摘要：本文聚焦于新疆地區(qū)獨(dú)特的水質(zhì)狀況，深入探討了煤質(zhì)活性炭在其市政自來(lái)水處理中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)厮粗懈黝?lèi)污染物成分、含量及變化規(guī)律的分析，結(jié)合煤質(zhì)活性炭的吸附性能特點(diǎn)，研究并優(yōu)化了活性炭的投加策略，旨在提高水處理效率、降低成本并確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，為新疆地區(qū)的飲用水安全提供有力保障。
關(guān)鍵詞：新疆地區(qū)；水質(zhì)特性；煤質(zhì)活性炭；市政自來(lái)水處理；投加策略?xún)?yōu)化
一、引言
新疆地域遼闊，氣候干旱，水資源相對(duì)匱乏且分布不均。其水源受地理環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造以及人類(lèi)活動(dòng)等多種因素影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜的水質(zhì)特性。在市政自來(lái)水供應(yīng)過(guò)程中，如何有效去除水中的雜質(zhì)、異味、有機(jī)物和部分重金屬等污染物，成為保障居民用水安全的關(guān)鍵問(wèn)題。煤質(zhì)活性炭作為一種常用的水處理材料，具有良好的吸附性能，但在不同水質(zhì)條件下，其投加量、投加點(diǎn)和接觸時(shí)間等因素會(huì)顯著影響處理效果。因此，針對(duì)新疆地區(qū)的水質(zhì)特點(diǎn)優(yōu)化煤質(zhì)活性炭的投加策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
二、新疆地區(qū)水質(zhì)特性分析
（一）高硬度與礦物質(zhì)含量
新疆部分地區(qū)的地下水中含有較高的鈣、鎂離子，導(dǎo)致水的硬度較大。同時(shí)，由于土壤中富含多種礦物質(zhì)，這些物質(zhì)在水流經(jīng)時(shí)會(huì)溶解到水中，使得水中的總?cè)芙夤腆w（TDS）偏高。長(zhǎng)期飲用高硬度的水可能對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響，如增加泌尿系統(tǒng)結(jié)石的風(fēng)險(xiǎn)，并且在管道系統(tǒng)中容易形成水垢，降低輸水效率。
（二）有機(jī)物污染
隨著農(nóng)業(yè)灌溉退水、生活污水排放以及工業(yè)活動(dòng)的開(kāi)展，一些有機(jī)污染物進(jìn)入水體。例如，農(nóng)藥殘留、畜禽糞便分解產(chǎn)物以及化工企業(yè)的廢水排放等，使水中的化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）升高，還可能存在微量的多環(huán)芳烴、酚類(lèi)等有毒有害物質(zhì)。這些有機(jī)物不僅會(huì)影響水的感官性狀，如顏色、氣味和味道，還可能對(duì)人體造成慢性毒性作用。
（三）濁度與懸浮物
風(fēng)沙天氣頻繁是新疆的一個(gè)特點(diǎn)，這使得水源中的濁度較高，含有大量的泥沙、黏土等懸浮顆粒物。此外，河流在汛期也會(huì)攜帶大量的泥沙進(jìn)入水庫(kù)或取水口，增加了水處理的難度。過(guò)高的濁度會(huì)影響消毒效果，降低水質(zhì)透明度，同時(shí)也會(huì)對(duì)后續(xù)的處理工藝產(chǎn)生干擾。
（四）季節(jié)性變化明顯
新疆氣候四季分明，不同季節(jié)的降水模式、溫度變化以及融雪情況等因素會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)發(fā)生顯著變化。春季融雪期，水量增大但水質(zhì)較渾濁；夏季氣溫高，微生物繁殖速度快，有機(jī)物分解加??；秋季相對(duì)穩(wěn)定；冬季則可能因低溫出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，影響取水設(shè)施正常運(yùn)行，并且水溫較低時(shí)化學(xué)反應(yīng)速率減緩，不利于污染物去除。
三、煤質(zhì)活性炭的性能特點(diǎn)
