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粉末活性炭在上海市飲用水處理中的應(yīng)用活性炭在水處理中的應(yīng)用已有悠久的歷史。自1929年美國新米爾福水廠首次使用粉末活性炭去除氯酚產(chǎn)生的嗅味以來，粉末活性炭在水處理中的使用已有80多年，研究發(fā)現(xiàn)它對水中的色、嗅、味的處理效果都非常顯著。粉末活性炭吸附處理技術(shù)已經(jīng)成為水處理中去除色、嗅、味以及有機(jī)物的有效方法。 PAC微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附性能優(yōu)良，可有效去除嗅味、色度、氯化有機(jī)物、農(nóng)藥、天然有機(jī)物及人工合成有機(jī)物。PAC是用含炭為主的物質(zhì)作原料，經(jīng)高溫炭化和活化制得的疏水性吸附劑，在原料進(jìn)行活化過程中，含炭有機(jī)物去除后使基本晶格間生成孔隙，形成很多的各種形狀和大小的細(xì)孔，孔壁的總面積即為比表面積。由于具有較高的比表面積，活性炭具有較強(qiáng)的吸附能力，但比表面積相同的活性炭其吸附量不一定相同，這是由孔隙構(gòu)造和分布不同所致。 PAC的孔隙構(gòu)造隨原料、活化方法、活化條件不同而異，一般其孔隙可分為三類：1）小孔（微孔），半徑在2 nm以下，其表面積占比表面積的95%以上，對吸附量的影響最大，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附作用；2）中孔（過渡孔），半徑為2-50 nm，其表面積占比表面積的5％以下，它不僅為吸附質(zhì)提供擴(kuò)散通道，影響擴(kuò)散速度，而且有利于大分子物質(zhì)的吸附，能用于添載觸媒及脫臭用化學(xué)藥品，隨著所添載的化學(xué)藥品種類的不同，能具有不同的機(jī)能；3）大孔，半徑大于50 nm，表面積只有0.5~2m2/g，占比表面積的比例不足1%，它主要為吸附質(zhì)提供擴(kuò)散通道，大孔主要作用是溶質(zhì)到達(dá)活性炭內(nèi)部的通道，對液相物理吸附，大孔的作用不大，但作為觸媒載體時(shí)大孔的作用甚為顯著。中孔同時(shí)起到吸附和通道的作用，因此吸附質(zhì)的擴(kuò)散速度又受過渡孔的影響；微孔占活性炭比表面積的主要部分，是活性炭吸附微污染物的主要作用點(diǎn)。 PAC的吸附不僅受其孔隙結(jié)構(gòu)的影響，也受吸附質(zhì)特性、天然有機(jī)物、余氯濃度等因素的影響。PAC不適合吸附溶解度高的有機(jī)物，這是由于該類有機(jī)物與極性溶劑之間有較強(qiáng)親和力，而PAC為疏水性吸附劑，故難以吸附該類有機(jī)污染物。吸附質(zhì)分子大小對PAC吸附能力影響較大，當(dāng)吸附質(zhì)分子大小接近PAC空隙大小時(shí)，PAC吸附能力最強(qiáng)。研究表明，PAC可有效吸附嗅味物質(zhì)，PAC對五種嗅味物質(zhì)的吸附量依次為三氯乙酸（TCA）＞2-甲氧基-3-異丁基吡嗪（IBMP）＞2-甲氧基-3-異丙基吡嗪（IPMP）＞土臭素（Geosmin）＞2-甲基異莰醇（2-MIB），且2-MIB的吸附量遠(yuǎn)低于Geosmin，這是由于Geosmin溶解度低，同時(shí)其結(jié)構(gòu)易被PAC狹長狀的空隙吸附。PAC吸附能力的影響因素如表1所示。 表1 PAC吸附能力的影響因素
國內(nèi)外針對PAC在飲用水處理中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有美國自來水協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（AWWA B600-10）、英國標(biāo)準(zhǔn)（BS EN 12903：2009）、日本下水道協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（JWWA K113：2005）與國內(nèi)木質(zhì)凈水用活性炭標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 13803.2-1999）和生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)活性炭標(biāo)準(zhǔn)（CJ/T 345-2010）等，各PAC標(biāo)準(zhǔn)對吸附能力的要求見表2。 表2 PAC吸附能力規(guī)范
