康瑤瑤，連軍鋒，江 沖，張 淼，朱易春

(江西理工大學(xué)贛江流域水質(zhì)安全保障工程技術(shù)研究中心，江西贛州 341000)

近年來(lái)，隨著人們對(duì)飲用水水質(zhì)的要求越來(lái)越高，水中微污染物的防控得到了廣泛的關(guān)注。常規(guī)飲用水處理技術(shù)通常只針對(duì)懸浮物、膠體及致病微生物等，對(duì)微污染物的去除效果有限，需要考慮深度處理工藝。顆?；钚蕴?GAC)過(guò)濾是目前水廠應(yīng)用最廣的深度處理工藝之一[1]，目前已有應(yīng)用高級(jí)氧化工藝+GAC吸附器去除水體中微污染有機(jī)物以及消毒副產(chǎn)物前體物的工藝，此工藝對(duì)各類污染物均具有較好的去除效果[2]。

然而，目前針對(duì)微量污染物的炭濾工藝，多是基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。如何將實(shí)驗(yàn)室眾多關(guān)于微量污染物吸附的數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)生產(chǎn)，是炭濾工藝進(jìn)一步實(shí)踐推廣的關(guān)鍵?？焖傩⌒椭鶞y(cè)試(RSSCT)是目前普遍采用的一種能在一系列不同實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的小規(guī)模測(cè)試，且其污染物去除性能及污染物穿透曲線(BTC)與大規(guī)模裝置等效。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)早在2000年就制定了應(yīng)用RSSCT裝置預(yù)測(cè)實(shí)踐GAC吸附效果的標(biāo)準(zhǔn)(ASTM D6586-03)[3]，并于2014年做了部分修訂，用于指導(dǎo)活性炭填料的更換及反應(yīng)裝置相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)。RSSCT裝置能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水中目標(biāo)污染物對(duì)活性炭的穿透行為，通過(guò)對(duì)RSSCT裝置各參數(shù)的優(yōu)化，可以為全尺寸規(guī)模反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供參考。

目前為止，國(guó)內(nèi)關(guān)于GAC去除微污染物方面的研究，多集中在吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定及活性炭的改性方面，而少有通過(guò)RSSCT指導(dǎo)水廠實(shí)踐生產(chǎn)方面的研究。鑒于此，本文綜述了國(guó)內(nèi)外應(yīng)用RSSCT處理不同水質(zhì)、不同類型污染物的文獻(xiàn)報(bào)道，探討了不同因子對(duì)污染物BTC的影響機(jī)制，著重分析了天然有機(jī)物(NOM)對(duì)微污染物去除及穿透行為的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，為GAC工藝在實(shí)踐生產(chǎn)中的推廣提供助力。

1 RSSCT簡(jiǎn)介

RSSCT裝置是全尺寸GAC吸附裝置的小規(guī)模模型，旨在負(fù)載吸附劑GAC時(shí)，提供與全規(guī)模系統(tǒng)等效的吸附性能和穿透特征[4]，與中試規(guī)模的炭柱相比，RSSCT只需要少量進(jìn)水，在實(shí)驗(yàn)室條件下幾天內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)中試規(guī)模幾個(gè)月的吸附情況模擬。RSSCT被廣泛用于預(yù)測(cè)各種吸附系統(tǒng)的性能，適用于自來(lái)水、污水、工業(yè)廢水等多種水質(zhì)，可預(yù)測(cè)不同種類微污染物的吸附效果及穿透特征，同時(shí)能確定吸附傳質(zhì)區(qū)的長(zhǎng)度和吸附劑活性炭的用量，用于指導(dǎo)實(shí)踐反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)。

