摘要：本文結(jié)合筆者多年實(shí)踐，詳細(xì)分析閘述了城市水廠粉狀活性炭（PAC）應(yīng)急投加系統(tǒng)中的主要作用因素，通過具體試驗(yàn)，詳細(xì)論證了粉狀活性炭（PAC）處理污染原水的具體功能效果；對(duì)水廠實(shí)際投加效果監(jiān)測(cè)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并提出了具體應(yīng)急方案和建議。
1 引言
現(xiàn)代城市由于工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市水廠的水源容易發(fā)生突發(fā)性污染，而目前水廠增加深度處理工藝的可能性又非常小，因此，如何在盡量少改動(dòng)當(dāng)前工藝的基礎(chǔ)上，控制由于突發(fā)性污染所致的污染物，確保供水安全，是當(dāng)前需要迫切解決的問題。同時(shí)，國內(nèi)出現(xiàn)的一些水源污染突發(fā)性事件，特別是松花江水污染事件，給我們提供了-些啟示：利用投加粉狀活性炭（PAC），能夠迅速有效地處理水中的污染物，保證城市供水安全。
2 粉狀活性炭（PAC）在應(yīng)急水處理中的主要影響因素
粉狀活性炭（PAC）的粒徑一般為10~50m，分為果殼活性炭、木質(zhì)活性炭和煤質(zhì)活性炭。煤質(zhì)活性炭的孔隙大小介于兩者之間。煤質(zhì)活性炭具有較多的過渡孔隙及較大的平均孔徑，因此能有效地除去水中大分子有機(jī)物。粉狀活性炭因其顆粒小，比表面積大，粉狀活性炭吸附效果特別顯著，吸附速度較快，同時(shí)可增加絮凝礬花的核心作用，提高懸浮顆粒的碰撞機(jī)會(huì)，可提高混凝工藝的處理效果，并有利于浮渣的去除。一般情況可與混凝過程相結(jié)合，直接投加到原水中，經(jīng)混合吸附水中有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)后，粘附在絮體上的炭粒大部分在沉淀池中成為污泥后排除，常應(yīng)用于季節(jié)性水質(zhì)惡化時(shí)的間歇處理以及突發(fā)性水質(zhì)污染。水廠在應(yīng)急使用PAC時(shí)應(yīng)注意較佳炭種選擇、投加點(diǎn)選取以及投加量確定這三個(gè)重要影響因素。
2.1 炭種選擇
粉狀活性炭因其孔隙形狀大小分布、表面官能團(tuán)分布以及灰分組成和含量等性質(zhì)的不同，表現(xiàn)出不同的吸附特性。這種化學(xué)性和孔隙組成的不同，會(huì)影響有機(jī)物在活性炭孔隙中的遷移和擴(kuò)散速度，并使活性炭對(duì)有機(jī)物的吸附具有一定的選擇性。在水處理中，對(duì)于不同的水質(zhì)，所采用的活性炭炭種會(huì)不同，所以應(yīng)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇合適該水源水質(zhì)的高效經(jīng)濟(jì)的炭種，采用靜態(tài)吸附試驗(yàn)，可以初步判斷活性炭的吸附能力和吸附速度，初選較佳炭種。
2.2 投加點(diǎn)選取
粉狀活性炭投加點(diǎn)選擇主要解決可由混凝去除與粉狀活性炭吸附去除有機(jī)污染物的競(jìng)爭問題，和絮凝體對(duì)粉狀活性炭顆粒的包裹問題，目的是在充分發(fā)揮混凝去除有機(jī)污染物能力的同時(shí)，再利用粉狀活性炭去除剩余有機(jī)污染物，而又要避免絮凝體對(duì)粉狀活性炭顆粒的包裹，使總?cè)コ屎芨撸蹱罨钚蕴坑昧渴�。不同投加點(diǎn)具有的水利條件不一樣，導(dǎo)致粉狀活性炭的吸附效果差別很大。對(duì)于不同的原水水質(zhì)，粉狀活性炭的較佳投加點(diǎn)也有所不同，因此投加點(diǎn)應(yīng)視情況具體分析。
2.3 投加量確定
