粉末活性炭應急處理水源石油類(lèi)污染的試驗研究

近年來(lái)，我國突發(fā)性水源水污染造成城市供水事故的事件頻繁發(fā)生，嚴重影響了人民正常生活和生產(chǎn)，造成了惡劣的社會(huì )影響，典型案例如下所述。2004年2月~3月，沱江氨氮特大水污染事故，造成了數個(gè)縣市飲用水暫停供應的嚴重后果；2005年11月松花江突發(fā)硝基苯重大水污染，導致哈爾濱市停水事件；同年12月中旬，廣東北江水體鎘超標，數城市飲用水水源受到污染；2006年2月，牡丹江市水源發(fā)生生物污染，對水廠(chǎng)正常運行造成威脅；2007年5月太湖梅梁彎區域水體污染，導致供水水質(zhì)不合格。對中國城市水源地突發(fā)污染事件進(jìn)行了統計分析，結果表明中國城市水源地突發(fā)污染事件總體上呈數量逐年增多，危害增加的趨勢，主要突發(fā)污染物是各種化學(xué)品和污水。突發(fā)性水源污染已成為一個(gè)日益突出的問(wèn)題。

1、飲用水應急處理的急迫性

眾多城市水源地突發(fā)性水污染事件已給城市供水健康敲響了警鐘。而水源發(fā)生污染事故、城市供水受到影響的原因是環(huán)境形勢嚴峻、水污染問(wèn)題嚴重；工業(yè)事故排放與運輸事故泄露時(shí)有發(fā)生；城市供水行業(yè)缺少水源應對突發(fā)污染的能力。由于污染風(fēng)險，我國城市供水行業(yè)在今后很長(cháng)一段時(shí)間內都將面臨水源遭受重大污染的風(fēng)險。因此，如何在城市水源地發(fā)生突發(fā)性水污染的情況下實(shí)現不中斷供水，保證供水水質(zhì)，保障城市供水健康已成為急需解決的問(wèn)題。有專(zhuān)家提出通過(guò)儲備一些藥劑（在此廣義的將吸附劑、氧化劑、酸堿劑統稱(chēng)為藥劑）及其投加設施來(lái)提高給水廠(chǎng)水處理工藝系統應急強化處理能力是解決此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)。粉狀活性炭（PAC）作為飲用水處理中一種常用的吸附劑，在飲用水應急處理中有著(zhù)重要的應用。

2、粉狀活性炭在飲用水應急處理中的應用

粉狀活性炭是由無(wú)定性碳和不同數量灰分共同構成的一種吸附劑，其微孔結構發(fā)達，吸附性能優(yōu)良，可有效地吸附去除水中天然有機物、鹵化有機物、農藥等人工合成有機物。粉狀活性炭應用靈活，設備投資省，價(jià)格便宜，吸附速度快，對短期及突發(fā)性水質(zhì)污染適應能力強，在飲用水應急處理中發(fā)揮了重要作用。

2.1粉狀活性炭對水源水突發(fā)有機污染物的吸附去除

在水處理中，粉狀活性炭常其作為一種有效的吸附劑，可以吸附去除水中非離子化、憎水性強、含苯環(huán)結構的有機物污染物，同時(shí)，投加粉狀活性炭可以明顯改善處理出水的色度、嗅味。

以渾河水為原水，模擬突發(fā)苯胺水污染，通過(guò)投加粉狀活性炭進(jìn)行應急處理試驗研究，發(fā)現在pH值不小于5時(shí)，粉狀活性炭對苯胺吸附效果較好，在30min內能達到80%-90%的吸附容量，結果表明對突發(fā)的渾河水苯胺污染，投加粉狀活性炭是十分有效的應急措施。

中試研究結果表明：投加粉狀活性炭可有效去除長(cháng)江水源水中阿特拉津，當粉狀活性炭投量為50mg/L時(shí)，可使初始濃度為200μg/L的阿特拉津降低到2μg/L以下。

粉狀活性炭對水中藻毒素有著(zhù)很好的吸附去除效果。在粉狀活性炭吸附去除黃浦江原水中微囊藻毒素的實(shí)驗研究中發(fā)現：10mg/L的粉狀活性炭在40min內對MC-RR、MC-LR的去除率分別達到55%和45%，表明粉狀活性炭對水中微囊藻毒素具有較好的去除效果。

