摘要：本文结合笔者多年实践，详细分析闸述了城市水厂粉状活性炭（PAC）应急投加系统中的主要作用因素，通过具体试验，详细论证了粉状活性炭（PAC）处理污染原水的具体功能效果；对水厂实际投加效果监测进行了分析评价，并提出了具体应急方案和建议。
1 引言
现代城市由于工业经济的发展，城市水厂的水源容易发生突发性污染，而目前水厂增加深度处理工艺的可能性又非常小，因此，如何在尽量少改动当前工艺的基础上，控制由于突发性污染所致的污染物，确保供水安全，是当前需要迫切解决的问题。同时，国内出现的一些水源污染突发性事件，特别是松花江水污染事件，给我们提供了-些启示：利用投加粉状活性炭（PAC），能够迅速有效地处理水中的污染物，保证城市供水安全。
2 粉状活性炭（PAC）在应急水处理中的主要影响因素
粉状活性炭（PAC）的粒径一般为10~50m，分为果壳活性炭、木质活性炭和煤质活性炭。煤质活性炭的孔隙大小介于两者之间。煤质活性炭具有较多的过渡孔隙及较大的平均孔径，因此能有效地除去水中大分子有机物。粉状活性炭因其颗粒小，比表面积大，粉状活性炭吸附效果特别显著，吸附速度较快，同时可增加絮凝矾花的核心作用，提高悬浮颗粒的碰撞机会，可提高混凝工艺的处理效果，并有利于浮渣的去除。一般情况可与混凝过程相结合，直接投加到原水中，经混合吸附水中有机和无机杂质后，粘附在絮体上的炭粒大部分在沉淀池中成为污泥后排除，常应用于季节性水质恶化时的间歇处理以及突发性水质污染。水厂在应急使用PAC时应注意较佳炭种选择、投加点选取以及投加量确定这三个重要影响因素。
2.1 炭种选择
粉状活性炭因其孔隙形状大小分布、表面官能团分布以及灰分组成和含量等性质的不同，表现出不同的吸附特性。这种化学性和孔隙组成的不同，会影响有机物在活性炭孔隙中的迁移和扩散速度，并使活性炭对有机物的吸附具有一定的选择性。在水处理中，对于不同的水质，所采用的活性炭炭种会不同，所以应在实验的基础上，选择合适该水源水质的高效经济的炭种，采用静态吸附试验，可以初步判断活性炭的吸附能力和吸附速度，初选较佳炭种。
2.2 投加点选取
粉状活性炭投加点选择主要解决可由混凝去除与粉状活性炭吸附去除有机污染物的竞争问题，和絮凝体对粉状活性炭颗粒的包裹问题，目的是在充分发挥混凝去除有机污染物能力的同时，再利用粉状活性炭去除剩余有机污染物，而又要避免絮凝体对粉状活性炭颗粒的包裹，使总去除率很高，粉状活性炭用量省。不同投加点具有的水利条件不一样，导致粉状活性炭的吸附效果差别很大。对于不同的原水水质，粉状活性炭的较佳投加点也有所不同，因此投加点应视情况具体分析。
2.3 投加量确定
对于PAC的投加量，当投加较少时，其吸附容量可以充分利用，PAC基本上没有浪费，但同时目标物质出水浓度则较高，难以达标。相反，若PAC投加过多，虽然目标物质出水浓度很小，能满足饮用水要求，但PAC没有被充分利用，制水成本会很高。因此，应根据水厂的实际水质情况，确定合理、经济的投加量。
2.4 其他影响因素
除了上面这三个重要的影响因素，其他因素的影响作用也不容忽视。而环境因素如pH值、温度、并存有机物等均不同程度的影响PAC的吸附效果。采用投加粉状活性炭(PAC)进行强化黄浦江下游原水常规工艺处理效果的试验，结果表明：调节pH值为6.0~6.5时其处理效果达到较好。虽然混凝预处理可以去除大分子有机物，避免某些胶体颗粒的在粉状活性炭上的竞争吸附，但水中仍然存在一些背景有机物可能会参与竞争吸附。这种竞争吸附毫无疑问会降低粉状活性炭对目标有机物的去除。
3 粉状活性炭（PAC）处理突发污染原水的效果分析
3.1 粉状活性炭作用原理与材料
粉状活性炭PAC颗粒细，粒径从几目到几百目，是具有弱极性的多孔吸附材料，有很强的吸附能力和稳定的化学性能，不易再生，成本高，在原水突发污染的情况下，投加PAC能很好地吸附和去除污染物。PAC的吸附过程可分为：快速吸附、基本平衡和完全平衡3个阶段。快速吸附大约需要30min，就可以达到70%~80%的吸附容量，2h可以基本达到吸附平衡，并达到较大吸附容量的95%以上，再继续延长吸附时间，则吸附量的增量较小。诸多试验及实践证明，在吸水井、快混池、絮凝初期和絮凝中后期各个工艺阶段，以吸水井处投加粉状活性炭（PAC）效果好。
