粉末活性炭对特殊有机污染物的去除

粉末活性炭对特殊有机污染物的去除。

　　粉末活性炭混凝沉淀等常规工艺对某些特殊有机污染物的去除效果很差,原因是这些物质分子量都较小,很难通过混凝沉淀去除。

　　粉末活性炭对嗅味物质的去除

　　饮用水中的嗅味问题已成为供水界面临的普遍问题。原水中土嗅味的产生归因于某些藻类大量繁殖产生的两种代谢物:土臭素和二甲基异冰片[7]。而混凝、沉淀、过滤、消毒等常规处理工艺很难将这些物质从水中去除。粉末活性炭(PAC)发达的微孔结构和巨大的比表面积可有效地吸附水中的嗅味物质。李大鹏等研究表明[8],除嗅效果与PAC投加量有一定的线性相关性,随着PAC投加量的增加出水嗅阈值降低,且在一定范围内每增加10mg/L的PAC投加量则去除率就上升5%。其原因是,其他有机物也占用了PAC的吸附空间,导致PAC投加量小时的除嗅率较低,增加PAC投加量后增加的那部分PAC相应的补充了吸附其他有机物所耗费的炭量,从而提高了对嗅味的去除率。因此在除嗅过程中,消除原水中其他有机物的干扰是提高除嗅效果的一个关键。另外原水嗅
阈值的大小对PAC的除嗅效率没有明显的影响。李伟光研究表明[9],
 PAC后移至混凝开始后再投加的效果比PAC与混凝剂(如碱铝)同时投加会更好,在混凝中段投加PAC的除嗅效果明显优于投加在混凝前,而且在达到同样的效果时平均可节约10mg/L的PAC。这是因为,原水中存在着一部分即可被混凝去除又可被PAC吸附去除的有机物,如果将PAC直接投加在原水中,则其不可避免的会吸附部分可以混凝去除的有机物,这些有机物既占据了致嗅物质的吸附位置又限制了小分子有机物在空袭内的迁移,大大降低了PAC吸附嗅味物质的能力。JianweiYu等研究表明[10],虽然活性炭表面的性质(如表面C=O基、C-O基含量、微孔含量、碘值以及亚甲蓝值等)对其吸附能力有很大影响,但在PAC吸附土臭素和二甲基异冰片时,只有微孔数量这一参数与其吸附能力之间有很好的线性相关性,其他的参数如碘值等对其吸附能力影响甚微,因此可以将微孔
数量作为表征PAC吸附嗅味物质能力的有效表征参数。

　　粉末活性炭对藻毒素的去除

　　富营养化湖泊中的微囊藻毒素(水华蓝藻的次生代谢产物)对环境和人类健康的危害已成为全球关注的重大环境问题之一。微囊藻毒素能强烈地抑制蛋白磷酸酶(PP1、PP2A)的活性,是一种强烈的促癌剂。中国科学院武汉水生生物研究所近期的研究结果表明,微囊藻毒素以肝脏为唯一的靶器官,动物性腺是其攻击的第二靶器官[11, 12]。然而,水厂常规混凝工艺对溶解性微囊藻毒素的去除效果较差,去除率一般在20%以下,难以满足要求。有研究表明, PAC对溶解性的微囊藻毒素具有较好地吸附作用[13, 14]。考虑到微囊藻毒素的季节性特征,
 PAC吸附可以作为微囊藻毒素污染的应急处理措施。PAC吸附污染物需要一定的时间,其过程可分为快速吸附、基本平衡和完全平衡三个阶段。刘成等研究表明[15]PAC对两种典型的微囊藻毒素(MC-RR和MC-LR)快速吸附阶段大约需要40min,可以达到80%的左右的吸附容量。因此对于取水口到净水厂有一定距离的水厂,可在取水口处投加PAC,利用管道输送时间来完成吸附过程;而对于取水口距离水厂很近,只能在水厂内投加粉末活性炭的情况,由于吸附时间短,加之与混凝剂形成矾花后还会影响其与水中微囊藻毒素的接触,使得粉末炭的吸附能力难以发挥,因此需适当增加PAC的投量。随着粉末活性炭投量的增加,对微囊藻毒素的去除效果得到明显改善。PAC投量为20mg/L时,对MC-RR和MC-LR的去除率分别为90%和76%,也就是说对于一般原水中两种微囊藻毒素可能发生的
大浓度(10μg/L),投加20mL的粉末活性炭即可将两种毒素的浓度分别降低到1μg/L和2·4μg/L,加之其他水处理单元(混凝、消毒等)对微囊藻毒素的去除,出水水质可以达到国家新颁布的标准(MC—LR的限值为1μg/L)。此外, PAC对微囊藻毒素的去除率与藻毒素初始浓度无关,这可以用理想吸附溶液理论和当量本底化合物理论来证明[15]。因而,可根据原水中目标化合物的浓度和标准的要求值来判定所需的粉末活性炭投量。