進(jìn)行了粉狀活性炭對廣州珠江水中2-甲基異莰醇（MIB）吸附去除的實(shí)驗研究，結果表明煤質(zhì)粉狀活性炭對MIB有較好的去除效果，去除率達到40%以上。

研究發(fā)現：當原水嗅閾值為90時(shí)，40mg/L的粉狀活性炭投量可保證出水無(wú)異味。

2.2粉狀活性炭對水源水突發(fā)重金屬污染的吸附去除

粉狀活性炭是一種去除水中重金屬離子的優(yōu)良吸附劑。粉狀活性炭吸附重金屬離子的機理目前尚未弄清，但比較一致的看法是在吸附重金屬離子過(guò)程中，粉狀活性炭既是吸附劑又是催化劑。

在鉛離子和銅離子在活性炭上吸附實(shí)驗研究中發(fā)現：水中鉛和銅離子通過(guò)與活性炭表面官能團反應形成配合物而吸附在活性炭上。

對飲用水水源地突發(fā)性六價(jià)鉻污染應急處理進(jìn)行了實(shí)驗研究，結果表明粉狀活性炭對水中六價(jià)鉻的吸附是一個(gè)物理吸附和化學(xué)吸附相結合較為復雜的過(guò)程，在較低pH值（3.5~5.0）條件下，當原水中六價(jià)鉻濃度低于0.5mg/L時(shí)，可以通過(guò)粉狀活性炭吸附的方法對其進(jìn)行有效去除。但是對于多數重金屬離子，粉狀活性炭對其吸附能力有限，且選擇性不是很好，通過(guò)加絡(luò )合劑使金屬離子形成絡(luò )合物增加吸附性和選擇性。

2.3 粉狀活性炭聯(lián)用工藝在飲用水應急處理中的應用

粉狀活性炭應用方式靈活，故可與許多水處理工藝聯(lián)用。相對單獨的處理工藝，這些聯(lián)用工藝有時(shí)會(huì )達到更好的處理效果。

研究結果表明：高錳酸鉀與粉狀活性炭聯(lián)用工藝的除嗅效果好，當高錳酸鉀投加量為0.5mg/L、粉狀活性炭投加量為40mg/L時(shí)，沉后水的嗅閾值僅為5，去除率達到了98.8%。

研究認為：當用高錳酸鉀與粉狀活性炭聯(lián)用處理帶土腥味和霉爛味的原水時(shí)平均去除率可達92%以上。高錳酸鉀和粉狀活性炭聯(lián)用能去除水中的嗅味，其機理是通過(guò)氧化和吸附作用去除有機物。

在進(jìn)行飲用水水源突發(fā)性石油污染的應急處理實(shí)驗研究中發(fā)現，PAC+ClO₂組合技術(shù)在ClO₂和PAC的投量分別為8和30mg/L，粉狀活性炭吸附時(shí)間為3h的條件下，可將水中0.5mg/L石油類(lèi)污染物降至0.01mg/L，此組合工藝可作為飲用水水源突發(fā)石油類(lèi)污染的應急處理措施。

粉狀活性炭吸附技術(shù)作為一種應急性的措施，在一些水廠(chǎng)己經(jīng)得到了應用，并取得了滿(mǎn)意的效果，實(shí)踐表明它是一項非常有前景的技術(shù)。

3、飲用水應急處理中粉狀活性炭應用的注意事項

3.1粉狀活性炭炭種篩選及投量

根據給水廠(chǎng)原水的水質(zhì)狀況，特別是突發(fā)有機污染物及原水背景有機物分子量的分布狀況，確定適合原水水質(zhì)的對突發(fā)有機污染物吸附容量高、吸附速率快的粉狀活性炭炭種。為應對城市水源地突發(fā)水污染，城市給水廠(chǎng)要有針對性地建立應急供水預案，針對能夠通過(guò)粉狀活性炭吸附快速去除的突發(fā)有機污染物，篩選針對這些有機污染物吸附容量高的粉狀活性炭，建立有機污染物初始濃度、活性炭投加量、吸附時(shí)間等與吸附去除率的關(guān)系，以便突發(fā)有機物污染情況下確定合理、經(jīng)濟的粉狀活性炭投加量。

