天然有機物：水中的天然有機物，如腐殖質、藻類分泌物等，不僅會影響水的感官性狀，如產生顏色、異味等，還可能與消毒劑反應生成有害的消毒副產物。活性炭對這些天然有機物具有很強的吸附能力，能夠有效去除水中的腐殖酸、富里酸等，降低水的色度和嗅味，減少消毒副產物的生成前體物，提高飲用水的安全性和口感。

人工合成有機物：隨著工業的發展，水中的人工合成有機物，如農藥、獸藥、抗生素、內分泌干擾物等日益增多。這些有機物具有毒性大、難降解等特點，常規水處理工藝難以有效去除。活性炭的發達孔隙結構和表面活性位點能夠吸附這些人工合成有機物，對水中的常見農藥如敵敵畏、樂果，以及抗生素如四環素、磺胺類等都有較好的去除效果，從而降低水中有機污染物的濃度，減輕對生態環境和人體健康的危害。

異味去除：水中的異味來源廣泛，可能是由藻類繁殖、有機物分解、工業廢水排放等引起的。活性炭的多孔結構和表面化學性質使其能夠有效吸附各種異味物質，如硫化氫、氨、揮發性有機物等。在飲用水處理中，通過活性炭過濾，可以顯著改善水的氣味，使處理后的水無異味，符合飲用水的感官要求。

色素去除：天然水體中的色素主要來自于植物的分解產物、土壤中的腐殖質等，工業廢水中也可能含有大量的色素。活性炭對這些色素具有良好的吸附性能，能夠去除水中的棕色、黃色等色素，使水變得澄清透明。在印染廢水處理中，活性炭可以有效去除廢水中的染料色素，降低廢水的色度，提高廢水的可生化性，為后續的生物處理創造條件。

離子交換與絡合：活性炭表面的官能團可以與水中的重金屬離子發生離子交換和絡合反應。例如，活性炭表面的羧基可以與重金屬離子如銅離子、鉛離子、汞離子等發生離子交換，將重金屬離子吸附在活性炭表面。同時，活性炭表面的一些含氮、含硫官能團可以與重金屬離子形成絡合物，進一步增強對重金屬離子的吸附能力。

降低重金屬毒性：通過吸附去除水中的重金屬離子，不僅可以降低水中重金屬的濃度，還可以降低重金屬的毒性。例如，將六價鉻還原為三價鉻并吸附去除，降低了鉻的毒性，減少了對環境和人體的危害。在電鍍廢水、礦山廢水等含重金屬廢水的處理中，活性炭常作為預處理或深度處理的手段，有效去除水中的重金屬離子，使廢水達標排放。

飲用水處理：在自來水廠的常規處理工藝中，活性炭通常設置在砂濾之后，通過活性炭吸附過濾，進一步去除水中的有機物、異味、色素和重金屬離子等，提高飲用水的質量。在一些小型的飲用水凈化設備中，如家用凈水器，活性炭也是重要的過濾材料，能夠改善水質，保障家庭飲用水的安全和健康。

工業廢水處理：在印染、化工、制藥等行業的工業廢水處理中，活性炭可用于預處理、深度處理或應急處理。在預處理階段，活性炭可以吸附去除廢水中的部分有機物和重金屬離子，降低后續處理工藝的負荷；在深度處理階段，活性炭可以進一步去除二級處理后水中殘留的難降解有機物和微量污染物，使廢水達到回用或排放標準；在應急處理中，活性炭可以快速吸附去除突發污染事件中的污染物，減輕污染危害。

污水處理廠：在污水處理廠的生物處理工藝中，活性炭可以與活性污泥法相結合，形成生物活性炭工藝。活性炭的吸附作用可以提高活性污泥的吸附性能和微生物的代謝活性，增強對污水中有機物的去除能力，同時還可以改善污泥的沉降性能，提高污水處理廠的運行效率和出水水質。