给水深度处理工艺中活性炭选用、失效判定及运行管理

      臭氧生物活性炭处理工程是给水深度处理最常用的技术工艺。从该工程运行的各项费用可知，活性炭占其比重较大，因此选择合适的活性炭，以取得技术与经济整体利益的最优化对于水厂生产运行尤为重要。

　　活性炭种类多、性能差异较大，因此活性炭的合理选择成为了我国水厂目前普遍面临的一个问题，此外还包括活性炭的失效评判标准、使用寿命等问题。除强度、水分等指标外，选择活性炭的更重要指标是吸附性能，其与活性炭使用寿命、费用和出水水质等息息相关。通常，碘吸附值、亚甲基蓝吸附值可作为活性炭表面微孔数量的表征，但不能完全反映活性炭处理水中有机物的能力，并且随着活性炭使用年限的延长，碘值、亚甲蓝值等反应吸附性能的指标会逐渐弱化。

　　因此，在使用活性炭之前，结合具体水质对活性炭进行静态吸附、动态穿透等试验显得十分重要。如能对水中有机物分布、活性炭表面性质进行更精确、微观的分析，根据当地目标水质要求确定选型，将更有助于水厂选炭。上海早在十五期间就已经开展了臭氧-生物活性炭深度处理工艺研究，本文以杨树浦水厂36万m3/d的深度处理示范工程为例，针对臭氧活性炭深度处理工艺运行管理中的关键问题进行总结和研究，提出相应的运行管理建议。杨树浦水厂36万m3/d的臭氧生物活性炭深度处理示范工程自2002年开始建设，2007年底完工并启动调试，至2008年9月调试完成交付使用。建设前期，臭氧生物活性炭深度处理技术在上海水厂的应用并不广泛，经验并不丰富，因此保守选择了较高吸附指标的活性炭。

　　为了进一步比较不同种类的活性炭在生产运行中的去除效果，选用了原煤破碎炭，柱状破碎炭和压块破碎炭这三种不同种类的活性炭，从活性炭吸附性能、机械强度和水质处理效果等多方面进行系统分析不同活性炭间的差异。1 不同种类活性炭的应用效能比较1.1 吸附性能对比在当时活性炭应用还不是很广泛的情况下，为了进一步比较不同规格活性炭在生产运行中去除效果的差别，杨树浦水厂选用了不同的碘值和亚甲蓝值、不同规格的活性炭。作为对比试验的活性炭吸附指标均较高，3种类型炭的碘值都>1 000 mg/g。

　　根据近年来水厂深度处理工艺的实践经验可知，并非碘值和亚甲蓝值越高，活性炭对水中有机物的去除效果就越好，这两者并无必然的对应关系，如表1、表2所示。不同吸附值的颗粒活性炭在投入运行初期的处理效果可能略有差异，但中后期的效果几乎无差别。

　　由表1、表2可知，3格炭池中新炭的碘值都>1 000 mg/L，亚甲蓝值约200 mg/L，运行2年后，活性炭的碘值、亚甲蓝值吸附指标均下降到了较低的程度，降幅约50%。使用2年后活性炭的碘值约500~600 mg/g，亚甲基蓝值约100~110 mg/g。运行5年后的碘值和亚甲兰值进一步降低，碘值降到了约200 mg/g，亚甲基蓝值<75mg/g。运行6年后的活性炭碘值基本比运行5年的活性炭降低约50 mg/g，运行7年多的活性炭碘值下降幅度逐渐减缓，仅比运行6年多的活性炭降低约20 mg/g。总体而言，随着活性炭运行时间的延长，碘值及亚甲基蓝值均呈下降趋势，运行初期的降幅远大于中后期，说明初期活性炭以吸附为主，而中后期的吸附作用减弱，此时以生物作用为主。

　　

