煤質活性炭在飲用水處理應用中的問題
1、概述
目前，我國飲用水健康問題依然嚴峻，解決飲用水健康問題任重道遠。煤質活性炭除主要應用于個體和集體防護裝備的裝填材料外，它以其良好的吸附性能、巨大的比表面積和高度發(fā)達的孔隙結構，在飲用水處理的應用也越來越受到自來水行業(yè)的青睞。進入21世紀以來，煤質活性炭在臭氧/生物活性炭（O3/BAC）工藝中的應用技術得到廣泛研究與發(fā)展，在我國長三角、珠三角地區(qū)相繼建成了一批采用該工藝的深度處理水廠，取得了較好的處理效果。另外，在處理突發(fā)飲用水污染事件和應急水工程項目中，煤質活性炭也發(fā)揮了其特殊的功效。如2005年11月松花江水污染事件，2007年7月秦皇島飲用水微污染應急工程等，都是采用煤質活性炭凈化處理解決了問題，轉危為安，使當?shù)厥忻窈壬狭私】敌l(wèi)生的飲用水。
煤質活性炭在飲用水處理應用中的地位越來越高，以日產10萬噸自來水廠為例，在深度處理工藝應用中需煤質活性炭700~1200m3，該活性炭選擇得當，應用中工藝適用，則可延長活性炭的使用壽命，到再生周期時，再生工藝和方法選用合適，則仍可延長使用壽命，從而大大降低制水成本。在應急工程，突發(fā)事件的處置應用中，煤質活性炭參數(shù)的選擇也是非常值得探討的問題，選擇適宜，既可及時處理突發(fā)事故，還可降低處置費用。
2、值得探討的問題
煤質活性炭在飲用水處理中的應用越來越多，所需的煤質活性炭數(shù)量也越來越大，據(jù)統(tǒng)計，我國活性炭的年產量現(xiàn)已達到30多萬噸，占世界產量約1/3，其中用于凈化水用的煤質活性炭約占40%左右，說明每年有10多萬噸煤質活性炭投放市場進行凈化處理。隨著我國經濟的高速發(fā)展和O3/BAC技術的推廣應用，煤質活性炭的需求量還將擴大。因此，如何選擇參數(shù)適用的，使用功能良好的煤質活性炭；如何用國家標準等技術文件規(guī)范煤質炭的生產和應用；以及煤質炭的再生使用和延長煤質炭的使用壽命等問題都擺在了活性炭廠家和水行業(yè)應用部門的科技人員面前，值得深入探討。
2.1 煤質炭的選擇
對于一個水廠或一項飲用水技改項目，當進行深度處理項目或應急工程運行籌劃時，擺在設計者、決策者面前的占投資份額較大的一筆即是煤質活性炭的投資預算。煤質活性炭的投資和選擇一般通過招標進行，從目前各地的招標文件看，存在一些問題：一是片面追求高指標，這里的指標主要指煤質炭的碘值、亞甲藍吸附值、苯酚吸附值、灰分等，二是不做詳細的模擬脫除當?shù)厮|中有機物的試驗，想當然地選擇炭型、炭種，結果是因上述問題造成投資大，而處理結果不理想的各種問題的產生。
大家知道，活性炭碘值、亞甲藍吸附值、苯酚吸附值只表征活性炭對碘分子、亞甲藍分子、苯酚分子的吸附能力。吸附碘的活性炭的較小孔徑為1.0nm，吸附亞甲藍的活性炭的較小孔徑為1.5nm ，它們均屬于活性炭的微孔吸附范圍。天然水體中的天然有機物是多種不同有機物的混合物，如腐殖質、親水酸類、蛋白質、類脂、碳水化合物、羥酸、氨基酸等，分子大小在0.5~400nm之間，因此片面追求高碘值、亞甲藍值，只說明活性炭的微孔發(fā)達而已，對有機物的脫除效果并非理想。這里推薦使用動態(tài)“柱子”試驗來進行煤質活性炭的選擇，試驗裝置及流程見圖1：
