一、引言与技术概述
粉末活性炭（Powdered Activated Carbon, PAC）吸附技术作为一种高效的水处理技术，在过去几十年间经历了从饮用水处理向废水处理领域的重要拓展。历史上，活性炭的应用主要局限于饮用水净化领域，但自 20 世纪 70 年代以来，随着美国环境保护署（US EPA）在饮用水中识别出 154 种有机化合物，以及《安全饮用水法案》（Safe Drinking Water Act of 1974）的颁布，活性炭吸附技术在水处理领域的重要性显著提升。
与颗粒活性炭（Granular Activated Carbon, GAC）相比，粉末活性炭具有显著的经济优势和技术灵活性。GAC 技术虽然在污染物去除方面表现出色，但其资本投入和运行成本较高。相比之下，PAC 技术可以直接添加到现有处理工艺中，无需大规模改造现有设施，从而在不牺牲处理效果的前提下大幅降低成本。这种技术优势使得 PAC 成为水处理领域极具吸引力的选择。
PAC 吸附技术的核心原理是吸附作用，即污染物分子（吸附质）附着在活性炭颗粒（吸附剂）表面的过程。这一过程包含三个关键步骤：首先是膜扩散，吸附质分子从溶液主体相转移到吸附剂颗粒表面，必须穿过包围颗粒的溶剂膜；其次是孔扩散，吸附质分子转移到孔隙内部的吸附位点；最后是实际吸附步骤，吸附质与吸附剂表面发生结合。
吸附作用可分为物理吸附和化学吸附两种类型。物理吸附主要依靠范德华力，具有可逆性，当吸附剂与溶质之间的分子吸引力大于溶剂与溶质之间的吸引力时发生。化学吸附则涉及吸附剂与吸附质之间的化学反应，通常作用力更强且往往不可逆。
近年来发展最为迅速的应用是将 PAC 添加到传统活性污泥曝气池中，形成 PAC - 活性污泥工艺（PACT 工艺）。该工艺通过物理吸附与生物降解的协同作用，在多个方面显著提升污水处理设施的性能：提供系统抗冲击负荷和温度变化的稳定性、改善难生物降解有机物的去除效果、去除色度、增强 EPA 优先污染物清单中化合物的去除、抵抗废水中的生物毒性物质、提高现有设施的水力容量、改善硝化效果、抑制曝气池泡沫、改善污泥的沉降、浓缩和脱水性能、减少污泥膨胀。
这种协同效应被称为生物活性炭（BAC）效应，其中微生物能够降解被吸附的颗粒，从而 "再生" 吸附位点，实现吸附容量的持续利用。这种生物再生机制是 PACT 工艺能够长期高效运行的关键所在。
二、活性炭的基本性质与制备技术
2.1 原料与制备工艺
活性炭可由多种含碳材料制备，包括木材、椰壳、泥炭、木质素、烟煤、褐煤和石油残渣等。在废水处理领域，由中挥发性烟煤或褐煤制备的颗粒活性炭应用最为广泛，主要因其成本相对低廉且易于获取。
活性炭的活化过程本质上是一个两阶段工艺：
1.碳化阶段：首先在约 170°C 下干燥，然后加热至 270-280°C，释放一氧化碳、二氧化碳和乙酸，最终在 400-600°C 完成碳化过程，产率约为 80%。
2.活化阶段：中间产物在 750-950°C 下使用二氧化碳或水蒸气进行活化，燃烧分解产物，暴露并扩大孔隙，形成大孔结构。
2.2 关键性能参数
活性炭的性能由多个关键参数决定，这些参数直接影响其吸附能力和应用效果：
1. 比表面积：这是吸附过程中最重要的因素，活性炭的比表面积通常在 500-1400 m²/g 范围内，部分商业产品可高达 2500 m²/g。比表面积通过 BET 法测定，即测量活性炭在不同压力下对氮气的吸附和解吸。
2. 粒径：吸附速率随粒径减小而增加，但填充柱的水头损失也随之增大。粒径主要影响系统的水力特性、过滤性能和处理特性，但不影响单位重量的吸附容量。
3. 孔体积：衡量活性炭颗粒内部大孔和微孔的总体积，单位为 cm³/g。孔径分布决定了活性炭对不同分子量物质的吸附选择性：
•碘值：衡量直径 10-28Å 孔隙的体积，适合吸附低分子量物质
•糖蜜值：衡量直径大于 28Å 孔隙的体积，适合吸附高分子量物质
4. 表面化学性质：活性炭表面大多为非极性，这使得无机电解质难以吸附，但有机物易于吸附。植物来源的活性炭通常具有碱性表面，影响对染料、色素和不饱和有机化合物的吸附。