 　　根据国内的使用经验，当活性炭碘吸附值≤600 mg/g时，表明活性炭的吸附性能很差，由此说明在生物活性炭处理的中后期，吸附作用已不占据主导地位，以生物降解作用为主，但是炭池运行后期，活性炭对有机物的去除效果变化较小，如图1所示。运行了已有7年时间的炭池高锰酸盐指数去除率稳定在20%左右，且各炭池出水CODMn浓度仍在1 mg/L左右。因此仅采用碘值与亚甲蓝值作为炭柱运行的控制指标是欠妥的，还应该考虑炭池出水水质指标，进行活性炭换炭或再生的判断。

　　

 

　　1.2 机械强度对比活性炭的强度与活性炭的使用寿命有一定的关系，活性炭应保证足够的机械强度，冲洗时耐磨损，损耗率较小。由表3可知，旧炭虽然使用了多年，但强度仍较高，高于国家标准规定的90%，使用年限对活性炭强度的影响不大。表3 炭样的强度对比

　　

 

　　1.3 处理效果对比1.3.1 耗氧量由图1还可知，在臭氧活性炭工艺运行初期，各炭池对CODMn的去除率均高达50%以上，此时活性炭滤池的运行主要处于吸附期。随着运行时间的延长，活性炭吸附逐渐饱和，运行2年后，各炭池对CODMn的去除率均下降了30%左右，去除率约20%，此时生物活性炭滤池的有机物去除主要以生物降解作用为主。随着活性炭运行的时间延长，炭池对有机物的去除效果变化较小。

　　1.3.2 UV254活性炭的种类和UV254去除效果并无对应关系，运行初期的柱状破碎炭对UV254去除率最高，为65.12%;原煤破碎炭去除率最低，为53.49%。运行2年后，3个炭池UV254去除率范围为26.6%~40.2%，原煤破碎炭去除率依然最低。运行5年后，3个炭池UV254去除率均在20%以下。总体而言，三种活性炭对UV254的去除效果差异性不是很显著，压块破碎炭对UV254的去除效果略优于其他两种活性炭。

　　

 　　2 活性炭的失效判定指标探讨当活性炭使用目标是以吸附水中有机物污染物为主时，活性炭的失效指标以碘吸附值为主;当活性炭使用目标是以生物降解水中有机物污染物为主时，活性炭的失效指标以炭池出水特征水质指标为主，以活性炭本身的粒度、强度指标为辅。目前判定活性炭失效主要是依据出水水质、取样检测等方法，每一种方法都要在保证出水水质合格的前提下进行。

　　2.1 水质目标判据活性炭滤池通常处于水处理工艺的后端，活性炭滤池出水应设置质量控制点，对出水浑浊度、pH值、氨氮、高锰酸盐指数、溴酸盐和微生物指标等进行监测，当活性炭不能保证合格的出水水质时，可判定活性炭失效。活性炭失效的评价指标应主要以处理后水质能否稳定达到水质目标为依据，并考虑活性炭剩余吸附能力是否适应水质突变的情况。活性炭滤池高锰酸盐指数去除率<15%，或出厂水三卤甲烷指标与常规处理相比下降率<30%，或出厂水水质指标无法达到本公司内控标准时，应考虑部分或全部更换新炭、再生。目前我国大部分净水厂采用以出水水质为依据来判断是否需换炭，这种方法简单易行且相对可靠，但也存在出水水质不合格的风险。在没有更好的方法取代它之前，建议采用此种方法。

　　2.2 性能指标判据定期检测炭池内活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、粒度、强度等指标。当其数值低于某一限定值时，就需换炭。就杨树浦水厂活性炭而言，在使用多年后强度依然较高，各格炭池中的活性炭强度都≥95%，且粒度集中在12×40目，炭池运行过程中未出现堵塞现象。因此，从活性炭粒度、强度指标角度分析来看，各格炭池仍可继续使用。

　　2.3 目标污染物判据在试验期间臭氧活性炭出水各项水质指标均达标，活性炭更新时机的选择目前在国内没有定论，大部分水厂的活性炭池已连续运行3~7年，对耗氧量的去除率维持在20%~30%，出水耗氧量能够满足<3 mg/L的标准。活性炭的最长使用时间已达7年以上，大部分水厂之所以未进行再生或换新炭，是由于臭氧生物活性炭仍具有一定的去除污染物作用，且深度处理出水水质达到GB 5749—2006的要求。但当原水水质波动较大，存在突发性的污染物时，如藻类爆发时产生的嗅味问题，此时老炭对目标污染物的去除及抗冲击能力如何就显得非常重要。因此，建议各地结合实际，根据水源水质以及监控目标差异，可选择嗅味、抗生素、农药以及标准外消毒副产物等作为更换活性炭的依据，对目标污染物进行监测，实现从供“合格水”向“高品质水”的转变。

