活性炭及其在净水技术中的应用

1  前言

    活性炭具有较强的吸附性和催化性能，原料充足且安全性高，耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，是一种环境友好型吸附剂。活性炭作为一种优良的吸附剂在给水处理领域得到广泛的应用，是去除水中有机物、嗅、特别是合成有机物的有效手段。活性炭具有很大的吸附性能主要是由其特殊的表面结构特性和表面化学特性所决定，同时活性炭的电化学性质对吸附性能也有很大影响。

　   随着城市生活饮用水水源受污染程度日益加剧，为提升饮用水水质，需要改造水厂常规水处理工艺，臭氧-活性炭深度水处理技术的应用将日益普及，活性炭的选型将直接影响深度水处理的效果和投资建设资金。

2  活性炭

    活性炭广泛用于工业三废治理、溶剂回收、食品饮料提纯、载体、医药、黄金提取、半导体应用、电池和电能贮存等。调整活性炭的孔隙结构，对表面基团进行改性，对提高其特殊性能和特定吸附催化作用具有十分重要的作用[1]。

    绝大部分含碳物质都可制备活性炭，如木材、锯末、煤类、泥炭类、果壳、果核、蔗渣及稻壳、石油废料、废旧塑料、废旧皮革、废轮胎、造纸废料、城市垃圾等废弃物。目前普遍认为果壳是制备活性炭的最佳原料，但我国果壳资源十分有限，且不易集中、贮存，价格昂贵。近年来，国内外对各种价格较低、来源广泛的废弃物相继进行了制备活性炭的试验[1]。目前由废弃物制得的活性炭性能并不高，实际应用还较少，但因其价格低廉、含碳率高、材料易得、原料充足且绿色无毒而日益受到青睐。有效地利用废弃物生产活性炭，不仅可节约资源且有利于保护生态环境。

    在环保产业当中，活性炭用量最大的是城市水源净化工程和污水处理工程，约占环保产业活性炭总用量的70％以上；其次是空气净化，活性炭用量也在逐年上升。然而，活性炭生产过程却存在着一定程度的环境污染。在国家环保政策越来越严的情况下，解决好活性炭生产企业的环保问题，是活性炭行业可持续发展的重大课题。有专家指出：未来10-20年，我国的活性炭需求将进一步加大，中国活性炭产业将向着低消耗、低污染和高品质、高科技的方向发展[2]。

    活性炭作为优良的吸附剂在饮水的净化、废水的深度处理、净化或储存气体等方面有着广泛的应用。研究表明，活性炭主要对相对分子质量小于3000，尤其是500-1000的有机物吸附作用较强。影响活性炭性能的主要因素有比表面积大小、孔容和孔径分布。一般比表面积、孔容越大，其吸附能力越强。

3  活性炭在净水技术中的应用

    目前,城市饮用水处理工艺以去除悬浮物、浊度和病原微生物的混凝→沉淀→过滤→消毒常规处理工艺为主，并根据水源水的特性选择适当的处理构筑物类型,组合成饮用水处理工艺流程。消毒方式主要以氯消毒为主，也有少数水厂采用二氧化氯、臭氧或紫外线消毒。出水水质一般要求达到国家颁布的生活饮用水质标准。

    对于水质良好的水源，传统的水处理工艺可获得安全合格的饮用水。但随着水源水的污染，在对有机物去除、降低三氮含量这些目前饮用水急需解决的问题上，传统的水处理工艺满足不了要求[3]，大部分地区的饮用水虽然经过了常规处理，但仍然含有多种多样的微量有机物，特别是有毒有害、致畸、致癌和致突变物质逐渐增多，人们长期饮用，会出现眩晕、疲劳、脱发、癌症发病率增高等现象[4]。随着城市化和工业化的迅猛发展，饮用水中不断出现新的病原微生物因子，加氯消毒也不能有效杀灭水中的病原菌、病毒和抗氯型的病原寄生虫如贾第虫胞囊和隐孢子虫卵囊等。抗氯型病原微生物如隐孢子虫的出现也使人们对传统的加氯消毒工艺产生了质疑[5]。

    为了改善和提高饮用水水质，有效地去除饮用水中微量有机物以及铁、锰、重金属离子等有害物质，防止THMs等致畸、致癌物质的产生，世界上众多的国家都开展了这方面的研究，并采取了相应的措施。从现有的资料来看,饮用水深度净化主要采取预氧化、活性炭吸附和臭氧氧化等措施[6]。

    活性炭在净化给水方面不仅对色、嗅去除效果良好，而且对合成洗涤剂ABS、三卤甲烷（THMs）、卤代烃、游离氯也有较高的吸附能力，也能有效地去除几乎无法分解的氨基甲酸酯类杀虫剂等。活性炭能有效地去除水中的游离氯和某些重金属（如Hg, Sb, Sn, Cr）且不易产生二次污染，常用于家庭用水及饮用水的净化处理工艺中[7]。活性炭在废水处理方面的主要优点是处理程度高、出水水质稳定。与其他方法配合使用可获得质量很高的出水水质，甚至达到饮用水标准。在净水技术中，一般分为预处理和深度处理技术。

