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粉末活性炭在东江微污染水源水处理中的应用 专韭：市政工程 硕士生：扬华 指导教师；王晚昌教授 摘要 目前，我国大多数城市的水源都受到了不闻程度的污染，使用常舰处理r 艺往 往达不到理想的效果。如何有效的处理微污染水源水，是本次试验的研究目的所在。 试验证明投加粉末活性炭能够有效地去除水中的有机物、色度、浊度，该工艺具有 应用灵活、基建投资省等特点。 本文主要进孬f 以卜六个方弛的试验研究：第一，粉末活性炭炭种的选择；第 二，常规工艺投加粉末活性炭的方案确定和净水效果分析：第三，突发污染状况下， 粉末活性炭投加方案和净水效果分析 第明，粉末活性炭去除嗅昧效果研究；第五， 粉末活性炭与商锰酸镡联用试验研究；第六，技术经济分析。 研究结果表明：( 1 ) 粉末活性炭投加1 ：艺显落地改善了饮用水水质有效地去 除了水巾微最有机污染物，对其它水质指标也有明显的去除效果：( 2 ) 粉末活性炭 授加工艺的处理效果与粉末活性炭的投加点必系密切。试验证明，投加混凝剂3 0 s 后投加粉末活性炭处瑷效果最好；( 3 ) 粉末活性炭投加工艺可以有效魄去除水中的 嗅噱；( 4 1 高铥酸钾与粉末活性炭联用的工艺可以取得比单独使用粉米活性炭投鸯睡 工艺更好的对有机物的去除效果。研究结果表明，高锰酸钾与粉末活性炭同时投加 对有机物的去除效果最仕。 关键词：微污染源水：粉末活性炭；高锰酸钾；除嗅 西安建筑科技大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o no fp o w e r e d a c t i v a t e dc a r b o ni nm i c r o - p o l l u t e d w a t e ro fd o n g l i a n gr i v e r s p e c i a l i t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g a u t h o r ： y a r l 酶u a a d v i s o r ：p m f w a n gx i a o c h a n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w a t e rr e s o u r c e sa r ep o l l u t e di nm o s tc i t i e si no u rc o u n t r y , a n di tm a k e s t h ec o n v e n t i o n a lw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sm o r ea n dm o r ed i f f i c u l tt op r o d u c es a t i s f a c t o r y d r i n k i n gw a t e r i ti st h em a i no b j e c to ft h i sr e s e a r c ht ot r e a tm i c r o p o l l u t e dw a t e r r e s e a r c h e ss h o w e dt h a ta d d i n gp a cf p o w e r e da c t i v a t e dc a r b o n ) i so n eo ft h em o s t e f f e c t i v em e t h o d st or e m o v eo r g a n i cm a t t e ra n dc o l o r h i st e c h n o l o g yh a st h e a d v a n t a g e ss u c ha sl o wi n v e s t m e n t ，l o wc o s t f l e x i b l ea d d i n gp o i n t ，a n ds oo n t h i sp a p e rm a i n l yc o n t a i n ss i xp a n s ：( i ) s e l e c t i n gt h eo p t i m u mp a ct y p e ；( 2 ) t h e o p t i m u mp l a c eo fa d d i n gp a c ；( 3 ) t h eo p t i m u n qd o s eo fp a c ；( 4 ) u s i n gp a c t or e m o v e t h eo d o r ；( 5 、t h er e s e a r c ho fa p p l i c a t i o no fp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ei nc o m b i n a t i o n 诹t h p a c ；( 6 ) c o m p a r i n go ne c o n o m i ca n dt e c h n o l o g y f h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) a