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飲用水應急處理中粉狀活性炭的應用及注意事項

發布時間:2020-09-08 瀏覽

摘要:介紹了我國水源地突發性水汙染的現狀,分析了飲用水應急處理的必要性及應對措施。對粉狀活性炭(PAC)在飲用水應急處理中的應用進行了綜述,並提出了粉狀活性炭炭種篩選、投加量、投加方式和位置以對常規淨水工藝的影響等粉狀活性炭應用注意事項。對應用粉狀活性炭應急處理飲用水的實例進行了分析,結果表明作為一種應對水源水突發汙染的有效措施,粉狀活性炭吸附技術在飲用水應急處理中有著重要作用。

飲用水應急處理中粉狀活性炭的應用及注意事項

近年來,我國突發性水源水汙染造成城市供水事故的事件頻繁發生,嚴重影響了人民正常生活和生產,造成了惡劣的社會影響,典型案例如下所述。2004年2月~3月,沱江氨氮特大水汙染事故,造成了數個縣市飲用水暫停供應的嚴重後果;2005年11月鬆花江突發硝基苯重大水汙染,導致哈爾濱市停水事件;同年12月中旬,廣東北江水體鎘超標,數城市飲用水水源受到汙染;2006年2月,牡丹江市水源發生生物汙染,對水廠正常運行造成威脅;2007年5月太湖梅梁彎區域水體汙染,導致供水水質不合格。對中國城市水源地突發汙染事件進行了不完全統計分析,結果表明中國城市水源地突發汙染事件總體上呈數量逐年增多,危害增加的趨勢,主要突發汙染物是各種化學品和汙水。突發性水源汙染已成為一個日益突出的問題。

1、飲用水應急處理的急迫性

眾多城市水源地突發性水汙染事件已給城市供水安全敲響了警鍾。而水源發生汙染事故、城市供水受到影響的原因是環境形勢嚴峻、水汙染問題嚴重;工業事故排放與運輸事故泄露時有發生;城市供水行業缺少水源應對突發汙染的能力。由於汙染風險難以根除,我國城市供水行業在今後很長一段時間內都將麵臨水源遭受重大汙染的風險。因此,如何在城市水源地發生突發性水汙染的情況下實現不中斷供水,保證供水水質,保障城市供水安全已成為急需解決的問題。有專家提出通過儲備一些藥劑(在此廣義的將吸附劑、氧化劑、酸堿劑統稱為藥劑)及其投加設施來提高給水廠水處理工藝係統應急強化處理能力是解決此類問題的關鍵點。粉狀活性炭(PAC)作為飲用水處理中一種常用的吸附劑,在飲用水應急處理中有著重要的應用。

2、粉狀活性炭在飲用水應急處理中的應用

粉狀活性炭是由無定性碳和不同數量灰分共同構成的一種吸附劑,其微孔結構發達,吸附性能優良,可有效地吸附去除水中天然有機物、鹵化有機物、農藥等人工合成有機物。粉狀活性炭應用靈活,設備投資省,價格便宜,吸附速度快,對短期及突發性水質汙染適應能力強,在飲用水應急處理中發揮了重要作用。

2.1粉狀活性炭對水源水突發有機汙染物的吸附去除

在水處理中,粉狀活性炭常其作為一種有效的吸附劑,可以吸附去除水中非離子化、憎水性強、含苯環結構的有機物汙染物,同時,投加粉狀活性炭可以明顯改善處理出水的色度、嗅味。

以渾河水為原水,模擬突發苯胺水汙染,通過投加粉狀活性炭進行應急處理試驗研究,發現在pH值不小於5時,粉狀活性炭對苯胺吸附效果較好,在30min內能達到80%-90%的吸附容量,結果表明對突發的渾河水苯胺汙染,投加粉狀活性炭是十分有效的應急措施。

中試研究結果表明:投加粉狀活性炭可有效去除長江水源水中阿特拉津,當粉狀活性炭投量為50mg/L時,可使初始濃度為200μg/L的阿特拉津降低到2μg/L以下。

粉狀活性炭對水中藻毒素有著很好的吸附去除效果。在粉狀活性炭吸附去除黃浦江原水中微囊藻毒素的實驗研究中發現:10mg/L的粉狀活性炭在40min內對MC-RR、MC-LR的去除率分別達到55%和45%,表明粉狀活性炭對水中微囊藻毒素具有較好的去除效果。

進行了粉狀活性炭對廣州珠江水中2-甲基異莰醇(MIB)吸附去除的實驗研究,結果表明煤質粉狀活性炭對MIB有較好的去除效果,去除率達到40%以上。

研究發現:當原水嗅閾值為90時,40mg/L的粉狀活性炭投量可保證出水無異味。

2.2粉狀活性炭對水源水突發重金屬汙染的吸附去除

粉狀活性炭是一種去除水中重金屬離子的優良吸附劑。粉狀活性炭吸附重金屬離子的機理目前尚未弄清,但比較一致的看法是在吸附重金屬離子過程中,粉狀活性炭既是吸附劑又是催化劑。