2.3 PAC 与 GAC 的形态差异
粉末活性炭（PAC）定义为小于美国标准筛 50 号（0.3 mm）的颗粒，而颗粒活性炭（GAC）则粒径更大。以 Darco 系列粉末活性炭为例，其典型性能参数显示：
•比表面积：550-1450 m²/g
•总孔体积：1.0-1.5 mg/g
•平均孔径：23-30 Å
•脱色效率：100-190
值得注意的是，虽然粒径影响吸附速率，但特定重量的表面积并不受粒径影响。因此，在实际工程应用中，建议针对目标废水进行实验测定特定活性炭的吸附容量，而非仅依赖理论参数。
三、吸附等温线模型与理论基础
吸附等温线是描述在恒定温度下，吸附质在固液两相之间分配关系的数学模型，是 PAC 系统设计的理论基础。三种最广泛接受的等温线模型分别是 Freundlich、Langmuir 和 BET 模型。
3.1 BET 吸附等温线模型
BET 模型基于多层吸附假设，即分子层吸附在先前吸附的分子层之上，每一层都遵循 Langmuir 吸附模型。该模型的四个基本假设是：
1.吸附分子不在表面迁移
2.给定层中所有分子的吸附焓恒定
3.第一层以外所有分子的吸附能相等
4.下一层吸附开始前不必完成上一层
BET 方程的表达式为：
其中，b 为单分子层完成时的 x/m 值，C_s 为所有层饱和时的吸附质浓度，K 为与吸附剂 - 吸附质相互作用能相关的常数。
在低浓度条件下（C/C_s << 1），BET 模型简化为 Langmuir 模型。理论上，当 C 接近饱和值 C_s 时，吸附量变得非常大，因为 BET 模型不限制吸附层数。
3.2 Langmuir 吸附等温线模型
Langmuir 模型基于单分子层吸附的理论假设，认为吸附是可逆的，仅发生在吸附剂表面的单分子层。方程形式为：
其中，a 为常数 [L/(mg/L)]，b 为最大容量，假设为吸附剂表面的单分子层覆盖。
Langmuir 模型可线性化为 y = mx + b 的形式：
当 1/(x/m) 对 1/C 作图时，得到斜率为 1/ab、截距为 1/b 的直线。第二种线性形式 C/(x/m) 对 C 作图，对高浓度值赋予更大权重，在低吸附质浓度分析灵敏度较差时尤为有用。
3.3 Freundlich 吸附等温线模型
Freundlich 方程是经验性的吸附等温线方程：
取对数后得到线性形式：
当 log (x/m) 对 logC 作图时，通常得到斜率为 1/n、截距为 logK 的直线。Freundlich 方程可通过假设吸附剂表面具有吸附势分布从 Langmuir 方程推导而来。
3.4 模型选择与应用
在实际应用中，Freundlich 方程的使用频率高于 Langmuir 方程。通常单一模型无法在宽浓度范围内都令人满意，仅在窄浓度范围内适用。模型的选择取决于哪一个能给出最佳拟合直线。这些从线性图得到的常数是比较不同系统的有用参数，但对于溶液吸附没有明确可识别的物理意义。
四、PAC 系统设计考虑因素
4.1 PAC 与 GAC 的技术选择
在具体应用中选择 PAC 还是 GAC 取决于以下因素：
1.现有设备类型
2.预计活性炭使用率
3.流量、杂质浓度和组成的变异性
4.应用性质
5.清洁度要求
6.处置方式
如果现有设备易于改造以适应活性炭投加，则资本支出相对较低。高碳使用率时应考虑再生的可行性。流量和浓度高度变化时倾向于使用 GAC，而流量浓度较为稳定时则适合使用 PAC。
4.2 PAC - 活性污泥系统设计参数
PAC - 活性污泥废水处理系统的设计需要考虑以下关键参数：
1.日流量
2.特定杂质浓度（COD、BOD、色度等）
3.期望或法规要求的出水水质
4.所需活性炭投加量
5.最佳接触时间
对于稳态运行，投加量与曝气池活性炭浓度的关系可由以下方程关联：
其中，PAC_I 为进水 PAC 浓度（mg/L），PAC_R 为反应器中混合液 PAC 浓度（mg/L），θ 为水力停留时间（天），θ_C 为设计固体停留时间（天）。
