煤質(zhì)活性炭在飲用水處理應(yīng)用中的問題

1、概述

目前，我國(guó)飲用水健康問題依然嚴(yán)峻，解決飲用水健康問題任重道遠(yuǎn)。煤質(zhì)活性炭除主要應(yīng)用于個(gè)體和集體防護(hù)裝備的裝填材料外，它以其良好的吸附性能、巨大的比表面積和高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，在飲用水處理的應(yīng)用也越來越受到自來水行業(yè)的青睞。進(jìn)入21世紀(jì)以來，煤質(zhì)活性炭在臭氧/生物活性炭（O₃/BAC）工藝中的應(yīng)用技術(shù)得到廣泛研究與發(fā)展，在我國(guó)長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)相繼建成了一批采用該工藝的深度處理水廠，取得了較好的處理效果。另外，在處理突發(fā)飲用水污染事件和應(yīng)急水工程項(xiàng)目中，煤質(zhì)活性炭也發(fā)揮了其特殊的功效。如2005年11月松花江水污染事件，2007年7月秦皇島飲用水微污染應(yīng)急工程等，都是采用煤質(zhì)活性炭?jī)艋�處理解決了問題，轉(zhuǎn)危為安，使當(dāng)?shù)厥忻窈壬狭私】敌l(wèi)生的飲用水。

煤質(zhì)活性炭在飲用水處理應(yīng)用中的地位越來越高，以日產(chǎn)10萬噸自來水廠為例，在深度處理工藝應(yīng)用中需煤質(zhì)活性炭700~1200m³，該活性炭選擇得當(dāng)，應(yīng)用中工藝適用，則可延長(zhǎng)活性炭的使用壽命，到再生周期時(shí)，再生工藝和方法選用合適，則仍可延長(zhǎng)使用壽命，從而大大降低制水成本。在應(yīng)急工程，突發(fā)事件的處置應(yīng)用中，煤質(zhì)活性炭參數(shù)的選擇也是非常值得探討的問題，選擇適宜，既可及時(shí)處理突發(fā)事故，還可降低處置費(fèi)用。

2、值得探討的問題

煤質(zhì)活性炭在飲用水處理中的應(yīng)用越來越多，所需的煤質(zhì)活性炭數(shù)量也越來越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)活性炭的年產(chǎn)量現(xiàn)已達(dá)到30多萬噸，占世界產(chǎn)量約1/3，其中用于凈化水用的煤質(zhì)活性炭約占40%左右，說明每年有10多萬噸煤質(zhì)活性炭投放市場(chǎng)進(jìn)行凈化處理。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和O₃/BAC技術(shù)的推廣應(yīng)用，煤質(zhì)活性炭的需求量還將擴(kuò)大。因此，如何選擇參數(shù)適用的，使用功能良好的煤質(zhì)活性炭；如何用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)文件規(guī)范煤質(zhì)炭的生產(chǎn)和應(yīng)用；以及煤質(zhì)炭的再生使用和延長(zhǎng)煤質(zhì)炭的使用壽命等問題都擺在了活性炭廠家和水行業(yè)應(yīng)用部門的科技人員面前，值得深入探討。

2.1 煤質(zhì)炭的選擇

對(duì)于一個(gè)水廠或一項(xiàng)飲用水技改項(xiàng)目，當(dāng)進(jìn)行深度處理項(xiàng)目或應(yīng)急工程運(yùn)行籌劃時(shí)，擺在設(shè)計(jì)者、決策者面前的占投資份額較大的一筆即是煤質(zhì)活性炭的投資預(yù)算。煤質(zhì)活性炭的投資和選擇一般通過招標(biāo)進(jìn)行，從目前各地的招標(biāo)文件看，存在一些問題：一是片面追求高指標(biāo)，這里的指標(biāo)主要指煤質(zhì)炭的碘值、亞甲藍(lán)吸附值、苯酚吸附值、灰分等，二是不做詳細(xì)的模擬脫除當(dāng)?shù)厮�質(zhì)中有機(jī)物的試驗(yàn)，想當(dāng)然地選擇炭型、炭種，結(jié)果是因上述問題造成投資大，而處理結(jié)果不理想的各種問題的產(chǎn)生。

大家知道，活性炭碘值、亞甲藍(lán)吸附值、苯酚吸附值只表征活性炭對(duì)碘分子、亞甲藍(lán)分子、苯酚分子的吸附能力。吸附碘的活性炭的較小孔徑為1.0nm，吸附亞甲藍(lán)的活性炭的較小孔徑為1.5nm ，它們均屬于活性炭的微孔吸附范圍。天然水體中的天然有機(jī)物是多種不同有機(jī)物的混合物，如腐殖質(zhì)、親水酸類、蛋白質(zhì)、類脂、碳水化合物、羥酸、氨基酸等，分子大小在0.5~400nm之間，因此片面追求高碘值、亞甲藍(lán)值，只說明活性炭的微孔發(fā)達(dá)而已，對(duì)有機(jī)物的脫除效果并非理想。這里推薦使用動(dòng)態(tài)“柱子”試驗(yàn)來進(jìn)行煤質(zhì)活性炭的選擇，試驗(yàn)裝置及流程見圖1：