在鉛離子和銅離子在活性炭上吸附實驗研究中發現:水中鉛和銅離子通過與活性炭表麵官能團反應形成配合物而吸附在活性炭上。

對飲用水水源地突發性六價鉻汙染應急處理進行了實驗研究,結果表明粉狀活性炭對水中六價鉻的吸附是一個物理吸附和化學吸附相結合較為複雜的過程,在較低pH值(3.5~5.0)條件下,當原水中六價鉻濃度低於0.5mg/L時,可以通過粉狀活性炭吸附的方法對其進行有效去除。但是對於多數重金屬離子,粉狀活性炭對其吸附能力有限,且選擇性不是很好,通過加絡合劑使金屬離子形成絡合物增加吸附性和選擇性。

2.3 粉狀活性炭聯用工藝在飲用水應急處理中的應用

粉狀活性炭應用方式靈活,故可與許多水處理工藝聯用。相對單獨的處理工藝,這些聯用工藝有時會達到更好的處理效果。

研究結果表明:高錳酸鉀與粉狀活性炭聯用工藝的除嗅效果好,當高錳酸鉀投加量為0.5mg/L、粉狀活性炭投加量為40mg/L時,沉後水的嗅閾值僅為5,去除率達到了98.8%。

研究認為:當用高錳酸鉀與粉狀活性炭聯用處理帶土腥味和黴爛味的原水時平均去除率可達92%以上。高錳酸鉀和粉狀活性炭聯用能去除水中的嗅味,其機理是通過氧化和吸附作用去除有機物。

在進行飲用水水源突發性石油汙染的應急處理實驗研究中發現,PAC+ClO2組合技術在ClO2和PAC的投量分別為8和30mg/L,粉狀活性炭吸附時間為3h的條件下,可將水中0.5mg/L石油類汙染物降至0.01mg/L,此組合工藝可作為飲用水水源突發石油類汙染的應急處理措施。

粉狀活性炭吸附技術作為一種應急性的措施,在一些水廠己經得到了應用,並取得了滿意的效果,實踐表明它是一項非常有前景的技術。

3、飲用水應急處理中粉狀活性炭應用的注意事項

3.1粉狀活性炭炭種篩選及投量

根據給水廠原水的水質狀況,特別是突發有機汙染物及原水背景有機物分子量的分布狀況,確定適合原水水質的對突發有機汙染物吸附容量高、吸附速率快的粉狀活性炭炭種。為應對城市水源地突發水汙染,城市給水廠要有針對性地建立應急供水預案,針對能夠通過粉狀活性炭吸附快速去除的突發有機汙染物,篩選針對這些有機汙染物吸附容量高的粉狀活性炭,建立有機汙染物初始濃度、活性炭投加量、吸附時間等與吸附去除率的關係,以便突發有機物汙染情況下確定合理、經濟的粉狀活性炭投加量。

3.2粉狀活性炭投加方式

粉狀活性炭投加分幹投和濕投兩種方式。歐美等國家大都應用幹投裝置投加粉狀活性炭,幹投裝置宜用在粉狀活性炭不經常使用以及較大投炭量很大時。但粉狀活性炭幹投操作時,勞動強度大,在裝卸、拆包、配製和投加過程中粉塵飛揚,具有潛在爆炸性,工作環境差,工人抵觸情緒大。濕投法一般是負壓投加,粉狀活性炭與水混合成炭漿,可以基本解決炭粉飛揚的問題。但濕投法也有其弊端,如果粉狀活性炭隻是偶爾使用,炭漿池可能時空時滿,由於加料和混合炭漿需要較長時間,往往等到炭漿係統可以開始運行時,所處理的水可能已發生突發汙染事故,所以在突發水汙染的情況下,應有充分的應急準備,能夠及時投加炭漿,防止處理出水不達標。另外,粉狀活性炭炭漿若不經常混合或連續混合就會團結,可能會堵塞輸送管,為避免此問題,管內流速要求不小於15m/s。粉狀活性炭投加係統應盡量靠近投加點,能定期運行,即使無需加炭時也一樣,這樣可以保證輸炭管道暢通清潔、炭漿混合良好和整個係統能夠得到經常清洗。

3.3 粉狀活性炭投加位置的選擇

根據國內水廠目前實際情況,水廠可供選擇的粉狀活性炭投加點主要為三處:

(1)取水口投加

水源水突發汙染時,應首先考慮在取水口投加粉狀活性炭,其優點是可以盡量增加粉狀活性炭在水中突發汙染物的吸附時間,可明顯提高處理效率,達到控製突發汙染的目的,盡可能地在較早的環節控製了汙染,有效防止了水廠處理構築物受到突發汙染物汙染,同時後續的處理環節可以起到緩衝和安全餘量的作用,複合飲用水處理多級安全屏障的理念。事實上鬆花江突發硝基苯汙染和無錫水危機事件中,飲用水應急處理時,粉狀活性炭都是投加在取水口處,這也是應對突發汙染的重要經驗之一。

