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煤质活性炭在饮用水处理应用中的问题

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  煤质活性炭在饮用水处理应用中的问题

  1、概述

  目前,我国饮用水健康问题依然严峻,解决饮用水健康问题任重道远。煤质活性炭除主要应用于个体和集体防护装备的装填材料外,它以其良好的吸附性能、巨大的比表面积和高度发达的孔隙结构,在饮用水处理的应用也越来越受到自来水行业的青睐。进入21世纪以来,煤质活性炭在臭氧/生物活性炭(O3/BAC)工艺中的应用技术得到广泛研究与发展,在我国长三角、珠三角地区相继建成了一批采用该工艺的深度处理水厂,取得了较好的处理效果。另外,在处理突发饮用水污染事件和应急水工程项目中,煤质活性炭也发挥了其特殊的功效。如2005年11月松花江水污染事件,2007年7月秦皇岛饮用水微污染应急工程等,都是采用煤质活性炭净化处理解决了问题,转危为安,使当地市民喝上了健康卫生的饮用水。

  煤质活性炭在饮用水处理应用中的地位越来越高,以日产10万吨自来水厂为例,在深度处理工艺应用中需煤质活性炭700~1200m3,该活性炭选择得当,应用中工艺适用,则可延长活性炭的使用寿命,到再生周期时,再生工艺和方法选用合适,则仍可延长使用寿命,从而大大降低制水成本。在应急工程,突发事件的处置应用中,煤质活性炭参数的选择也是非常值得探讨的问题,选择适宜,既可及时处理突发事故,还可降低处置费用。

  2、值得探讨的问题

  煤质活性炭在饮用水处理中的应用越来越多,所需的煤质活性炭数量也越来越大,据统计,我国活性炭的年产量现已达到30多万吨,占世界产量约1/3,其中用于净化水用的煤质活性炭约占40%左右,说明每年有10多万吨煤质活性炭投放市场进行净化处理。随着我国经济的高速发展和O3/BAC技术的推广应用,煤质活性炭的需求量还将扩大。因此,如何选择参数适用的,使用功能良好的煤质活性炭;如何用国家标准等技术文件规范煤质炭的生产和应用;以及煤质炭的再生使用和延长煤质炭的使用寿命等问题都摆在了活性炭厂家和水行业应用部门的科技人员面前,值得深入探讨。

  2.1 煤质炭的选择

  对于一个水厂或一项饮用水技改项目,当进行深度处理项目或应急工程运行筹划时,摆在设计者、决策者面前的占投资份额较大的一笔即是煤质活性炭的投资预算。煤质活性炭的投资和选择一般通过招标进行,从目前各地的招标文件看,存在一些问题:一是片面追求高指标,这里的指标主要指煤质炭的碘值、亚甲蓝吸附值、苯酚吸附值、灰分等,二是不做详细的模拟脱除当地水质中有机物的试验,想当然地选择炭型、炭种,结果是因上述问题造成投资大,而处理结果不理想的各种问题的产生。

  大家知道,活性炭碘值、亚甲蓝吸附值、苯酚吸附值只表征活性炭对碘分子、亚甲蓝分子、苯酚分子的吸附能力。吸附碘的活性炭的较小孔径为1.0nm,吸附亚甲蓝的活性炭的较小孔径为1.5nm ,它们均属于活性炭的微孔吸附范围。天然水体中的天然有机物是多种不同有机物的混合物,如腐殖质、亲水酸类、蛋白质、类脂、碳水化合物、羟酸、氨基酸等,分子大小在0.5~400nm之间,因此片面追求高碘值、亚甲蓝值,只说明活性炭的微孔发达而已,对有机物的脱除效果并非理想。这里推荐使用动态“柱子”试验来进行煤质活性炭的选择,试验装置及流程见图1:

煤质活性炭在饮用水处理应用中的问题

  动态“柱子”试验需在要处理的源水现场进行,模拟市政设计院设计的处理工艺,选择几种煤质活性炭为试验炭,确定试验条件,进出水检测COD、UV254、 氨氮、总氮、总磷、三氯甲烷等项目,绘制相关曲线后综合评价,选出其中较好的适宜当地水质的活性炭品种来,以供实际工程使用。

  2.2 新旧国家标准的变化

  国家标准是规范和指导产品研制、生产及应用的技术性文件。《净化水用煤质颗粒活性炭》GB/T7701.2-2008是较新活性炭国家标准。它代替GB/T7701.4-1997标准,是对GB/T7701.4-1997的修订。GB/T7701.4-1997执行10多年,存在一定不足:它的技术指标列了孔容积、比表面积、漂浮率、pH值、苯酚吸附值、水分、强度、碘值、亚甲蓝吸附值、灰分、装填密度、粒度等项目,并将碘值、亚甲蓝吸附值、灰分、装填密度进行了合格品、一等品、优级品的分级,这就客观上让使用者认为碘值,亚甲蓝吸附值高的、灰分、装填密度值低的,就是品质优良的煤质活性炭。同时,该标准缺少实际指导水行业使用的具体吸附有机物的指标。

  GB/T7701.2-2008于2008年11月20日发布。2009年5月1日实施。与GB/T7701.4-1997相比,主要变化如下:取消了质量分级,不再以碘值、亚甲蓝吸附值、装填密度的指标高低进行质量分级,增定了水溶物指标,出厂检验项目中亚甲蓝吸附值由检验项目更改为供需双方商定项目,碘值更改为≥800mg/g,取消了灰份标准,孔容积与比表面积不再规定具体技术指标,增加了附录A腐殖吸附性的测定,附录B丹宁酸吸附的测定,附录C水溶物测定,这些修订都是实践经验的总结,是比较科学的,下面详细介绍这些变化的科学依据。