GAC是RSSCT裝置中最常用的吸附劑，是碳質(zhì)原料經(jīng)活化后形成具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)、良好吸附性的顆粒狀物質(zhì)，按照來(lái)源可分為木質(zhì)活性炭和煙煤活性炭。不同種類活性炭對(duì)污染物吸附容量不同，因?yàn)槠渚哂胁煌目讖椒植迹次⒖?、中孔和大孔占總孔?shù)目的百分比，且孔徑分布影響活性炭吸附污染物的容量。研究[2]發(fā)現(xiàn)，研磨之后GAC的總表面積、累積孔隙體積和孔隙大小無(wú)明顯差異，此外，Boehm滴定也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何不同粒徑GAC表面的化學(xué)性質(zhì)有顯著差異。因此，吸附劑研磨后可得到與全尺寸系統(tǒng)等效的吸附性能和穿透特性，這是RSSCT裝置可用于指導(dǎo)實(shí)際工藝設(shè)計(jì)的重要前提。

圖1 RSSCT設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic Diagram of RSSCT Apparatus

圖1為ASTM D6586-03推薦的RSSCT流程示意圖，進(jìn)水通過(guò)蠕動(dòng)泵以恒定的流速流過(guò)GAC炭床，通過(guò)對(duì)不同空床體積下目標(biāo)污染物出水濃度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，即可得到該污染物的BTC。GAC在長(zhǎng)期運(yùn)行下會(huì)發(fā)生表面積累微生物或水中背景物質(zhì)堵塞GAC孔隙等現(xiàn)象，在實(shí)際工藝中，活性炭池初期作用體現(xiàn)在GAC的吸附作用，隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，GAC表面積被污染物堵塞，吸附能力被削弱，此時(shí)GAC開(kāi)始發(fā)揮載體的作用，微生物在GAC表面積累形成生物膜，污染物主要被生物作用去除而不依賴于GAC吸附作用，活性炭池轉(zhuǎn)變?yōu)樯锘钚蕴?BAC)工藝[5-6]。因此，RSSCT不可以對(duì)影響GAC性能的因素進(jìn)行長(zhǎng)期評(píng)價(jià)，其預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏差，但是，在設(shè)計(jì)活性炭池裝置時(shí)，相比于實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)等溫吸附試驗(yàn)和耗時(shí)且成本昂貴的中試研究，RSSCT能夠提供比較符合實(shí)際工藝的數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)。RCCCT裝置的開(kāi)發(fā)基于分散流表面擴(kuò)散模型(DFPSDM)，此模型綜合考慮了固定床的吸附機(jī)制，包括外部傳質(zhì)阻力、分散引起的軸向混合以及表面擴(kuò)散的內(nèi)部傳質(zhì)阻力[7]。為更好地模擬全尺寸吸附器的性能，對(duì)于RSSCT與全尺寸柱，BTC中相對(duì)于柱深度的進(jìn)水量必須保持一致，由此實(shí)現(xiàn)兩種裝置的相似性。此設(shè)計(jì)主要以空床接觸時(shí)間與水力負(fù)荷作為控制吸附過(guò)程的重要參數(shù)，選定符合裝置的模型假設(shè)，便可對(duì)大規(guī)模吸附器活性炭平均粒徑做出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

2 RSSCT模型假設(shè)

假設(shè)模型的合理選擇是RSSCT裝置吸附模擬的重要因素，也是準(zhǔn)確模擬實(shí)際吸附器設(shè)計(jì)與運(yùn)行的前提。選擇合適的模型對(duì)計(jì)算RSSCT裝置流速、GAC用量以及空床接觸時(shí)間等參數(shù)也有較大的影響，直接影響對(duì)目標(biāo)污染物的去除效率。研究[7]表明，可以通過(guò)活塞流孔表面擴(kuò)散模型中的無(wú)量綱方程來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者BTC的相似性，基于活性炭半徑，該裝置存在兩種不同模型假設(shè)，即不同粒徑的活性炭有恒定擴(kuò)散系數(shù)(CD)模型[式(1)]和與粒徑成比例的擴(kuò)散系數(shù)(PD)模型[式(2)]，CD模型是指溶液中的擴(kuò)散系數(shù)不隨活性炭粒徑變化，為一定值，而PD模型中擴(kuò)散系數(shù)隨粒徑成正比。

(1)

(2)