(2)混凝前後投加

若取水口處不具備粉狀活性炭投加條件,可以考慮混凝前與混凝後投加粉狀活性炭,具體應根據實際情況通過實驗確定。在絮凝前後投加粉狀活性炭,影響粉狀活性炭吸附效果的主要因素是粉狀活性炭吸附與混凝的競爭和吸附時間的保證,協調這兩方麵因素是充分發揮粉狀活性炭吸附能力的關鍵。一般隻有在有條件采用較高粉狀活性炭投加量場合,混凝前投加才有意義。

以東莞市東江水為原水,進行突發汙染飲用水應急處理實驗研究,結果表明:在混凝劑投加30s後,投加粉狀活性炭對COD、UV254、濁度、色度的去除效果明顯好於其他投加點。

在進行徐州某水廠應對突發水汙染的實驗研究中,發現粉狀活性炭投加點選擇在混凝劑投加後3min左右,對濁度、色度、CODMn去除效果較好。

(3)濾前投加

濾前投加,不存在吸附與混凝的競爭問題,但應該注意到粉狀活性炭與水的接觸時間不足,安全保障率不足。此外,粉狀活性炭進入濾池後,會堵塞濾料層,粉狀活性炭易穿透濾層,使濾池的工作周期明顯縮短。因此,不建議濾前投加粉狀活性炭。

3.4粉狀活性炭對常規淨水工藝的影響

飲用水應急處理中往往需要投加大量粉狀活性炭,相應帶來的問題是由於粉狀活性炭相對密度小、沉降性能差,粉狀活性炭不易通過排泥排出,較易從沉澱池流出進入濾池,增加濾池負荷,甚至會穿透濾層,影響供水水質。為此,就需是要通過強化混凝,提高沉澱對水中膠體顆粒及粉狀活性炭的去除率,盡量減少沉澱池表麵的浮炭;加強排泥,防止粉狀活性炭在池底大量堆積;同時要縮短濾池過濾周期,加強濾層反衝洗。

4、應用實例分析—哈爾濱氣化廠應對鬆花江突發硝基苯汙染的應急處理

4.1哈爾濱氣化廠供水危機

2005年11月,鬆花江發生硝基苯重大水環境汙染事件,沿江城市供水安全帶來嚴重威脅,位於下遊哈爾濱氣化廠供水同樣麵臨嚴峻考驗。哈爾濱氣化廠承擔著向哈爾濱市供應燃氣的任務。其供水分廠負責氣化廠生產用水的供應,鬆花江是氣化廠唯一的供水水源,一旦硝基苯超標,將導致水廠停產,供水中斷,造成氣化廠停產,將產生嚴重的影響和後果。為此,需要確保任何情況下不中斷供水。

4.2應急供水技術方案及分析

現有水廠淨水工藝去除硝基苯的能力有限,難以滿足要求,需要對供水係統進行應急改造。考慮到活性炭對硝基苯有較好的吸附性能,因此,將活性炭吸附作為優先考慮的措施,確定應急處理方案如下:在取水口投加粉狀活性炭,由取水泵進行充分混合,利用11.9km長的輸水管在長達5個多小時的原水輸送過程中,粉狀活性炭與水充分接觸吸附硝基苯,在混凝沉澱單元,優化混凝劑投加量,投加助凝劑,加強沉澱池排泥;將原有的煤砂濾池改造為炭砂濾池。

在此方案中,粉狀活性炭的吸附作用是關鍵,水在輸水管中的停留時間可達5.7h,粉狀活性炭吸附時間充分,力求硝基苯在此階段被吸附去除達標。強化混凝沉澱及加強排泥主要目的是為了分離去除水中粉狀活性炭,同時,此階段硝基苯也有部分被去除。炭砂濾池吸附去除能力有限,主要作為儲備性環節。

4.3應急供水實施效果

(1)粉狀活性炭對硝基苯的吸附效果

在各種原水硝基苯濃度超標倍數下,硝基苯的平均去除率達95%左右;投加粉狀活性炭之後水中殘留硝基苯濃度均低於0.017mg/L,證明粉狀活性炭對水中硝基苯的去除具有很好的效果。

(2)應急供水技術硝基苯總體去除效果

在原水硝基苯超標高達14.22倍的情況下,上述工藝組合對硝基苯的總去除率平均達99.4%,過濾出水中硝基苯的含量均在0.002mg/L以下,效果優異。在對原水中硝基苯去除的貢獻份額中,粉狀活性炭的平均去除率達到94.81%,是去除硝基苯的主要環節;強化混凝沉澱的平均去除率為3.88%,其主要作用是保證粉狀活性炭從水中被有效去除;過濾對硝基苯也有0.78%的平均去除率(見圖1)。

飲用水應急處理中粉狀活性炭的應用及注意事項

4、結語

粉狀活性炭能夠有效地吸附去除水源水中某些突發有機汙染物,其應用靈活、經濟適用,在飲用水應急處理中有著重要的應用。應對水源水突發汙染的粉狀活性炭安全吸附工藝研究及相關設備研發研製工作需要深入開展。

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