對(duì)于PAC的投加量，當(dāng)投加較少時(shí)，其吸附容量可以充分利用，PAC基本上沒有浪費(fèi)，但同時(shí)目標(biāo)物質(zhì)出水濃度則較高，難以達(dá)標(biāo)。相反，若PAC投加過多，雖然目標(biāo)物質(zhì)出水濃度很小，能滿足飲用水要求，但PAC沒有被充分利用，制水成本會(huì)很高。因此，應(yīng)根據(jù)水廠的實(shí)際水質(zhì)情況，確定合理、經(jīng)濟(jì)的投加量。
2.4 其他影響因素
除了上面這三個(gè)重要的影響因素，其他因素的影響作用也不容忽視。而環(huán)境因素如pH值、溫度、并存有機(jī)物等均不同程度的影響PAC的吸附效果。采用投加粉狀活性炭(PAC)進(jìn)行強(qiáng)化黃浦江下游原水常規(guī)工藝處理效果的試驗(yàn)，結(jié)果表明：調(diào)節(jié)pH值為6.0~6.5時(shí)其處理效果達(dá)到較好。雖然混凝預(yù)處理可以去除大分子有機(jī)物，避免某些膠體顆粒的在粉狀活性炭上的競(jìng)爭吸附，但水中仍然存在一些背景有機(jī)物可能會(huì)參與競(jìng)爭吸附。這種競(jìng)爭吸附毫無疑問會(huì)降低粉狀活性炭對(duì)目標(biāo)有機(jī)物的去除。
3 粉狀活性炭（PAC）處理突發(fā)污染原水的效果分析
3.1 粉狀活性炭作用原理與材料
粉狀活性炭PAC顆粒細(xì)，粒徑從幾目到幾百目，是具有弱極性的多孔吸附材料，有很強(qiáng)的吸附能力和穩(wěn)定的化學(xué)性能，不易再生，成本高，在原水突發(fā)污染的情況下，投加PAC能很好地吸附和去除污染物。PAC的吸附過程可分為：快速吸附、基本平衡和完全平衡3個(gè)階段。快速吸附大約需要30min，就可以達(dá)到70%~80%的吸附容量，2h可以基本達(dá)到吸附平衡，并達(dá)到較大吸附容量的95%以上，再繼續(xù)延長吸附時(shí)間，則吸附量的增量較小。諸多試驗(yàn)及實(shí)踐證明，在吸水井、快混池、絮凝初期和絮凝中后期各個(gè)工藝階段，以吸水井處投加粉狀活性炭（PAC）效果好。
此次試驗(yàn)所選用的PAC為煤質(zhì)碳，質(zhì)量指標(biāo)為300目，碘值≥916mg/g，亞甲蘭值≥180，比表面積800~1200m2/g，混凝劑為聚合氯化鋁。
3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析
3.2.1 PAC較佳投加量
原水加入不同質(zhì)量濃度的PAC，以50r/min慢攪100min，再分別加入聚合氯化鋁，以330r/min快攪2min，再以50r/min慢攪15min，靜置沉淀60min取上清液測(cè)定。原水水質(zhì)指標(biāo)及試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)分別見表1、表2。
表1 原水水質(zhì)指標(biāo)
| 指標(biāo) | 水溫/℃ | pH | 色度 | 嗅味 | 渾濁度/NTU | 氨氮/(mg/L) | CODMn/(mg/L) |
| 原水 | 20-25 | 7.0-7.9 | 5-15 | 3 | 19-50 | 0.6-2.0 | 1.5-2.0 |
表2 較佳投加量試驗(yàn)數(shù)據(jù)
| 活性炭投加量mg/L | 渾濁度NTU | CODMn | 揮發(fā)酚 | 色度 | ||
| 測(cè)定量mg/L | 去除率% | 測(cè)定量mg/L | 去除率% | |||
| 5 | 0.85 | 3.4 | 29.2 | 0.005 | 37.5 | 5 |
| 10 | 0.83 | 3.1 | 35.4 | 0.005 | 37.5 | 5 |
| 15 | 0.84 | 2.25 | 47.9 | 0.005 | 37.5 | ＜5 |
| 20 | 0.80 | 1.98 | 50.0 | 0.004 | 50.0 | ＜5 |
| 30 | 0.92 | 2.0 | 49.8 | 0.004 | 50.0 | ＜5 |
