活性炭作为一种特殊的碳质材料，以其孔结构发达、比表面积大、稳定性好、吸附能力强、再生能力强等优点，在水处理的各个领域得到了广泛的应用，可有效地保证水资源的利用。同时有效弥补了常规净水工艺系统局限性，对于改善出水水质、有效去除微量有机污染物与消毒副产物、把控处理成本有重要的作用。
1 工程概况
某水厂二期改扩建工程新建沉淀池与滤池作为水处理设施，在设施内投加适量的次氯酸钠溶液作为消毒剂。为保证水质安全，有效去除污水含有的消毒副产物与前驱物，搭配应用活性炭吸附技术，投加柱状活性炭材料来吸附有毒有害物质。后续在2021年12月14日挑选5批柱状破碎活性炭作为样品，送往实验室检测，根据检测报告得知，样品材料的总孔容积、漂浮率、装填密度、碘吸收值、苯酚吸附值、水溶物等性能指标完全符合《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》（CJ/T 345-2010）等现行规范，通过投加活性炭材料取得理想水处理效果。
2 活性炭在水处理工艺中的应用作用
2.1 改善水处理工艺参数
在常规水处理系统运行期间，投加适量活性炭作为吸附材料，可以改善系统运行条件，有利于提高水处理效率和出水水质，在各套水处理系统内的改善效果略有不同。以厌氧处理系统为例，根据相关实验数据显示，在水力停留时间为12h、24h与48h时，投加颗粒活性炭材料作为吸附载体，可以显著提升厌氧序批式反应器的甲烷产率，提升幅度分别为56%、63%和65%。同时，投加活性炭材料还可以提高厌氧消化产气量，在TS总固体与活性炭添加比例控制在1.5时，产气量最高临近350mL CH4·g-1VS-1水准，还可以大幅降低VFA挥发性脂肪酸积累量以及氨氮浓度，确保厌氧消化反应顺利开展。
2.2 促进生物膜形成
在选用生物膜作为水处理工艺时，由于活性炭材料有着表面积大、孔隙率高特征，可作为理想的生物膜培养载体，有利于加快生物膜形成速度、增加微生物多样性。根据相关实验结果显示，在DMBR动态膜生物反应器内投加活性炭材料的情况下，微生物群落内OTUs数目指数增加、微生物多样性数值增大，最终为微生物群落创造更多稳定生存空间，有利于菌落富集、增殖。同时，工作人员尽量在生物膜水处理系统内投加粉末活性炭材料，取代常规的颗粒活性炭材料。根据生物膜活性炭扫描电镜分析结果发现，在投加粒径不足5μm粉末活性炭材料时，菌落积累量是1mm以上粒径颗粒活性炭材料的27～51倍，菌落积累水准足以媲美新鲜污泥接种物。
2.3 吸附有机物
在水处理期间，有机物主要分为可降解有机物、不可降解有机物两种类型，生物膜等常规水处理工艺在处理不可降解有机物时的实际表现不够理想，最终造成提高处理流程复杂程度、抬高水处理成本的深远影响。通过应用活性炭吸附技术，可以同时吸附可降解有机物与不可降解有机物，取得理想水处理效果。
2.3.1 吸附可降解有机物
在厌氧消化期间，投加适量活性炭材料来取得抑制有机物冲击缓冲效果，显著提高氧氟沙星、酚等有机物的去除率，如把氧氟沙星去除率提高至接近100%水准，把废水含酚量降低至0.5mg·L-1以内。
2.3.2 吸附不可降解有机物
工作人员在厌氧系统内投加与定期置换活性炭材料，始终维持稳定活性炭吸附容量，有利于削弱有毒物质对厌氧微生物造成的不利影响，间接提高不可降解有机物的去除率。
3 活性炭在水处理工艺中的应用策略
3.1 选择活性炭种类
自活性炭吸附技术问世以来，为有效适用不同水处理场景，满足实际处理需求，陆续推出诸多类型的活性炭材料，各类材料的水处理效果、成本费用、适用范围略有不同。因此，工作人员在活性炭材料选型环节，必须遵循实际出发原则，围绕水处理项目实际情况来选择材料种类。目前来看，活性炭材料主要分为木质炭、煤基炭等种类。其中，木质炭是以薪材、木块木屑、果壳等作为原材料制成的活性炭，有着吸附容量大、孔径分布合理、过滤速度快的优势，适用于处理含有杂质、有机溶剂的废水，也可用于去除废水恶臭气体与提高清澈度。煤基活性炭是以煤炭作为原材料，经过磨粉、炭化等一系列工艺后制成的活性炭材料，有着强度高、灰分低、吸附力强的优势，多用于饮用水处理项目的原水预处理、后期深度过滤等场景。最后，确定活性炭材料种类后，还需要根据水处理需求来准备颗粒活性炭材料或是粉末活性炭材料，以煤基活性炭为例。
3.1.1 煤基粉状活性炭
适用于季节性短期高峰负荷、水源遭受突发性污染的饮用水处理系统，根据原水水质检测报告来确定活性炭投加量，以水厂取水与沉淀池步骤作为投加时机，可以去除原水内含有的天然有机物、合成有机物，包括芳香族化合物、重金属离子等，有着吸附速率高、成本低廉、异味去除效果好的优势，但会对水处理系统运行稳定性造成一定影响。
3.1.2 煤基颗粒活性炭
此类材料适用于修建活性炭滤池的水处理系统，由活性炭滤池取代原有的石英砂滤池，或是在现有滤池后方新建一座活性炭滤池，形成复合滤池工艺段。根据处理情况来看，颗粒活性炭材料的综合成本与水处理运行稳定性优于粉末活性炭材料。