d d i n gp a ct e c h n o l o g yn o to n l ys i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h ed r i n k i n gw a t e rq u a l i t y ，e f f i c i e n t l yr e m o v e dm i c r o p o l l u t a n t sf r o mw a t e rb u ta l s oh a s a no b v i o u sr e m o v a le f f e c tw i t hr e g a r d st oo t h e rw a t e rp a r a m e t e r s ( 2 ) a d d i n gp a c t e c h n o l o g yh a saf i r mr e l a t i o n s h i pw i t ht h ep o i n tw h e r ep a c i sa d d e d t h eo p t i m u m p l a c eo fa d d i n gp a ci s a tt h ep o i n tw h e nt h ec o a g u l a n th a sb e e na d d e da b o u t3 0 s ( 3 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a to d o rc a l lb ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l yw i t ha d d i n gp a c t e c h n o l o g yo nt h eb a s eo fc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s s e s ( 4 ) p a ct o g e t h e rw i t h p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ec a nr e m o v et h eo r g a n i cm a t t e rm o r ee f f e c t i v e l yt h a ne a c ho f t h e ma l o n e a d d i n gp a ct e c h n o l o g yi sp r o v e dt ob ea ne c o n o m i c a l ，c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t t e c h n o l o g yf o rr e m o v a lo fp o l l u t a n t s ，f u r t h e r m o r ei t si m p l e m e n t a t i o ni sn o tl i k e l yt ob e r e s t r i c t e db ys o r n ef a c t o r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，s oi th a sap r o m i s i n gp r o s p e c to f a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m i c r o - p o l l u t e dw a t e r , p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e ，t a s t ea n do d o rr e m o v a l ， p o w e r e da c t i v a t e dc a r b o n 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行豹石毋究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特剐加以标注帮致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的闷 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 扬华 关于论文使用授权的说明 日期：一z 口口丘棼r 月，日 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阕：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复毒4 手段保存论文。 ( 探密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：煽华 导师 注：请将此更隧程论文首页。 睡期：d 尹。f 一毋g 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 我国水资源现状 1 绪论 当代人口、资源和环境的协调发展已成为国际社会共同关注的重大战略问题。 中国是世界人口大国，但人均淡水资源却是贫国。