粉末活性炭在上海市饮用水处理中的应用

净水技术2017,36(7):5-12WaterPurificationTechnology热点聚焦丨【栏目导读】活性炭是市政供水常用的应用材料之一，被广泛应用于水厂工艺、原水应急处理，以I及家庭终端净水设备中。2017年本栏目邀请上海华严检测技术有限公司，通过对现有资料的收手集、整理和分析，从多个角度开展活性炭在饮用水处理中的应用发展研究，并将成果以连载形式供f同行参考。+邱爱华，牟小林,宋思杨，等.粉末活性炭在上海市饮用水处理中的应用[J].净水技术,2017,36(7):5-12.QiuAihua,MouXiaolin,SongSiyang,etal.ApplicationofpowderedactivatedcarbonindrinkingwatertreatmentinShanghaiCity[J].WaterPurificationTechnology,2017,36(7)：5-12.粉末活性炭在上海市饮用水处理中的应用邱爱华\牟小林2，宋思杨3，王蒙蒙3，何欢3(.德州市陵城区水务局，山东德州253000;.高密市水业公司，山东潍坊261000;.上海华严检测技术有限公司，上海200082)摘要粉末活性炭(PAC)吸附处理技术已经成为水处理中应急去除色度、嗅、味以及有机物的主要技术之一。简要介绍了PAC的吸附机理;从PAC的产品标准、投加方式、投加量的确定、PAC种类选择、投加位置的选择及相关注意事项等方面，系统总结了PAC的工程应用技术;上海市供水系统在取水头部和水厂头部均设置了PAC投加装置，在应急处置季节性藻类引起的嗅味及其他突发性水质污染问题时，发挥了重要作用，极大提高了上海市供水水质应急保障能力。关键词粉末活性炭饮用水处理应用中图分类号：TU991.2文献标识码：A文章编号：1009-0177(2017)07-0005-08DOI：10.15890/j.cnki.jsjs.2017.07.002ApplicationofPowderedActivatedCarboninDrinkingWaterTreatmentinShanghaiCityQiuAihua1,MouXiaolin2,SongSiyang3,WangMengmeng3,HeHuan3(i.WaterSupplyAuthorityofDezhouCityLingchengDistrict，Dezhou253000,China；2.WaterSupplyCompanyofGaomi，Weifang261000,China；3.ShanghaiHwayonTestingTechnologyCo.，Ltd.，Shanghai200082,China)AbstractPowderactivatedcarbon(PAC)adsorptiontreatmenttechnologyhasbecomeoneofthemaintechniquesforemergencyremovalofchroma，odor，tasteandorganicmatterinwatertreatment.AdsorptionmechanismofPACisbrieflyintroduced.EngineeringapplicationtechnologyofPACfromPAC’sproductstandard，dosingmethod，determinationofdosage，selectionofPACtype，selectionofdosingpositionandrelatedprecautionsaresummarized.TheheadsofwaterintakeandwaterplantofwatersupplysysteminShanghaiareprovidedwiththedosageofPACdevicetodealwiththeemergencycausedbyseasonalalgaesmellandothersuddenwaterpollutionproblems，andithasplayedanimportantrole，whichgreatlyimprovestheemergencyresponsecapabilityofwatersupplyinShanghai.Keywordspowderedactivatedcarbondrinkingwatertreatmentapplication活性炭在水处理中的应用已有悠久的历史[1]。自1929年美国新米尔福水厂首次使用粉末活性炭去除—5—邱爱华，牟小林，宋思杨，等.粉末活性炭在上海市饮用水处理中的应用Vol.36,No.7,2017氯酚产生的嗅味以来，粉末活性炭在水处理中的使用已有80多年，研究发现它对水中的色、嗅、味的处理效果都非常显著。粉末活性炭吸附处理技术已经成为水处理中去除色、嗅、味以及有机物的有效方法[2]。1PAC吸附机理PAC微孔结构发达、比表面积大、吸附性能优良，可有效去除嗅味、色度、氯化有机物、农药、天然有机物及人工合成有机物。PAC是用含炭为主的物质作原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂。在原料进行活化过程中，含炭有机物去除后使基本晶格间生成孔隙，形成很多的形状和大小各异的细孔，孔壁的总面积即为比表面积。由于具有较高的比表面积，活性炭具有较强的吸附能力，但比表面积相同的活性炭其吸附量不一定相同，这是由孔隙构造和分布不同所致。PAC的孔隙构造随原料、活化方法、活化条件不同而异，一般其孔隙可分为三类：（1)小孔（微孔），半径在2nm以下，其表面积占比表面积的95%以上，对吸附量的影响最大，呈现出很强的吸附作用；（2)中孔(过渡孔），半径为2〜50nm，其表面积占比表面积的5%以下，它不仅为吸附质提供扩散通道，影响扩散速度，而且有利于大分子物质的吸附，能用于添载触媒及脱臭用化学药品，随着所添载的化学药品种类的不同，具有不同的机能;（3)大孔，半径大于50nm，表面积只有0.5〜2m2/g，占比表面积的比例不足1%，它主要为吸附质提供扩散通道，大孔主要作用是溶质到达活性炭内部的通道，对液相物理吸附。