其中：EBCT——空床接觸時(shí)間，min；

R——活性炭粒徑，cm；

LC——實(shí)際規(guī)模吸附器；

SC——RSSCT；

t——接觸時(shí)間，min。

不同計(jì)算公式得到的空床接觸時(shí)間不同，直接影響污染物的BTC。因此，對(duì)于兩種模型的選擇，要根據(jù)目標(biāo)污染物的性質(zhì)以及NOM對(duì)吸附系統(tǒng)的影響來(lái)綜合判斷。CD模型認(rèn)為，不同粒徑GAC具有恒定的表面擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)NOM濃度較小且目標(biāo)有機(jī)污染物對(duì)GAC吸附能力與吸附動(dòng)力學(xué)影響最小時(shí)，恒定擴(kuò)散的RSSCT可以更好地說(shuō)明污染物的傳質(zhì)阻力，得到更符合實(shí)際的BTC，基于式(1)，在RSSCT的運(yùn)行參數(shù)可以精確模擬全尺寸吸附器的操作條件[8]。Freihardt等[9]研究證實(shí)了CD模型對(duì)于除草劑、殺蟲(chóng)劑以及藥品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品等人工合成有機(jī)物可準(zhǔn)確模擬污染物的穿透特性，選定的17種人工合成有機(jī)物中，有15種污染物的RSSCT BTC與全尺寸反應(yīng)器的BTC有較好的相似性。PD模型認(rèn)為，表面擴(kuò)散系數(shù)不是恒定不變的，GAC的粒徑與表面擴(kuò)散系數(shù)成正比[10]。研究[11]發(fā)現(xiàn)，NOM含量高且對(duì)污染物影響較大的情況下，PD模型假設(shè)充分考慮了NON的競(jìng)爭(zhēng)作用對(duì)裝置的影響，會(huì)產(chǎn)生更符合實(shí)際的BTC。研究[11]也表明，PD模型對(duì)于水體中消毒副產(chǎn)物類和臭味物質(zhì)2-甲基異莰醇(2-MIB)以及土臭味素等特定的微污染成分模擬性較好，基于式(2)得到的BTC與實(shí)際工藝具有更好的相似性。

3 污染物BTC的影響因素

RSSCT可高效準(zhǔn)確地獲得各類污染物的BTC。為使RSSCT裝置能更好地模擬實(shí)際工藝的穿透行為，探究裝置內(nèi)各參數(shù)對(duì)于BTC產(chǎn)生的影響非常必要。影響污染物BTC的因素有目標(biāo)污染物的初始濃度、吸附劑GAC的用量、GAC的粒徑、空床接觸時(shí)間及水體中的NOM[12]。

3.1 目標(biāo)污染物初始濃度

目標(biāo)污染物初始濃度越高，吸附劑GAC在單位時(shí)間內(nèi)吸附污染物的量越多，穿透達(dá)到的速度越快，即活性炭達(dá)到吸附飽和的時(shí)間越短。Vikrant等[13]采用RSSCT裝置吸附一種造成空氣污染的物質(zhì)——七氟醚，當(dāng)七氟醚初始質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，在17 200倍空床體積達(dá)到完全穿透；而當(dāng)其初始質(zhì)量濃度為500 mg/L時(shí)，反應(yīng)僅僅在2 000倍空床體積就已經(jīng)達(dá)到穿透，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了多種醚類物質(zhì)的穿透均符合這一規(guī)律[14]。污染物濃度是吸附系統(tǒng)最重要的因素，對(duì)于BTC的影響最大，Villars等[15]也證實(shí)采用RSSCT裝置模擬吸附藻毒素的BTC，微囊藻毒素的質(zhì)量為十幾μg至幾mg，在炭柱中達(dá)到穿透的時(shí)間不相同，完全穿透時(shí)空床體積從幾千變化至幾萬(wàn)，藻毒素濃度越高，達(dá)到完全穿透的時(shí)間越短。Alves等[16]選取了20多種個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品作為目標(biāo)污染物，發(fā)現(xiàn)其在RSSCT中初始濃度越高，達(dá)到完全穿透所需的時(shí)間越短。因此，要針對(duì)不同污染物初始濃度設(shè)計(jì)合適的吸附系統(tǒng)，盡可能延長(zhǎng)達(dá)到完全穿透的時(shí)間，使其滿足吸附系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的要求，避免頻繁更換填料。使用RSSCT裝置可以在實(shí)驗(yàn)室條件下探究能滿足實(shí)際污染物濃度需要的反應(yīng)參數(shù)，準(zhǔn)確指導(dǎo)后續(xù)炭床的運(yùn)行負(fù)荷。