試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著PAC投加量的增加，出水的CODMn整體上逐漸降低，但是整個(gè)過程增長緩慢；在投加20mg/L時(shí)，對(duì)CODMn的去除率就可達(dá)50%，其它控制指標(biāo)相對(duì)效果很好，因此可以認(rèn)為，這種條件下的較佳投加量為20mg/L。
3.2.2 投加PAC對(duì)藻類的去除效果
由于藻類是水源中的主要致臭物質(zhì)，試驗(yàn)表明，通過向水中投加PAC能夠明顯去除水中的嗅味，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。
表3 投加PAC對(duì)藻類去除效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)
| 項(xiàng)目 | 原水 | 混凝劑 | 混凝劑+ | ||||
| 10mg/LPAC | 20mg/LPAC | 30mg/LPAC | 40mg/LPAC | 50mg/LPAC | |||
| 藻類/（個(gè)/L） | 805000 | 197500 | 145000 | 135000 | 137500 | 107500 | 102500 |
| 藻類去除率/% | 0 | 75.5 | 78.2 | 80.2 | 81.5 | 83.5 | 86.7 |
由表3可以看出，隨著PAC的逐漸投加，出水中的藻類含量逐漸減少，能夠明顯去除出水中的異臭。
3.2.3 與混凝劑投加的先后順序不同對(duì)出水水質(zhì)的影響
混凝前投加PAC，以50r/min慢攪100min，按照10mg/L的標(biāo)準(zhǔn)投加聚合氣化鋁，以330r/min快攪2min，靜置沉淀60min；以330r/min慢攪2min后，靜置沉淀60min后取上清液做試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明：就試驗(yàn)水質(zhì)而言，在混凝前投加PAC，沉淀出水濁度低于混凝后投加PAC沉淀水油度，投加PAC后增加了水中顆粒數(shù)量可以作為混凝劑的晶核，提高了混凝效果，同時(shí)混凝前投加PAC對(duì)氨氮、TOC、礦物油的去除率相對(duì)要高一些。
表4 兩種投加順序下出水水質(zhì)對(duì)比情況
| 投加順序 | PAC質(zhì)量濃度/(mg/L) | 沉淀后出水濁度/(NTU) | 濾后水濁度/(NTU) | CODMn/(mg/L) | 嗅味 |
| 混凝前投加 | 5 | 1.56 | 0.73 | 4.9 | 1 |
| 10 | 1.03 | 0.62 | 3.9 | 0 | |
| 15 | 0.87 | 0.53 | 2.8 | 0 | |
| 20 | 0.46 | 0.41 | 2.5 | 0 | |
| 混凝后投加 | 5 | 1.98 | 0.91 | 4.6 | 1 |
| 10 | 1.27 | 0.76 | 3.9 | 0 | |
| 15 | 0.77 | 0.67 | 3.8 | 0 | |
| 20 | 0.54 | 0.52 | 3.2 | 0 |
總的試驗(yàn)結(jié)果表明：
1)對(duì)色度的去除效果：在吸水井、快混池、絮凝初期和絮凝中后期四個(gè)投加點(diǎn)投加粉狀活性炭對(duì)色度均有明顯的去除效果，且效果一致。但投加5~30mg/L的PAC，出水色度均一致，說明PAC去除色度的效果和投加量不成正比。
2)對(duì)揮發(fā)酚的去除效果：在四個(gè)投加點(diǎn)投加粉狀活性炭對(duì)揮發(fā)酚均有明顯的去除效果。當(dāng)原水揮發(fā)酚含量較低時(shí)，四個(gè)投加點(diǎn)的去除效果差不多，沒有太大的區(qū)別。其中在吸水井投加時(shí)效果略好。當(dāng)原水揮發(fā)酚含量較高時(shí)，吸水井和絮凝中期的去除效果要比快混池和絮凝初期時(shí)投加要好。原因是粉狀活性炭和混凝劑投加的時(shí)間間隔大，兩者之間的吸附競(jìng)爭減弱，粉狀活性炭可以充分發(fā)揮它的吸附優(yōu)勢(shì)。