動態(tài)“柱子”試驗需在要處理的源水現(xiàn)場進行，模擬市政設計院設計的處理工藝，選擇幾種煤質活性炭為試驗炭，確定試驗條件，進出水檢測COD、UV254、 氨氮、總氮、總磷、三氯甲烷等項目，繪制相關曲線后綜合評價，選出其中較好的適宜當?shù)厮|的活性炭品種來，以供實際工程使用。
2.2 新舊國家標準的變化
國家標準是規(guī)范和指導產品研制、生產及應用的技術性文件。《凈化水用煤質顆�；钚蕴俊稧B/T7701.2-2008是較新活性炭國家標準。它代替GB/T7701.4-1997標準，是對GB/T7701.4-1997的修訂。GB/T7701.4-1997執(zhí)行10多年，存在一定不足：它的技術指標列了孔容積、比表面積、漂浮率、pH值、苯酚吸附值、水分、強度、碘值、亞甲藍吸附值、灰分、裝填密度、粒度等項目，并將碘值、亞甲藍吸附值、灰分、裝填密度進行了合格品、一級品、優(yōu)級品的分級，這就客觀上讓使用者認為碘值，亞甲藍吸附值高的、灰分、裝填密度值低的，就是品質優(yōu)良的煤質活性炭。同時，該標準缺少實際指導水行業(yè)使用的具體吸附有機物的指標。
GB/T7701.2-2008于2008年11月20日發(fā)布。2009年5月1日實施。與GB/T7701.4-1997相比，主要變化如下：取消了質量分級，不再以碘值、亞甲藍吸附值、裝填密度的指標高低進行質量分級，增定了水溶物指標，出廠檢驗項目中亞甲藍吸附值由檢驗項目更改為供需雙方商定項目，碘值更改為≥800mg/g，取消了灰份標準，孔容積與比表面積不再規(guī)定具體技術指標，增加了附錄A腐殖吸附性的測定，附錄B丹寧酸吸附的測定，附錄C水溶物測定，這些修訂都是實踐經驗的總結，是比較科學的，下面詳細介紹這些變化的科學依據(jù)。
碘的分子量為254，亞甲藍的分子量為374，二者的平均分子直徑為0.84nm和0.96nm，較佳的吸附孔徑范圍是1.7~5nm和1.6~5.7nm，由此可見，碘值、亞甲藍值主要是表征活性炭的微孔，特別是一級微孔的發(fā)達程度，而天然水體中的有機物多種不同有機物的混合物，有機物的分子大小和分子量分布差異較大，分子大小在0.5~400nm間�；钚蕴康目卓煞譃椋阂患壩⒖祝�<0.8nm）和二級微孔（0.8-2nm），中孔（2~50nm）和大孔（>50nm），對天然水體中有機物具有吸附作用的是活性炭的二級微孔和中孔，因此，2008版國家標準，取消了碘值、亞甲藍值的質量分級，不再以碘值、亞甲藍值的高低確定合格品、一級品、優(yōu)級品。
灰分與活性炭的原料有關，木質炭灰分很少，煤質炭的灰分來源于煤中的礦物質�；曳譃槊嘿|活性炭的無用物，活性炭制造廠家力求通過精選灰分含量低的原煤作基質降低成品活性炭的灰分，對于煤質炭來講，固化在活性炭中的灰分不可怕，因為它大部分不溶于水，如SiO2等，而應重視的是水溶性灰分，即能溶解至水體中的物質，因此，2008版國家標準，取消了灰分指標，而增加了水溶物項目指標，充分體現(xiàn)實用性。
為了切合水行業(yè)的實際吸附有機物的需求，在2008版國家標準中增加了腐殖酸吸附值、丹寧酸吸附值特殊吸附試驗技術要求。因為天然水體中的腐殖質主要包括腐殖酸，丹寧酸這些大分子有機物；美國AWWA標準就有丹寧酸的試驗方法，通過增加腐殖酸、丹寧酸吸附性能，使煤質活性炭更切合水行業(yè)的實際使用，突出煤質活性炭對大分子有機物的吸附性能。