　　3 活性炭池运行与管理探讨

　　3.1 监测a)定期检测炭池进出水的CODMn、UV254、微型动物每月1~2次，确保出厂水水质指标满足公司内控标准的要求。当已出现微型生物泄漏且影响出水水质时，应停运生物活性炭滤池并查找原因，必要时应采用次氯酸钠溶液浸泡石英砂滤池，高浓度臭氧水浸泡活性炭滤池，经冲洗合格后再投入使用。b)每年应测定1次活性炭滤池主要运行参数，包括：各组滤池活性炭层高度、滤速、冲洗强度、膨胀率等。每年应做1次滤层抽样检查，同类型的炭滤池(活性炭使用情况基本相同的炭滤池属于同类型炭滤池)抽检率不应低于20%，对活性炭碘值、强度、粒径等指标进行检测，防止粒度、强度不断减小导致的跑炭和堵塞滤池现象。

　　3.2 反冲洗生物活性炭应保持一定的生物量，频繁的反冲洗不利于生物生长，活性炭滤池冲洗周期应根据水头损失、滤后水浑浊度、微生物和运行时间确定，不同水源、不同季节生物活性炭冲洗周期不同，冬季冲洗周期一般为5~7 d，夏季一般为3~5 d。当活性炭滤池出现下列情况时，宜加大冲洗强度、增加冲洗频率或延长冲洗时间保证冲洗效果。a)冲洗过程中发现表面炭层板结。b)活性炭滤池水头损失过大。c)冲洗后，出水浑浊度高于控制值。d)冲洗后，初滤水浑浊度高于控制值，此时初滤水应停止回用。

　　3.3 活性炭更新与再生活性炭是否继续使用主要依据活性炭是否破损、是否影响过滤。如耗氧量去除率<15%，则不需要全部换炭，换部分炭即可。当发现滤池炭层凹陷时，应立即停池并检查漏炭原因，如滤头是否损坏、冲洗是否跑炭、滤板结构是否损坏等。当滤料损失率>10%时，应补炭至炭层设计厚度。当活性炭失效后，应根据活性炭新炭采购价格、旧炭再生工程费用和活性炭更新周期，确定采取全部更换新炭或全部再生恢复吸附效能的方案。也可以考虑部分再生或部分更换新炭的可行性。当炭池需更换新炭时，建议选用8×30目柱状破碎炭或压块破碎炭，碘值大于900 mg/g。根据近些年再生炭以及其他吸附指标活性炭的应用实践，选用碘值900 mg/g或950 mg/g的颗粒活性炭在投入运行初期的处理效果比碘值大于1 000 mg/g的活性炭要略微差一些，但运行到中后期对有机物的去除效果几乎没有差别。当考虑活性炭再生时，宜选用8×30目柱状炭或压块炭进行再生，不宜选用原煤破碎炭和12×40目的颗粒炭进行再生，易造成再生完的炭粒度和强度过小，从而导致运行过程中跑炭和堵塞滤池现象的发生

　　。3.4 活性炭全生命周期管理水厂建立活性炭应用档案，从选用、失效、更换等活性炭全生命周期进行优化运行、科学管理，真正做到活性炭应用的流程化、标准化、精细化，实现节能降耗、优质供水。编辑札记安全供水、提高饮用水品质已成为全球范围内共同关注的话题。活性炭吸附作为给水深度处理的重要手段，因其高效吸附性和经济性而被广泛应用。研究活性炭选型、失效判定及运行管理，对于水厂深度处理改造是一个重要课题，能进一步发挥活性炭在给水深度处理中的作用，从而早日实现优质饮用水目标。