摘要：本文結(jié)合筆者多年實踐，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，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；對水廠實際投加效果監(jiān)測進(jìn)行了分析評價，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，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，同時可增加絮凝礬花的核心作用，提高懸浮顆粒的碰撞機(jī)會，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時應(yīng)注意較佳炭種選擇、投加點選取以及投加量確定這三個重要影響因素。
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，并使活性炭對有機(jī)物的吸附具有一定的選擇性。在水處理中，對于不同的水質(zhì)，所采用的活性炭炭種會不同，所以應(yīng)在實驗的基礎(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，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 投加點選取
粉狀活性炭投加點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)污染物的競爭問題，和絮凝體對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，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粉狀活性炭顆粒的包裹，使總?cè)コ屎芨撸蹱罨钚蕴坑昧渴 ２煌都狱c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。對于不同的原水水質(zhì)，粉狀活性炭的較佳投加點也有所不同，因此投加點應(yīng)視情況具體分析。
2.3 投加量確定
對于PAC的投加量，當(dāng)投加較少時，其吸附容量可以充分利用，PAC基本上沒有浪費，但同時目標(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，制水成本會很高。因此，應(yīng)根據(jù)水廠的實際水質(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，結(jié)果表明：調(diào)節(jié)pH值為6.0~6.5時其處理效果達(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爭吸附，但水中仍然存在一些背景有機(jī)物可能會參與競爭吸附。這種競爭吸附毫無疑問會降低粉狀活性炭對目標(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)延長吸附時間，則吸附量的增量較小。諸多試驗及實踐證明，在吸水井、快混池、絮凝初期和絮凝中后期各個工藝階段，以吸水井處投加粉狀活性炭（PAC）效果好。
此次試驗所選用的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 試驗設(shè)計與分析
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取上清液測定。原水水質(zhì)指標(biāo)及試驗分析數(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 較佳投加量試驗數(shù)據(jù)
| 活性炭投加量mg/L | 渾濁度NTU | CODMn | 揮發(fā)酚 | 色度 | ||
| 測定量mg/L | 去除率% | 測定量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，但是整個過程增長緩慢；在投加20mg/L時，對CODMn的去除率就可達(dá)50%，其它控制指標(biāo)相對效果很好，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)，試驗表明，通過向水中投加PAC能夠明顯去除水中的嗅味，試驗數(shù)據(jù)見表3。
表3 投加PAC對藻類去除效果試驗數(shù)據(jù)
| 項目 | 原水 | 混凝劑 | 混凝劑+ | ||||
| 10mg/LPAC | 20mg/LPAC | 30mg/LPAC | 40mg/LPAC | 50mg/LPAC | |||
| 藻類/（個/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，其數(shù)據(jù)見表4。試驗結(jié)果表明：就試驗水質(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，同時混凝前投加PAC對氨氮、TOC、礦物油的去除率相對要高一些。
表4 兩種投加順序下出水水質(zhì)對比情況
| 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 |
總的試驗結(jié)果表明：
1)對色度的去除效果：在吸水井、快混池、絮凝初期和絮凝中后期四個投加點投加粉狀活性炭對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)對揮發(fā)酚的去除效果：在四個投加點投加粉狀活性炭對揮發(fā)酚均有明顯的去除效果。當(dāng)原水揮發(fā)酚含量較低時，四個投加點的去除效果差不多，沒有太大的區(qū)別。其中在吸水井投加時效果略好。當(dāng)原水揮發(fā)酚含量較高時，吸水井和絮凝中期的去除效果要比快混池和絮凝初期時投加要好。原因是粉狀活性炭和混凝劑投加的時間間隔大，兩者之間的吸附競爭減弱，粉狀活性炭可以充分發(fā)揮它的吸附優(yōu)勢。
3)對耗氧量的去除效果：在吸水井、快混池、絮凝初期三個投加點投加粉末活性炭對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TOC的去除效果：四個投加點投加粉狀活性炭對TOC有一定的去除效果。在吸水井投加點的去除效果較好，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)對臭和味的去除效果：活性炭對臭和味有明顯的去除效果。在四個投加點投10~20mg/L的活性炭都能有效的去除臭味。
6)對氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和總氮的去除效果：通過實驗證明，活性炭對氨氮、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總氮略有去除效果，去除率在1.0-6.5%之間。
以上試驗結(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 實際投加效果監(jiān)測對比分析
4.1實際投加效果監(jiān)測
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。這是因為投加PAC后增加了水中的粒子數(shù)量作為混凝劑的晶核，同時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 實際投加效果
經(jīng)過上述試驗和近2年的生產(chǎn)運行證明，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，去除效果較好，其價格為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后對藻類的去除率在80%左右，對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)加大儲備粉狀活性炭，以應(yīng)對突發(fā)性的原水污染事件的發(fā)生。