实际工程中必须通过实验优化系统性能。研究表明，PAC - 活性污泥系统在较长停留时间和相同固体停留时间下运行效率更高，温度对反应器性能也有重要影响。
4.3 实验室批量吸附研究程序
批量吸附研究是 PAC 系统设计的基础，标准实验程序如下：
1.选择一种或多种活性炭用于研究
2.研磨 20g 活性炭至全部通过 325 目筛
3.设置至少 5 个烧瓶，每个烧瓶加入选定的活性炭剂量
4.分析待处理废水的初始污染物浓度，向每个烧瓶加入 100-500mL 废水，置于回转摇床
5.振荡 1-2 小时
6.过滤样品去除活性炭，分析滤液中剩余污染物，计算吸附量
7.如剂量范围不理想，调整剂量重复测试
实验过程中应保持水温与实际废水一致，pH 值应接近实际废水。如果活性炭投加通过优先吸附酸或碱或向溶液提供无机物影响 pH，需在分析前将处理样品调至原始 pH。
五、活性炭再生技术
PAC 在工业中广泛用于去除不需要的有机成分，过去废炭通常采用排入河流、焚烧或填埋处置。随着环保要求提高和成本压力，活性炭再生技术日益重要。
5.1 Zimpro 湿式空气氧化工艺
Zimpro 湿式空气氧化工艺可有效恢复 PAC 的吸附性能，无需对废炭浆进行脱水。估计每个再生周期的炭损失约为 5%。在美国威斯康星州 Rothschild 的中试厂中，活性炭经过 23 个循环使用，每个循环的平均损失为 4.7%。
5.2 流化床炉再生工艺
Battelle 研究所开发的流化床炉（FBF）工艺取得了良好效果：
1.PAC 可在 1250°F（约 677°C）温度下成功再生
2.经过六次再生后，再生炭在去除原污水中有机物方面与新炭效果相当
3.每个再生周期的平均炭损失为 9.7%
4.再生炉的烟气不存在显著的空气污染问题
5.3 Westvaco 反应器工艺
Westvaco 公司专利的粉末活性炭再生反应器工艺主要步骤包括：干燥、有机物挥发、挥发物燃烧、残留炭的水蒸气活化。这些步骤在反应器中几乎同时发生，整体反应器温度为 1750-1850°F（约 954-1010°C），取决于废炭负荷。
悬浮颗粒在 1800°F 下离开反应器进入蒸发冷却器，通过喷水将气流冷却至 450°F，再生炭在玻璃布袋过滤器中收集。该工艺报告的炭损失为 5-25%。
六、影响吸附性能的关键因素
6.1 PAC - 活性污泥工艺的操作变量
1. 活性炭类型与投加量：这是影响 PAC - 活性污泥工艺性能的关键变量。不同类型活性炭和不同投加量对出水溶解有机碳（DOC）的影响显著。虽然曲线形状对于不同废水和炭型大致相似，但具体坐标因废水而异，必须通过实验室确定。
2. 固体停留时间与曝气时间：固体停留时间（SRT）概念已成为淹没式培养生物工艺的设计参数。由于难以按 MLSS 或 MLVSS 为微生物赋值，不建议使用食微比（F/M）评估组合工艺。一般而言，曝气时间在固体停留时间研究中处理，有迹象表明组合工艺在某些废水中较长停留时间性能更佳。
3. 温度：低温研究表明，在 10°C 时，添加活性炭的活性污泥工艺在 2.6 小时曝气时间下的性能优于无炭工艺在 6.7 小时曝气时间下的性能。最典型的低温优势应用案例是阿拉斯加输油管道沿线污水处理厂采用的组合系统。
6.2 吸附过程的影响因素
1. 分子结构：支链化合物比直链化合物更易吸附，低极性和低溶解度的分子优先吸附。如果碳孔的筛分作用有效，化学性质相似的大分子比小分子更易吸附。无机化合物的吸附性差异很大：解离盐（如 KCl、Na₂SO₄）基本不吸附，HgCl₂、FeCl₃相对可吸附，碘是已知最易吸附的物质之一。
2. 溶解度：溶解度增加倾向于阻碍吸附质对碳的吸引力。因此，对水具有高亲和力的极性基团通常减弱水溶液中的吸附，高级脂肪酸和醇吸附性更强部分归因于其水溶液溶解度相对较低。
3. 电离：电离变化可显著影响吸附。例如，低 pH 促进有机酸吸附，高 pH 有利于有机碱吸附。苯酚在中性或低 pH 下吸附较低，而酚盐在高 pH 下吸附较高。电离通常不利于碳吸附，因为强电离物质吸附较差。氢离子是例外，在特定条件下高度吸附。
