活性炭的选型、投入与活性炭滤池的运行维护

摘要：本文主要介绍了某自来水公司果园桥水厂活性炭的选型、投入以及活性炭滤池的运行维护情况。通过对活性炭滤池不同规格活性炭运行情况进行系统的跟踪分析，摸索活性炭滤池的运行维护管理经验，旨在优化活性炭滤池的运行，为今后的设计和运行管理提供借鉴。

0、前言

近年来，该果园桥水厂供水水源的大运河支流康泾塘受到有机污染的程度越来越严重（见表一）。在人们对生活质量的需求不断提升的前提下，对饮用水质量的要求也越来越高。针对日益恶化的源水水质，采用预处理及深度处理工艺成为提高供水水质的必要手段，也是今后国内水处理发展的趋势。深度处理中的臭氧活性炭工艺是目前处理微污染源水较有效的手段之一，在国内外研究应用已有70多年历史。活性炭过滤是深度处理工艺的最后阶段，更是必不可少的环节。对活性炭滤池科学的运行维护能够有效的提高供水水质、节省制水成本、延长活性炭的使用周期。果园桥水厂对此有多年的实践，有必要作一次总结。

表一2003年源水水质情况

1、工艺概况

臭氧活性炭深度处理工艺利用臭氧的强氧化性改变大分子有机物的性质和结构、利用活性炭的吸附性能以及附着在活性炭表面上的生物膜的生物降解作用去除水中有机物，达到净化水质的目的。

臭氧的氧化能力较强，仅次于氟，在活性炭过滤前投加臭氧可以杀死细菌、去除病毒、氧化水中有机物、提高水中有机物的可生化性，增强活性炭吸附的生物作用，有利于活性炭对有机物的去除，还可以延长活性炭的再生周期。

活性炭对分子量在1500以下的环状化合物、不饱和化合物以及分子量在数千以上的直链化合物（糖类）有较强的吸附能力，对去除腐殖酸、异臭、色度、农药、烃类有机物、有机氯化物、洗涤剂等有很好的效果，特别是对致突变物质及氯化致突变物前驱物的良好吸附，进一步降低了出水的致突变活性。

许多实验研究证明，为了控制饮用水中大肠杆菌的生长，需要达到AOC＜50μg/L，TOC＜2mg/L，活性炭表面附着的生物膜具有生物降解作用，在常规处理之后进行生物处理对致突物有一定的去除效果，使出水达到更好的生物稳定性，管网水也获得了更长的保质期。

果园桥水厂的水质“革命”作为一个技改项目在市人大会议上提出，并列为该市2003年为民办实事的十件大事之一。采用生物接触氧化预处理+常规处理+臭氧活性炭深度处理为全过程的水处理新工艺，一期工程设计规模为8万m³/d，在原有常规处理工艺的基础上新增预处理及深度处理工艺，2002年7月开工，2003年5月竣工投产；二期工程设计规模为7万m³/d，为一套完整的预处理+常规处理+深度处理工艺，2003年8月开工，2004年7月竣工投产。两期工程全部竣工并投入运行后，果园桥水厂的水处理工艺从原来的单一常规处理迅速跃升至国内先进水平。

臭氧投加点在活性炭过滤之前，根据实际水质情况投加量为1-3mg/L，臭氧接触时间为15min。活性炭滤池分为10格，一期7格为1.5mm柱状炭，3格为8×30目破碎炭，二期10格全部为12×40目破碎炭，利用原有反冲洗水塔中的砂滤池出水对炭层进行反冲洗，通过调节反冲洗阀门的开度来控制反冲洗强度，二期活性炭滤池在单水反冲洗的基础上增加了气冲洗。

结合果园桥水厂吸附试验的结果，活性炭滤池的工艺参数确定为单格面积48m²、炭层厚度1.8m、滤速8m/h、接触时间13.5min。

在活性炭滤池设计中，几个重要的工艺参数特别需要引起重视：

① 滤速。它是影响水质和运行管理的一项重要指标，与进水流量（即生产规模）和滤池面积有关，因此在正常运行中无法调整滤速，设计时首先需要考虑选择合理的滤速。在一定的炭层厚度条件下，滤速越慢接触时间越长，接触时间越长则活性炭的吸附效果越好，出水水质越佳。欧美水厂活性炭滤池的滤速一般为7.5-15m/h。

② 炭层厚度。炭层厚度一般以SV值作为衡量标准。SV值表示单位时间内单位体积活性炭的处理水量，SV=Q/Cv，Q为每小时处理水量（m³/h），Cv为活性炭的体积（m³），SV值为4-8能保持较好的处理效果。欧美水厂活性炭滤池的炭层厚度一般为1.8-3.6m。

