煤質(zhì)活性炭在飲用水處理應用中的問題

1、概述

目前，我國飲用水健康問題依然嚴峻，解決飲用水健康問題任重道遠。煤質(zhì)活性炭除主要應用于個體和集體防護裝備的裝填材料外，它以其良好的吸附性能、巨大的比表面積和高度發(fā)達的孔隙結構，在飲用水處理的應用也越來越受到自來水行業(yè)的青睞。進入21世紀以來，煤質(zhì)活性炭在臭氧/生物活性炭（O₃/BAC）工藝中的應用技術得到廣泛研究與發(fā)展，在我國長三角、珠三角地區(qū)相繼建成了一批采用該工藝的深度處理水廠，取得了較好的處理效果。另外，在處理突發(fā)飲用水污染事件和應急水工程項目中，煤質(zhì)活性炭也發(fā)揮了其特殊的功效。如2005年11月松花江水污染事件，2007年7月秦皇島飲用水微污染應急工程等，都是采用煤質(zhì)活性炭凈化處理解決了問題，轉危為安，使當?shù)厥忻窈壬狭私】敌l(wèi)生的飲用水。

煤質(zhì)活性炭在飲用水處理應用中的地位越來越高，以日產(chǎn)10萬噸自來水廠為例，在深度處理工藝應用中需煤質(zhì)活性炭700~1200m³，該活性炭選擇得當，應用中工藝適用，則可延長活性炭的使用壽命，到再生周期時，再生工藝和方法選用合適，則仍可延長使用壽命，從而大大降低制水成本。在應急工程，突發(fā)事件的處置應用中，煤質(zhì)活性炭參數(shù)的選擇也是非常值得探討的問題，選擇適宜，既可及時處理突發(fā)事故，還可降低處置費用。

2、值得探討的問題

煤質(zhì)活性炭在飲用水處理中的應用越來越多，所需的煤質(zhì)活性炭數(shù)量也越來越大，據(jù)統(tǒng)計，我國活性炭的年產(chǎn)量現(xiàn)已達到30多萬噸，占世界產(chǎn)量約1/3，其中用于凈化水用的煤質(zhì)活性炭約占40%左右，說明每年有10多萬噸煤質(zhì)活性炭投放市場進行凈化處理。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和O₃/BAC技術的推廣應用，煤質(zhì)活性炭的需求量還將擴大。因此，如何選擇參數(shù)適用的，使用功能良好的煤質(zhì)活性炭；如何用國家標準等技術文件規(guī)范煤質(zhì)炭的生產(chǎn)和應用；以及煤質(zhì)炭的再生使用和延長煤質(zhì)炭的使用壽命等問題都擺在了活性炭廠家和水行業(yè)應用部門的科技人員面前，值得深入探討。

2.1 煤質(zhì)炭的選擇

對于一個水廠或一項飲用水技改項目，當進行深度處理項目或應急工程運行籌劃時，擺在設計者、決策者面前的占投資份額較大的一筆即是煤質(zhì)活性炭的投資預算。煤質(zhì)活性炭的投資和選擇一般通過招標進行，從目前各地的招標文件看，存在一些問題：一是片面追求高指標，這里的指標主要指煤質(zhì)炭的碘值、亞甲藍吸附值、苯酚吸附值、灰分等，二是不做詳細的模擬脫除當?shù)厮�質(zhì)中有機物的試驗，想當然地選擇炭型、炭種，結果是因上述問題造成投資大，而處理結果不理想的各種問題的產(chǎn)生。

大家知道，活性炭碘值、亞甲藍吸附值、苯酚吸附值只表征活性炭對碘分子、亞甲藍分子、苯酚分子的吸附能力。吸附碘的活性炭的較小孔徑為1.0nm，吸附亞甲藍的活性炭的較小孔徑為1.5nm ，它們均屬于活性炭的微孔吸附范圍。天然水體中的天然有機物是多種不同有機物的混合物，如腐殖質(zhì)、親水酸類、蛋白質(zhì)、類脂、碳水化合物、羥酸、氨基酸等，分子大小在0.5~400nm之間，因此片面追求高碘值、亞甲藍值，只說明活性炭的微孔發(fā)達而已，對有機物的脫除效果并非理想。這里推薦使用動態(tài)“柱子”試驗來進行煤質(zhì)活性炭的選擇，試驗裝置及流程見圖1：

