粉末活性炭在净水处理中应用现状与前景

臧 鹏， 毕东苏

（上海应用技术学院化学与环境工程学院，上海 201418）

粉末活性炭在净水处理中应用现状与前景

臧 鹏， 毕东苏

（上海应用技术学院化学与环境工程学院，上海 201418）

粉末活性炭（PAC）处理工艺可快速高效地吸附去除水体中各类天然或合成的有机物、芳香族化合物、微污染物质、卤代烃以及铁、锰、重金属离子等有害物质，在净水领域具有广泛的应用意义.探讨了PAC的实际应用及联用其他技术所取得的成果，并基于其对有机物诸如农药、化工原料、气味性化合物、蓝藻毒素、总有机碳等有害物质的有效处理从而改善出水水质，提高出水生物稳定性，着重综述了PAC在净水处理中的研究进展及应用前景.

粉末活性炭；净水；进展；展望

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源.随着我国社会经济的高速发展，水源水质污染已成为一个尤为突出的现象，并对饮用水水质安全构成威胁，同时演变为制约社会可持续发展的瓶颈.饮用水水质安全问题直接关系到民生问题，保障饮用水水质安全是维护公众健康的重要基础，也是构建和谐社会的重要前提.

我国传统水处理工艺“混凝-沉淀-过滤-消毒”以去除水中悬浮物、胶体颗粒物为主，对受污染水源中溶解性有机物的去除能力有限，难以满足净水需要.《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）的颁布，对提高供水水质和保障饮水安全健康具有重要意义，但也对传统水处理工艺提出了挑战.因此，优化净水工艺、兼顾成本，已成为研究者关注的热点问题［1］.

粉末活性炭（PAC）具有投加方式快捷方便、成本费用较低、吸附循环时间较短、在面临突发污染事故能有效迅速处理等优点，是其他炭种无可比拟的，随着水污染的持续恶化，PAC的应用范围必将扩大，被认为是最有潜力的水处理方法之一.

1 PAC在净水处理中的应用进展

1.1 PAC的应用原理

PAC是一种很细小的炭粒，具很大的表面积，且炭粒中还有更细小的毛孔细管，这种毛细管具有很强的吸附能力.由于炭粒的比表面积很大，故能与水体充分接触.水中的有机物等碰到毛细管时被吸附，从而达到净化作用.PAC投加方法一般有2种：干式投加与湿式投加［2］.

活性炭根据外形主要有颗粒活性炭与PAC之分.PAC的选取需根据具体水质情况来确定其不同比表面积、化学结构、空隙大小和粒径分布等.国内外专家和学者对PAC的应用情况和技术优化也进行了深入研讨并取得了实用性成果.本文就影响PAC吸附因素、组合工艺、修饰后应用性能、单独净化工艺等方面进行阐述.

1.2 影响PAC的吸附因素

PAC吸附过程较复杂，是多个力，包括离子吸引力、范德华力、化学杂和力共同作用的结果.由于粒径较小的PAC具有较大的比表面积，故有利于吸附能力的优化.Ando等［3］通过粉碎普通PAC（T-PAC）方式得到比表面积较大的超粉末活性炭（SPAC）（S-PAC）.利用聚离子束对吸附有聚苯乙烯磺酸盐的SPAC切片处理，并在能量色散X射线光谱仪（EDXS）下观察发现，粒壳外的聚苯乙烯磺酸盐浓度高于内部，由此得出导致SPAC对天然有机物（NOM）吸附能力增强的“壳吸附机理”：SPAC对NOM的吸附并不是完全地吸收渗入至本分子内部，而是优先吸附在外表面附近，构成一个壳模型.类似地，Ng等［4］检测发现，与中粒径PAC相比，小粒径更有利于减少实验水体上清液和渗透液总有机碳浓度，这主要归功于其较大的比表面积.而分析PAC吸附能力与吸附速率的关系受比表面积影响大外，并未对其他因素进行深入研究.日本的Matsushita等［5］发现，S-PAC的除毒效果与本身材质有关外，活性炭表面明显的疏水性也有利于噬菌体的去除.闫新秀等［6］也考察了PAC不同粒径对天然有机物吸附前后水中有机物分布情况的影响，发现PAC可以很好地吸附超滤（UF）膜难截留的小分子有机物，随着粒径减小，该作用加强.Kim等［7］研究了杂化膜组合PAC工艺对饮用水中土臭素和二甲基异莰醇的去除后得出相同结论，同时温度也是影响生物去除效果的关键因素.