粉末活性炭投加的方式有兩種，分別為干式投加和濕式投加。干式加藥系統(tǒng)利用干粉投加藥機(jī)等設(shè)備將粉狀活性炭通過水流噴射器直接投加到處理水體中，主要單元一般包括儲料間、進(jìn)料單元、儲料倉、計(jì)量投加藥設(shè)備、自動控制系統(tǒng)五部分。濕式投加藥系統(tǒng)先將PAC調(diào)制成5~10%的炭漿液，再通過計(jì)量泵加到水中，主要設(shè)備單元一般包括儲料間、進(jìn)料單元、儲料倉、炭漿混合設(shè)備、炭漿投加藥設(shè)備、自動控制系統(tǒng)等六部分。干式投加藥系統(tǒng)比較簡單，占地面積小，但干式PAC具有易燃易爆的危險(xiǎn)性，且設(shè)備容易出現(xiàn)故障，需配合專業(yè)的維護(hù)人員。濕式投加藥系統(tǒng)計(jì)量較精確，混合均勻，但需要設(shè)置專門的炭漿池，占地空間面積較大，設(shè)備也較復(fù)雜。在對PAC進(jìn)行投加時(shí)，投加方式需要結(jié)合場地條件、投加量來進(jìn)行選擇。圖1至圖4為不同的投加藥系統(tǒng)。
PAC投加量較少時(shí)，其吸附容量可充分利用，但有機(jī)物濃度較高時(shí)，出水難以達(dá)標(biāo)；投加量過多，目標(biāo)物質(zhì)出水濃度低，水質(zhì)達(dá)標(biāo)，但PAC沒被充分利用，制水成本高。由于PAC孔隙形狀大小分布、表面官能團(tuán)分布、灰分組成和含量不同，吸附特性不同，適合每種水源水質(zhì)的炭種不同。因此需要進(jìn)行混凝攪拌試驗(yàn)來確定合適的投加量與炭種。 每個杯瓶加入1L有嗅味污染的原水，開啟攪拌裝置至60~80 rpm，同時(shí)向每個杯瓶添加0 mL、0.5 mL、1 mL、2 mL PAC，則其PAC濃度分別為0 mg/L、5mg/L、10 mg/L、20 mg/L。以60~80 rpm攪拌5 分鐘，結(jié)束后，每一杯瓶同時(shí)添加0.175 mL混凝劑溶液，則每一杯瓶的混凝劑濃度為20 mg/L，降低轉(zhuǎn)速至30 rpm，攪拌20分，隨后停止攪拌，沉淀1小時(shí)，取上澄液600 mL予以過濾，以SPME-GC/MS分析MIB/Geosmin嗅味濃度。以PAC劑量為x軸，去除率為y軸作去PAC劑量與嗅味去除率變化關(guān)系如圖5。 以去除率90%為例（起始濃度100 ng/L，欲達(dá)臭味閾值10 ng/L），所需PAC的最佳劑量為19 mg/L。分別以四種不同PAC（PAC-A、PAC-B、PAC-C、PAC-D）進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，建立去除率-PAC劑量圖如圖6所示。
以去除率90%為例，PAC-A、PAC-B、PAC-C最佳劑量分別為14 mg/L、15.5 mg/L、19mg/L，以最低所需劑量為基準(zhǔn)，計(jì)算PAC的效率因子分別為：PAC-B= 14/14= 1.00，PAC-C = 15.5/14 = 1.11，PAC-A = 19/14= 1.36，投加成本= 單位成本×效率因子，計(jì)算每種PAC的投加成本如表3，故最佳PAC為PAC-B。 表3 各PAC投加成本
粉末活性炭的最佳投加位置是：（1）原水取水口；（2）快速混合池；（3）活性炭漿接觸器（為粉末活性炭特殊設(shè)計(jì)）。粉末活性炭不同投加位置的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)于表4中。 表4 不同投加位置投加PAC的優(yōu)缺點(diǎn)
①濕式粉末活性炭在開袋作業(yè)時(shí)會產(chǎn)生粉末飛散，因此必須在集塵裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，并穿著防塵護(hù)具狀況下進(jìn)行作業(yè)。 ②添加粉末活性炭作業(yè)期間，需注意應(yīng)具備集塵裝置的防護(hù)措施，與環(huán)境衛(wèi)生的管理，必要時(shí)得參考《粉塵危害預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)》中各項(xiàng)粉塵危害預(yù)防措施辦理。 ③粉末活性炭停注入后或停止期間，溶解槽會有殘存的液體，應(yīng)在適當(dāng)時(shí)機(jī)啟動攪拌機(jī)，防止粉末活性炭沉積而固化。 ④采用干式投加時(shí)，應(yīng)注意防火、防塵，并評估其對電源設(shè)備的不利影響。