活性炭在水处理中的应用

活性炭在水处理中的应用姚煊华南师范大学化学与环境学院广州510006摘要：活性炭由于具有良好的吸附性能，化学性能稳定，可耐强酸及强碱，能经受水浸、高温、比水还轻，是多孔性的疏水性吸附剂，故已广泛的应用于处理城市饮用水和工业废水处理中，是污水处理的有效手段。关键词：活性炭，水处理水体污染已经成为当今世界各国普遍关注的问题。人们将各种不同材料应用于水处理研究领域，以寻求更有效的方法，提高用水和排水质量，减少污染。但近年来，随着污染物种类的增多，污染成分越来越复杂，采用常规水处理方法已不能满足要求，必须进行深度处理。一些作用单一的材料和方法已不适用。所以，来源广泛且容易再生，能反复利用的活性炭(AC)得以广泛应用，其强大的吸附能力和良好的机械强度使它不仅能直接作为优良的吸附剂应用于水处理中，而且还可以与其他材料联合应用，作为催化剂及催化剂载体。活性炭属无定型炭，由许多呈石墨型的层状结构的微晶不规则地集合而成，具有结晶缺陷。这些内部结构使活性炭在水处理中不仅具有吸附能力，还能起到催化作用。活性炭内部有无数微细孔隙纵横相通，其孔径为1×10-10～1×10-6μm，特别1×10-10～1×10-9μm的微孔居多，使活性炭具有巨大的比表面积(可达1000m2/g)。这些物理特性也是活性炭具有强大吸附能力的原因之一。[1]活性炭吸附能力的大小不仅与本身性质有关，还与被吸附物质的分子结构、溶解性和离子化程度等有关。活性炭按形状分为粉末活性炭(PAC)和颗粒活性炭(GAC)。目前溶液的精制脱色和水处理等液相吸附多采用粉末活性炭，以间歇接触方式进行。水处理中也常采用颗粒活性炭，在液相吸附中，颗粒活性炭主要用于固定床、移动床和流动床等处理方式。在净化给水方面，活性炭不仅对色、嗅去除效果良好，而且对合成洗涤剂也有较高的吸附能力。利用活性炭去除水中大部分有机物是其重要应用之一。此外，活性炭还能有效地去除几乎无法分解的氨基甲酸酯类杀虫剂和COD、Mn等。由于活性炭能有效地去除水中的游离氯和某些重金属(如汞、锑、锡、铬等)，且不易产生二次污染，所以也常被用于家庭用水及饮用水的净化处理工艺中。在处理工业废水中，活性炭主要用作最后的深度处理。对于石油化工和印染这类COD、BOD含量较高的废水，活性炭也可用于二级处理组合系统。而制药废水由于药物品种繁多，废水成分复杂，相应的废水处理方法也大不相同。多数情况下需要将几种处理工艺组合起来，活性炭往往在组合工艺中最后的深度处理中应用。活性炭可以与不同的材料联合应用，组成新的工艺技术，以取得更好的处理效果。例如臭氧-生物活性炭(O3-ＢＡＣ)污水回用技术。[2]活性炭改性：活性炭改性就是指用一定的方法处理活性炭使其表面官能团性质及数量发生变化。不同的处理方法可以得到不同的改性活性炭〔5～7〕。用O3与NaOH对活性炭改性后，活性炭表面含氧官能团，尤其是酚类和羧基类基团明显增多；而经过硝酸氧化则可显著增加其表面酸性基团的含量。在实际应用时，应根据被处理水的水质来确定如何进行活性炭表面改性。若用浓硝酸氧化，则活性炭表面酸性基团增多，亲水性增强，这就不利于活性炭对水中苯酚、苯胺、腐殖酸、氯仿等有机物的吸附。因此，以去除有机污染物为目的的活性炭表面改性的研究方向应为：减少表面内酯基及羧基等含氧官能团的含量，增加活性炭表面的疏水性。白树林等人利用改性活性炭对水溶液中Cr(Ⅲ)进行吸附研究中发现，用HNO3(11)氧化的活性炭在300～400℃下进行热处理，其表面可产生较多的酸性基团，获得较高的阳离子交换量，对重金属离子Cr(Ⅲ)有很好的吸附交换能力〔8〕；而若将氧化处理的活性炭在高温下(800℃以上)灼烧，则其表面会产生较多的碱性基团，获得较高的阴离子交换容量，对阴离子表现出较强的吸附交换能力。活性炭与膜联用：根据孔的大小，膜一般分为反渗透膜(RO)、纳滤膜(NF)和超滤膜(UF)。作为一种新兴工艺———活性炭与纳滤膜、超滤膜联用，被广泛研究并应用于水处理中。此工艺显著优点是能有效的去除水中的病原菌。因此，主要应用于饮用水的深度处理，为生产安全优质饮用水提供了保证。