3.2 空床接觸時(shí)間

空床接觸時(shí)間也是影響B(tài)TC最重要的因素之一，空床接觸時(shí)間與空床體積與進(jìn)水流速都有關(guān)，不同的空床接觸時(shí)間會(huì)導(dǎo)致污染物到達(dá)完全穿透的時(shí)間和BTC的平緩程度產(chǎn)生較大變化。

在同樣的空床體積下，空床接觸時(shí)間與進(jìn)水流速會(huì)影響穿透性能，流速跟空床接觸時(shí)間成反比。較小的空床接觸時(shí)間意味著較大的進(jìn)水流速，污染物與吸附劑GAC接觸的時(shí)間也越短，GAC無(wú)法將污染物充分吸附到其孔隙內(nèi)部，活性炭并未被完全利用從而導(dǎo)致活性炭的吸附容量變小[17]，目標(biāo)污染物去除效果有限，穿透達(dá)到的時(shí)間越短。Summers等[18]采用RSSCT裝置處理水體中2-MIB，設(shè)置空床接觸時(shí)間為5、7 min和15 min，研究發(fā)現(xiàn)空床接觸時(shí)間越長(zhǎng)，污染物被吸附的效果越好，達(dá)到穿透的時(shí)間越長(zhǎng)；同時(shí)，空床接觸時(shí)間越長(zhǎng)，BTC越平緩，在穿透過(guò)程中保持著對(duì)污染物較高的去除率，RSSCT系統(tǒng)越穩(wěn)定。

在流速一定的情況下，空床接觸時(shí)間與反應(yīng)裝置的空床體積成正比?？沾搀w積越大，吸附劑與污染物的空床接觸時(shí)間也越長(zhǎng)，GAC容量越大且利用效率越高，達(dá)到穿透的時(shí)間越長(zhǎng)。Zhang等[19]采用RSSCT裝置模擬去除某地地表水中三鹵甲烷與鹵乙酸的前體物，當(dāng)流速為一定值時(shí)，裝置空床體積越大，空床接觸時(shí)間越長(zhǎng)，活性炭的吸附容量越大，對(duì)消毒副產(chǎn)物前體物的去除率越高，曲線更平滑，達(dá)到穿透的時(shí)間更長(zhǎng)。在RSSCT中得到抗生素阿莫西林等物質(zhì)的BTC時(shí)，同樣也發(fā)現(xiàn)空床接觸時(shí)間與穿透時(shí)間的正比關(guān)系[20]。但是考慮到實(shí)際工藝的負(fù)荷及水廠的運(yùn)行，空床接觸時(shí)間不可能過(guò)長(zhǎng)。采用RSSCT方法可以優(yōu)化空床接觸時(shí)間，提高吸附系統(tǒng)的效率，同時(shí)符合實(shí)際工藝的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)指導(dǎo)吸附床長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行有較大的意義。