　　粉末活性炭对消毒副产物(DBPs)前驱物的去除

　　消毒副产物(DBPs)如三卤甲烷(THM)、卤乙酸(HAA)等属三致物质,饮用水中含量超标时对人体健康影响巨大。而对消毒副产物(DB- Ps)前驱物的去除能有效减少饮用水中DBPs的形成。因此, DBPs前驱物的有效去除是现代饮用水处理中具挑战性的任务之一[16]。DBPs前驱物以天然有机物(NOM)的形式存在于所有地表水中,能用下面的指标来反映其存在情况:溶解性有机炭(DOC), 254nm紫外线吸光度(UV254),比紫外吸光度(SUVA)以及三卤甲烷形成潜能(THMFP)。Rizzo等研究说明[17]80mg/L的氯化铁对于意大利的两种地表水源水能分别产生42%和35%的DOC去除率以及56%和48%的UV254去除率,此时混凝剂消耗过高。因此VedatUyak等人引进PAC强化氯化铁混凝以降低处理费用[16]。在相同的氯化铁-PAC投加量下,
 UV254比DOC去除率更大,说明这种工艺去除芳香类物质比去除其他的NOM更有效,而芳香类物质是DBPs强的前驱物。比紫外吸光度(SUVA)是一个计算参数,其值等于(UV254/DOC)×100,该参数表征了水中的腐殖含量, NOM中的腐殖酸也是一类主要的DBPs前驱物, PAC对SUVA的降低效果亦优于单独的混凝。THM形成潜能(THMFP)代表了水中三卤甲烷前驱物的含量。氯化铁-PAC工艺对去除THMFP效果显著,在单独100mg/L氯化铁混凝工艺中, THMFP的去除率为47%,且出水THM浓度达到155μg/L,然而投加PAC后出水THM浓度可降至80μg/L。PAC强化混凝工艺对前驱物去除效果明显优于常规工艺,其原因在于,常规混凝去除的主要是带负电荷的大分子,对于其他低分子量的NOM有机物的去除能力很差,而PAC对低分子量不带电的NOM物质吸附效果非常好,因此PAC可以有效去除DBPs前驱物。

　　粉末活性炭对农药的去除

　　随着工农业的发展,农药的使用量逐年在增加,这些农药残留物进入饮用水水源中,就会污染自来水,给水厂的工艺提出了新的问题。PAC被广泛的用于去除饮用水中的痕量有机物,然而NOM的存在会负面影响PAC对微污染物的吸附容量和吸附动力学[18]。Jiang等[19]的小试研究表明,混凝、软化、氯化等常规工艺均不能有效去除阿特拉津等嗪除草剂。原因是混凝等常规工艺主要去除相对分子量在10000以上的有机物,对阿特拉津此类相对分子质量很小的有机物几乎没有去除能力。程蓓蓓等[20]研究表明PAC对阿特拉津吸附20min后可完成主要去除,考虑到竞争吸附问题PAC与混凝剂不能同时投加,可以将PAC先投加待反应20min左右后再进行混凝反应。随着PAC投加量的增加,滤后水阿特拉津德去除率也随之增长,但是阿特拉津德去除率并不是均匀增加。PAC浓度
越高,阿特拉津德去除率增长越不明显,以致PAC50mg/L和PAC60mg/L时的去除率基本一致。原因可能是,去除效果是由PAC对阿特拉津的吸附性质及原水中多组分物质的竞争吸附共同决定,投加量增加,单位质量PAC对阿特拉津的吸附容量降低,因此阿特拉津的去除率呈减速增长。另外, HuguesHumbert等人研究表明[21],阴离子交换树脂(AERs)与PAC同步联合使用比单独使用PAC能更有效的去除原水中的杀虫剂等农药物质。

　　粉末活性炭在饮用水处理中应用的发展趋势

　　在突发事故时(如蓝藻暴发),大量投加PAC会导致运行费用的大量增加,因此须考虑新的PAC工艺以增加其使用效率。因活性炭的吸附容量是吸附平衡时吸附质浓度的函数[28],出水水质越高,则活性炭的使用效率越低,那么在水厂正常生产中, PAC的吸附空间没有得到高效的利用,如何高效地、充分地使用PAC的吸附容量尚有待进一步研究。目前水厂中使用的PAC后大都在沉淀池随污泥排走,没有实现重复利用。考虑到PAC回收的困难以及回收分离时损失很大,常用颗粒活性炭(GAC)代替PAC,但是GAC的吸附效果不及PAC。如何有效回收PAC,实现资源的重复利用还需深入研究和探讨。在采用PAC干投装置的水厂,操作时劳动强度极大,在装卸、拆包、配制和投加过程中,粉尘是一个很大的问题。有时,
 PAC会从过滤水中泄漏出来进入配水系统,因此在水厂使用PAC时应注意滤池的安全运行以保证出水水质。PAC与其他水处理药剂(尤其是氧化性药剂)相互作用会使其他药剂失去应有的效果,同时也降低了PAC的吸附能力,大幅度的增加制水成本,因此在某些联合工艺中如何避免氧化性药剂与还原性PAC相互损耗,是一个值得研究的问题。

　　粉末活性炭与高级氧化等其他深度处理方法不同,它是靠吸附分离技术来去除水中的污染物质和杂质,因此它基本上不产生化学副产物,在使用时安全有效,在以后的水处理领域仍将会得到广泛应用。