動態(tài)“柱子”試驗需在要處理的源水現(xiàn)場進行，模擬市政設計院設計的處理工藝，選擇幾種煤質(zhì)活性炭為試驗炭，確定試驗條件，進出水檢測COD、UV254、 氨氮、總氮、總磷、三氯甲烷等項目，繪制相關曲線后綜合評價，選出其中較好的適宜當?shù)厮�質(zhì)的活性炭品種來，以供實際工程使用。

2.2 新舊國家標準的變化

國家標準是規(guī)范和指導產(chǎn)品研制、生產(chǎn)及應用的技術性文件。《凈化水用煤質(zhì)顆粒活性炭》GB/T7701.2-2008是較新活性炭國家標準。它代替GB/T7701.4-1997標準，是對GB/T7701.4-1997的修訂。GB/T7701.4-1997執(zhí)行10多年，存在一定不足：它的技術指標列了孔容積、比表面積、漂浮率、pH值、苯酚吸附值、水分、強度、碘值、亞甲藍吸附值、灰分、裝填密度、粒度等項目，并將碘值、亞甲藍吸附值、灰分、裝填密度進行了合格品、一級品、優(yōu)級品的分級，這就客觀上讓使用者認為碘值，亞甲藍吸附值高的、灰分、裝填密度值低的，就是品質(zhì)優(yōu)良的煤質(zhì)活性炭。同時，該標準缺少實際指導水行業(yè)使用的具體吸附有機物的指標。

GB/T7701.2-2008于2008年11月20日發(fā)布。2009年5月1日實施。與GB/T7701.4-1997相比，主要變化如下：取消了質(zhì)量分級，不再以碘值、亞甲藍吸附值、裝填密度的指標高低進行質(zhì)量分級，增定了水溶物指標，出廠檢驗項目中亞甲藍吸附值由檢驗項目更改為供需雙方商定項目，碘值更改為≥800mg/g，取消了灰份標準，孔容積與比表面積不再規(guī)定具體技術指標，增加了附錄A腐殖吸附性的測定，附錄B丹寧酸吸附的測定，附錄C水溶物測定，這些修訂都是實踐經(jīng)驗的總結，是比較科學的，下面詳細介紹這些變化的科學依據(jù)。

碘的分子量為254，亞甲藍的分子量為374，二者的平均分子直徑為0.84nm和0.96nm，較佳的吸附孔徑范圍是1.7~5nm和1.6~5.7nm，由此可見，碘值、亞甲藍值主要是表征活性炭的微孔，特別是一級微孔的發(fā)達程度，而天然水體中的有機物多種不同有機物的混合物，有機物的分子大小和分子量分布差異較大，分子大小在0.5~400nm間。活性炭的孔可分為：一級微孔（<0.8nm）和二級微孔（0.8-2nm），中孔（2~50nm）和大孔（>50nm），對天然水體中有機物具有吸附作用的是活性炭的二級微孔和中孔，因此，2008版國家標準，取消了碘值、亞甲藍值的質(zhì)量分級，不再以碘值、亞甲藍值的高低確定合格品、一級品、優(yōu)級品。

灰分與活性炭的原料有關，木質(zhì)炭灰分很少，煤質(zhì)炭的灰分來源于煤中的礦物質(zhì)。灰分為煤質(zhì)活性炭的無用物，活性炭制造廠家力求通過精選灰分含量低的原煤作基質(zhì)降低成品活性炭的灰分，對于煤質(zhì)炭來講，固化在活性炭中的灰分不可怕，因為它大部分不溶于水，如SiO₂等，而應重視的是水溶性灰分，即能溶解至水體中的物質(zhì)，因此，2008版國家標準，取消了灰分指標，而增加了水溶物項目指標，充分體現(xiàn)實用性。

為了切合水行業(yè)的實際吸附有機物的需求，在2008版國家標準中增加了腐殖酸吸附值、丹寧酸吸附值特殊吸附試驗技術要求。因為天然水體中的腐殖質(zhì)主要包括腐殖酸，丹寧酸這些大分子有機物；美國AWWA標準就有丹寧酸的試驗方法，通過增加腐殖酸、丹寧酸吸附性能，使煤質(zhì)活性炭更切合水行業(yè)的實際使用，突出煤質(zhì)活性炭對大分子有機物的吸附性能。

