摘要：系統介紹了基于不同煤源和不同生產工藝所得煤質活性炭的特性；分析了活性炭在飲用水處理中的應用技術現狀，重點介紹了粉末活性炭（PAC）和顆粒活性炭（GAC）的單獨應用及與其他工藝的聯合應用；基于活性炭的應用現狀，提出水廠需結合原水水質、工藝特點、制水成本等因素綜合選擇凈水用活性炭。

在我國，煤質活性炭產量逐年增加，發展迅速，約占我國活性炭總產量的70%，是我國目前產量最大的活性炭品種，主要用于飲用水處理、污水處理和氣體凈化等領域。目前，國內用于自來水廠深度處理的臭氧/生物活性炭基本上選用的都是煤質顆粒活性炭，具有廣闊的發展前景。

1 煤質活性炭的種類及其特性

1.1 煤源

煤質活性炭生產原料用煤來源廣泛，一般來說，腐殖煤中的泥煤、褐煤、煙煤、無煙煤都可以作為生產煤質活性炭的原材料。由于原料煤性質不同，不同煤種生產的活性炭性質差別很大，其應用領域也不盡相同。對活性炭產品質量影響較大的原料煤質量指標為水分、灰分、揮發分、固定碳、可磨性、反應性等。

無煙煤制備的活性炭具有低灰、微孔發達、吸附性能高等優點，適用于氣相吸附。低煤化度（低變質程度）煙煤（弱粘煤、長焰煤、褐煤）含有大量未芳化的低分子化合物，揮發分含量較高，炭化后隨著揮發分的逸出，易形成各向同性，微晶傾向于無序排列，有利于后續活化制備孔容較大、中孔結構發達的活性炭。煙煤制備的活性炭具有孔隙范圍寬、孔容積較大、中孔發達等優點，在吸附大分子化合物方面具有獨特優勢，適用于液相吸附，特別是水處理用。我國的活性炭生產中心基本在原料煤產地，具有代表性和特色的是寧夏回族自治區和山西省大同市，目前已建成100多家活性炭廠，年生產能力近20×104t，約占國內煤質活性炭產量的90%，其中約80%用于出口。

1.2 種類

活性炭按照形狀來分，可分為顆粒活性炭（GAC）和粉末活性炭（PAC）。目前我國大批量生產的煤質GAC按生產工藝分為四類，即原煤破碎活性炭、柱狀活性炭和柱狀破碎活性炭、壓塊破碎活性炭。原煤破碎活性炭生產工藝簡單，價格便宜，以中、大孔發達為主，適用于液相處理，初次使用性能較好，但再生率差，僅為70%左右。柱狀活性炭采用濕法成型，對原煤無特殊要求，具有不同的直徑規格。柱狀破碎活性炭是在柱狀活性炭的基礎上再破碎，并按顆粒大小篩分而成。這兩種活性炭表面致密，以微孔發達為主，多用于氣相吸附，產品強度高，再生率較高，可達80%～90%。其缺點是生產工藝過程復雜，生產成本較高，對環境的影響較大。壓塊破碎活性炭是一種不用添加煤焦油等粘結劑而生產的中孔發達的高檔活性炭產品，具有吸附性能好、強度高、孔隙均勻、再生率高（可達90%以上）等特點，在國內外自來水凈化中應用較廣。

粉末活性炭（PAC）生產工藝過程簡單，生產成本低，主要用于季節性投加、突發性水源事故處理、生物預處理中。

1.3 飲用水處理用煤質活性炭性能評價指標

選擇飲用水處理用煤質活性炭需要綜合考慮其物理性能、吸附性能、表面結構等多種性能評價指標。目前，針對飲用水生產用煤質顆粒活性炭的標準，主要有《煤質顆粒活性炭 凈化水用煤質顆粒活性炭》（GB/T 7701．2—2008）和《生活飲用水凈水廠用煤質活性炭》（CJ 345—2010）。另外，還可參照美國材料試驗學會（ASTM） 、日本工業規格（JIS）、美國自來水工程協會（AWWA） 、德國標準化學會（DIN）、中國城鎮建設行業標準等。各標準中對活性炭的水分、灰分、碘吸附值、亞甲藍吸附值、粒度、強度、裝填密度、pH值、漂浮率以及所含重金屬等指標都有規定，還包括一些特殊用途活性炭的檢測指標如單寧酸、腐殖酸等。

水廠在選擇飲用水處理用活性炭時需要結合水廠實際需求，如原水水質、工藝特點、制水成本等方面，進行科學的選炭試驗，選取合適的顆粒活性炭產品品種、規格型號以及性能指標用于飲用水處理。