干粉末活性炭注入液態(tài)時(shí)，應(yīng)與液面下注入，并應(yīng)注意溶解槽內(nèi)是否有發(fā)生粉末活性炭上浮情形，必須確認(rèn)適當(dāng)?shù)臄嚢锠顟B(tài)，使活性炭流入。 ⑤粉末活性炭通常藉由混凝沉淀及過濾單元予以去除，但由于粉末相當(dāng)細(xì)微，在高濃度投加時(shí)，若混凝劑劑量不足、沉淀時(shí)間過短或長時(shí)間連續(xù)高濾率經(jīng)過快濾池，細(xì)微活性炭會貫穿濾床，使過濾水中含有活性炭。 ⑥粉末活性炭與氯消毒同時(shí)加入的情況下，通常每添加1 mg/L粉末活性炭會消耗氯0.2~0.3 mg/L，故為避免影響活性炭吸附效果及降低活性炭耗氯量，應(yīng)考慮調(diào)整前加氯點(diǎn)至適當(dāng)位置。 ⑦含水粉末活性炭具腐蝕性質(zhì)，因此重要管線設(shè)備應(yīng)為316不銹鋼為材質(zhì)。粉末活性炭停止添加后（停用期間），投加管、配管等設(shè)施應(yīng)以清水洗凈，適當(dāng)時(shí)間應(yīng)進(jìn)行設(shè)施設(shè)備總檢查、補(bǔ)修、改善等整備作業(yè)，以便下次再次啟用。 ⑧高臺添加粉末活性炭作業(yè)，應(yīng)備有防止墜落的安全防護(hù)器具等設(shè)施。添加粉末活性炭作業(yè)人員應(yīng)穿戴防塵衣及防塵面具等防護(hù)器具，以防止粉塵危害。 ⑨添加粉末活性炭作業(yè)場所，應(yīng)按照勞動安全法相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。雇用作業(yè)人員時(shí)，應(yīng)實(shí)施一般體格檢查，在職勞工應(yīng)依定期實(shí)施特殊健康檢查，并實(shí)施健康管理。擔(dān)任添加粉末活性炭作業(yè)的主管，應(yīng)接受粉塵作業(yè)主管的安全衛(wèi)生教育培訓(xùn)。 上海市供水系統(tǒng)在取水頭部和水廠頭部均設(shè)置了PAC投加裝置，在應(yīng)急處置季節(jié)性藻類引起的嗅味及其他突發(fā)性水質(zhì)污染問題，發(fā)揮了重要作用，極大提高了上海市供水水質(zhì)應(yīng)急保障能力。黃浦江上游水源地松浦大橋取水泵站和青草沙水庫五號口泵站均建設(shè)成大型粉末活性炭投加系統(tǒng)；水廠頭部設(shè)置粉末活性炭投加點(diǎn)，主要是應(yīng)對就地取水時(shí)，原水水質(zhì)較差，通過粉末活性炭的投加，能有效去除水中的色度和嗅味，提高供水安全保障水平，楊樹浦水廠、長橋水廠、金山一水廠、臨江水廠、奉賢水廠等各水廠均建設(shè)有粉末活性炭投加裝置。 其投加設(shè)備分別如圖7至圖12所示。
圖7 松浦大橋取水泵站PAC投加示意圖
圖8 松浦大橋取水泵站混合罐、投加泵和炭液投加管
水體富營養(yǎng)化直接導(dǎo)致飲用水原水季節(jié)性藻類污染問題突出，其中因藻類污染引起的水質(zhì)嗅味，是供水企業(yè)面臨的主要問題。粉末活性炭是應(yīng)對嗅味去除的有效手段之一。 上海市粉末活性炭投加點(diǎn)設(shè)置的科學(xué)合理，原水取水頭部設(shè)置粉末活性炭投加點(diǎn)，該點(diǎn)投加粉末活性炭可有效延長粉末活性炭的吸附時(shí)間，處理效率極大提高。水廠頭部設(shè)置粉末活性炭投加點(diǎn)，主要是應(yīng)對就地取水時(shí)，原水水質(zhì)較差，通過粉末活性炭的投加，能有效去除水中的色度和嗅味，提高供水安全保障水平。 盡管粉末活性炭投加在我國也有多年使用經(jīng)驗(yàn)，但從行業(yè)角度，還未有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。本文建議，上海市相關(guān)主管部門或行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)，研究編制凈水用粉末活性炭技術(shù)導(dǎo)則，從粉末活性炭選型、投加點(diǎn)設(shè)置、投加量試驗(yàn)、投加方式、運(yùn)行管理、運(yùn)輸存貯、安全應(yīng)急等系統(tǒng)全面的建立一個規(guī)范化、科學(xué)化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為上海市飲用水處理技術(shù)提供支撐。 上一篇瀘州硬碳洽談會下一篇粉末活性炭投加系統(tǒng) |