我国水资源可利用量、以及人均 和亩均的水资源数量极为有限，降雨时空分布严重不均，地区分布差异性极大，这 是我国水资源短缺的基本特点。目前水资源短缺问题己成为国家经济社会可持续发 展的严重制约因素。我国水资源可利用量是有限的，从目前现状来看，就全国而言， 人均占有淡水资源量只有2 2 0 0 立方米，从地区来看，水资源总量的8 1 集中分布 于长江及其以南地区省区，这是先天决定的水情。从人均占有量来看，其中4 0 以 上又集中于西南五省，人均占有淡水资源量南方最高和北方最低可以相差十倍，西 部比东部可以高达五、六百倍【l 】。这是我国北方属于资源型缺水的根本原因，南方 地区水资源虽然比较丰富，但由于水体污染，水质型缺水也相当严重。目前全国性 的干早缺水越来越严重，尤其北方地区发生水危机已不是危言耸听。进入2 l 世纪， 随着我国人口的增长、生活质量水平提高、城市化进程加快，人均水资源占有量将 进一步减少，而用水量却进一步增加，水资源供需矛盾更加突出，缺水已成为影响 我国粮食安全、经济发展、社会安定和生态环境改善的首要制约因素。 1 1 2 饮用水水源微污染现状 从目前的状况来看，水资源环境污染日益严重，水资源环境日益严重，受污染 的水源范围日益扩大。近年来虽然我国在水污染防治方面做了许多工作，但不少江 河湖泊的水质仍在逐渐变差，并呈发展势头，工业发达地区水域的污染尤为严重。 我国水源普遍存在着溶解性有机物增多，n h 4 + - n 浓度高、水体有异味、色度 增高、藻类大量繁殖等问题。我们通常把这些受到污染、但通过特殊工艺处理后尚 可使用的水源水称为微污染源水( m i c r o p o l l u t e dw a t e r ) 口l 。微污染源水主要是指饮用 水水源受有机物污染，部分项目超过地面水环境质量标准中i i i 类水体的规定 标准，主要为氨氮( n 地+ _ n ) 、高锰酸盐指数( c o d m 。) 、化学需氧量( c o d c , ) 、挥发 酚和生化需氧量( b o d 5 ) 等高于生活饮用水卫生标准。我国目前六大水系中有8 0 的 西安建筑科技大学硕士学位论文 水域受到污染，3 9 的水源已不能满足地面水环境质量i 类标准，属微污染水源。 在这种情况下，随着人v i 的快速增长和工农业生产的迅速发展，要想使受到污染的 水源在短期内恢复是不可能的。在我国淡水资源本来就十分紧缺的前提下，完全不 使用受到污染的淡水水源越来越不可能，也就是说，我国自来水厂不得不面临着使 用更多的水质不符合要求的受污染源水作为生活饮用水和其他用途的水。 1 1 3 饮用水常规处理的局限性 由于水厂水源受到污染，许多出厂水水质己不能达到国家生活饮用水水质标 准。水源水质污染也给现有的净水工艺提出了新的课题：现行的常规处理工艺难以 去除水中微量有机物；水中的有机物浓度升高，会对胶体产生保护作用，影响絮凝 效果，增加混凝剂的投加量：水中藻类过量繁殖，会给出水造成一定的色度和臭味， 情况严重的甚至会引起滤池堵塞，影响出水水质。另外，氯耗增加，出厂水余氯过 低，难以保证出厂水余氯达最低限制值，并且随着氯耗的增加，出厂水有机卤化物 含量升高，不利于饮水安全。研究证实，各自来水厂处理后的出厂水水质，其致突 变阳性率均高于未经处理的原水水质。可以这么讲，常规净水工艺不但不能去除水 源水致突变物，而且加氯处理后，其出厂水的致突变阳性经常高于未经处理的原水 1 3 1 。总之，水污染的现状已经给供水行业提出了新的挑战。 常规净水工艺系统只适用于一般较清洁水源水的处理，如果水源水被污染，则 处理效果将很不理想。问题主要集中体现在三个方面： 1 ) 水中有机污染物大多是带负电荷的化合物，它们的存在使水的电位升高， 要保证一定的出水水质，需要投加过量的混凝剂和氯，从而增加了水处理 成本，而且常规净水工艺无法去除某些有机污染物，同时还可能产生新的 污染物； 2 ) 现有的常规净水系统对有机物的去除率一般为2 0 , - 5 0 ，对氨氮的去除率 为1 5 左右，出水中有机物含量仍然很高，并且其中某些有机物具有致癌 性： 3 ) 有机污染物在输水管网中被管壁上附着的微生物所利用，它们在氯化消毒 之后，仍然存活，比一般的微生物有更大的危害，在出水管网中形成非生 物稳定的水，具有三致特性。 1 2 课题来源及研究目的 根据东莞市发展规划目标，2 0 0 5 年东莞市将初步建成可持续供水、在技术装备 西安建筑科技大学硕士学位论文 和经营管理上具有国际先进水平的水资源配置体系和国家节水型城市，实现水资源 的可持续利用和需水管理基础上的供需平衡，为全市经济的再次腾飞提供全方位服 务和强有力保障：全面提高城市供水水质和供水保证率，满足全市人民安全、舒适 用水需求。 但是目前东莞市内东江水源水的污染呈明显的恶化发展趋势，给城市供水处理 带来很大困难，威胁着饮用水的安全，水厂无法按正常工艺运行。东江水源水水质 恶化，是大范围的流域内排污所致，短时间难以根本好转。为了保证饮用水的卫生 安全，生产工艺的更新改造是水厂面临的最急迫的任务。因此找到一整套切合实际、 经济合理的净水集成工艺和优化技术，对解决东江水源日渐污染和出水水质要求不 断提高的矛盾，保障市民的饮用水安全问题，促进东莞市经济社会稳定发展具有重 大意义。 东江东莞段面临的水污染突出问题代表了我国南方尤其是珠三角区域水资源 污染的现状和发展趋势，如果此问题能够得到很好的解决，将为东江沿岸各水厂微 污染水源水的处理提供最佳的工艺选择和设计依据，为这一地区经济社会可持续发 展提供可靠的水源保障。