3.3 GAC用量

GAC的用量會(huì)顯著影響污染物的穿透行為。GAC用量越多，吸附容量越大，穿透達(dá)到的速度越慢，對(duì)污染物的吸附性能越好。Vega-Hernandez等[21]采用RSSCT裝置吸附金屬元素砷，發(fā)現(xiàn)活性炭的用量越多，對(duì)砷的去除效果越好且活性炭容量越大，穿透達(dá)到的時(shí)間越長(zhǎng)。GAC對(duì)Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)等多種金屬離子均有一定去除作用，在實(shí)際中已有使用大型吸附床去除此類金屬離子的案例。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)證明，吸附劑活性炭用量越多，對(duì)金屬離子的去除效果越好，實(shí)際吸附床達(dá)到穿透的時(shí)間越長(zhǎng)，吸附床系統(tǒng)更穩(wěn)定，這與RSSCT裝置得到的試驗(yàn)結(jié)果相吻合[22]。但在實(shí)際水處理應(yīng)用中，考慮到成本及運(yùn)行等各種因素，吸附劑的用量不能無(wú)限增多。在RSSCT試驗(yàn)中探究既能夠保證污染物達(dá)標(biāo)去除，又能節(jié)約成本的最優(yōu)活性炭用量，對(duì)整個(gè)水廠運(yùn)行以及節(jié)約水處理成本都有重要的作用。

3.4 GAC的粒徑

GAC的粒徑也會(huì)顯著影響污染穿透行為。GAC的粒徑越小，其吸附容量越大，對(duì)污染物的吸附效果更佳，小粒徑GAC作為吸附劑，炭床運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，系統(tǒng)更穩(wěn)定。Mitchek等[23]研究發(fā)現(xiàn)更小粒徑GAC的吸附容量顯著提高，100～150目的GAC是18～60目吸附能力的10倍之多，且去除率更高?？傊勰┗钚蕴?PAC)在炭床內(nèi)吸附效果比GAC更好，但是由于粒徑過(guò)小，PAC活化解吸以及填料的更換復(fù)雜，成本昂貴。因此，應(yīng)考慮實(shí)際空床接觸時(shí)間的基礎(chǔ)上選擇合適粒徑的GAC，既降低炭床運(yùn)行成本且使吸附系統(tǒng)更高效。

3.5 水體中NOM

4 NOM對(duì)目標(biāo)污染物的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制

NOM是天然水體中有機(jī)物的主要組成成分,主要包括腐殖質(zhì)、微生物分泌物和溶解的動(dòng)物組織等，其中以腐殖質(zhì)為主，占NOM的50%～90%[28]。NOM影響著水體中微量有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物的遷移與去除[29]。NOM吸附于吸附劑表面,會(huì)改變表面的物理化學(xué)性質(zhì),從而影響吸附劑在水體中的吸附能力。同時(shí)，NOM還會(huì)與目標(biāo)污染物競(jìng)爭(zhēng)吸附劑的容量，對(duì)污染物的BTC存在一定的影響。在RSSCT中NOM的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制可具體總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

表1 BTC影響因素Tab.1 Influencing Factors of BTC

4.1 直接競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)

NOM在RSSCT中的競(jìng)爭(zhēng)行為，直觀表現(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)活性炭的容量，是指對(duì)活性炭表面吸附位點(diǎn)的直接競(jìng)爭(zhēng)。NOM通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸附劑GAC的吸附位點(diǎn)影響污染物的去除效率，降低GAC吸附目標(biāo)污染物的容量，縮短污染物BTC中達(dá)到穿透點(diǎn)的時(shí)間，影響吸附系統(tǒng)的效率[30]。在一般水體中目標(biāo)污染物的濃度遠(yuǎn)小于NOM濃度，因此，NOM的競(jìng)爭(zhēng)作用顯著，會(huì)嚴(yán)重阻礙GAC對(duì)污染物的吸附。NOM競(jìng)爭(zhēng)作用激烈且成分復(fù)雜，探究NOM中主要發(fā)揮競(jìng)爭(zhēng)作用的組分能有效降低競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。一般而言，分子量小的疏水性物質(zhì)由于不易溶于水而更容易被活性炭吸附，此類物質(zhì)被認(rèn)為是NOM主要的競(jìng)爭(zhēng)組分。Jiang等[31]也發(fā)現(xiàn)，NOM組分中小分子量疏水性的腐殖質(zhì)組分與水存在排斥力，更加容易被GAC吸附。Wang等[32]證實(shí)，在吸附水體中2-MIB時(shí)低分子量的NOM最具競(jìng)爭(zhēng)力，一方面會(huì)占據(jù)活性炭表面的吸附位點(diǎn)，另一方面堵塞活性炭的內(nèi)部孔隙，使2-MIB被活性炭孔吸附的路徑變長(zhǎng),降低2-MIB被吸附的容量。Kennedy等[33]在中試試驗(yàn)結(jié)果中也得出過(guò)相同的結(jié)論，分子量小的NOM組分進(jìn)入活性炭孔隙內(nèi)部，與污染物直接競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致目標(biāo)污染物被活性炭吸附的量降低。Zietzschmann等[34]通過(guò)對(duì)苯并三唑、卡馬西平、普利米酮和磺胺甲惡唑這些水中常見(jiàn)微污染BTC的模擬發(fā)現(xiàn)，低分子量的NOM主要參與直接競(jìng)爭(zhēng)和堵塞孔隙來(lái)影響微污染物的穿透特性。