2.3再生問題

活性炭如果用過一次就拋棄，其吸附的有害物質(zhì)會引起二次污染，也浪費活性炭資源，增加操作費用。因此，活性炭的再生從經(jīng)濟、環(huán)境保護角度來看是很有必要的，對于煤質(zhì)活性炭來講，再生顯得更為重要，因為飲用水中的有機污染物大多可解吸、脫附，且已有多個再生使用的實例。粉狀煤質(zhì)活性炭用于應急處理水源突發(fā)污染事件，使用后單獨分離，回收，再生較為困難，一般隨水廠的污泥一并處理。

顆粒煤質(zhì)活性炭在飲用水處理應用中一般有兩種應用方式，一種為濾池應用，即在飲用水常規(guī)處理（混凝、沉淀、過濾、消毒）基礎上，在常規(guī)過濾前后，增加活性炭濾池達到過濾與吸附雙重作用。第二種為生物活性炭應用方式，其工藝流程為：源水→預臭氧→常規(guī)處理→后臭氧→煤質(zhì)活性炭→消毒→出水。

這兩種應用方式中的活性炭都可以進行再生處理。如何確定使用中的活性炭需要再生，可以從出水水質(zhì)的變化及提取濾池中活性炭樣品進行分析等多個渠道進行。一般情況下，濾池應用方式中的煤質(zhì)活性炭，正常使用一年后；生物活性炭應用方式中的煤質(zhì)活性炭，正常使用兩年后，應進行再生，并補充新炭。

再生方法應用廣泛的是熱再生法，在再生爐中加熱再生。需再生的活性炭在再生爐內(nèi)要經(jīng)歷3個階段：干燥、分解和活化再生。干燥階段，大約100℃，水蒸汽和易揮發(fā)物質(zhì)被蒸發(fā)除去。然后升溫至650~760℃，使有機物被分解成揮發(fā)性的碳氫化合物，再升溫至900℃左右，水蒸汽活化，完成煤質(zhì)活性炭的再生。

煤質(zhì)活性炭通過再生一次，得率大約在85%左右，性能恢復率在85%~95%之間，一般再生得率的多少取決于煤質(zhì)炭的強度和吸附有機物的程度，性能恢復率取決于活化工藝和吸附有機物質(zhì)的種類，煤質(zhì)活性炭強度較高，吸附的有機物易于脫附，再控制好再生活化工藝就會取得再生得率高，性能恢復率高的效果。

在再生問題上值得深人探討的是，如何爭取更多再生次數(shù)，使煤質(zhì)活性炭總體使用周期更長的問題。實踐經(jīng)驗證明，初選煤質(zhì)炭的強度要高，但吸附性能不取較高的，這樣既保證了使用性能，還能延長再生次數(shù)，使總體煤質(zhì)炭使用壽命延長。從理論上講，煤質(zhì)炭吸附性能高，需要活化程度高，而活化程度是要影響強度指標的，活化程度高的炭，強度必然降低。因此，煤質(zhì)活性炭初選時一定要保證吸附性能滿足需要的前題下，選擇強度較高的炭種，這樣既經(jīng)濟又適用，還延長了再生周期，是一舉多利的好選擇。

3、結論

煤質(zhì)活性炭在飲用水處理應用中選炭是關鍵，有條件的水廠可進行動態(tài)“柱子”試驗對多種煤質(zhì)活性炭進行現(xiàn)場運行，通過試驗，選取適宜的炭種。無條件自行試驗的，可委托研究部門或活性炭生產(chǎn)廠家?guī)椭�試驗�?

碘值，亞甲藍值不宜選指標較高的，應進行腐殖酸、丹寧酸吸附性能評價和強度類物理性能綜合評價，以滿足煤質(zhì)活性炭的使用功能。

GB/T771.2-2008國家標準已開始實施，它是指導和規(guī)范煤質(zhì)活性炭生產(chǎn)和水處理應用企業(yè)的技術文件。各生產(chǎn)和應用企業(yè)應切實遵照標準實踐，并在實踐中不斷總結經(jīng)驗，為下一次修訂積累科學依據(jù)。

再生問題要在初選煤質(zhì)炭時就加以關注，再生方法可采用熱再生法，通過再生延長煤質(zhì)炭使用壽命，從而降低制水成本。