因此，西安建筑科技大学与东江水务公司合作，进行粉末 活性炭( 简称p a c ) 处理东江微污染源水的技术研究。 由于目前我国的经济水平的限制，发展深度处理技术对我国的大部分地区不是 很现实，且水源水的污染在一定程度上呈现出不同水质期的特点，从而发展灵活、 经济的预处理措施对目前一个阶段的水处理工作有一定的意义。粉末活性具有优良 的吸附性能，可以吸附去除微污染水源水中的大量低分子量有机物，而且粉末活性 炭价格便宜，基建投资省，不需增加特殊设备和构筑物，应用灵活，尤其适合于季 节性变化较大的水源水的净化和原有常规处理水厂的工艺改造。粉末活性炭可用于 原有水厂的改造，在不增加大量投资的条件下，取得满意的处理效果，因而对于目 前我国水厂的改造有较大的意义。 1 3 微污染水源预处理技术概况 1 9 世纪，欧美一些国家由于排出的污水、粪便和垃圾等使地表和地下水源受到 污染，造成霍乱、痢疾、伤寒等水传染病的多次大规模的爆发和蔓延，夺去成千上 万人的生命【6 】o 这些惨痛教训，促进了饮用水的第一阶段革命。从1 9 世纪初到2 0 世纪6 0 年代，饮用水的净化主要是以去除源水中的浊度和杀灭水传染病原菌为目 的，其具有代表性的处理流程是混凝一沉淀一过滤一消毒，称为常规净水工艺。它 基本上消除了上述水传染病的爆发。 自2 0 世纪6 0 年代以来，随着工业和城市的迅速发展，饮用水源不仅受到越来 西安建筑科技大学硕士学位论文 越多的城市污水和工业废水等点污染源的污染，而且还受到更难控制的非点污染源 的污染，给水中带来了难以或不能生物降解的有机物【7 l 。例如，美国环保局，从自 来水中分析出的1 5 4 种有机污染物中有8 0 是难以或不能生物降解的。而常规净水 处理工艺自身存在对有机微污染物、氨氮等无法有效去除的弱点，氯化过程非但不 能有效的灭活水中抗氯型的病原寄生虫等病原微生物，还导致了对人体健康危害更 大的有机卤代物的形成，处理后的生活饮用水安全性难以保证。因此，第二阶段饮 用水革命的任务不仅是除去浊度和病原菌，而且还要除去多种多样的有机和无机微 量污染物。 面对日益加剧的水源污染，传统的混凝一沉淀一过滤一消毒四段式水处理工艺 除了去除杂质颗粒和浑浊度之外，还可以去除小部分有机物( 包括色度) 。但要进一 步提高有机物的去除率，必须采用包括活性炭吸附、生物降解等工艺在内的深度处 理设施。近几十年来，各国在污染水源处理技术方面进行了广泛的研究以寻求进一 步提高供水水质的方法。目前国内外去除水中有机物的技术概括起来有以下几类： 生物预处理法、化学氧化及物理化学氧化法、膜分离法、吹脱法和活性炭吸附法等 1 8 1 。 ( 1 ) 生物预处理法 利用附着在填料表面上的生物膜，使水中藻类与有机物不断为生物膜所吸附、 分解和氧化，有些还可作为生物膜上原生动物的食料i s 】。由于不断地充氧以及水在 填料中的多次循环，生物膜可不断更新而保持其活性，提高了对藻类及有机物的去 除效果，对n h 4 + - n 、有机物、铁、锰、酚的去除率较高。但是生物预处理法对某 些优先污染物去除效果较差，对t h m 。只能少量去除，而且生物预处理出水易使溴 化物与溶解性有机物的比值上升，对溴化物等消毒副产物控制不利。此外生物预处 理不适宜间歇运行。 ( 2 ) 化学氧化预处理法 化学氧化法去除水中的溶解态有机物( d o c ) 是指向微污染水源水中投加化学 氧化剂，依靠氧化剂的氧化能力，分解破坏水中污染物的结构，达到转化或分解污 染物的目的。同时化学氧化剂还能有效去除微污染水源水中大量存在的藻类。事实 上，常用的杀藻剂也都是一些强氧化剂。目前常用的工艺化学氧化剂预处理可以大 大减轻后续传统工艺处理污染物的负荷，提高整体工艺对污染物的去除率，但该方 法也有它的局限性，存在着不足，化学氧化预处理的各种技术在出水氯化后致突变 活性都或多或少地增加，所以在应用过程中应慎重考虑，还需要进一步探讨和研究， 使其更加完善。 ( 3 ) 膜分离法 膜分离法( 反渗透、纳滤、电渗析) 技术是一项新兴的高效分离技术，它具有 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 物质不发生相变，分离系数大，在常温下进行，适用范围广及装置简单，操作方便 等特点，在水处理界越来越得到广泛的应用。它对大部分高相对分子质量有机物的 去除率很高。但对低相对分子质量含氧有机物如丙酮、酚类、酸、丙酸几乎无效， 并且膜处理要求对原水进行严格的各种预处理和常规处理及定期的化学清洗，所以 膜滤的基建投资费用高，并且仍然存在着膜堵塞和膜污染问题的改善以及反渗透和 纳滤浓缩物处理的问题。 ( 4 ) 空气吹脱法 对于含有可挥发性化合物的污染水源水，用填料塔进行曝气吹脱是一种行之有 效的方法。早期的空气吹脱只限于去除水中h 2 s 等产生臭和味的挥发性化合物及 c 0 2 。从2 0 世纪7 0 年代末起，空气吹脱己开始用于去除挥发性有机污染物，并得 到广泛的研究和应用。但是如果对吹脱的有机物不进行再处理，则会造成二次污染。 ( 5 1 活性炭吸附技术 活性炭包括粉末活性炭( p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n ，p a c ) 和颗粒活性炭 ( g r a n u l a ra c t i v a t e dc a r b o n ，g a c ) ，自2 0 世纪3 0 年代开始应用于水处理中，至今 已成为目前国内外最常用的吸附剂【外。