2 煤質活性炭在飲用水處理中的應用

用于水處理的活性炭包括PAC和GAC，PAC一般用于去除季節性產生的異嗅、異味，以及去除表面活性劑、農藥等，還可以在發生化學污染事故時作為應急措施。使用PAC進行水處理多為間歇操作，根據水源的不同需注意控制投加比例、混合接觸時間以及投料點的選擇。使用GAC進行水處理，一般采用固定床或移動床進行連續操作，活性炭需定期再生。PAC和GAC作用相同，但GAC不易流失，容易再生重復使用，適合用于污染較輕、需連續運行的水處理工藝。PAC目前不易回收，一次性使用，多用于重污染水的間歇性處理工藝。

2.1 粉末活性炭在飲用水處理中的應用

2.1.1 單純投加PAC

單純投加粉末活性炭在目前的常規水處理工藝中應用較多，投加點有取水口、絮凝前、絮凝中、過濾前等。根據原水水質情況及具體凈水工藝的情況，選擇合適的投加點至關重要。粉末活性炭投加點的選擇一般按照如下原則：具有良好的炭水混合條件；保持充分的炭水接觸時間來吸附污染物； 水處理藥劑對粉末活性炭的吸附性能干擾很小；不損害處理后的水質；盡量避免吸附與混凝的競爭；能有效去除水中殘余的細小炭粒。

投加劑量視所處理水質而定，一般為1０～15mg/L，污染較嚴重時可加至40mg/L或更多。李偉光等進行的粉末活性炭去除飲用水中嗅味的試驗表明，當原水嗅味值為 90、PAC投量為40mg /L時，出水無異嗅、異味。但是，加氯后PAC對嗅味的去除率明顯降低。淄博市引黃供水有限公司根據黃河水污染程度，在水處理系統中投加粉末活性炭，濾后水的色度能降低1～2倍，基本達到無味。

2.1.2 PAC與高錳酸鉀聯用

姜成春等研究發現，高錳酸鉀與活性炭聯用具有協同作用，能夠顯著提高混凝效果、提高對污染物的去除率。該技術的優點是不改變現有水處理工藝流程、基建投資小、處理效果受水溫及季節等因素的影響較小，具有較大的應用潛力。李偉光等通過試驗考察了單獨投加高錳酸鉀、單獨投加粉末活性炭以及高錳酸鉀與粉末活性炭聯用三種方法對嗅味的去除效果。靜態及生產性試驗結果表明：高錳酸鉀與粉末活性炭聯用工藝的除嗅效果較好，并且可節省20%的粉末活性炭。此外，波濤活性炭廠家研究發現高錳酸鉀與粉末活性炭聯用不僅可控制高藻水中產生的嗅味物質，同時對藻類本身也有較好的去除效果，并可有效控制三鹵甲烷等典型消毒副產物的生成。可見，高錳酸鉀與PAC聯合使用能有效去除常規處理難以去除的物質，且降低了粉末活性炭的投加量，節約了制水成本。

2.1.3 PAC與膜處理聯用

微濾和超濾膜系統雖然可以有效地去除各種顆粒和微生物，但由于膜的孔徑相當大，容易被溶解性有機物穿透，以致達不到去除有機物的要求。粉末活性炭可以和微濾（MF）或超濾（UF）膜系統聯合應用。Kim等的研究表明，在MF系統中使用高劑量PAC能使微濾膜在出水水質和過濾時間等方面達到更好的效果，PAC能去除MF膜不能去除的小分子物質。Basar等研究發現，MF與PAC可有效去除水中的表面活性劑。董秉直等研究表明，超濾膜與粉末活性炭聯用可以有效去除溶解性有機物，降低膜過濾的阻力，提高透水量和防止膜污染。可見，在PAC/膜處理組合工藝中，PAC不僅可以吸附溶解性有機物，而且PAC的投加也能大大減輕膜污染，抑制膜通量的急劇下降。

2.1.4 PAC與硅藻土聯用

硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，為非晶體無定形結構，呈多孔疏松狀態。將其與粉末活性炭混合使用，可進一步提高其吸附去除有機污染物的能力。同濟大學研究使用的粉末活性炭與硅藻土聯用過濾技術，是將硅藻土先在過濾池（罐）中預涂一層硅藻土預涂膜，然后將粉末活性炭以助濾劑的形式投加。這樣在沒有增加任何設備的情況下，粉末活性炭可充分發揮其去除有機物、嗅和味的能力，同時硅藻土形成的預涂層又能降低出水濁度。該聯合工藝不僅可用作傳統飲用水凈化工藝，同時也可以用于濁度＜20NTU 的微污染水的直接處理。

2.2 顆粒活性炭在飲用水處理中的應用

2.2.1 活性炭吸附（GAC）技術

活性炭吸附是一種成熟有效的水處理技術，在全球范圍內得到廣泛使用，美國以地表水為水源的水廠已有90%以上采用了活性炭吸附技術。該技術對活性炭吸附性能指標要求較高，一旦活性炭失去吸附能力，需要再生且再生頻率較高。