2.3再生問題
活性炭如果用過一次就拋棄，其吸附的有害物質會引起二次污染，也浪費活性炭資源，增加操作費用。因此，活性炭的再生從經濟、環(huán)境保護角度來看是很有必要的，對于煤質活性炭來講，再生顯得更為重要，因為飲用水中的有機污染物大多可解吸、脫附，且已有多個再生使用的實例。粉狀煤質活性炭用于應急處理水源突發(fā)污染事件，使用后單獨分離，回收，再生較為困難，一般隨水廠的污泥一并處理。
顆粒煤質活性炭在飲用水處理應用中一般有兩種應用方式，一種為濾池應用，即在飲用水常規(guī)處理（混凝、沉淀、過濾、消毒）基礎上，在常規(guī)過濾前后，增加活性炭濾池達到過濾與吸附雙重作用。第二種為生物活性炭應用方式，其工藝流程為：源水→預臭氧→常規(guī)處理→后臭氧→煤質活性炭→消毒→出水。
這兩種應用方式中的活性炭都可以進行再生處理。如何確定使用中的活性炭需要再生，可以從出水水質的變化及提取濾池中活性炭樣品進行分析等多個渠道進行。一般情況下，濾池應用方式中的煤質活性炭，正常使用一年后；生物活性炭應用方式中的煤質活性炭，正常使用兩年后，應進行再生，并補充新炭。
再生方法應用廣泛的是熱再生法，在再生爐中加熱再生。需再生的活性炭在再生爐內要經歷3個階段：干燥、分解和活化再生。干燥階段，大約100℃，水蒸汽和易揮發(fā)物質被蒸發(fā)除去。然后升溫至650~760℃，使有機物被分解成揮發(fā)性的碳氫化合物，再升溫至900℃左右，水蒸汽活化，完成煤質活性炭的再生。
煤質活性炭通過再生一次，得率大約在85%左右，性能恢復率在85%~95%之間，一般再生得率的多少取決于煤質炭的強度和吸附有機物的程度，性能恢復率取決于活化工藝和吸附有機物質的種類，煤質活性炭強度較高，吸附的有機物易于脫附，再控制好再生活化工藝就會取得再生得率高，性能恢復率高的效果。
在再生問題上值得深人探討的是，如何爭取更多再生次數(shù)，使煤質活性炭總體使用周期更長的問題。實踐經驗證明，初選煤質炭的強度要高，但吸附性能不取較高的，這樣既保證了使用性能，還能延長再生次數(shù)，使總體煤質炭使用壽命延長。從理論上講，煤質炭吸附性能高，需要活化程度高，而活化程度是要影響強度指標的，活化程度高的炭，強度必然降低。因此，煤質活性炭初選時一定要保證吸附性能滿足需要的前題下，選擇強度較高的炭種，這樣既經濟又適用，還延長了再生周期，是一舉多利的好選擇。
3、結論
煤質活性炭在飲用水處理應用中選炭是關鍵，有條件的水廠可進行動態(tài)“柱子”試驗對多種煤質活性炭進行現(xiàn)場運行，通過試驗，選取適宜的炭種。無條件自行試驗的，可委托研究部門或活性炭生產廠家?guī)椭囼灐?
碘值，亞甲藍值不宜選指標較高的，應進行腐殖酸、丹寧酸吸附性能評價和強度類物理性能綜合評價，以滿足煤質活性炭的使用功能。
GB/T771.2-2008國家標準已開始實施，它是指導和規(guī)范煤質活性炭生產和水處理應用企業(yè)的技術文件。各生產和應用企業(yè)應切實遵照標準實踐，并在實踐中不斷總結經驗，為下一次修訂積累科學依據(jù)。
再生問題要在初選煤質炭時就加以關注，再生方法可采用熱再生法，通過再生延長煤質炭使用壽命，從而降低制水成本。