粉末活性炭去除水源水中的色、嗅、味等物 质，已取得了成功的经验和较好的去除效果。近几年来，由于水源污染日趋严重， p a c 在水处理中的使用量逐年增多，一般用作短期投加或应急措施，例如应付藻类 滋生季节的嗅味问题。 结合东莞市东江水源水的水质特点和东莞市给水厂的要求，本研究主要探讨了 粉末活性炭处理技术以及粉末活性炭与高锰酸钾化学预氧化相结合的处理技术。在 下节中将着重介绍粉末活性炭处理技术。 1 4 活性炭概述 活性炭是一种多孔炭素材料，其原料根据炭化及活化方法呈不同特性，其吸附 性能因活性炭种类不同而有所差别【9 l 。活性炭一般是多孔、有巨大比表面积、吸附 性能高的固体。活性炭吸附是去除水中溶解性有机物的最有效方法之一，可以明显 改善自来水的色度、嗅味和各项有机物指标。 当前人们对环境保护的要求越来越高。活性炭作为一种吸附剂正获得越来越广 泛的应用。美国是目前世界上最大的活性炭生产国和消费国。我国年产量已超过l o 万吨，居世界第2 位，其次是俄罗斯、日本和德国1 1 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 1 活性炭的种类 ( 1 ) 按原材料分类 根据生产所用的材质，目前国内主要的活性炭品种有木质活性炭、煤质活性炭、 果壳活性炭和活性碳纤维等。 ( 2 ) 按形状分类 活性炭按形状分类分为粉状活性炭、颗粒活性炭及纤维活性炭三种。粒状炭又 分为不定型炭和成型炭两种。不定型炭又叫破碎炭，其代表为椰壳炭，粒径一般在 o 5 0 2 3 6 m m 之间；成型炭又有各种形状和规格，主要为柱状炭和球型炭。 ( 3 ) 按制造方法分类 按制造方法分类分为药品活化炭和气体活化炭。药品活化法是把化学药品加入 活性炭中，然后在惰性气体介质中加热，同时进行炭化和活化的一种方法。气体活 化法一般以水蒸气、c 0 2 为活化气，制造粒状炭时多用这种方法。 1 4 2 活性炭的特性 活性炭使用含碳为主的物质作原料，经高温炭化和活化制得的疏水性吸附剂， 因此它具有良好的吸附性能及稳定的化学性能，可以耐强酸及强碱，能经受水浸、 高温、高压的作用，不易破碎l 。 ( 1 ) 细孔构造和细孔分布 活性炭的细孔是在原料进行活化过程中，含碳有机物去除后使基本晶格间生成 孔隙，形成很多的各种形状和大小的细孔。孔壁的总面积即为表面积，每克活性炭 具有的表面积通常称为比表面积，活性炭的比表面积高达7 0 0 1 6 0 0 m 2 g 。由于这样 大的表面积，使活性炭具有较强的吸附能力。 活性炭的细孔构造随原料、活化方法及活化条件不同而异，可根据细孔的半径 大小分为三种：大孔，半径1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 a ( 1 a = 1 0 - 1 0 m ) ：中孔( 过渡孔) ，半径 2 0 1 0 0 0 a ：微孔( 小孔) ，半径小于2 0 a 。活性炭的结构如图1 1 所示。 图1 - 1 活性炭的结构 t 也n j 髓： 纠畦砖再m ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 活性炭的突出特性是它具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，因而造就了它 对各种物质的吸附能力【l2 1 。通常活性炭颗粒中的孔隙占颗粒总体积的7 0 , - 一8 0 。 这些孔隙形状多样，孔径分布范围很广。因而，活性炭可以吸附分子量大小不同的 多种物质。 ( 2 1 表面化学性质 活性炭的吸附特性不仅受到孔隙构造的影响，而且受其表面化学性质的影响。 活性炭除碳元素外，还含有两种混合物。一种是灰分，其灰分随活性炭种类不 同而异，椰壳炭灰分小于3 ，而煤质活性炭灰分高达2 0 - - 一3 0 左右。活性炭中含 硫是比较低的，质量好的活性炭不应检出硫化物。另一种则是以化合键结合的元素， 如氧和氢。 氧和氢的存在对活性炭的性质有很大的影响，因为这些元素与碳以化学键结合， 而使活性炭表面带有很多表面氧化物和有机官能团( 如羧基、羰基、羟基、内酯等) 。 这些表面化合物使活性炭与吸附质分子发生化学作用，显示出活性炭在吸附过程中 的选择吸附特性【l 。与活性炭吸附能力最直接有关的因素是表面的氧化物复合体的 性能。一般把表面氧化物分成酸性和碱性两大类，羧基、酚羟基、羰基等即属于常 指的酸性氧化物的官能团。即使是同类原料制造的活性炭，所含的表面氧化物官能 团的种类和数量，也是不相同的；而同样的活性炭，经过浸泡等处理过程后，表面 官能团也会发生变化。 活性炭表面氧化物的成分主要受活化过程的影响。一般在3 0 0 5 0 0 以下用湿 空气制造的活性炭中，酸性氧化物占优势；而在8 0 0 9 0 0 ，用空气、蒸汽或二氧 化碳为活化氧化剂所制造的活性炭中，则为碱性氧化物占优势；在5 0 0 8 0 0 只见 活化的活性炭，则具有两性性质【l ”。 1 4 3 活性炭的吸附特性 引起物质在两相界面上浓度自动发生变化的原因是吸附剂和吸附质之间存在着 三种不同的作用力，即分子间力、化学键力和静电引力，这三种不同作用力形成三 种不同类型的吸附。 ( 1 ) 物理吸附 分子力产生的吸附称为物理吸附，它的特点是被吸附的分子不是附着在吸附剂 表面固定点上，而稍能在界面上作自由移动，这是一个放热过程，吸附热较小， 般为2 1 - - - 4 1 8 k j m o l ，不需要活化能，在低温条件下即可进行i l ”。这一过程可逆，即 在吸附的同时，被吸附的分子由于热运动还会离开固体表面，这种现象称为解吸 i s l 。 物理吸附可以形成单分子层吸附，又可形成多分子层吸附。由于分子力的普遍存在， 西安建筑科技大学硕士学位论文 一种吸附剂可以吸附多种物质，但由于吸附物质不同，吸附量也有所差别。这种吸 附现象与吸附剂的表面积、细孔分布有着密切关系，也和吸附剂表面力有关。 ( 3 ) 化学吸附 活性炭在制造过程中炭表面能生成些官能团，如羧基、羟基、羰基等，所以 活性炭也能进行化学吸附。 吸附剂和吸附质之间靠化学键的作用，发生化学反应，使吸附剂与吸附质之间 牢固地联系在一起，这种过程是放热过程。由于化学反应需大量的活化能，一般需 要在较高的温度下进行，吸附热较大【l “。吸附热在4 1 8 - - 4 1 8 k j m o l 范围内为选择性 吸附，即一种吸附剂只能对某种或特定几种物质有吸附作用，因此化学吸附只能是 单分子层吸附，吸附是较稳定的，不易解吸。这种吸附混凝一沉淀一过滤消毒与 吸附剂的表面化学性质有关，也与吸附质的化学性质有关。 活性炭在制造过程中，由于制造工艺不一样，活性炭表面若有碱性氧化物则以 吸附溶液中的酸性物质，若活性炭表面有酸性氧化物则以吸附溶液中的碱性物质。 ( 3 ) 离子交换吸附 种物质的离子由于静电引力聚集在吸附剂表面的带电点上，在吸附过程中， 伴随着等量离子的交换i l ”。离子的电荷是交换吸附的决定因素。被吸附的物质往往 发生了化学变化，改变了原来被吸附物质的化学性质。这种吸附也是不可逆的，因 此仍属于化学吸附，活性炭经再生也很难恢复到原来的性质。 物理吸附、化学吸附和离子交换吸附往往同时存在，在活性炭吸附法水处理过 程中，利用3 种吸附的综合作用达到去除污染物的目的。对于不同的吸附物质，3 种吸附所起的作用不同。 1 5 饮用水活性炭强化处理技术的国内外状况 活性炭自2 0 世纪3 0 年代开始应用于水处理中，至今己成为目前国内外最常用 的吸附剂。给水处理中常用的活性炭有颗粒活性炭( g r a n u l a r a c t i v a t e dc a r b o n ，g a c ) 和粉末活性炭( p o w d e r e da c t i v a t e dc a r b o n ，p a c ) 。粉末活性炭具有设备投资省，价 格便宜，吸附速度快，对短期及突发性水质污染适应能力强等优点，但投加后无法 回收和再生【1 7 】。颗粒活性炭虽然能够再生后重复使用，但其设备投资相对较高，且 往往需要与臭氧氧化等技术联用，以提高处理效果。因此，颗粒活性炭技术宜作为 一种深度净化工艺，而粉末活性炭技术可作为对短期及突发性水质污染的种应急 措施。 世界上是用粉末活性炭净化饮用水的国家有荷兰、法国、比利时、英国、卢 森堡、瑞典、英国、日本、丹麦和意大利等国。如美国阿林顿市水厂，在取水泵站 西安建筑科技大学硕士学位论文 吸水井中投加适量的粉末活性炭( p a c ) ，对去除藻类产生的腥臭味效果很好i j “。日 本玉川净水厂把沉淀池一部分改建成大约能停留1 h 的p a c 接触池，达到了良好的 效果。德国威斯巴登水厂于2 0 世纪8 0 年代将微小的树脂球滤料表面涂上了p a c 外膜，吸取了p a c 与颗粒活性炭( g a c ) 的优点。h a b e r e r 以聚苯乙烯球为过滤介 质和p a c 附着填料，研制了一种集混凝、过滤、吸附于一体的装置，可去除有机物 6 0 以上，对溶解性有机物的去除稳定在2 0 以上，对4 - 苯酚有2 0 的去除率， t h m f p 有5 0 6 0 的去除率。a d h a m 在超滤池投加p a c 回流运行，可使p a c 浓 度达到6 0 0 m g l 从而使t o c 去除率从1 0 以下提高到4 5 ，同时充分利用了吸附 容量。 现在国外对粉末活性炭的研究已经深入到对各种具体污染物的吸附能力的研 究。粉末活性炭对产生气味的土臭素和2 一甲基异冰片具有良好的吸附能力，对杀虫 剂和除莠剂也有良好的去除效果，对三卤甲烷及其前体也有较好的去除效果【l ”。 t h o m a s 就粉末活性炭对2 一甲基异冰片的吸附做出研究发现，平衡体系水中残留2 一 甲基异冰片是投炭量的函数，与2 一甲基异冰片的起始浓度无关。s a m e r 研究了粉末 活性炭在中空纤维超滤系统中的应用，系统中粉末活性炭对t o c 和合成有机物2 ， 4 ，6 二三率苯酚都有良好的去除效果。k a r i m 对粉末活性炭在固体接触污泥循环澄清 池中的蓄积和吸附能力作了研究，得出高浓度的粉末活性炭可以代替颗粒活性炭， 取得良好的效果。所以在给水处理中，粉末活性炭结合澄清池处理应有广泛的应用。 我国对p a c 的研究起步较晚。国内利用粉末活性炭去除污染物正处于研究之 中，目前实际工程应用较少。清华大学在对山西省大同市册田水库中污染物去除的 研究中发现，当粉末活性炭投加5 0 m g l 时，水库水中有机物( c o d c ，) 的去除率 在6 0 - 7 0 之间。