对于低浊度废水的处理较为灵活，但需要兼顾经济、环保、方便等因素，从而选用最优工艺.假若进水浊度较高则需进行经济技术比较.袁煦等［8］以中置式高密度沉淀池为载体，向池内投加PAC，利用高密度沉淀池的污泥回流系统对PAC进行富集和回用，并延长其在沉淀池中的停留时间，考察投加PAC后有机物的强化去除效果.结果发现，该投加方式能显著改善对有机物的去除效果，相比不投加炭，对化学需氧量（COD）的去除率提高了近10%.

1.3 PAC组合混凝工艺

随着水体有毒污染物含量的升高，为达到国家规定水质指标，采取的相应消毒措施更加密集，然而高剂量消毒剂投加必然带来消毒副产物（DBPs）的骤增，从而严重影响了出水水质的相关指标及口感. Kristiana等［9］研究了含高浓度溴离子水样后发现，对DBPs前体有机物预处理是最大化减少DBPs问题的关键，研究发现，与水中较高的溴离子相比，PAC会优先吸附其前体有机物.对采用PAC联合混凝工艺的出水配水系统依次取点抽样检测发现消毒剂残余得到有效控制，溶解有机碳（DOC）浓度显著降低，但对溴的去除未进行更深入的探讨.张玉贵等［10］结合水厂现有生产工艺，通过试验表明湿式活性炭去除水源阶段性嗅味效果显著，可替代干式粉末活性炭，不仅解决了干式粉末活性炭投加过程中的粉尘污染，改善了工作环境、减轻了劳动强度，而且充分利用了水厂原有的设备和设施，较干式粉木活性炭投加设备简单，投资少，对老水厂水质提高具有很强的实用性.孙洪军［11］也进行了类似评价分析，PAC联合强化混凝工艺除了可以有效去除DBPs外，对诸如双酚A、17α-乙炔基雌二醇等内分泌干扰物也有喜人的处理效果.Joseph等［12］在此基础上还纳入碳纳米材料进行对比研究.数据表明，大部分水样中PAC最佳投量为80 mg／L，但由于旧垃圾填埋场内分泌干扰物浓度高，需要更高的PAC投加量.PAC-混凝工艺的混凝剂对2种干扰物的去除率都在90%以上.高梦鸿等［13］也研究了PAC联用KMn O4以及PAC单独投加对混凝处理东太湖原水的强化效果，结果发现，投加PAC强化混凝效果显著，PAC联用KMnO4能进一步提高水中UV254的去除率，这与胡小芳等［14］的研究结论相一致.

1.4 PAC组合UF工艺

近年来，PAC吸附与UF联用越来越受到研究人员的青睐.Ivancev-Tumbas等［15］在实验室研究了PAC／UF工艺去除对-硝基苯酚，发现无论有无空气冲刷，孔径偏小和动力学最快的炭种去除效果总是最好.武延坤等［16］也研究了利用该组合工艺的不同处理单元对各种有机物的去除效果及其特性，发现PAC对有机物去除受接触时间影响，而UF可继续去除PAC未吸附完全的有机物，由此可知，组合工艺对各类有机物去除更有效.寻昊等［17］发现膜丝表面的微生物含量较高，会增加滤饼的密实度，而造成膜丝污染的主要是大分子腐殖酸类以及蛋白质类物质.这与孙丽华等［18］的研究结果一致.刘永旺等［19］利用PAC／UF组合工艺处理微污染含藻水也证明了该结论.周莎莎等［20］通过浸没式超滤试验研究发现，该工艺对浊度污染物具有较强的去除能力，能够保证出水浊度低于0.06 NTU（浊度单位），陈钊等［21］也得出类似结论，试验发现对可逆和不可逆污染都具一定缓解作用并对有机物具有明显的去除效果，这与李凤等［22］的研究结论相一致.

浸没式厌氧生物膜反应器（SAMBR）含盐出水问题一直困扰着业内研究人员.Vyrides等［23］针对该问题的出现，提出了PAC后处理方案.对液-液萃取得到的馏分进一步分离，发现大部分小于1 k Da的分子不易去除，但对出水进行好／厌氧生物与PAC组合对比试验发现，好氧生物的投入可以有效解决该问题.当废水面临高含盐量和低温双重恶劣状况时，PAC也能有效地改善膜生物反应器（MBR）的污泥过滤特性.Remy等［24］研究了低剂量PAC对低温、含盐量高废水的污泥过滤能力的作用，发现投加高浓度Na+对污泥恶化严重，但投加低剂量PAC后污泥恶化程度很低，这与Vyrides等［23］的理论一致.在较低温度下，低剂量PAC可很好地优化膜通量，缓解膜结垢，同时增强了膜垢的可逆性.Ng等［4］认为PAC在与MBR联合应用中充当着生物活性炭（BAC）的角色，且有效地促进了总有机碳的分解和生物降解，有利于混合液悬浮固体的增加. Munz等［25］将该工艺应用于中试规模处理制革废水，取得了很好的效果，且此前无更多相关报道.