③ 排水槽距离炭层面的高度。间距过小易造成反冲洗时炭粒流失，间距过大则不利于反冲洗废水及时排出，还会多消耗反冲洗用水。根据果园桥水厂现场实测，气冲洗时由于滤板下产生的气垫层以及气体在水中占有了一部分体积，水位要上升45cm左右，新炭投入后使用一段时间，经数次反冲洗炭层日渐蓬松，炭层厚度较刚投入时增加约15cm左右，再考虑到以后补充新炭增加炭层高度，设计时应适当留有余地。

2、活性炭的选型

活性炭是一种经过气化（炭化、活化），具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的炭质吸附材料。活性炭的吸附是水中污染物质在其表面的富集或浓缩。

因原水水质和活性炭产品的性能差异较大，对活性炭的选型需要进行吸附试验，以选择活性炭的规格指标及较佳的炭层厚度、滤速、接触时间、反冲洗时的膨胀率等工艺参数。

在参考了美国水厂选用活性炭指标的基础上，结合一年多吸附试验的运行经验，经过认真的分析比较，一期活性炭滤池选用了1.5mm柱状炭和8×30目破碎炭两种活性炭（主要指标见表二）。其选用理由：一是以上两种炭在吸附试验中均表现出较好的去除效果，二是希望进一步比较不同规格、不同指标活性炭在生产运行中去除效果的差别。粒径大于1.5mm的活性炭由于滤料之间间隙太大，影响处理效果基本不予考虑。参考了一期的运行情况，二期选用的活性炭在主要指标上作了一定的调整和优化，大胆使用了粒径更小的12×40目破碎炭（主要指标见表二），这种炭由于粒径小，重量轻，运行维护比较麻烦，但粒径越小，炭粒的间隙就越小，活性炭越容易吸附水中的物质，处理效果也更好。

3、活性炭的投入

活性炭的吸附性能较强，因此在运输途中以及保存过程中严格要求采用防紫外线材料制成的牢固且不易破损的包装袋，不可与挥发性物质同时存放，以避免包装袋破裂使活性炭暴露在空气中，因为活性炭容易吸附空气中的物质，影响使用效果。

活性炭的投入过程一般分以下几个步骤：

① 投入前的滤池清洗。活性炭投入前对活性炭滤池需采取很严格的消毒措施，用出厂水将滤池内的所有杂质冲洗干净，将浓度为15mg/L的氯水注入滤池，浸泡24小时后将氯水排出，反复将滤池冲洗干净，直至冲洗出水不含余氯为止。

② 投入后的浸泡。投入活性炭后立即加入一定量不含余氯的滤后水，浸泡24小时以上，使活性炭湿透。欧美水厂一般将活性炭与水充分混合（在活性炭中加入15%左右的水），用泵打入滤池。这种方式便于活性炭的投入与取出，活性炭在投入过程中已经湿透，但是该方式需要增加附属设备及管道，滤池的造价相应提高，并且在投入过程中炭粒之间有剧烈的摩擦，对其强度有很高的要求，考虑到实际情况，果园桥水厂并未仿效。

③ 冲洗。在浸泡过程中，所有的细小颗粒和未被浸透的炭会慢慢的浮上水面。经数次反冲洗，炭层中的细小颗粒和未被浸透的炭得以去除，炭粒孔隙中的空气被置换出来，使活性炭的吸附能力得以充分发挥。生产出来的活性炭一般呈碱性，冲洗后其PH值达到中性，不致于引起运行时出水PH值超标。

④ 炭床分层。反冲洗时冲洗强度需逐渐增加到炭床的膨胀率为30%左右，并稳定保持10-15min。在此过程中， 炭床发生分层， 即大小颗粒重新分布， 细小的颗粒随冲洗水流上升排出滤池。

4、活性炭滤池的运行维护

4.1 对进水浊度的控制。采用活性炭处理的目的是为了更有效的去除有机物，而不是为了截留悬浮固体， 一般控制炭滤池的进水浊度小于3NTU， 否则容易造成炭床堵塞， 缩短吸附周期，因此在今后的运行中对进水浊度应该提出更高的控制目标。