4. 温度：吸附反应通常是放热的，高温通常减慢吸附过程，低温有利于吸附，但速率和效率受影响方式不同。在 65-90°F（大多数废水的典型温度范围）的影响信息较少，低温增加吸附，但水溶液中的影响可忽略。
5. 混合溶质的吸附：大多数废水含有多种化合物，在吸附过程中可能相互增强、干扰或独立作用。影响多种吸附质整体吸附的因素包括：相对分子大小和构型、相对吸附亲和力、溶质的相对浓度。
七、实际应用与案例研究
7.1 Battelle Northwest 研究
Battelle Northwest 进行的研究中，原污水与 PAC 接触有效去除溶解性有机物，然后使用无机混凝剂（明矾）辅助后续澄清，添加聚电解质后进行短时间絮凝，固体通过重力沉降分离，出水排放。流化床工艺用于热再生炭污泥，通过用硫酸酸化碳 - 氧化铝混合物回收明矾。
基于实验室研究的良好结果，在纽约州奥尔巴尼建设了 10 万加仑 / 天的中试厂。1972 年运行期间，平均出水浊度、悬浮物、COD 和 BOD 浓度分别为 0.67 JTU、3.1 mg/L、39 mg/L 和 17 mg/L，对应平均去除率为悬浮物 98.1%、COD 82.6%、BOD 81.3%。总厂停留时间平均略低于 90 分钟，粉末活性炭回收率达到 91%。
7.2 Eimco 研究
Eimco 公司在犹他州盐湖城建设了 100 加仑 / 分钟的中试厂，运行 16 个月评估石灰、明矾、三价铁混凝以及单级和两级逆流炭处理工艺。研究发现，由于浆接触器中发生的生物作用，单级炭接触实际上提供了相当于 2-4 次接触的效果，硫化氢问题可得到控制。
进水可溶性 COD 为 80-100 mg/L，使用 300 mg/L 粉末活性炭可降至 15 mg/L，使用 75 mg/L 活性炭可降至 30 mg/L。
7.3 PACT 工艺应用
杜邦公司在 75 加仑 / 分钟的中试设施中评估了 PACT 工艺数月，并在新泽西州 Deepwater 工厂安装了 30 MGD 的 PACT 系统处理工业废水，使用多膛炉再生活性炭。Zimpro 公司也在威斯康星州 Rothschild 污水处理厂评估了 PACT 工艺，使用湿式空气氧化再生活性炭。
7.4 JPL 工艺
喷气推进实验室（JPL）工艺是使用 PAC 的两级逆流吸附系统。新鲜活性炭在二级混合池与废水混合并沉降，然后沉降的污水固体和活性炭混合物全部转移到一级混合池。从一级沉淀池去除的沉降固体和炭经脱水后转移到热解反应器，产生的活性炭再循环到二级混合池。
活性炭具有双重功能：作为有机物和其他污染物的吸附剂，以及作为一级和二级沉淀池的沉降助剂。该工艺在加利福尼亚州帕萨迪纳和芳泉谷建设了中试厂。
7.5 饮用水处理应用
在饮用水处理中，PAC 可添加到混合室去除色度、异味、有毒有机物和重金属。投加量通常在 50-300 mg/L 之间。PAC 投加点通常为：快速混合工艺前、快速混合后絮凝前、絮凝后澄清前。
上流式流化床 PAC 吸附器已应用于饮用水处理，上流式 PAC 涂层过滤器（Roberts-Haberer PAC 工艺）在非洲和欧洲有全规模应用，包括德国威斯巴登 9.5 MGD 的水厂，自 1970 年以来一直在运行。
八、经济性分析
粉末活性炭投加的经济性评估较为复杂。虽然使用活性炭看似增加材料成本，但在某些情况下可通过节省混凝剂、污泥处理化学品等实现总费用降低。在其他情况下，如果活性炭能提供水力或毒性过载的处理保护，其成本就是合理的。
大多数工业废水需要比市政废水更高的活性炭剂量（20-300 ppm vs 10-40 ppm）。1977 年，粉末活性炭的交付成本为 55-66 美分 / 千克（25-30 美分 / 磅），不进行炭再生时，每 10 ppm 活性炭剂量的处理成本约为 0.53-0.66 美分 / 立方米（2.0-2.5 美分 / 1000 加仑）。