同济大学范瑾初课题组研究的p a c 与硅藻土联用技术 ( p a c d e ) ，也是将p a c 累计在硅藻土滤膜中处理自来水，使u v 吸光值降低7 0 以上，c o d t 。i n 和t o c 也去除4 0 以上，取得良好效果。但由于粉末活性炭投加后， 将参与混凝沉淀过程，因此将残留在污泥中。鉴于目前没有很好的回收再生利用方 法，只能做一次性使用，所以费用较高，难以推广使用。国内目前有合肥巢湖水源 水厂季节性地在沉淀池后投加粉末活性炭取得成功的运行实例。 1 6 东莞地区内东江水源水质现状 东江是珠江水系的主要干流之一，发源于江西省寻乌县桠髻岭，上游称寻乌水， 南流入广东省境内，至龙川五合会安水后称东江。流经龙川、河源、紫金、惠阳、 东莞石龙，分南北两道水入狮子洋，经虎门出海。干流由东北向西南流，河道平均比 降0 3 9 。东江干流全长5 6 2 k m ，其中在广东省境内4 3 5 k m ，流域总面积3 5 3 4 0 k m 2 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 石龙以上流域面积2 7 0 4 0 k r n 2 , 河1 ：3 以上面积3 4 1 4 4 k m 2 , 其中广东省境内3 0 6 4 4 k m 2 , 占 总流域面积的8 9 7 5 ；江西省境内3 5 0 0 k m 2 ，占总流域面积的1 0 2 5 。流域地势是东 北高，西南低，高程5 0 5 0 0 m 的丘陵及低山地区约占7 8 1 ，高程5 0 m 以下的平原地 区约占1 4 4 ，高程5 0 0 m 以上的山区约占7 5 。 东江每年给东莞市带来的平均过境水量多达2 3 5 4 亿立方米，占本市总地面水 总量的9 0 以上。东莞市年平均降雨量为1 7 6 9 5 毫米，产生的河川径流量为1 9 9 4 亿立方米，本地水资源量只占可利用水资源量的7 2 ，人均本地水资源占有量只有 5 0 4 立方米。市域内现有蓄水工程4 1 5 宗，总集雨面积5 7 5 3 平方公里，总库容3 5 9 亿立方米。有引水工程1 4 1 宗，设计引水流量1 5 4 4 立方米秒，其中最大引水工 程为东引运河1 1 9 1 。 根据( ( 2 0 0 1 年东莞市水利年鉴，东莞市地表水资源有以下三方面的特点：可 利用水资源总量相对丰富，但本地水资源缺乏，主要依靠过境水资源。 降雨径流分布不均，年际间相差较大，年内相对集中。据统计分析东莞市1 9 5 5 - - 2 0 0 1 年，多年平均降雨1 7 8 6 毫米，最大年降雨量是2 7 4 7 毫米，最小年降雨量 9 7 2 2 毫米，最大为最小的2 8 2 倍，年际间相差较大。年内降雨主要集中在4 9 月， 占全年降雨的8 0 以上。雨量分布呈“双峰型”。东江径流年际变化也很大。据统计， 博罗站1 9 8 3 年特丰水年，年平均流量是1 0 4 9 5 立方米秒；1 9 6 3 年特枯水年，年平 均径流量是3 0 0 2 立方米秒。汛期径流量占7 0 ，枯水期1 0 3 月只占2 4 。 全市范围内水资源供需基本平衡，但各镇区供需状况不同，水质性缺水问题较 普遍。近年来，受水环境恶化及咸水线上溯影响，东莞市大部分河流的水已不适合 饮用，沿海、水乡水质性缺水更为严重【2 0 j 。 1 6 1 东江水源水质 东江东莞段水质现状选东莞石龙站断面作为水质监测断面，监测断面近年 ( 1 9 9 41 9 9 9 年) 的监测结果统计见表1 1 东江干流下游段水质评价标准采用国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中i i 类水质标准。从表2 可看出历年东江下游水质状况。氨氮含量范围在o 0 2 o 9 6 m g l ，除1 9 9 9 年外各年皆超标，超标率最大为2 6 7 ( 1 9 9 5 年) ；高锰酸盐指 数多年平均值为2 1 m g l ，含量范围在1 3 3 6 m i l ；生化需氧量多年平均值为 1 1 m g l ，含量范围在1 o 2 6 m g l ：挥发酚含量范围在o 0 0 1 n 0 0 0 2 m i e , l ；六价铬 平均值为0 0 0 5 m g l ，含量范围在0 0 0 2 0 0 3 3 m g l ：石油类含量范围为0 0 2 o 0 7 m g l ，1 9 9 8 年超标，超标率为1 1 1 。其余项目含量较为稳定，氰化物为 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 o 0 0 2 m g l ；砷为o 0 0 4 m g l ；汞为o 0 0 0 0 5 m g l ；铅为o 0 0 5 m g l ；镉为o 0 0 0 5 m g l 1 2 叭。 