邱 成
中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010
摘要:活性炭是一种具有大比表面积和较多的微孔的非极性吸附剂，具有极好的吸附性能和回收再利用的特点。广泛的应用在水质净化厂污水中污染物的去除和厂区除臭。本文主要介绍了活性炭的性质、吸附机理、污水中污染物的去除和厂区除臭，帮助人们深入了解活性炭吸附技术在水处理领域的应用机理。
关键词：活性炭，水质净化厂
0引言
据统计，目前我国建成运营的污水处理厂已经超过4000座，污水处理能力达1.73亿m3/d[1]。常规的城市污水处理技术无法将水中的污染物、杂质和有机物完全去除，但活性炭分子可对这些物质进行有效的吸附。吸附去除的水中污染物主要包括重金属离子、有机物等污染物、含油污水和水中微生物等。
随着中国城镇化发展，人口增多，污水排放量越来越大，城镇污水厂的建设规模也越来越大。城市污水厂运营过程中，各个工艺单体（曝气沉沙池、生化池、污泥脱水车间等）不可避免产生大量废气、臭气。这些废气，臭气主要成分为氨气、硫化氢等有毒的、刺激的、挥发性气体，它们对人体有严重危害，包括中毒、过敏、休克等。各个单体的废气臭气需要做集中废气处理。活性炭因其具备疏水性能在在水处理领域应用，而其强吸附性也使得其广泛应用于除臭领域。
1活性炭特点
活性炭的主要组成部分包括石墨微晶、单面网状炭和无定形碳三部分，而非石墨微晶结构使活性炭具有发达的孔结构，而活性炭吸附性能与孔结构密切相关。不仅如此，活性炭表面还形成化学结构，化学结构是指在活性炭的制备过程中，炭化阶段形成了不成对电子的边缘碳原子，这些碳原子具有不饱和化学键，这些不饱和化学键与氧、氢、氮、硫等杂环原子反应形成不同的表面基团。研究表明：活性炭中含酸性和碱性官能团，当活性炭含羰基、羧基、内酯、羟基、醚基、苯酚等官能团，可以促进碱性物质的吸附。而当它表面官能团主要是含环酮及其衍生物，却能促进酸性物质在活性炭上吸附[2]。
2活性炭吸附机理
由于活性炭具有较大的比表面积和发达的微孔，因此具有较强的吸附能力和较大的吸附容量。活性炭的物理吸附性能主要与活性炭的比表面积和孔结构有关。活性炭孔壁的总比表面积一般高达500~1700 m2/g。特别的，与其它吸附材料相比，活性炭的中微孔（半径小于0.02 nm）更加发达，这是活性炭具有较强的吸附能力和较大吸附容量的主要原因。活性炭的总比表面积通常取决于微孔，0.02~1 nm的过渡孔在孔道中起着重要作用，半径1~100 nm的大微孔主要是吸附材料微孔系统的入口[3]。研究表明：活性炭的吸附过程非常复杂，涉及多种作用力(范德华力、静电作用、络合反应等)的相互作用，活性炭表面主要含有羰基、羧基、内酯和酚羟基，许多含氧官能团共同决定了其吸附性能。吸附过程主要有三种作用方式：第一种是电子间作用力，第二种是静电作用，第三种是配位反应[4]。
3活性炭实际应用
3.1 活性炭在饮用水处理中的应用
目前，我国自来水厂消毒方式主要采用氯氧化法。氯氧化法可以有效去除自来水中污染物、致病微生物等杂质；而且氯氧化法处理的自来水可以保证次氯酸在市政管网中保持一定的浓度。但氯氧化法无法使自来水达到直饮的标准，相反这种消毒方式会产生卤代烃等致癌致畸物质，对人体产生严重危害。而粉末活性炭在处理水资源过程中，它能有效去除CODMn并降低水的臭味，但并没有减少水中优先控制有机物种类，去除效率达83%，这表明活性炭在饮用水处理应用上有着极大潜力[5]。
3.2 活性炭在污水处理中的应用
活性炭在污水处理上发挥着重要作用，主要应用在城市三级污水处理上，运用化学和物理原理，通过交替使用化学法和物理法来实现水的净化。
一般先用化学法将污水中的杂质等有害物质进行消毒、沉淀，后采用物理法，也就是活性炭吸附作用进行过滤。
通常应当地政府及环保部门的要求需将建成水厂的出水标准由一级B提升至一级A标准，通过向各功能池分别投加混凝剂、絮凝剂及微沙等物质，通过沉淀过滤进一步去除COD、SS和TP等物质。而活性炭一般投加于接触池，通过快速搅拌充分接触，利用其吸附作用，将污水中难降解的物质吸附，最后通过沉淀达到与水分离。
3.3 活性炭污水处理厂中除臭应用
随着中国城镇化发展，城镇人口不断增加，土地越来越少，留给水厂的土地面积都比较有限，比如深圳固戍二期净水厂，它是一座半地下污水厂，不仅要满足污水净化，而且还要做成景观上盖公园，相对应除臭的要求比较高。
城市污水处理工艺中，预处理、生化池和污泥脱水的功能单体是整个污水处理厂臭气的主要来源，因此通常对这几个单体做封闭集中的除臭处理。针对不同臭气成份选择相对应的工艺和材料，水质净化厂中臭气主要成分为H2S和 NH3，因此活性炭是水质净化厂除臭工艺中关键材料。通常水质净化厂采用生物除臭技术，通过控制温度、湿度等工况条件实现除臭。在生物除臭工艺中，根据活性炭在除臭工艺上的位置可以分为不同的功能，首先可作为一级除臭装置中吸附剂，主要功能为吸附，因此在除臭运行过程中需要对活性炭进行检测、评估，并根据评估结果进行定期更换活性炭；除作为吸附剂外，活性炭也可作为生物除臭工艺中的填料介质，主要作用是为微生物提供生长介质，因此使用周期较吸附剂更长，也更加容易保养。
4 活性炭在水厂应用展望
活性炭在水厂应用上多与其他水处理技术结合应用，包括混凝活性炭吸附技术、臭氧生物活性炭工艺和石灰石活性炭技术等。一方面是活性炭耦合这些处理手段的工况优化，另一方面也需要积极探讨活性炭与其他类似工艺耦合可能性。
常规活性炭在吸附污染物主要为非极性一类，而对于极性污染物和重金属使用常规活性炭吸附就比较困难。因此，为了提高对这类极性污染物吸附就需要对活性炭进行改造和实验。通常对活性炭表面的官能团进行改造，调整其酸碱性、水的亲疏性而达到对特定污染物的吸附。
与活性炭的吸附同样关键的还有活性炭的回收再生，再生技术不仅涉及运行成本的降低，更重要的是污染物最终去处。尽管水厂中废水废气成份无特别价值，但如果能够在再生过程中从吸附剂中脱附下特定的污染物，这对脱附的污染物下一步处理提供便利。
参考文献：
[1] Wang, Y., et. (2018) Study on Application of Tailwater treatment Technlogy in Urban Wastewater treatment Plant. J. App. Chem. Ind., 10(12): 3-6.
[2] Liu, M.X., (2017) Research Progress and expectation of activated carbon. J. Innermongolia Petchem Ind., 12(3): 35-36.
[3] Bao, J.M., et. (2011) Adsorption Mechanism of activated carbon and its Application in Water treatment. J. Sichuan Environ., 11(2): 97-100.
[4] Hu, Z.A., (2018) Application of activated carbon in Water treatment. J. Environ. Eng.,11(9): 4-6.
[5]王艳华.活性炭在水处理应用中的研究进展[J].农业与技术,2016,36(13):178-180.