1.5 PAC组合序列间歇式反应器（SER）工艺

垃圾渗滤液的成分非常复杂，金属和氨氮含量较高、BOD5和COD浓度高、水质水量变化大、微生物营养元素比例失调，对其有效处理产生很大障碍. Aziz等［26］通过PAC强化双反应去除-序列间歇式反应器（DRS-SBR）对垃圾渗滤液进行处理，对非PAC序列间歇式反应器（NPAC-SBR）、PAC序列间歇式反应器（PAC-SBR）、DRS-SBR这3种类型SBR进行对比分析.DRS-SBR采用“进水-反应1-沉淀1-反应2-沉淀2-出水-闲置”对垃圾渗滤液进行了20组实验，结果表明：PAC-SBR、DRS-SBR能更好地提高污泥的活性，PAC-SBR与NPAC-SBR相比，除氨效果显著，节约曝气量为50.54%，更节能.而DRS-SBR（240 L／周期）曝气比PAC-SBR短，除氨不及后者彻底.且PAC有助于反应器大微生物絮体的形成和对有机物的吸附，保持了很好的混合液悬浮浓度和较高的氧化换还原势，形成了很好的沉降性能，降低了溶解氧的消耗.值得重视的是，PAC的计量和曝气量对于SBR很关键.这都体现了PAC在SBR中不可替代的优势.

1.6 PAC经修饰处理后的应用

六价铬（Cr（VI））是国际抗癌研究中心和美国毒理学组织公布的致癌物，具有明显的致癌性.Li等［27］研究了用可食单宁酸固化PAC（TA-PAC）去除低温微污染地表水中Cr（VI）（0.500 mg／L）的能力，由氮吸附-脱附等温线和孔径分布分析得知：可食单宁酸固化对PAC无不利影响，却可增加其吸附特性.采用Boehm滴定和红外光谱比较TA-PAC与未经固化PAC的表面特性也看到，单宁酸固化增加了PAC的羟基和羰基官能团，从而强化了吸附性能.由此可见，TA-PAC在低温微污染下对Cr（VI）的去除效果是非常可观的.李春画等［28］从鸡蛋壳废弃物中提取钙溶液，该钙溶液作为一种低成本的活化剂，可提高经过磷酸化的PAC在自来水中对As3+、Cd2+、Pb2+和Cr6+的吸附性能，而PAC吸附性能的提高与其表面磷酸钙的形成有关.试验发现，在室温26°C，p H值为7的自来水中，鸡蛋壳废料及磷酸改性的粉末活性炭用量1 g／L就可一次去除《生活饮用水卫生标准》［29］中As3+、Cd2+、Pb2+和Cr6+限值的2.5倍量，且自来水中原有Cu2+、Zn2+、Al3+含量均有所降低.

Ellerie等［30］以多壁碳纳米管（MWCNTs）、纳米石墨烯板（NGPS）、S-PAC作为微滤膜吸附涂层研究了更有利于污染物去除，同时对膜通量减少最小的材质，选用亚甲基蓝和阿特拉津作为模型污染物.结果表明，MWCNTs对模型污染物的去除能力最小，而S-PAC去除能力最优.同时粒径、膜和吸附涂层的兼容性、通量阻力、吸附性能以及动力学之间的平衡是构成理想优化过滤方式的重要因素.汪浩等［31］研究了活性炭（AC）表面化学镀银技术，对比研究了AC吸附银后化学镀银、常规敏化活化化学镀银和AC吸附银后化学镀银再常规敏化活化化学镀银3种方法对AC化学镀银的影响，发现AC吸附银后化学镀银再常规敏化活化化学镀银技术产生的镀层表面形貌更好，测试性能最好，具有用于导电填料的潜能.

1.7 PAC的单独应用

与Cr（VI）危害性一样巨大的还有1，1，2，2，3-五氯丙烷，其主要用作防治农作物害虫的有效熏蒸剂，在常温常压下较稳定，经吸入对肝脏有损害作用，具有强腐蚀性、刺激性，可致人体灼伤.贾丽莉［32］研究了1，1，2，2，3-五氯丙烷在PAC上的吸附特性，研究发现PAC在纯水中对其吸附强于在原水中的效果.饮用水中除草定（农药）的存在也是不容忽视的，Mardini等［33］研究了在相同试验条件下，NOM浓度对PAC吸附除草定的影响，发现水中NOM的存在会与目标化合物除草定存在激烈的竞争，且低分子量NOM竞争能力要强于高分子NOM.结果表明，较为实用的方法是无论NOM是否存在，用伪单溶质等温线来预测PAC在反应器内的吸附情况是可行的.