活性炭与膜联用能有效解决单独使用膜过滤而引起的膜阻塞和膜污染问题。利用活性炭对进水进行必要的前处理，以减少水中的有机物、无机物、微生物等在膜表面和膜内孔积累，从而极大地延长了膜的使用寿命。而膜的存在又可以克服单独使用活性炭的弱点，解决活性炭出水中细菌数偏高的问题。活性炭与超滤膜的联用，能有效地去除水中的CODMn、溶解性腐殖酸和富敏酸(UV254)和大肠杆菌，尤其是对UV254以及相应的消毒副产物有较高的和稳定的去除效果。GC/MS分析结果显示，经该组合处理后，水中有机物的总谱峰面积减少了71。7%(即由原水的4753919减少到出水的1342992)[4]，活性炭与纳滤膜联用能有效地去除进水中大部分TOC和Ames致突变物，使Ames试验结果均呈阴性[5]。董秉直等人对超滤膜与混凝粉末活性炭联用所做的研究也表明活性炭与膜的组合不仅可有效地去除溶解性有机物，还能降低膜过滤的阻力，提高透水量和防止膜污染[6]。此组合是获得优质饮用水的有效处理工艺。活性炭与微生物联用：在利用微生物进行水处理的体系内，无论厌氧型微生物还是好氧型微生物都可以使用活性炭作为载体与之联用，现在比较成熟的技术主要有两种：活性炭厌氧流化床和生物活性炭。厌氧流化床反应器适用于高浓度有机废水的处理。例如，应用于对含酚质量浓度为1000mg/L的废水的处理效果就很好，通过活性炭吸附，微生物分解，酚、CODCr和TOC的去除率可以分别达到99%，96%和97%。近年来也有人研究出一种新型载体———多孔聚合物载体，虽然处理效果稍好于单纯活性炭，但其造价太高，所以目前活性炭厌氧流化床方法仍有一定应用研究空间。生物活性炭是指具有巨大比表面积及发达孔隙结构的活性炭，对水中有机物及溶解氧有很强的吸附特性，将其作为载体，使其成为微生物聚集、繁殖生长的良好场所，在适当的温度及营养条件下，同时发挥活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用的水处理技术，称为BAC法。BAC法是活性炭吸附与生物降解的协同作用，微生物活动对活性炭起到再生作用，能使20%～24%的活性炭得到再生。因此，生物活性炭大大延长了活性炭的再生周期。而活性炭也可减轻废水中有害物质对微生物的影响。目前，采用的BAC法多为好氧活性炭装置，所以，为保护装置内良好的好氧条件，可采用臭氧预氧化。此技术在欧洲水处理中应用很广，对多种废水的处理显示出了良好的处理效果。总之活性炭应用于水处理至今，已有了很大发展，从开始单一活性炭吸附转变为现在的多种工艺方法联合应用。通过两种甚至多种材料之间的相互促进协同作用，可以取得更好的处理效果，这种联合所起到的作用往往要好于各种单一方法所起作用的加和。但目前存在的联合工艺并不是每种都很完善，有的虽然提高了污染物的去除率，可成本偏高或者操作程序上比较烦琐，这些都给活性炭联合工艺的推广带来一定的困难。所以，今后活性炭的研究应该从高效能、低成本、易操作等各方面综合考虑，也就是环境效益与经济效益的统一。随着水体污染的日益加剧和水质标准的提高，各国对活性炭的应用方法的深入研究更为重视。活性炭与其他材料的联合也并不是都会取得理想的处理效果，成功的组合需在大量的试验中摸索。不过，可以预见，活性炭作为水处理中不可缺少的材料，必将得到更广泛地研究和应用。参考文献[1]于洪斌,丁蕴铮.活性炭在水处理中的应用方法研究与进展.工业水处理,2003年8月第23卷第8期[2]袁志容,王晓昌,马正国.臭氧-生物活性炭污水回用技术研究.西南给排水,Ｖｏｌ.27Ｎｏ.52005[3]李光明,王华,陈玲,赵建夫.多相催化湿式氧化法再生活性炭反应条件.同济大学学报,2004年5月第32卷第5期[4]王琳,等.活性炭与超滤组合工艺深度处理饮用水[J].中国给水排水,2002,18(2)：1–4[5]龙小庆,王占生.活性炭-纳滤膜工艺去除饮用水中总有机碳和Ames致突变物[J].环境科学,2001,22(1)：75-77[6]董秉直,等.UF膜与混凝粉末活性炭联用处理微污染原水[J].环境科学,2001,22(1)：37-40