表1 - 1 近年监测断面监测结果 年度 项目水期i i 类水质标准 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 9 高锰酸盐 枯 1 92 o1 82 13 32 2 主 2 01 72 o2 12 7 2 2 曼4 0 指数 平 2 12 11 92 12 81 7 枯1 01 o2 o1 21 o】0 生化需氧 丰1 o1 01 01 o1 _ 31 09 0 l 1 o1 42 21 o1 21 0 枯o 0 80 5 00 0 3o 2 l0 4 10 2 6 氨氮 主 o 3 60 6 9 30 3 5o 5 60 5 20 _ 3 8 1 ，0 5 平o 】7o 3 60 ，3 2o 】8o 5 3o 3 4 枯o 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 1 挥发酚 主 o 0 0 l0 0 0 10 0 0 1o 0 0 10 0 0 lo 0 0 l 1 - 0 0 0 2 0 0 0 10 0 0 l0 0 0 10 0 0 10 0 0 1o 0 0 1 枯 0 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 2 氰化物 主 0 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 21 0 5 平0 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 20 0 0 2 枯 0 0 0 40 0 0 40 0 0 40 0 0 40 0 0 40 0 0 4 砷丰0 0 0 40 0 0 40 0 0 40 0 0 40 0 0 40 0 0 41 卫0 5 0 0 0 40 0 0 40 0 0 4 0 0 0 4 0 0 0 4 0 0 0 4 枯 0 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 5 汞 主 0 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 51 抑0 0 0 0 5 平 0 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 50 0 0 0 0 5 枯0 0 0 70 0 0 40 0 0 30 0 0 60 0 0 40 0 0 2 六价铬 主 0 0 0 40 0 0 20 0 0 30 0 0 70 0 0 20 0 0 21 抑0 5 0 0 0 20 0 0 40 0 0 30 0 0 60 0 0 20 0 3 0 枯0 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 5 铅 主 0 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 51 卫0 l 0 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 50 0 0 5 枯0 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 5 镉 主 0 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 51 卫0 0 5 0 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 50 0 0 0 5 枯 o 0 20 0 2o 0 20 0 2o 0 2o 0 2 石油类 主 0 0 20 0 2o 0 20 0 2o 0 2o 0 21 抑0 5 m 0 0 2o 0 2o 0 20 0 20 0 20 0 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 年均值变化较明显的有高锰酸盐指数、氨氮和六价铬等指标。高锰酸盐指数 1 9 9 8 年年均值最高为2 8 m g l ，1 9 9 4 年年均值最小为1 7 m g l ；氨氮年均值以1 9 9 8 年为最高( o 5 3 m g l ) ，1 9 9 4 年为最低( 0 1 7 m g l ) ，其他各年基本持平；六价铬年 均值呈逐年上升趋势，1 9 9 9 年为最大( 其值为0 0 1 l m g l ) ；其他各项监测项目含量 甚微，均保持稳定。对照国家地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 9i i 类水质标 准，氨氮除1 9 9 9 年外各年均超标，超标率最大为2 6 7 ；石油类1 9 9 8 年超标，超 标率为1 1 1 1 其余监测项目均未出现超标。总体而言，东江干流下游段水质有恶化 趋势，1 9 9 4 年水质相对较好。 1 6 2 水质变化趋势 f 1 ) 季节变化 从各年度的主要项目指标的枯、平、丰水期的监测值可看出，历年来以有机污 染物含量变化较为明显，重金属含量变化微弱，不甚明显。分析主要项目历年季节 变化可得出，主要的污染物如高锰酸盐指数、氨氮和六价铬等，其含量变化基本上 为丰 平 枯。其他监测项目含量甚微，季节变化不明显。之所以会出现这种情况， 是因为：东江东莞段为感潮河段，因而各水期对水质影响较小；东江地表径流 的补给绝大部分来自大气降水，虽然大气降水可给地表径流带来一定可稀释污染物 的水量( 如六价铬等重金属污染物的含量以枯水期含量为高) ，但由于雨水特别是 大到暴雨会对地表产生强烈的冲刷，造成水土大量流失，从而把一部分氮、磷和城镇 面源污染物带入水体，使水体中污染物相对增加。故从整体上而言，枯水期水质较 好。 ( 2 ) 年度变化 分析主要监测项目年均值的年度变化，可得出东江干流水质变化趋势，即：氨 氮含量年度变化不大，在多年平均值o