動(dòng)態(tài)“柱子”試驗(yàn)需在要處理的源水現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，模擬市政設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的處理工藝，選擇幾種煤質(zhì)活性炭為試驗(yàn)炭，確定試驗(yàn)條件，進(jìn)出水檢測(cè)COD、UV254、 氨氮、總氮、總磷、三氯甲烷等項(xiàng)目，繪制相關(guān)曲線后綜合評(píng)價(jià)，選出其中較好的適宜當(dāng)?shù)厮�質(zhì)的活性炭品種來，以供實(shí)際工程使用。

2.2 新舊國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的變化

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范和指導(dǎo)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及應(yīng)用的技術(shù)性文件。《凈化水用煤質(zhì)顆粒活性炭》GB/T7701.2-2008是較新活性炭國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。它代替GB/T7701.4-1997標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)GB/T7701.4-1997的修訂。GB/T7701.4-1997執(zhí)行10多年，存在一定不足：它的技術(shù)指標(biāo)列了孔容積、比表面積、漂浮率、pH值、苯酚吸附值、水分、強(qiáng)度、碘值、亞甲藍(lán)吸附值、灰分、裝填密度、粒度等項(xiàng)目，并將碘值、亞甲藍(lán)吸附值、灰分、裝填密度進(jìn)行了合格品、一級(jí)品、優(yōu)級(jí)品的分級(jí)，這就客觀上讓使用者認(rèn)為碘值，亞甲藍(lán)吸附值高的、灰分、裝填密度值低的，就是品質(zhì)優(yōu)良的煤質(zhì)活性炭。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)缺少實(shí)際指導(dǎo)水行業(yè)使用的具體吸附有機(jī)物的指標(biāo)。

GB/T7701.2-2008于2008年11月20日發(fā)布。2009年5月1日實(shí)施。與GB/T7701.4-1997相比，主要變化如下：取消了質(zhì)量分級(jí)，不再以碘值、亞甲藍(lán)吸附值、裝填密度的指標(biāo)高低進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)，增定了水溶物指標(biāo)，出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目中亞甲藍(lán)吸附值由檢驗(yàn)項(xiàng)目更改為供需雙方商定項(xiàng)目，碘值更改為≥800mg/g，取消了灰份標(biāo)準(zhǔn)，孔容積與比表面積不再規(guī)定具體技術(shù)指標(biāo)，增加了附錄A腐殖吸附性的測(cè)定，附錄B丹寧酸吸附的測(cè)定，附錄C水溶物測(cè)定，這些修訂都是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，是比較科學(xué)的，下面詳細(xì)介紹這些變化的科學(xué)依據(jù)。

碘的分子量為254，亞甲藍(lán)的分子量為374，二者的平均分子直徑為0.84nm和0.96nm，較佳的吸附孔徑范圍是1.7~5nm和1.6~5.7nm，由此可見，碘值、亞甲藍(lán)值主要是表征活性炭的微孔，特別是一級(jí)微孔的發(fā)達(dá)程度，而天然水體中的有機(jī)物多種不同有機(jī)物的混合物，有機(jī)物的分子大小和分子量分布差異較大，分子大小在0.5~400nm間。活性炭的孔可分為：一級(jí)微孔（<0.8nm）和二級(jí)微孔（0.8-2nm），中孔（2~50nm）和大孔（>50nm），對(duì)天然水體中有機(jī)物具有吸附作用的是活性炭的二級(jí)微孔和中孔，因此，2008版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，取消了碘值、亞甲藍(lán)值的質(zhì)量分級(jí)，不再以碘值、亞甲藍(lán)值的高低確定合格品、一級(jí)品、優(yōu)級(jí)品。

灰分與活性炭的原料有關(guān)，木質(zhì)炭灰分很少，煤質(zhì)炭的灰分來源于煤中的礦物質(zhì)。灰分為煤質(zhì)活性炭的無用物，活性炭制造廠家力求通過精選灰分含量低的原煤作基質(zhì)降低成品活性炭的灰分，對(duì)于煤質(zhì)炭來講，固化在活性炭中的灰分不可怕，因?yàn)樗�大部分不溶于水，如SiO₂等，而應(yīng)重視的是水溶性灰分，即能溶解至水體中的物質(zhì)，因此，2008版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，取消了灰分指標(biāo)，而增加了水溶物項(xiàng)目指標(biāo)，充分體現(xiàn)實(shí)用性。

為了切合水行業(yè)的實(shí)際吸附有機(jī)物的需求，在2008版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中增加了腐殖酸吸附值、丹寧酸吸附值特殊吸附試驗(yàn)技術(shù)要求。因?yàn)樘烊凰�體中的腐殖質(zhì)主要包括腐殖酸，丹寧酸這些大分子有機(jī)物；美國(guó)AWWA標(biāo)準(zhǔn)就有丹寧酸的試驗(yàn)方法，通過增加腐殖酸、丹寧酸吸附性能，使煤質(zhì)活性炭更切合水行業(yè)的實(shí)際使用，突出煤質(zhì)活性炭對(duì)大分子有機(jī)物的吸附性能。