4.2 改變GAC的孔徑分布

NOM競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)影響GAC孔徑分布。GAC表面及內(nèi)部分布著大量孔隙，即微孔(≤2 nm)、中孔(2～50 nm)以及大孔(50～7 500 nm)。不同種類的活性炭孔徑分布不同，而孔徑分布影響活性炭吸附污染物的反應(yīng)活性。Skibinski等[35]探究不同種類活性炭對(duì)同種目標(biāo)污染物的吸附作用，在NOM存在的條件下，通過(guò)分析6種活性炭孔徑分布發(fā)現(xiàn)，不同孔徑分布的GAC受NOM的競(jìng)爭(zhēng)效果不同，以微孔為主的GAC，孔徑分布范圍比較窄，可以快速吸附部分小分子量的NOM組分，然而大分子量的組分會(huì)吸附在GAC表面，堵塞孔隙，從而影響對(duì)污染物整體的吸附。以中孔為主的GAC，其孔徑分布范圍比較大，能緩慢吸附更多的NOM到炭結(jié)構(gòu)內(nèi)部，吸附NOM整體效果會(huì)比較好，因此會(huì)對(duì)目標(biāo)污染物的吸附產(chǎn)生巨大的影響。Golea等[36]研究發(fā)現(xiàn)吸附NOM最有效的GAC孔徑是1～2 nm的微孔和2～50 nm的中孔，其中，中孔發(fā)揮的作用尤為顯著。因此，以中孔為主的活性炭更容易受到NOM的競(jìng)爭(zhēng)作用，其會(huì)堵塞大部分活性炭的孔洞從而改變孔徑分布。Partlan等[37]也得出相同的結(jié)論，目標(biāo)污染物提前達(dá)到穿透主要是由于水體中的NOM堵塞了GAC的孔隙，尤其堵塞了主要發(fā)揮吸附作用的中孔，使GAC吸附目標(biāo)污染物能力大大降低[38]。

4.3 影響GAC表面電荷

靜電力是GAC對(duì)帶電污染物吸附的重要作用力，NOM影響GAC表面電荷，從而影響污染物的吸附。GAC表面在活化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多種活性官能團(tuán)，其表面電性取決于酸性和堿性官能團(tuán)的數(shù)量及解離常數(shù)(pKa)值[39]。當(dāng)解離和質(zhì)子化的官能團(tuán)相等時(shí)，凈表面電荷為0。凈零電荷的pH值(pHpzc)取決于GAC類型。多數(shù)文獻(xiàn)中GAC的pHpzc值為6.5～8.0，表明GAC表面在中性pH下可以帶正電荷或負(fù)電荷[40]。而NOM一般帶負(fù)電荷，其被吸附在活性炭孔隙表面，會(huì)對(duì)GAC的表面電荷情況造成影響[41]。Guillossou等[42]使用活性炭去除水體中多種微污染有機(jī)組分，發(fā)現(xiàn)活性炭吸附了部分NOM表現(xiàn)為負(fù)電，其排斥電性為負(fù)的污染物，吸附表面電性為正的污染物效率普遍比電性為負(fù)的高，電性相反、同等分子量的兩種微污染成分，在同樣的空床體積時(shí)去除率差別較大。De等[43]研究發(fā)現(xiàn)NOM可對(duì)裝填的GAC電性產(chǎn)生影響，從而造成對(duì)不同電性污染物的吸附效果的差異。NOM存在一般導(dǎo)致GAC表面帶負(fù)電，同性電荷斥力作用導(dǎo)致帶負(fù)電荷物質(zhì)的去除率為僅為0～58%，而帶正電荷物質(zhì)的去除率為32%～98%，電荷效應(yīng)明顯。