2.2.2 生物活性炭（BAC）技術

BAC技術作為一種有效的飲用水深度處理方法，有其獨特的特點：①先吸附后降解的作用機理，可延長污染物的停留時間，增強處理效果；②活性炭吸附與微生物氧化分解的協同作用，可去除活性炭和微生物單獨使用時不能去除的污染物，大大提高了對污染物的去除率；③延長了活性炭的再生周期，減少活性炭再生頻率，降低運行費用；④水中氨氮可以被生物轉化為硝酸鹽，從而減少后氯化的投氯量，降低三鹵甲烷的生成量；⑤工藝設備簡單，占地面積小，且運行管理方便，易于實現完全自動控制，節省人力。

2.2.3 臭氧—生物活性炭聯用技術

影響臭氧—生物活性炭聯用工藝凈水效果的工程參數主要包括：余臭氧濃度、臭氧接觸時間、活性炭濾池濾速、濾池停留時間、炭層高度和溫度等。根據長期生產運行試驗結果，O3—BAC在生產應用中的主要參數為：①活性炭濾池濾速為6～10m/h，炭層高度為2m左右；②為保證低溫季節的處理效果，炭層停留時間建議在15min以上；③綜合整個流程的運行情況，前臭氧主要用于改善絮體的沉降性能，較佳投加量為1．0mg/L左右，接觸時間在5min以內；④后臭氧主要用于有機物的分解及便于在活性炭上的吸附，較佳投加量為3mg/L左右，接觸時間應在15min左右；⑤臭氧投加量可以用余臭氧濃度進行控制，一般情況下余臭氧濃度應低于0.2mg/L，以防止活性炭上微生物中毒。

另外，通過人工加氨可使活性炭快速掛膜，延長活性炭的使用壽命，降低運行成本。在砂濾柱提升泵前加氨，經提升泵混合進入砂濾柱，使得炭柱進水氨氮濃度提高到0．8mg/L左右，有利于活性炭柱的掛膜。相關試驗研究表明，引入生物工程技術，針對自然形成生物活性炭的特點，篩選、馴化出能夠去除微污染有機物的工程菌，并通過固定化手段，快速形成生物活性炭，對有機物和氨氮取得了一定的去除效果，4～5個月后活性炭表面出現大量的鐘蟲、線蟲和輪蟲等，標志著生物相已完全成熟。

哈爾濱建筑工程學院采用O3—BAC法處理飲用水的中試結果表明，O3—BAC工藝可以去除絕大部分的有機物和全部的“三致”物質。上海自來水公司的Ames試驗表明，自來水經O3—BAC工藝深度處理后出水可轉為陰性，說明該工藝對減少水中致突變活性物質也有良好的處理效果。于萬波的中試研究結果表明，臭氧—生物活性炭對CODMn的去除率平均達到73%，并能去除絕大部分的有機物和全部的“三致”物質。眾多的研究結果表明，臭氧—生物活性炭工藝對微污染原水的處理效果明顯，具有良好的應用前景。

2.2.4 GAC—膜處理技術

顆粒活性炭—膜處理聯合工藝是近幾年發展起來的一種新興工藝，活性炭作為預處理工藝，能有效去除水體中膜本身難以去除的溶解性有機物，特別是低分子溶解性有機物。通過活性炭預處理后水體的濁度、色度及各種有機物的濃度都相應降低，為后續的膜過濾提供保障，以減輕膜的負擔，防止膜阻塞和膜污染問題，延長膜的使用壽命。另外，該工藝能有效去除水中的病原菌，完全保證出水水質的安全。

3 結語

① 按原煤性質和生產工藝劃分，煤質顆粒活性炭主要分為常用的原煤破碎活性炭、柱狀活性炭、柱狀破碎活性炭和壓塊破碎活性炭四大種，分析結果表明原煤破碎炭和壓塊破碎炭更適用于飲用水處理。

② 按用途和使用方式劃分，凈水用活性炭分為粉末活性炭和顆粒活性炭，粉末活性炭處理工藝有單獨投加、與高錳酸鉀聯用、與膜處理聯用、與硅藻土聯用技術；顆粒活性炭處理工藝有吸附活性炭技術、生物活性炭技術、臭氧生物活性炭聯用、顆粒活性炭與膜處理聯用技術等。

③ 與其他材質的活性炭產品相比，煤質活性炭擁有較豐富的原材料和較成熟的制備工藝，同時由于煤質活性炭具有諸多適用于飲用水凈化處理的優點，以及近年來煤質活性炭在國內水處理中的應用逐漸增加，在飲用水處理中具有廣闊的應用前景。