4.2 对进水余氯的控制。活性炭可以吸附水中的余氯，余氯对活性炭表面的生物膜会产生较大的破坏，因此生产中需要控制活性炭滤池进水不得有余氯。

4.3 保持活性炭吸附程度的相对均匀。活性炭滤池一般都采用方形池型，我们测量的反冲洗强度一般是指整格池的平均冲洗强度。方形池型在反冲洗时各个位置的冲洗强度并不一致，角上的冲洗强度相对较小，而池中间以及离反冲洗进水管近的位置，冲洗强度相对较大，运行一段时间后就会造成炭层面中间低、四周高，低的位置炭层较薄水头损失较小，因此该处局部的滤速相对较大，运行负荷的增加使炭层薄的地方活性炭的使用周期缩短，造成单格池内活性炭在吸附饱和程度上的不均匀。因此在使用一段时间后需人工耙平，以保持池内活性炭在吸附饱和程度上的相对均匀。二期活性炭滤池增加了气冲系统，由于气冲时炭粒处于完全膨胀状态，炭层能在气冲结束后保持比较均匀的厚度。

4.4 增加水中的溶解氧。成为生物活性炭取决于水温、微生物利用的原水中所含基质的种类、水中细菌的浓度和种类、反冲洗方式和反冲洗周期以及溶解氧。臭氧的投加较大的增加了水中的溶解氧，并且使进入炭层内部的水中留有一定的余臭氧，保证了炭层中生物的需要。去除有机物、氨氮需要消耗大量的溶解氧，通常在1：4以上，每氧化1mgNH₃-N为NO₂-N，需要消耗3.34mg的溶解氧，每氧化1mgNO₂-N为NO₃-N需要消耗1.14mg的溶解氧。经过投加臭氧，滤前水溶解氧能保持在12-15mg/L，基本处于饱和状态，使活性炭的生物作用得以稳定发挥。

4.5 对反冲洗的控制。随着活性炭滤池运行时间的延长，炭粒表面及炭层中积累的生物和非生物颗粒的数量不断增加，导致炭粒间隙减小，水头损失增加，影响活性炭滤池的出水水质和产水量。如果反冲洗时炭层的膨胀率不足，下层的炭粒悬浮不起来，炭层就冲洗不干净，如膨胀率过大，水流剪力就较小，炭粒不易碰撞，达不到冲洗效果。膨胀率随着冲洗强度的增加而增加，冲洗强度过大，会造成炭粒的流失，由于反冲洗水的流速很大，会冲动承托层，破坏其级配排列，使炭层和承托层卵石混合在一起，即不利于再生又影响出水水质。合理的反冲洗可以充分除去过量的生物膜和截留的微小颗粒，而频繁的反冲洗则使生物膜难以形成。因此反冲洗成为活性炭滤池运行维护的关键，是保证活性炭滤池成功运行的一个重要环节。一般需注意以下几个方面：

① 至少采用砂滤池滤后水反冲洗，需要采用活性炭滤池出水，保证冲洗用水具有较低的浊度和较好的水质，即可以使冲洗后的炭层比较洁净又避免炭层在冲洗过程中的无效吸附。

② 保证合理的冲洗历时、冲洗强度和膨胀率。我们以冲洗结束时排出水的浊度来作为冲洗强度和历时是否达到冲洗目的的衡量标准。活性炭滤池反冲洗废水中的微生物浓度一般不低于10⁵个/mL，因此将反冲洗废水的浊度作为一项主要检测指标，一般以反冲洗废水浊度≤5NTU作为反冲洗结束的前提。一般认为25%~30%的膨胀率是比较合理的， 反冲洗强度与活性炭的粒径有关，达到一定的膨胀率，粒径越大所需的冲洗强度就越大，达到30%的膨胀率，1.5mm柱状炭的冲洗强度为11L/s.m²，8×30目破碎炭的冲洗强度为10L/s.m²，12×40目破碎炭的冲洗强度为7.7L/s.m²。由于水塔水量的限制，在以上的冲洗强度条件下，1.5mm柱状炭和8×30目破碎炭的滤格较多只能持续8分钟的冲洗历时，12×40目破碎炭的滤格较多只能持续10分钟的冲洗历时，一期活性炭以反冲洗废水浊度＜5NTU作为反冲洗结束的前提，二期活性炭以反冲洗废水浊度<3NTU作为反冲洗结束的前提，考虑到活性炭比较轻，反冲洗强度比较弱，在水塔水量允许的情况下应尽量延长其反冲洗历时，以达到延长冲洗周期、避免炭粒过度磨损的目的。因此我们在参照反冲洗历时内浊度变化（见表三、表四）的基础上将一期冲洗历时定为8分钟，二期冲洗历时定为10分钟。

表三：一期活性炭滤池反冲洗历时内的浊度变化

表四：二期活性炭滤池反冲洗历时内的浊度变化（NTU）

③ 气冲的运用。在活性炭滤池运行中不允许有气水混冲这种冲洗方式，因为活性炭比重小在气水混冲时容易随反冲洗废水排出池外。在气冲结束后，水冲开始前需要静止3-5分钟，以使气冲时处于悬浮状态的炭粒完全下沉。

