔良对密西西比河中四种合成有机化合物粉状活性炭吸附的试验室研究表明,采用常规处理工艺,并投加50和500mg/L的粉状活性炭剂量去除1.2- 二氯乙烷、苯、甲苯。在研究期间原水中化合物浓度不断变化,但从未超过1μg/L。数据表明:除非采用粉状活性炭,否则不能去除。

4.4 去除三卤甲烷前质

自从三卤甲烷的饮用水水质指标在一些国家制定后,活性炭对THMS的吸附性能受到相当的重视。.

THMS对人体健康有潜在的危害性,ROOK认为这些化合物的形成是天然有机物质与氯之间反应的结果。有时可用总有机炭(TOC)的去除率来代表THMFP的减少。但是,因为有机物的特性不同,所有水的TOC和THMFP之间没有一定的相关关系。

4.5 去除三卤甲烷(THMS)

为了控制细菌及藻类在水处理厂中生长繁殖,在饮用水处理前有时进行预氯化。在这种情况下,形成THMS的反应发生在投加粉状活性炭之前。这时投加,水中将含有剩余的THMFP、THMS和某些余氯。但是,氯和活性炭表面之间的氧化还原反应,将导致活性炭对酚醛一类化合物吸附能力的降低,也将导致余氯的破坏。对其它化合物的吸附能力也有类似的下降。因此,投加粉状活性炭对处理后水中THMS依度的影响,并不一定是由于对THMFP或THMS的吸附,而余氯浓度的减少会使THMS形成量减少。

5.结语

粉状活性炭的主要优点有:吸附速度快,费用较低,而且可根据水质决定是否选用粉状活性炭或根据污染窃类型随时更换炭种。随着世界性的给水水源水质恶化,粉状活性炭在给水处理中的应用将越来越广泛,在控制污染,提高供水水质方面发挥重要作用。

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