3．1 吸附预处理技术

    吸附预处理技术是指利用物质的吸附性能或交换作用来去除水中污染物的方法。目前用于水处理的吸附剂有活性炭、硅藻土、二氧化硅、活性氧化铝、沸石及离子交换树脂等[8]。近年来又研制开发了一些新型吸附材料，如多孔合成树脂、活性炭纤维等。其中用的最多的是对水中有机污染物和臭味有较强吸附作用的疏水性物质-活性炭。但是粉末活性炭参与混凝沉淀过程后，残留于污泥中，目前尚无很好的回收再生方法，致使处理费用较高,难以推广应用。粘土矿物类吸附剂虽然货源充足、价格便宜，具有很好的吸附性能，但大量粘土投入混凝剂中增加了沉淀池的排泥量，给生产运行带来了一定困难[8][9]。

3．2 深度处理技术

以下简单介绍两种活性炭深度处理技术。

一、氧-活性炭联用深度处理技术

     活性炭是一种由大孔、中孔、微孔组成的多孔性物质, 对有机物的去除主要靠中孔和微孔的吸附作用。臭氧活性炭联用深度处理技术采取先臭氧氧化后活性炭吸附，在活性炭吸附中又继续氧化的方法。其基本原理是在炭层中投加臭氧，使水中的大分子转化为小分子,改变其分子结构形态，提供了有机物进入较小孔隙的可能性，使大孔内活性炭表面的有机物得到氧化分解，从而使活性炭可以充分吸附末被氧化的有机物，达到水质深度净化的目的[8]。当然臭氧活性炭联用技术也有其局限性，如臭氧在破坏一些有机物结构的同时也可能产生一些有毒有害的中间产物。研究结果表明，水源经臭氧2活性炭吸附深度处理,氯化后出水水质可能仍具有致突变性。

二、臭氧-生物活性炭技术

     臭氧-生物活性炭工艺是采用活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧灭菌消毒四种技术合为一体的工艺。首先利用臭氧预氧化作用，初步氧化分解水中的有机物及其它还原性物质，降低生物活性炭滤池的有机负荷，同时臭氧氧化能使水中难以生物降解的有机物断链、开环，转化成简单的脂肪烃，改变其生化特性。臭氧除了自身能将某些有害有机物氧化变成无害物外，在客观上还可以增加小分子的有机物，使活性炭的吸附功能得到更好的发挥。活性炭能够迅速地吸附水中的溶解性有机物，同时也能富集微生物，使其表面能够生长出良好的生物膜，靠本身的充氧作用，炭床中的微生物就能以有机物为养料大量生长繁殖好气菌，致使活性炭吸附的小分子有机物充分生物降解。臭氧-生物活性炭工艺能够有效地去除水中的有机物和氨氮，对水中的无机还原性物质、色度、浊度也有很好的去除效果，并且能有效地降低出水致突变活性，保证了饮用水的安全。但该法对污染源水的指标（如氨氮含量）及原处理工艺（如预氯化）部分有一定的要求[10]。

    臭氧-生物活性炭工艺是目前世界上公认的去除饮用水中有机污染物最为有效的深度处理方法之一。该工艺是在活性炭吸附的基础上发展起来的，综合了臭氧、活性炭两者的优点。若单独使用臭氧，成本高，且水中可生物同化有机碳（AOC） 增加，导致水的生物稳定性变差；单独使用活性炭，其吸附及微生物降解协同作用效果减弱，吸附的饱和周期缩短，为保持水质目标，必须经常再生[11]。臭氧-活性炭联用工艺则有效地克服了以上两者单独采用的局限性，又充分发挥了两者的优点，使水质处理效果大为改善。此外，采用臭氧-活性炭联用工艺还能有效地降低AOC （生物可同化有机碳）值，使出水的生物稳定性大为提高，活性炭上附着的微生物使其能长期保持活性，有效延长活性炭的再生周期[12]。

4   结  语

    目前我国大部分城市水源受到不同程度污染,常规处理工艺不能有效工作的情况下,活性炭可作为饮用水处理深度处理、预处理的有效手段,从而针对活性炭去除饮用水中有机物质的研究很有意义。在预处理方面，因新型吸附材料的发展，使吸附预处理具有较好的应用前景；在深度处理方面，臭氧-生物活性炭技术已成为微污染水处理的主流工艺。今后的水处理技术将越来越强调将物理、化学、生物等方法有机结合起来，充分发挥各自的技术特点和优势进行综合治理，以达到最低成本下的最佳去除效果。当然，要真正解决饮用水水质问题,除加强水处理工艺技术发展外，还应加强源头控制，加强环境保护的宣传，提高全民的环境意识等。