2.3再生問題

活性炭如果用過一次就拋棄，其吸附的有害物質(zhì)會(huì)引起二次污染，也浪費(fèi)活性炭資源，增加操作費(fèi)用。因此，活性炭的再生從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)角度來看是很有必要的，對(duì)于煤質(zhì)活性炭來講，再生顯得更為重要，因?yàn)轱嬘盟�中的有機(jī)污染物大多可解吸、脫附，且已有多個(gè)再生使用的實(shí)例。粉狀煤質(zhì)活性炭用于應(yīng)急處理水源突發(fā)污染事件，使用后單獨(dú)分離，回收，再生較為困難，一般隨水廠的污泥一并處理。

顆粒煤質(zhì)活性炭在飲用水處理應(yīng)用中一般有兩種應(yīng)用方式，一種為濾池應(yīng)用，即在飲用水常規(guī)處理（混凝、沉淀、過濾、消毒）基礎(chǔ)上，在常規(guī)過濾前后，增加活性炭濾池達(dá)到過濾與吸附雙重作用。第二種為生物活性炭應(yīng)用方式，其工藝流程為：源水→預(yù)臭氧→常規(guī)處理→后臭氧→煤質(zhì)活性炭→消毒→出水。

這兩種應(yīng)用方式中的活性炭都可以進(jìn)行再生處理。如何確定使用中的活性炭需要再生，可以從出水水質(zhì)的變化及提取濾池中活性炭樣品進(jìn)行分析等多個(gè)渠道進(jìn)行。一般情況下，濾池應(yīng)用方式中的煤質(zhì)活性炭，正常使用一年后；生物活性炭應(yīng)用方式中的煤質(zhì)活性炭，正常使用兩年后，應(yīng)進(jìn)行再生，并補(bǔ)充新炭。

再生方法應(yīng)用廣泛的是熱再生法，在再生爐中加熱再生。需再生的活性炭在再生爐內(nèi)要經(jīng)歷3個(gè)階段：干燥、分解和活化再生。干燥階段，大約100℃，水蒸汽和易揮發(fā)物質(zhì)被蒸發(fā)除去。然后升溫至650~760℃，使有機(jī)物被分解成揮發(fā)性的碳?xì)浠�合物，再升溫�?00℃左右，水蒸汽活化，完成煤質(zhì)活性炭的再生。

煤質(zhì)活性炭通過再生一次，得率大約在85%左右，性能恢復(fù)率在85%~95%之間，一般再生得率的多少取決于煤質(zhì)炭的強(qiáng)度和吸附有機(jī)物的程度，性能恢復(fù)率取決于活化工藝和吸附有機(jī)物質(zhì)的種類，煤質(zhì)活性炭強(qiáng)度較高，吸附的有機(jī)物易于脫附，再控制好再生活化工藝就會(huì)取得再生得率高，性能恢復(fù)率高的效果。

在再生問題上值得深人探討的是，如何爭(zhēng)取更多再生次數(shù)，使煤質(zhì)活性炭總體使用周期更長(zhǎng)的問題。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，初選煤質(zhì)炭的強(qiáng)度要高，但吸附性能不取較高的，這樣既保證了使用性能，還能延長(zhǎng)再生次數(shù)，使總體煤質(zhì)炭使用壽命延長(zhǎng)。從理論上講，煤質(zhì)炭吸附性能高，需要活化程度高，而活化程度是要影響強(qiáng)度指標(biāo)的，活化程度高的炭，強(qiáng)度必然降低。因此，煤質(zhì)活性炭初選時(shí)一定要保證吸附性能滿足需要的前題下，選擇強(qiáng)度較高的炭種，這樣既經(jīng)濟(jì)又適用，還延長(zhǎng)了再生周期，是一舉多利的好選擇。

3、結(jié)論

煤質(zhì)活性炭在飲用水處理應(yīng)用中選炭是關(guān)鍵，有條件的水廠可進(jìn)行動(dòng)態(tài)“柱子”試驗(yàn)對(duì)多種煤質(zhì)活性炭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，通過試驗(yàn)，選取適宜的炭種。無條件自行試驗(yàn)的，可委托研究部門或活性炭生產(chǎn)廠家?guī)椭�試�?yàn)。

碘值，亞甲藍(lán)值不宜選指標(biāo)較高的，應(yīng)進(jìn)行腐殖酸、丹寧酸吸附性能評(píng)價(jià)和強(qiáng)度類物理性能綜合評(píng)價(jià)，以滿足煤質(zhì)活性炭的使用功能。

GB/T771.2-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已開始實(shí)施，它是指導(dǎo)和規(guī)范煤質(zhì)活性炭生產(chǎn)和水處理應(yīng)用企業(yè)的技術(shù)文件。各生產(chǎn)和應(yīng)用企業(yè)應(yīng)切實(shí)遵照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，并在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為下一次修訂積累科學(xué)依據(jù)。

再生問題要在初選煤質(zhì)炭時(shí)就加以關(guān)注，再生方法可采用熱再生法，通過再生延長(zhǎng)煤質(zhì)炭使用壽命，從而降低制水成本。