4.6 反冲洗的分析

二期活性炭滤池在单水冲洗的基础上增加了气冲洗，较大的紊流气体能预先冲松炭层并更好的冲刷活性炭表面的生物膜，单水反冲洗前增加气冲洗可使炭粒表面的污物受到更为持久的剪力和剥离，使脱落污物的排出更为容易。在实际使用中，我们发现单水反冲洗时，反冲洗废水呈褐色，说明脱落的生物膜比较多，气冲时水体呈深黑色，在气冲之后的水冲过程中反冲洗废水呈浅黑色，夹杂着大量的微小炭粒，说明在气冲过程中炭粒受到了剧烈的磨损，长期气冲必然会影响活性炭的强度，使其磨损程度越来越严重，因此气冲洗只能作为反冲洗的一种辅助手段，以防止冲洗强度弱、冲洗周期长以及生物膜的影响造成的活性炭板结，并去除附着在活性炭表面难以脱落的老膜，为此我们将气冲洗周期设定为每月一次。

通过观察反冲洗废水发现，8×30目破碎炭由于具有不规则的形状和粗糙的表面结构，微生物容易依附在炭粒外表面上，生物膜比较多，常以水中有机物为营养增殖形成的生物膜，对于可生物降解有机物具有去除作用，1.5mm柱状炭的生物膜量相对少一些，12×40目破碎炭由于气冲时气体的剧烈冲刷生物膜量比较少。

我们对活性炭滤池的主要水质指标进行了检测（见表五、表六）。冲洗后初滤水的水质相当差，因此作为水处理工艺中的最后一道工序我们需要考虑初滤水的排放，尽量将各个滤池的冲洗时间错开，以避免出水水质短时间超标。

表五：一期活性炭滤池反冲洗前后的水质情况

表六：二期活性炭滤池反冲洗前后的水质情况

4.7 活性炭滤池的出水

活性炭滤池出水中较多粉末颗粒和一些脱落的生物膜随水流带出，影响出水的水质，为保证出水水质，一般在炭层与承托层之间增加数十公分的砂滤料，增加的砂滤料在反冲洗时容易与活性炭混合，活性炭再生时不允许有杂质，因此混入活性炭的石英砂对再生会造成影响。

4.8 活性炭使用过程中主要指标的变化

一期活性炭滤池投入运行至今已近二年，在此期间我们对其主要指标作了检测（见表七）。

表七：一期活性炭运行期间的主要指标

随着使用时间的增加，活性炭的主要吸附指标均呈下降趋势，堆积重则明显增加，说明活性炭的吸附日渐饱和。

活性炭的吸附不仅受其孔隙结构的影响，也受其表面化学性质的影响，孔隙结构及其各种表面氧化物的存在和比例，取决于活性炭的制造原理和制造工艺。经过水蒸气活化的煤质活性炭一般呈碱性，使用后活性炭的PH值为5-6，呈酸性，碱性的表面化学性质更有利于微生物的附着。

5、活性炭滤池运行中存在的问题

5.1 活性炭滤池内使用普通的国产电动蝶阀，使用一段时间后，常发生阀门关不到位即关不死和开度发生错位现象，使冲洗强度比原定值有所改变，达不到准确控制的目的。

5.2 活性炭滤池采用敞开式，由于阳光的照射及溶解氧比较充足，池内藻类较易生长，椎实螺众多，给活性炭滤池的清洗带来较大的困难。经过观察发现，藻类以及椎实螺的数量朝南滤格多于朝北滤格，东侧滤格多于西侧滤格，说明藻类、椎实螺的生长与水温、阳光密切有关。国外一般都建成封闭式，但封闭式不利于观察、运行维护以及活性炭的投入及取出。

6、结论

6.1 臭氧活性炭工艺是化学反应、物理吸附以及微生物所进行的生物降解相结合的过程，对水中污染物的去除有明显的效果。活性炭过滤是深度处理工艺的最后阶段，更是必不可少的环节。对活性炭合理的选型、投入以及对活性炭滤池合理的运行维护是延长活性炭使用周期以及保证出水水质的关键。

6.2 对活性炭选型应依据吸附试验。以去除效果的优劣选择活性炭的规格以及活性炭滤池的较佳炭层厚度、滤速、接触时间、反冲洗时的膨胀率等工艺参数。

6.3 活性炭的投入应经过滤池净化、炭粒浸泡、反冲洗等步序，确保其在使用中处于较佳运行状态。

6.4 活性炭滤池的运行维护应注重对进水浊度、余氯的控制，保持活性炭吸附饱和程度的相对均匀，增加水中的溶解氧和把握好对反冲洗的控制等要素。