根据活性炭应用的类型和方式，系统的资本和运行成本差异很大。资本成本包括：接触系统成本（含管道、阀门、储罐、建筑成本、仪表）、活性炭库存成本、再生系统成本。
以 South Lake Tahoe 活性炭吸附系统（1969-1970 年）为例，运行成本为：
•电力：47.34 美元 / 天
•运行人工：24.53 美元 / 天
•维护人工：3.27 美元 / 天
•维修材料：1.15 美元 / 天
•仪表维护：4.24 美元 / 天
•总运行成本：80.53 美元 / 天
总处理成本为 27.04 美元 / 百万加仑，其中运行成本 10.74 美元 / 百万加仑，资本成本 16.30 美元 / 百万加仑。
再生系统的运行成本中，补充活性炭（70.39 美元 / 天）和运行人工（91.90 美元 / 天）占主要部分，总运行成本为 189.95 美元 / 天，总处理成本为 30.53 美元 / 百万加仑。
九、工艺系统类型与设计实例
9.1 物理化学 PAC 工艺系统类型
共有七种物理化学 PAC 工艺系统：
1.使用重力沉淀池澄清的连续物理化学 PAC 工艺系统
2.使用重力沉淀池澄清的 PAC 序批式反应器
3.使用溶气气浮（DAF）澄清器的连续物理化学 PAC 工艺系统
4.使用 DAF 澄清器的 PAC 序批式反应器
5.使用离心机澄清的 PAC 序批式反应器
6.上流式流化床 PAC 吸附器
7.上流式 PAC 涂层过滤器（Roberts-Haberer PAC 工艺）
当 PAC 投加到 DAF 系统同时进行吸附和气浮时，组合工艺称为吸附气浮。
9.2 组合生物 - 物理化学 PAC 工艺系统
共有六种组合生物 - 物理化学 PAC 工艺系统：
1.使用重力沉淀池澄清的连续组合生物 - 物理化学 PAC 工艺系统
2.使用重力沉淀池澄清的组合生物 - 物理化学 PAC 序批式反应器
3.使用溶气气浮（DAF）澄清器的连续组合生物 - 物理化学 PAC 工艺系统
4.使用 DAF 澄清器的组合生物 - 物理化学 PAC 序批式反应器
5.使用膜过滤器（MF）过滤的连续组合生物 - 物理化学 PAC 工艺系统
6.使用膜过滤器（MF）过滤的组合生物 - 物理化学 PAC 序批式反应器
9.3 工艺局限性与环境影响
PAC 物理化学工艺会增加污泥产生量，高剂量时为保持合理成本需要再生。大多数 PAC 系统需要后过滤以捕获任何残留炭颗粒，通常需要有机聚电解质等絮凝剂以保持澄清池的高效固体捕获。
每添加一磅炭约产生一磅干污泥。如果实行再生，炭污泥被重新活化和再利用，仅去除小部分以防止惰性物质积累。PAC 物理化学工艺系统从单元和工艺角度都相当可靠，实际上可用于提高现有系统的工艺可靠性。
十、结论与技术展望
粉末活性炭吸附技术作为一种成熟而灵活的水处理技术，在饮用水和废水处理领域展现出广阔的应用前景。与 GAC 相比，PAC 具有投资成本低、改造现有设施方便、操作灵活等显著优势，特别适合作为现有处理工艺的强化手段。
PACT 工艺作为 PAC 与生物处理的结合，通过吸附与生物降解的协同作用，不仅提高了污染物去除效率，还改善了污泥沉降性能、增强了系统抗冲击负荷能力、抑制了污泥膨胀和泡沫问题，是一种极具价值的工艺升级方案。
吸附等温线模型（Freundlich、Langmuir、BET）为 PAC 系统的工程设计提供了理论基础，而实验室批量吸附研究则是确保设计准确性的必要手段。活性炭再生技术的发展进一步改善了 PAC 工艺的经济性，湿式空气氧化、流化床炉、热解再生等技术为不同规模的应用提供了选择。
未来发展方向包括：开发更高吸附容量和选择性的新型活性炭材料、优化生物再生机制以延长活性炭使用寿命、开发更经济高效的再生技术、集成膜技术与 PAC 工艺形成更高效的组合处理系统。随着环保标准的日益严格和水资源回用需求的增加，PAC 吸附技术将在水处理领域发挥更加重要的作用。
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