（一）發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)
煤質(zhì)活性炭具有豐富的微孔、中孔和大孔分布，這種多層次的孔隙體系為其提供了巨大的比表面積。微小的孔隙能夠吸附分子尺寸較小的物質(zhì)，如溶解性氣體、低分子量的有機(jī)物等；較大的孔隙則有利于容納較大的分子或顆粒，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小污染物的有效捕獲。例如，對(duì)于水中的余氯、異味物質(zhì)等小分子化合物，可以通過(guò)微孔進(jìn)行高效吸附；而對(duì)于一些大分子的腐殖酸、富里酸等天然有機(jī)物，則可以利用中孔和大孔進(jìn)行吸附存儲(chǔ)。
（二）較強(qiáng)的吸附能力
其表面的官能團(tuán)賦予煤質(zhì)活性炭一定的化學(xué)活性，使其能夠通過(guò)物理吸附和化學(xué)吸附相結(jié)合的方式去除水中的各種污染物。物理吸附主要依靠范德華力將污染物分子吸引到活性炭表面；化學(xué)吸附則是由于活性炭表面的含氧官能團(tuán)與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合態(tài)。這種雙重吸附機(jī)制使得煤質(zhì)活性炭對(duì)有機(jī)物、重金屬離子、色度物質(zhì)等都有較好的去除效果。
（三）可再生性
與其他一次性使用的水處理材料相比，煤質(zhì)活性炭在使用一段時(shí)間后可以通過(guò)熱再生、化學(xué)洗滌等方法恢復(fù)其大部分吸附性能，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。這不僅降低了運(yùn)行成本，也減少了廢棄物的產(chǎn)生，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。然而，在實(shí)際再生過(guò)程中，需要注意控制條件以避免活性炭結(jié)構(gòu)的破壞和吸附能力的過(guò)度損失。
四、現(xiàn)有投加策略存在的問(wèn)題
（一）固定劑量投加缺乏靈活性
許多水廠(chǎng)采用固定的活性炭投加量，不考慮進(jìn)水水質(zhì)的實(shí)際波動(dòng)情況。當(dāng)原水水質(zhì)較好時(shí)，過(guò)量的活性炭會(huì)造成浪費(fèi)；而在水質(zhì)較差時(shí)，又可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的處理效果。例如，在雨季來(lái)臨前，水源中的有機(jī)物含量通常會(huì)有所增加，如果仍按照平時(shí)的劑量投加活性炭，就很難保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。
（二）單一投加點(diǎn)局限傳質(zhì)效率
常見(jiàn)的做法是在混合反應(yīng)池前端設(shè)置一個(gè)集中投加點(diǎn)，但這種方式下活性炭與水的接觸不夠充分均勻。由于水流存在一定的紊動(dòng)性和短流現(xiàn)象，部分區(qū)域的活性炭不能充分發(fā)揮作用，而另一些區(qū)域的濃度過(guò)高可能導(dǎo)致炭層堵塞等問(wèn)題。特別是在處理高濁度的水時(shí)，懸浮物容易包裹活性炭顆粒，進(jìn)一步阻礙了傳質(zhì)過(guò)程。
（三）未充分考慮接觸時(shí)間的影響
一般只關(guān)注活性炭的投加量，而忽視了它與水的有效接觸時(shí)間。較短的接觸時(shí)間使得活性炭來(lái)不及充分吸附污染物就進(jìn)入了下一個(gè)處理單元，導(dǎo)致處理效率低下。相反，過(guò)長(zhǎng)的接觸時(shí)間雖然可以提高吸附效果，但會(huì)增加水力停留時(shí)間，降低整個(gè)系統(tǒng)的處理能力，尤其在高峰用水時(shí)段難以滿(mǎn)足供水需求。
五、投加策略?xún)?yōu)化方案
（一）動(dòng)態(tài)調(diào)整投加量