此次试验所选用的PAC为煤质碳，质量指标为300目，碘值≥916mg/g，亚甲兰值≥180，比表面积800~1200m2/g，混凝剂为聚合氯化铝。
3.2 试验设计与分析
3.2.1 PAC较佳投加量
原水加入不同质量浓度的PAC，以50r/min慢搅100min，再分别加入聚合氯化铝，以330r/min快搅2min，再以50r/min慢搅15min，静置沉淀60min取上清液测定。原水水质指标及试验分析数据分别见表1、表2。
表1 原水水质指标
| 指标 | 水温/℃ | pH | 色度 | 嗅味 | 浑浊度/NTU | 氨氮/(mg/L) | CODMn/(mg/L) |
| 原水 | 20-25 | 7.0-7.9 | 5-15 | 3 | 19-50 | 0.6-2.0 | 1.5-2.0 |
表2 较佳投加量试验数据
| 活性炭投加量mg/L | 浑浊度NTU | CODMn | 挥发酚 | 色度 | ||
| 测定量mg/L | 去除率% | 测定量mg/L | 去除率% | |||
| 5 | 0.85 | 3.4 | 29.2 | 0.005 | 37.5 | 5 |
| 10 | 0.83 | 3.1 | 35.4 | 0.005 | 37.5 | 5 |
| 15 | 0.84 | 2.25 | 47.9 | 0.005 | 37.5 | ＜5 |
| 20 | 0.80 | 1.98 | 50.0 | 0.004 | 50.0 | ＜5 |
| 30 | 0.92 | 2.0 | 49.8 | 0.004 | 50.0 | ＜5 |
试验结果表明：随着PAC投加量的增加，出水的CODMn整体上逐渐降低，但是整个过程增长缓慢；在投加20mg/L时，对CODMn的去除率就可达50%，其它控制指标相对效果很好，因此可以认为，这种条件下的较佳投加量为20mg/L。
3.2.2 投加PAC对藻类的去除效果
由于藻类是水源中的主要致臭物质，试验表明，通过向水中投加PAC能够明显去除水中的嗅味，试验数据见表3。
表3 投加PAC对藻类去除效果试验数据
| 项目 | 原水 | 混凝剂 | 混凝剂+ | ||||
| 10mg/LPAC | 20mg/LPAC | 30mg/LPAC | 40mg/LPAC | 50mg/LPAC | |||
| 藻类/（个/L） | 805000 | 197500 | 145000 | 135000 | 137500 | 107500 | 102500 |
| 藻类去除率/% | 0 | 75.5 | 78.2 | 80.2 | 81.5 | 83.5 | 86.7 |
由表3可以看出，随着PAC的逐渐投加，出水中的藻类含量逐渐减少，能够明显去除出水中的异臭。
3.2.3 与混凝剂投加的先后顺序不同对出水水质的影响
混凝前投加PAC，以50r/min慢搅100min，按照10mg/L的标准投加聚合氣化铝，以330r/min快搅2min，静置沉淀60min；以330r/min慢搅2min后，静置沉淀60min后取上清液做试验，其数据见表4。试验结果表明：就试验水质而言，在混凝前投加PAC，沉淀出水浊度低于混凝后投加PAC沉淀水油度，投加PAC后增加了水中颗粒数量可以作为混凝剂的晶核，提高了混凝效果，同时混凝前投加PAC对氨氮、TOC、矿物油的去除率相对要高一些。
表4 两种投加顺序下出水水质对比情况
| 投加顺序 | PAC质量浓度/(mg/L) | 沉淀后出水浊度/(NTU) | 滤后水浊度/(NTU) | CODMn/(mg/L) | 嗅味 |
| 混凝前投加 | 5 | 1.56 | 0.73 | 4.9 | 1 |
| 10 | 1.03 | 0.62 | 3.9 | 0 | |
| 15 | 0.87 | 0.53 | 2.8 | 0 | |