4.4 NOM絡(luò)合作用

NOM作為環(huán)境影響因素之一，與水體中污染物發(fā)生絡(luò)合現(xiàn)象十分普遍，會(huì)增加污染物與GAC之間的排斥勢(shì)能壘，增強(qiáng)污染物的穩(wěn)定性，不易被吸附劑捕獲[44]。NOM由松散的聚合大分子構(gòu)成，表面有大量官能團(tuán)和吸附配合位，可與水中各種離子發(fā)生配合反應(yīng)產(chǎn)生溶解性配合體，進(jìn)一步影響吸附系統(tǒng)的性能。在NOM存在的情況下，污染物的吸附可能發(fā)生以下情況：①微污染物與GAC表面吸附的NOM發(fā)生配合反應(yīng)；②微污染物與NOM配合物在GAC表面的吸附。NOM作為有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物的配合體，使污染物在水體系中的遷移和去除依賴于與NOM的相互作用，使污染物在吸附系統(tǒng)中行為復(fù)雜化，延長(zhǎng)污染物在水體中的停留時(shí)間，使污染物的去除和穿透特性受到影響[45]。圖2為NOM分子在吸附系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制示意圖。

圖2 NOM分子在吸附系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制Fig.2 Competitive Mechanism of NOM Molecule in Adsorption System

5 結(jié)論

GAC吸附在水處理中應(yīng)用廣泛，但相關(guān)參數(shù)多基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。RSSCT在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下可針對(duì)不同條件模擬去除目標(biāo)污染物，得到的參數(shù)對(duì)實(shí)際吸附系統(tǒng)有較高的參考價(jià)值。本文論述了在RSSCT裝置的設(shè)計(jì)、目標(biāo)污染物BTC的影響因素，重點(diǎn)探討了NOM的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，得到的主要結(jié)論和未來(lái)展望如下。

(1)RSSCT模型可針對(duì)不同水質(zhì)在實(shí)驗(yàn)室條件下準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的吸附模擬過(guò)程，得到吸附系統(tǒng)的參數(shù)能夠作為對(duì)實(shí)際工藝的參考。

(2)RSSCT裝置內(nèi)影響B(tài)TC的因素有污染物的濃度、空床接觸時(shí)間以及吸附劑GAC的用量和粒徑。污染物濃度越低，空床接觸時(shí)間越長(zhǎng)，活性炭劑量越多，達(dá)到完全穿透的時(shí)間就越長(zhǎng)，吸附系統(tǒng)效率越高。

(3)在吸附系統(tǒng)中，當(dāng)NOM存在時(shí)需要考慮競(jìng)爭(zhēng)作用。NOM競(jìng)爭(zhēng)活性炭吸附目標(biāo)污染物的吸附位點(diǎn)，其中小分子NOM被認(rèn)為是參與競(jìng)爭(zhēng)最劇烈的組分；NOM還可通過(guò)改變GAC的表面電荷和孔徑分布、與污染物發(fā)生絡(luò)合配位作用等因素造成對(duì)目標(biāo)污染物的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。

(4)RSSCT對(duì)實(shí)踐規(guī)模吸附反應(yīng)器的預(yù)測(cè)主要集中在物理吸附方面，對(duì)化學(xué)吸附及BAC的預(yù)測(cè)研究仍然缺乏；RSSCT的預(yù)測(cè)模擬仍存在不小誤差，可通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)(如計(jì)算流體力學(xué)等)，進(jìn)一步提高其對(duì)實(shí)踐反應(yīng)器吸附性能和污染物穿透特性的模擬精度。