大孔的作用不大，但作为触媒载体时大孔的作用甚为显著；中孔同时起到吸附和通道的作用，因此吸附质的扩散速度又受过渡孔的影响;微孔为活性炭比表面积的主要部分，是活性炭吸附微污染物的主要作用点。PAC的吸附不仅受其孔隙结构的影响，也受吸附质特性、天然有机物、余氯浓度等因素的影响。PAC不适合吸附溶解度高的有机物，这是由于该类有机物与极性溶剂之间有较强亲和力，而PAC为疏水性吸附剂，故难以吸附该类有机污染物。吸附质分子大小对PAC吸附能力影响较大，当吸附质分子大小接近PAC空隙大小时，PAC吸附能力最强[3]。研究表明，PAC可有效吸附嗅味物质，PAC对五种嗅味物质的吸附量依次为三氯乙酸(TCA)2-甲氧基-3-异丁基吡嗪（IBMP)2-甲氧基-3-异丙基吡嗪（IPMP)土臭素(Geosmin)2-甲基异茨醇(2-MIB)[],且2-MIB的吸附量远低于Geosmin,这是由于Geosmin溶解度低，同时其结构易被PAC狭长状的空隙吸附。PAC吸附能力的影响因素如表1所示。表1PAC吸附能力的影响因素Tab.1InfluencingFactorsofPACAdsorptionCapacity影响因素PAC吸附能力活性炭性质活性炭微孔比例丁吸附能力丁活性炭原料木质/椰壳为佳吸附质分子量为500〜1000吸附能力较佳环境因子吸附质极性丁吸附能力i水中天然有机质丁吸附能力i温度水中影响不大pH中性较佳接触时间丁吸附能力丁混凝剂剂量丁吸附能力i加氯量丁吸附能力i2PAC工程应用技术2.1产品标准国内外针对PAC在饮用水处理中的标准规范有美国自来水协会标准（AWWAB600-10)、英国标准(BSEN12903:2009)、日本下水道协会标准（JWWAK113:2005)与国内木质净水用活性炭标准（GB/T13803.2—1999)和生活饮用水净水厂用煤质活性炭标准（CJ/T345—2010)等，各PAC标准对吸附能力的要求如表2所示。一6—净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGYVol.36,No.7,2017July25th,2017表2PAC吸附能力规范Tab.2SpecificationofPACAdsorptionCapacityAWWABSENJWWAGB/TCJ/TGB/T13803.2—1999B600-1012903：2009K113：20057701.2—2008345—2010一^级品二级品原料来源粒径分布100mesh筛网残余1%(木质5%)200mesh筛网残余5%(木质15%)325mesh筛网残余10%(木质40%)150pm筛网残余5%75pm筛网残余10%煤质煤质木质木质碘吸附值/(mg•g1)彡500一彡900彡800彡900^1000彡900酚值一一25一25一一ABS吸附值*一一50一一一一亚甲基蓝吸附值/(mg•g_1)一一彡150彡120彡150彡135彡105强度一一一彡85%一彡94%彡85%表观密度/(g.mL_1)0.2〜0.75一一一一0.45〜0.550.32〜0.47注：*烷基苯磺酸钠（ABS)吸附值2.2投加方式粉末活性炭投加的方式有两种，分别为干式投加和湿式投加。干式加药系统利用干粉投加药机等设备将粉状活性炭通过水流喷射器直接投加到处理水体中，主要单元一般包括储料间、进料单元、储料仓、计量投加药设备、自动控制系统五部分。湿式投加药系统先将PAC调制成5%〜10%的炭浆液，再通过计量泵加到水中，主要设备单元一般包括储料间、进料单元、储料仓、炭浆混合设备、炭浆投加药设备、自动控制系统六部分[5]。干式投加药系统比较简单，占地面积小，但干式PAC具有易燃易爆的危险性，且设备容易出现故障，需配备专业的维护人员。湿式投加药系统计量较精确，混合均匀，但需要设置专门的炭浆池，占地面积较大，设备也较复杂。在对PAC进行投加时，投加方式需要结合场地条件、投加量来进行选择[]。图1〜图4为不同的投加药系统。一7—邱爱华，牟小林，宋思杨，等.粉末活性炭在上海市饮用水处理中的应用Vol.36,No.7,20172.3投加量及炭种选择PAC投加量较少时，其吸附容量可充分利用，但有机物浓度较高时，出水难以达标;投加量过多，目标物质出水浓度低，水质达标，但PAC未被充分利用，制水成本高。由于PAC孔隙形状、大小、分布、表面官能团分布、灰分组成和含量不同，吸附特性不同，适合每种水源水质的炭种不同[7]。因此需要进行混凝搅拌试验来确定合适的投加量与炭种。每个杯瓶加入1L有嗅味污染的原水，开启搅拌装置至60〜80r/min，同时向每个杯瓶添加0、0.5、1、2mLPAC，则其PAC浓度分别为0、5、10、20mg/L。以60〜80r/min搅拌5min，结束后，每一杯瓶同时添加0.175mL混凝剂溶液，则每一杯瓶的混凝剂浓度为20mg/L，降低转速至30r/min，搅拌20min，随后停止搅拌，沉淀1h，取上澄液600mL予以过滤，以SPME-GC/MS分析MIB/Geosmin嗅味浓度。PAC剂量与嗅味去除率变化关系如图5所示。以去除率90%为例（起始浓度为100ng/L，欲达嗅味阈值10ng/L)，所需PAC的最佳剂量为19mg/L。分别以四种不同PAC(PAC-A、PAC-B、PAC-C、PAC-D)进行上述试验，建立去除率-PAC剂量关系如图6所示。—8—净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGYV〇1.36,N〇.7,2017July25th,2017图4大包装自动拆包湿式投加药系统Fig.4WetDosingSystemofLargePackageandAutomaticalUnpacking图5PAC剂量与嗅味去除率变化关系Fig.5RelationshipbetweenPA