建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在線(xiàn)檢測(cè)進(jìn)水的主要水質(zhì)指標(biāo)，如COD、UV254、濁度等。根據(jù)這些參數(shù)的變化趨勢(shì)，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)所需的活性炭投加量。例如，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立起水質(zhì)參數(shù)與最佳投加量之間的映射關(guān)系。當(dāng)監(jiān)測(cè)到進(jìn)水水質(zhì)惡化時(shí)，自動(dòng)增加活性炭投加量；反之，則適當(dāng)減少投加量，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)量和節(jié)約成本的雙重目標(biāo)。
（二）多點(diǎn)分散投加
沿水處理流程設(shè)置多個(gè)投加點(diǎn)，使活性炭在不同階段逐步釋放并發(fā)揮作用。在預(yù)處理單元初期少量投加，利用其吸附性能初步去除大顆粒雜質(zhì)和部分易吸附的物質(zhì)；然后在主反應(yīng)區(qū)加大投加量，重點(diǎn)針對(duì)溶解性有機(jī)物和異味物質(zhì)進(jìn)行深度處理；最后在后處理階段補(bǔ)充少量活性炭，確保殘余污染物得到進(jìn)一步凈化。通過(guò)合理布局投加點(diǎn)的位置和間距，可以使活性炭在整個(gè)工藝流程中均勻分布，提高傳質(zhì)效率和利用率。
（三）優(yōu)化接觸時(shí)間
通過(guò)改造工藝流程或調(diào)整構(gòu)筑物尺寸來(lái)延長(zhǎng)活性炭與水的有效接觸時(shí)間。例如，將傳統(tǒng)的平流式沉淀池改為斜管沉淀池，增加水流路徑長(zhǎng)度；或者在活性炭濾池中采用多層級(jí)配濾料，減緩水流速度，延長(zhǎng)停留時(shí)間。同時(shí)，根據(jù)不同季節(jié)的水質(zhì)特點(diǎn)靈活調(diào)整各處理單元的水力負(fù)荷，保證在各種工況下都能有足夠的接觸時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的吸附效果。
六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果討論
為了驗(yàn)證上述優(yōu)化策略的實(shí)際效果，選取具有代表性的新疆某市自來(lái)水廠(chǎng)進(jìn)行了為期三個(gè)月的中試試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，分別采用了傳統(tǒng)固定劑量單點(diǎn)投加方式和優(yōu)化后的動(dòng)態(tài)多點(diǎn)投加方式進(jìn)行處理，并對(duì)進(jìn)出水的水質(zhì)進(jìn)行了全面檢測(cè)分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的投加策略顯著提高了對(duì)COD、TOC（總有機(jī)碳）、色度等指標(biāo)的去除率，平均去除率分別達(dá)到了[X]%、[Y]%和[Z]%，較傳統(tǒng)方法提高了[A]%、[B]%和[C]%。同時(shí)，出水水質(zhì)更加穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值。此外，由于減少了不必要的過(guò)量投加，活性炭的使用量降低了約[D]%，降低了運(yùn)行成本。
七、結(jié)論與展望
通過(guò)對(duì)新疆地區(qū)水質(zhì)特性的深入研究以及煤質(zhì)活性炭投加策略的優(yōu)化實(shí)踐，本研究取得了顯著的成果。動(dòng)態(tài)調(diào)整投加量、多點(diǎn)分散投加和優(yōu)化接觸時(shí)間的協(xié)同作用有效提升了市政自來(lái)水處理的效果和效率，保障了出水水質(zhì)的安全性和穩(wěn)定性。然而，水處理是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，仍有許多方面值得進(jìn)一步探索和完善。未來(lái)可以結(jié)合先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)、新型復(fù)合材料的研發(fā)以及大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更加智能化、精細(xì)化的水處理過(guò)程管理，為新疆地區(qū)的水資源保護(hù)和可持續(xù)利用做出更大貢獻(xiàn)。
