摘要：本文結合筆者多年實踐，詳細分析閘述了城市水廠粉狀活性炭（PAC）應急投加系統中的主要作用因素，通過具體試驗，詳細論證了粉狀活性炭（PAC）處理污染原水的具體功能效果；對水廠實際投加效果監測進行了分析評價，并提出了具體應急方案和建議。
1 引言
現代城市由于工業經濟的發展，城市水廠的水源容易發生突發性污染，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前工藝的基礎上，控制由于突發性污染所致的污染物，確保供水安全，是當前需要迫切解決的問題。同時，國內出現的一些水源污染突發性事件，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、木質活性炭和煤質活性炭。煤質活性炭的孔隙大小介于兩者之間。煤質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合，直接投加到原水中，經混合吸附水中有機和無機雜質后，粘附在絮體上的炭粒大部分在沉淀池中成為污泥后排除，常應用于季節性水質惡化時的間歇處理以及突發性水質污染。水廠在應急使用PAC時應注意較佳炭種選擇、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、表面官能團分布以及灰分組成和含量等性質的不同，表現出不同的吸附特性。這種化學性和孔隙組成的不同，會影響有機物在活性炭孔隙中的遷移和擴散速度，并使活性炭對有機物的吸附具有一定的選擇性。在水處理中，對于不同的水質，所采用的活性炭炭種會不同，所以應在實驗的基礎上，選擇合適該水源水質的高效經濟的炭種，采用靜態吸附試驗，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，目的是在充分發揮混凝去除有機污染物能力的同時，再利用粉狀活性炭去除剩余有機污染物，而又要避免絮凝體對粉狀活性炭顆粒的包裹，使總去除率很高，粉狀活性炭用量省。不同投加點具有的水利條件不一樣，導致粉狀活性炭的吸附效果差別很大。對于不同的原水水質，粉狀活性炭的較佳投加點也有所不同，因此投加點應視情況具體分析。
2.3 投加量確定
對于PAC的投加量，當投加較少時，其吸附容量可以充分利用，PAC基本上沒有浪費，但同時目標物質出水濃度則較高，難以達標。相反，若PAC投加過多，雖然目標物質出水濃度很小，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，應根據水廠的實際水質情況，確定合理、經濟的投加量。
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。而環境因素如pH值、溫度、并存有機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)進行強化黃浦江下游原水常規工藝處理效果的試驗，結果表明：調節pH值為6.0~6.5時其處理效果達到較好。雖然混凝預處理可以去除大分子有機物，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有機物的去除。
3 粉狀活性炭（PAC）處理突發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，粒徑從幾目到幾百目，是具有弱極性的多孔吸附材料，有很強的吸附能力和穩定的化學性能，不易再生，成本高，在原水突發污染的情況下，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，就可以達到70%~80%的吸附容量，2h可以基本達到吸附平衡，并達到較大吸附容量的95%以上，再繼續延長吸附時間，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為煤質碳，質量指標為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 試驗設計與分析
3.2.1 PAC較佳投加量
原水加入不同質量濃度的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。原水水質指標及試驗分析數據分別見表1、表2。
表1 原水水質指標
| 指標 | 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 較佳投加量試驗數據
| 活性炭投加量mg/L | 渾濁度NTU | CODMn | 揮發酚 | 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50%，其它控制指標相對效果很好，因此可以認為，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，試驗表明，通過向水中投加PAC能夠明顯去除水中的嗅味，試驗數據見表3。
表3 投加PAC對藻類去除效果試驗數據
| 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的影響
混凝前投加PAC，以50r/min慢攪100min，按照10mg/L的標準投加聚合氣化鋁，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，其數據見表4。試驗結果表明：就試驗水質而言，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對比情況
| 投加順序 | PAC質量濃度/(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)對揮發酚的去除效果：在四個投加點投加粉狀活性炭對揮發酚均有明顯的去除效果。當原水揮發酚含量較低時，四個投加點的去除效果差不多，沒有太大的區別。其中在吸水井投加時效果略好。當原水揮發酚含量較高時，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揮它的吸附優勢。
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 實際投加效果監測對比分析
4.1實際投加效果監測
在吸水井處采用濕投法投加PAC，并根據水質情況調整PAC的投加量，可以應對水源突發性污染，保證水質安全。將某水廠2006年6月未投加PAC與2007年6月投加PAC后出水水質進行對比發現，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等指標都有明顯下降。這是因為投加PAC后增加了水中的粒子數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，PAC吸附去除了水中的有機物，所以上述指標都有明顯下降。
4.2 實際投加效果
經過上述試驗和近2年的生產運行證明，在城市供水中使用PAC，基建投資少，具有吸附與應急性能，特別適合季節性或突發性水污染的控制。
1)根據水廠的實際水質情況，確定合理、經濟的投加量。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，可以有效去除水質中揮發性酚類、氨氮、臭味、絮狀物等污染物，明顯改善供水水質。在吸水井處投加PAC，可在輸水管道中增加吸附過程，把季節性或突發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，在城市供水應急處理中具有重要的作用，因此，應加大儲備粉狀活性炭，以應對突發性的原水污染事件的發生。