3)對(duì)耗氧量的去除效果：在吸水井、快混池、絮凝初期三個(gè)投加點(diǎn)投加粉末活性炭對(duì)耗氧量有明顯的去除效果。在吸水井投加，尤為突出，可以提高3.2~26.1%的去除率。
4)對(duì)TOC的去除效果：四個(gè)投加點(diǎn)投加粉狀活性炭對(duì)TOC有一定的去除效果。在吸水井投加點(diǎn)的去除效果較好，去除率達(dá)38.7%，在快混池和絮凝初期次之，去除率為32.3%，絮凝中期去除率為25.8%。
5)對(duì)臭和味的去除效果：活性炭對(duì)臭和味有明顯的去除效果。在四個(gè)投加點(diǎn)投10~20mg/L的活性炭都能有效的去除臭味。
6)對(duì)氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和總氮的去除效果：通過實(shí)驗(yàn)證明，活性炭對(duì)氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮幾乎沒有去除效果，在吸水井投加活性炭對(duì)總氮略有去除效果，去除率在1.0-6.5%之間。
以上試驗(yàn)結(jié)果還充分說明，在吸水井處投加粉狀活性炭（PAC）這種方法是有效可行的。
4 實(shí)際投加效果監(jiān)測(cè)對(duì)比分析
4.1實(shí)際投加效果監(jiān)測(cè)
在吸水井處采用濕投法投加PAC，并根據(jù)水質(zhì)情況調(diào)整PAC的投加量，可以應(yīng)對(duì)水源突發(fā)性污染，保證水質(zhì)安全。將某水廠2006年6月未投加PAC與2007年6月投加PAC后出水水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，原水濁度、CODm非常相近，水溫為23C，按照10mg/L投加聚合氯化鋁，采用混凝前投加PAC，其試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。
從圖1、圖2可以看出，投加PAC后，濾后水濁度、千噸水礬耗、千噸水氯耗、出廠水CODMn等指標(biāo)都有明顯下降。這是因?yàn)橥都覲AC后增加了水中的粒子數(shù)量作為混凝劑的晶核，同時(shí)PAC吸附在礬花上增加了礬花的體積重量，加快了礬花的沉淀速度，改善了出廠水水質(zhì)，PAC吸附去除了水中的有機(jī)物，所以上述指標(biāo)都有明顯下降。
4.2 實(shí)際投加效果
經(jīng)過上述試驗(yàn)和近2年的生產(chǎn)運(yùn)行證明，在城市供水中使用PAC，基建投資少，具有吸附與應(yīng)急性能，特別適合季節(jié)性或突發(fā)性水污染的控制。
1)根據(jù)水廠的實(shí)際水質(zhì)情況，確定合理、經(jīng)濟(jì)的投加量。在原水廠采用濕投法投加PAC，較佳投加量為20mg/L時(shí)，去除效果較好，其價(jià)格為6000~8000元/，每噸水制水成本約提高0.15~0.20元。
2)投加PAC能夠有效地去除水中的藻類和去除異嗅，投加20mg/LPAC后對(duì)藻類的去除率在80%左右，對(duì)CODMn的去除率在50%左右。
5 結(jié)語
綜上所述，采用粉狀活性炭（PAC）處理污染原水具有良好的實(shí)際效果，可以有效去除水質(zhì)中揮發(fā)性酚類、氨氮、臭味、絮狀物等污染物，明顯改善供水水質(zhì)。在吸水井處投加PAC，可在輸水管道中增加吸附過程，把季節(jié)性或突發(fā)性污染的安全屏障前移，可保障安全供水，而且不會(huì)影響混凝效果，在城市供水應(yīng)急處理中具有重要的作用，因此，應(yīng)加大儲(chǔ)備粉狀活性炭，以應(yīng)對(duì)突發(fā)性的原水污染事件的發(fā)生。