近年来，国内外各大湖泊相继出现蓝藻水华爆发现象，湖泊富营养化问题日益受到人们的关注.国内对此领域的研究还比较薄弱，更多集中在宏观层面上，对于采用PAC去除蓝细菌及其代谢物的的相关报道尚少.Ho等［34］针对PAC应用于蓝藻水华的剧毒次生代谢产物——柱胞藻毒素（CYN）和微囊藻毒素进行了研究.研究者选用2种不同的PAC相继评价了澳大利亚3个污水处理厂水样中CYN和微囊藻毒素4个变异体：MCRR、MCYR、MCLR、MCLA的去除情况.分析研究了大量数据发现，PAC对MCRR和CYN的吸附程度相似，之前无相关报道.这种“可替代”相关性的发现可解决不少类似问题.

此外，PAC对催化臭氧氧化领域也很有代表性.Pocostales等［35］研究了PAC对臭氧化磺胺甲基异恶唑机械动力学的催化作用，试验发现，PAC具有消除外部液-固和内部扩散传质阻力的作用，对施加的气-液传质阻力也有去除贡献.

菲是具有代表性的多环芳烃类持久性有机物，其独特的化学结构与多环芳烃的致癌性密不可分.李政剑等［36］以菲为目标污染物，研究了PAC在微尺度（1～100μm）下粒径效应对多环芳烃吸附性能的影响.对PAC物化性质进行表征，发现粒径减小可使PAC的BET比表面积和总孔容增加10%～20%，但对PAC表面化学性质的影响较小.巢猛等［37］研究了PAC对铊的吸附，研究发现，随着PAC的投加量不断增加，铊的去除也随之增加，采用PAC吸附可有效控制水中铊的量不超过0.2μg／L.

2 展 望

随着社会发展步伐的加快，新型污染物不断涌现，水污染问题日趋复杂，饮用水呈现出污染物、污染过程和污染效应复合的污染特征；另一方面，公众对污染的认识不断深化，对饮用水质的要求不断提高.这种局面使得饮用水质安全面临严峻挑战，同时也为发展PAC净水技术带来了机遇.PAC技术已在净水处理中发挥着越来越重要的作用，但由于未能很好地解决该技术在实际应用中的局限性，难以发挥PAC技术的优势，导致技术应用达不到预期效果.为更有效地使用好PAC技术，未来还需在以下方面做好工作：

（1）根据实际水质情况，尤其是有机物的分布情况，选择适宜的炭种；

（2）根据具体工况，选择合理、有效的PAC投加点和投加方式，从而解决PAC与混凝剂竞争问题，提高PAC的使用效率；

（3）在PAC转运、拆包、炭液制备等实际使用过程中，由于劳动强度大，易产生粉尘，需要处理好粉尘引起的污染、液位计误动等问题［38］；

（4）根据实际水质，在投加过程中，要做好定量、稳定、适量投加，这不仅关系到水质平衡稳定，还涉及到经济成本；

（5）如何实现符合厂况的自动化设备机制，以满足稳定出水水质，节约劳力等，这是制约PAC技术的关键因素；

（6）为满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的标准［29］，对原厂设备进行改造的投资和成本控制成了PAC应用技术最为关键的问题.

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（编辑 吕丹）

Application Status and Prospect of Powdered Activated Carbon in Water Treatment

ZANG Peng， BI Dongsu
（School of Chemical and Environmental Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

The treatment technology of powdered activated carbon（PAC）can quickly and efficiently adsorb and remove all kinds of natural or synthetic organic compounds，aromatic compounds，micro-pollutants，halogenated hydrocarbons as well as iron，manganese，heavy metals and other hazardous substances in water，which has extensive and far-reaching application significance in water purification fields.The practical application and achievements of PAC combined with other technologies were discussed.And based on their effective reduction in pesticides，chemical materials，odor compounds，cyanobacterial toxins，total organic carbon and other harmful substances in organic matter，the water quality and biological stability were improved.A detailed review of research progress and prospect of PAC in water purification was made emphatically.

powdered activated carbon（PAC）；water purification；progress；prospect

X 52

A

1671-7333（2015）04-0344-05

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.006

2015-07-13

上海市科委科研计划资助项目（12231201702）

臧 鹏（1990-），男，硕士生，主要研究方向为绿色能源和净水处理.E-mail：zangpengmir＠126.com

毕东苏（1977-），男，教授，博士，主要研究方向为水污染防治与治理.E-mail：bidongsu＠126.com