3.2 确定活性炭投加点与投加量
首先，在活性炭投加点设计环节，所投加活性炭以发挥混凝去除有机污染物作用、去除剩余有机污染物为应用目标，在减少材料用量与处理成本的同时，把总除率维持在最高水准。根据水处理情况来看，不同投加点位对总体处理效果造成明显影响，要求工作人员综合评价对浊度、耗氧量、有机物、总有机碳造成的具体影响，选择恰当投加点位。
3.2.1 浊度影响
以吸水井、絮凝初期、絮凝中期或是管道混合器作为活性炭投加点位时，都可以有效降低水体浑浊度，浊度控制在1NTU以内。优先以吸水井作为投加点位，在原水浊度为5与20时，去除率保持在97%左右，处理后水体浊度在0.15～0.55NTU以内。
3.2.2 耗氧量影响
为取得理想耗氧量去除效果，工作人员优先以吸水井作为活性炭投加点位，实际去除率在36%～40%左右，其次可以选择在管道混合器作为活性炭投加点位，不宜在絮凝初期以及絮凝中期投加活性炭。
3.2.3 有机物影响
由于活性炭材料结构较为特殊，具备强大的有机物去除效果，在吸附去除苯系物、腐殖质类化合物等有机物，工作人员可选择在吸水井、管道混合器等诸多位置投加活性炭。
3.2.4 总有机碳影响
优先在吸水井与管道混合器位置投加活性炭，正常情况下，可以把总有机碳去除率维持在22%～29%左右，如果选择在絮凝期间投加活性炭，去除率则会降低至13%～23%不等。
其次，在活性炭投加量计算环节，活性炭投加量与水处理成本、处理效果保持密切联系，活性炭投加量越多，则出水水质越高，但也会抬高处理成本。因此，要求工作人员围绕水处理需求来计算最佳投加量，做到对经济性与处理效果的完美兼顾。例如，在原水浊度较低、有机物等有毒有害物质含量较低情况下，以吸水井作为投加点位，把活性炭投加量控制在10mg/L即可。而在原水水质较差时，为改善水处理效果，可以把活性炭投加量提高到20～40mg/L。考虑到活性炭投加量超过一定程度后的浊度等指标去除率增长幅度放缓，要求活性炭最高投加量不超过80gm/L，避免产生不必要的水处理成本。
3.3 活性炭组合工艺
在现代水处理项目，活性炭吸附技术存在明显短板，可以有效吸附去除细小有机污染物，但无法全面去除原水中含有的不同分子污染物，如果仅应用活性炭吸附技术，无法满足水处理需要。因此，工作人员需要搭配应用常规水处理工艺和活性炭吸附技术，以活性炭吸附为一项辅助处理手段，并掌握活性炭技术和各项常规工艺的正确应用方法。
3.3.1 活性炭+超滤组合工艺
此项工艺适用于位于城市区域、占地面积较小的水处理项目，配备超滤膜作为处理设施，在超滤膜前端投加活性炭来吸附有机物，避免有机物大量堆积在膜材表面，以延长膜元件使用寿命、降低膜材清洗频率、始终保持较高膜通量作为应用目标。
3.3.2 臭氧+生物活性炭组合工艺
臭氧工艺以去除分子质量在500～3000以内的有机物作为应用目标，生物活性炭则以去除苯类化合物及小分子量腐殖质有机物作为应用目标，并对甲醛等臭氧氧化副产物加以生物降解，从而弥补单一工艺技术局限性。
3.3.3 生物活性炭法
在水处理系统运行期间，所投加煤基活性炭材料时常出现指标下降现象，包括碘吸收值、亚甲蓝吸附值等，处理效果充满不确定性，且材料成本较为高昂。为解决此项问题，需要应用到生物活性炭法，提前在活性炭材料表面培养微生物，后续由微生物持续降解活性炭吸附的有机物等物质，从而改善处理效果、减少活性炭材料耗用量。同时，要求把处理温度控制在20～30℃以内，温度过低与过高都会影响到生物降解与微生物繁殖情况。
3.4 活性炭改性处理
普通活性炭材料的吸附容量有限，如果直接在水处理系统内投加活性炭，需要频繁置换材料才能取得明显处理效果，这无疑会加重工作负担与提升水处理成本。因此，工作人员需要在处理工艺内增设活性炭改性处理步骤，通过添加官能团来强化活性炭吸附能力，具体可采取酸碱改性、氧化改性、还原改性三种改性处理方法。
3.4.1 酸碱改性
提前制备硫酸溶液、氨氮溶液或是磷酸溶液作为酸性溶液，制备氢氧化钙溶液或是烟草酸溶液作为碱性溶液。随后，工作人员采取浸渍方法，使用酸碱溶液对活性炭材料加以改性处理。经过处理后，通过增加表面酸性官能团数量与改变理化特征，起到增加活性炭比表面积、改变微孔容积的作用。
3.4.2 氧化改性
选用高锰酸钾作为氧化剂，氧化剂浓度控制在2%左右，通过氧化改性处理后，可以改善活性炭材料的亲水性、极性、酸性等多项性能，强化吸附效果。
3.4.3 还原改性
选用氨气与氮气作为还原剂，以增加碱性官能团数量作为处理内容，适用于处理无烟煤基活性炭、椰壳基活性炭等材料。经过改性处理后，显著强化活性炭对苯类物质的吸附能力。
4 总结
综上所述，为提高水处理效果，建立高效、稳定的水处理工艺体系，应重点研究活性炭吸附技术，以活性炭作为现有水处理工艺的补充技术，明确活性炭应用作用，积极落实选择活性炭种类、优先投加地点与投加量、推广活性炭组合工艺、材料改性处理等措施，为活性炭技术营造良好的应用环境。