3.2粉狀活性炭投加方式

粉狀活性炭投加分干投和濕投兩種方式。歐美等國家大都應用干投裝置投加粉狀活性炭，干投裝置宜用在粉狀活性炭不經(jīng)常使用以及較大投炭量很大時(shí)。但粉狀活性炭干投操作時(shí)，勞動(dòng)強度大，在裝卸、拆包、配制和投加過(guò)程中粉塵飛揚，具有潛在爆炸性，工作環(huán)境差，工人抵觸情緒大。濕投法一般是負壓投加，粉狀活性炭與水混合成炭漿，可以基本解決炭粉飛揚的問(wèn)題。但濕投法也有其弊端，如果粉狀活性炭只是偶爾使用，炭漿池可能時(shí)空時(shí)滿(mǎn)，由于加料和混合炭漿需要較長(cháng)時(shí)間，往往等到炭漿系統可以開(kāi)始運行時(shí)，所處理的水可能已發(fā)生突發(fā)污染事故，所以在突發(fā)水污染的情況下，應有充分的應急準備，能夠及時(shí)投加炭漿，防止處理出水不達標。另外，粉狀活性炭炭漿若不經(jīng)?；旌匣蜻B續混合就會(huì )團結，可能會(huì )堵塞輸送管，為避免此問(wèn)題，管內流速要求不小于15m/s。粉狀活性炭投加系統應盡量靠近投加點(diǎn)，能定期運行，即使無(wú)需加炭時(shí)也一樣，這樣可以保證輸炭管道暢通清潔、炭漿混合良好和整個(gè)系統能夠得到經(jīng)常清洗。

3.3 粉狀活性炭投加位置的選擇

根據國內水廠(chǎng)目前實(shí)際情況，水廠(chǎng)可供選擇的粉狀活性炭投加點(diǎn)主要為三處:

（1）取水口投加

水源水突發(fā)污染時(shí)，應首先考慮在取水口投加粉狀活性炭，其優(yōu)點(diǎn)是可以盡量增加粉狀活性炭在水中突發(fā)污染物的吸附時(shí)間，可明顯提高處理效率，達到控制突發(fā)污染的目的，盡可能地在較早的環(huán)節控制了污染，有效防止了水廠(chǎng)處理構筑物受到突發(fā)污染物污染，同時(shí)后續的處理環(huán)節可以起到緩沖和健康余量的作用，復合飲用水處理多級健康屏障的理念。事實(shí)上松花江突發(fā)硝基苯污染和無(wú)錫水危機事件中，飲用水應急處理時(shí)，粉狀活性炭都是投加在取水口處，這也是應對突發(fā)污染的重要經(jīng)驗之一。

（2）混凝前后投加

若取水口處不具備粉狀活性炭投加條件，可以考慮混凝前與混凝后投加粉狀活性炭，具體應根據實(shí)際情況通過(guò)實(shí)驗確定。在絮凝前后投加粉狀活性炭，影響粉狀活性炭吸附效果的主要因素是粉狀活性炭吸附與混凝的競爭和吸附時(shí)間的保證，協(xié)調這兩方面因素是充分發(fā)揮粉狀活性炭吸附能力的關(guān)鍵。一般只有在有條件采用較高粉狀活性炭投加量場(chǎng)合，混凝前投加才有意義。

以東莞市東江水為原水，進(jìn)行突發(fā)污染飲用水應急處理實(shí)驗研究，結果表明：在混凝劑投加30s后，投加粉狀活性炭對COD、UV₂₅₄、濁度、色度的去除效果明顯好于其他投加點(diǎn)。

在進(jìn)行徐州某水廠(chǎng)應對突發(fā)水污染的實(shí)驗研究中，發(fā)現粉狀活性炭投加點(diǎn)選擇在混凝劑投加后3min左右，對濁度、色度、COD_Mn去除效果較好。

（3）濾前投加

濾前投加，不存在吸附與混凝的競爭問(wèn)題，但應該注意到粉狀活性炭與水的接觸時(shí)間不足，健康保障率不足。此外，粉狀活性炭進(jìn)入濾池后，會(huì )堵塞濾料層，粉狀活性炭易穿透濾層，使濾池的工作周期明顯縮短。因此，不建議濾前投加粉狀活性炭。