| 20 | 0.46 | 0.41 | 2.5 | 0 | |
| 混凝后投加 | 5 | 1.98 | 0.91 | 4.6 | 1 |
| 10 | 1.27 | 0.76 | 3.9 | 0 | |
| 15 | 0.77 | 0.67 | 3.8 | 0 | |
| 20 | 0.54 | 0.52 | 3.2 | 0 |
总的试验结果表明：
1)对色度的去除效果：在吸水井、快混池、絮凝初期和絮凝中后期四个投加点投加粉状活性炭对色度均有明显的去除效果，且效果一致。但投加5~30mg/L的PAC，出水色度均一致，说明PAC去除色度的效果和投加量不成正比。
2)对挥发酚的去除效果：在四个投加点投加粉状活性炭对挥发酚均有明显的去除效果。当原水挥发酚含量较低时，四个投加点的去除效果差不多，没有太大的区别。其中在吸水井投加时效果略好。当原水挥发酚含量较高时，吸水井和絮凝中期的去除效果要比快混池和絮凝初期时投加要好。原因是粉状活性炭和混凝剂投加的时间间隔大，两者之间的吸附竞争减弱，粉状活性炭可以充分发挥它的吸附优势。
3)对耗氧量的去除效果：在吸水井、快混池、絮凝初期三个投加点投加粉末活性炭对耗氧量有明显的去除效果。在吸水井投加，尤为突出，可以提高3.2~26.1%的去除率。
4)对TOC的去除效果：四个投加点投加粉状活性炭对TOC有一定的去除效果。在吸水井投加点的去除效果较好，去除率达38.7%，在快混池和絮凝初期次之，去除率为32.3%，絮凝中期去除率为25.8%。
5)对臭和味的去除效果：活性炭对臭和味有明显的去除效果。在四个投加点投10~20mg/L的活性炭都能有效的去除臭味。
6)对氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和总氮的去除效果：通过实验证明，活性炭对氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮几乎没有去除效果，在吸水井投加活性炭对总氮略有去除效果，去除率在1.0-6.5%之间。
以上试验结果还充分说明，在吸水井处投加粉状活性炭（PAC）这种方法是有效可行的。
4 实际投加效果监测对比分析
4.1实际投加效果监测
在吸水井处采用湿投法投加PAC，并根据水质情况调整PAC的投加量，可以应对水源突发性污染，保证水质安全。将某水厂2006年6月未投加PAC与2007年6月投加PAC后出水水质进行对比发现，原水浊度、CODm非常相近，水温为23C，按照10mg/L投加聚合氯化铝，采用混凝前投加PAC，其试验结果见图1、图2。
从图1、图2可以看出，投加PAC后，滤后水浊度、千吨水矾耗、千吨水氯耗、出厂水CODMn等指标都有明显下降。这是因为投加PAC后增加了水中的粒子数量作为混凝剂的晶核，同时PAC吸附在矾花上增加了矾花的体积重量，加快了矾花的沉淀速度，改善了出厂水水质，PAC吸附去除了水中的有机物，所以上述指标都有明显下降。
4.2 实际投加效果
经过上述试验和近2年的生产运行证明，在城市供水中使用PAC，基建投资少，具有吸附与应急性能，特别适合季节性或突发性水污染的控制。
1)根据水厂的实际水质情况，确定合理、经济的投加量。在原水厂采用湿投法投加PAC，较佳投加量为20mg/L时，去除效果较好，其价格为6000~8000元/，每吨水制水成本约提高0.15~0.20元。
2)投加PAC能够有效地去除水中的藻类和去除异嗅，投加20mg/LPAC后对藻类的去除率在80%左右，对CODMn的去除率在50%左右。
5 结语
综上所述，采用粉状活性炭（PAC）处理污染原水具有良好的实际效果，可以有效去除水质中挥发性酚类、氨氮、臭味、絮状物等污染物，明显改善供水水质。在吸水井处投加PAC，可在输水管道中增加吸附过程，把季节性或突发性污染的安全屏障前移，可保障安全供水，而且不会影响混凝效果，在城市供水应急处理中具有重要的作用，因此，应加大储备粉状活性炭，以应对突发性的原水污染事件的发生。