  碘的分子量为254,亚甲蓝的分子量为374,二者的平均分子直径为0.84nm和0.96nm,较佳的吸附孔径范围是1.7~5nm和1.6~5.7nm,由此可见,碘值、亚甲蓝值主要是表征活性炭的微孔,特别是微孔的发达程度,而天然水体中的有机物多种不同有机物的混合物,有机物的分子大小和分子量分布差异较大,分子大小在0.5~400nm间。活性炭的孔可分为:较小微孔(<0.8nm)和小微孔(0.8-2nm),中孔(2~50nm)和大孔(>50nm),对天然水体中有机物具有吸附作用的是活性炭的二级微孔和中孔,因此,2008版国家标准,取消了碘值、亚甲蓝值的质量分级,不再以碘值、亚甲蓝值的高低确定合格品、一等品、优级品。

  灰分与活性炭的原料有关,木质炭灰分很少,煤质炭的灰分来源于煤中的矿物质。灰分为煤质活性炭的无用物,活性炭制造厂家力求通过精选灰分含量低的原煤作基质降低成品活性炭的灰分,对于煤质炭来讲,固化在活性炭中的灰分不可怕,因为它大部分不溶于水,如SiO2等,而应重视的是水溶性灰分,即能溶解至水体中的物质,因此,2008版国家标准,取消了灰分指标,而增加了水溶物项目指标,充分体现实用性。

  为了切合水行业的实际吸附有机物的需求,在2008版国家标准中增加了腐殖酸吸附值、丹宁酸吸附值特殊吸附试验技术要求。因为天然水体中的腐殖质主要包括腐殖酸,丹宁酸这些大分子有机物;美国AWWA标准就有丹宁酸的试验方法,通过增加腐殖酸、丹宁酸吸附性能,使煤质活性炭更切合水行业的实际使用,突出煤质活性炭对大分子有机物的吸附性能。

  2.3 再生问题

  活性炭如果用过一次就抛弃,其吸附的有害物质会引起二次污染,也浪费活性炭资源,增加操作费用。因此,活性炭的再生从经济、环境保护角度来看是很有必要的,对于煤质活性炭来讲,再生显得更为重要,因为饮用水中的有机污染物大多可解吸、脱附,且已有多个再生使用的实例。粉状煤质活性炭用于应急处理水源突发污染事件,使用后单独分离,回收,再生较为困难,一般随水厂的污泥一并处理。

  颗粒煤质活性炭在饮用水处理应用中一般有两种应用方式,一种为滤池应用,即在饮用水常规处理(混凝、沉淀、过滤、消毒)基础上,在常规过滤前后,增加活性炭滤池达到过滤与吸附双重作用。二种为生物活性炭应用方式,其工艺流程为:源水→预臭氧→常规处理→后臭氧→煤质活性炭→消毒→出水。

  这两种应用方式中的活性炭都可以进行再生处理。如何确定使用中的活性炭需要再生,可以从出水水质的变化及提取滤池中活性炭样品进行分析等多个渠道进行。一般情况下,滤池应用方式中的煤质活性炭,正常使用一年后;生物活性炭应用方式中的煤质活性炭,正常使用两年后,应进行再生,并补充新炭。

  再生方法应用广泛的是热再生法,在再生炉中加热再生。需再生的活性炭在再生炉内要经历3个阶段:干燥、分解和活化再生。干燥阶段,大约100℃,水蒸汽和易挥发物质被蒸发除去。然后升温至650~760℃,使有机物被分解成挥发性的碳氢化合物,再升温至900℃左右,水蒸汽活化,完成煤质活性炭的再生。

  煤质活性炭通过再生一次,得率大约在85%左右,性能恢复率在85%~95%之间,一般再生得率的多少取决于煤质炭的强度和吸附有机物的程度,性能恢复率取决于活化工艺和吸附有机物质的种类,煤质活性炭强度较高,吸附的有机物易于脱附,再控制好再生活化工艺就会取得再生得率高,性能恢复率高的效果。

  在再生问题上值得深人探讨的是,如何争取更多再生次数,使煤质活性炭总体使用周期更长的问题。实践经验证明,初选煤质炭的强度要高,但吸附性能不取较高的,这样既保证了使用性能,还能延长再生次数,使总体煤质炭使用寿命延长。从理论上讲,煤质炭吸附性能高,需要活化程度高,而活化程度是要影响强度指标的,活化程度高的炭,强度必然降低。因此,煤质活性炭初选时一定要保证吸附性能满足需要的前题下,选择强度较高的炭种,这样既经济又适用,还延长了再生周期,是一举多利的好选择。

  3、结论

  煤质活性炭在饮用水处理应用中选炭是关键,有条件的水厂可进行动态“柱子”试验对多种煤质活性炭进行现场运行,通过试验,选取适宜的炭种。无条件自行试验的,可委托研究部门或活性炭生产厂家帮助试验。

  碘值,亚甲蓝值不宜选指标较高的,应进行腐殖酸、丹宁酸吸附性能评价和强度类物理性能综合评价,以满足煤质活性炭的使用功能。

  GB/T771.2-2008国家标准已开始实施,它是指导和规范煤质活性炭生产和水处理应用企业的技术文件。各生产和应用企业应切实遵照标准实践,并在实践中不断总结经验,为下一次修订积累科学依据。

  再生问题要在初选煤质炭时就加以关注,再生方法可采用热再生法,通过再生延长煤质炭使用寿命,从而降低制水成本。

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