3.4粉狀活性炭對常規凈水工藝的影響

飲用水應急處理中往往需要投加大量粉狀活性炭，相應帶來(lái)的問(wèn)題是由于粉狀活性炭相對密度小、沉降性能差，粉狀活性炭不易通過(guò)排泥排出，較易從沉淀池流出進(jìn)入濾池，增加濾池負荷，甚至會(huì )穿透濾層，影響供水水質(zhì)。為此，就需是要通過(guò)強化混凝，提高沉淀對水中膠體顆粒及粉狀活性炭的去除率，盡量減少沉淀池表面的浮炭；加強排泥，防止粉狀活性炭在池底大量堆積；同時(shí)要縮短濾池過(guò)濾周期，加強濾層反沖洗。

4、應用實(shí)例分析—哈爾濱氣化廠(chǎng)應對松花江突發(fā)硝基苯污染的應急處理

4.1 哈爾濱氣化廠(chǎng)供水危機

2005年11月，松花江發(fā)生硝基苯重大水環(huán)境污染事件，沿江城市供水健康帶來(lái)嚴重威脅，位于下游哈爾濱氣化廠(chǎng)供水同樣面臨嚴峻考驗。哈爾濱氣化廠(chǎng)承擔著(zhù)向哈爾濱市供應燃氣的任務(wù)。其供水分廠(chǎng)負責氣化廠(chǎng)生產(chǎn)用水的供應，松花江是氣化廠(chǎng)的供水水源，一旦硝基苯超標，將導致水廠(chǎng)停產(chǎn)，供水中斷，造成氣化廠(chǎng)停產(chǎn)，將產(chǎn)生嚴重的影響和后果。為此，需要確保任何情況下不中斷供水。

4.2 應急供水技術(shù)方案及分析

現有水廠(chǎng)凈水工藝去除硝基苯的能力有限，難以滿(mǎn)足要求，需要對供水系統進(jìn)行應急改造?？紤]到活性炭對硝基苯有較好的吸附性能，因此，將活性炭吸附作為優(yōu)先考慮的措施，確定應急處理方案如下：在取水口投加粉狀活性炭，由取水泵進(jìn)行充分混合，利用11.9km長(cháng)的輸水管在長(cháng)達5個(gè)多小時(shí)的原水輸送過(guò)程中，粉狀活性炭與水充分接觸吸附硝基苯，在混凝沉淀單元，優(yōu)化混凝劑投加量，投加助凝劑，加強沉淀池排泥；將原有的煤砂濾池改造為炭砂濾池。

在此方案中，粉狀活性炭的吸附作用是關(guān)鍵，水在輸水管中的停留時(shí)間可達5.7h，粉狀活性炭吸附時(shí)間充分，力求硝基苯在此階段被吸附去除達標。強化混凝沉淀及加強排泥主要目的是為了分離去除水中粉狀活性炭，同時(shí)，此階段硝基苯也有部分被去除。炭砂濾池吸附去除能力有限，主要作為儲備性環(huán)節。

4.3 應急供水實(shí)施效果

（1）粉狀活性炭對硝基苯的吸附效果

在各種原水硝基苯濃度超標倍數下，硝基苯的平均去除率達95%左右；投加粉狀活性炭之后水中殘留硝基苯濃度均低于0.017mg/L，證明粉狀活性炭對水中硝基苯的去除具有很好的效果。

（2）應急供水技術(shù)硝基苯總體去除效果

在原水硝基苯超標高達14.22倍的情況下，上述工藝組合對硝基苯的總去除率平均達99.4%，過(guò)濾出水中硝基苯的含量均在0.002mg/L以下，效果優(yōu)異。在對原水中硝基苯去除的貢獻份額中，粉狀活性炭的平均去除率達到94.81%，是去除硝基苯的主要環(huán)節；強化混凝沉淀的平均去除率為3.88%，其主要作用是保證粉狀活性炭從水中被有效去除；過(guò)濾對硝基苯也有0.78%的平均去除率。

4、結語(yǔ)

粉狀活性炭能夠有效地吸附去除水源水中某些突發(fā)有機污染物，其應用靈活、經(jīng)濟適用，在飲用水應急處理中有著(zhù)重要的應用。應對水源水突發(fā)污染的粉狀活性炭吸附工藝研究及相關(guān)設備研發(fā)研制工作需要深入開(kāi)展。