陽(yáng)澄湖水源“臭氧-活性炭”深度處理工藝的活性炭選型

劉玉紅

（蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司江蘇蘇州215000）

陽(yáng)澄湖水源“臭氧-活性炭”深度處理工藝的活性炭選型

劉玉紅

（蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司江蘇蘇州215000）

為陽(yáng)澄湖水源深度處理選擇合適的活性炭，分析了臭氧-活性炭工藝中影響活性炭性能的相關(guān)指標(biāo)，并進(jìn)行陽(yáng)澄湖水源深度處理小試，對(duì)業(yè)內(nèi)常用的原煤破碎炭、原煤柱狀炭、柱狀破碎炭和壓塊破碎炭對(duì)CODMn、氨氮、UV254的去除率進(jìn)行了分析，選擇了壓塊破碎活性炭為陽(yáng)澄湖水源深度處理用活性炭。

陽(yáng)澄湖水；深度處理；活性炭；去除率

1 陽(yáng)澄湖水為水源的深度處理工藝

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2006），集中式生活飲用水地表水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)的高錳酸鹽指數(shù)限值為小于4mg/L。陽(yáng)澄湖水2014年CODMn范圍在3.9 mg/L～6.5mg/L，有機(jī)物含量高，變化較大，作為飲用水水源地，屬于微有機(jī)物污染湖泊水。陽(yáng)澄湖水體有機(jī)物以分子量<3k的為主，這部分有機(jī)物在總有機(jī)物中占比95%以上，其中分子量為1k～3k的約占50%，分子量為0.5k～1k的和<0.5k的分別占25%左右。根據(jù)有機(jī)物去除機(jī)制與規(guī)律，以及不同凈水工藝對(duì)不同分子量有機(jī)物的去除能力，陽(yáng)澄湖水廠工藝流程設(shè)計(jì)為原水→取水泵房→預(yù)臭氧接觸池→絮凝平流沉淀池→砂濾池→中間提升泵房→主臭氧接觸池-活性炭濾池→清水池→吸水井→二級(jí)泵房→管網(wǎng)。

其中主臭氧接觸池-活性炭濾池即為臭氧-生物活性炭工藝。該工藝的基礎(chǔ)是活性炭的強(qiáng)吸附特性。主臭氧接觸池投加的臭氧有強(qiáng)氧化作用，將大分子有機(jī)物氧化為小分子有機(jī)物，有利于活性炭的吸附。炭濾池中的活性炭大量吸附水中的小分子有機(jī)物，同時(shí)也富集微生物，使其表面生長(zhǎng)出良好的生物膜；由于有機(jī)物豐富，好氧菌在生物膜上大量生長(zhǎng)繁殖，可以充分生物降解活性炭吸附的小分子有機(jī)物。因此，活性炭在水中的吸附特性和表面特性是確保臭氧-生物活性炭深度處理工藝效果的關(guān)鍵，選用合適的活性炭至關(guān)重要。

2 高小分子量有機(jī)物原水的活性炭選型實(shí)驗(yàn)

2.1 活性炭選型之活性炭結(jié)構(gòu)和性能

（1）不同種類的活性炭結(jié)構(gòu)對(duì)選型的影響（圖片取自卡爾岡炭素公司資料）。

凈水的臭氧－生物活性炭工藝中活性炭一般選擇煤制顆粒炭。根據(jù)調(diào)研，該工藝最早使用的是原煤破碎炭，目前用的較多的為柱狀破碎炭，近2～3年壓塊破碎炭逐漸被接受。根據(jù)卡爾岡炭素公司對(duì)原煤破碎炭、柱狀破碎炭的研究，這兩種炭在結(jié)構(gòu)上的不同如圖1～圖2。圖1～圖2均分別為10倍（左）與60倍（右）放大鏡下的活性炭。

原煤破碎炭、柱狀破碎炭與壓塊活性炭外表面比較。

圖1 原煤破碎炭有較光滑的表面及尖銳棱角

圖2 壓塊破碎炭有均勻粗糙的表面，無(wú)尖角

2.2 活性炭吸附性能對(duì)選型的影響

苯酚、碘和亞甲藍(lán)這幾種物質(zhì)的分子量與分子直徑范圍與大多數(shù)的水污染物一致，人們常用苯酚吸附值、碘吸附值和亞甲藍(lán)吸附值來(lái)表征活性炭在水相中的吸附性，將其作為粗選活性炭的重要依據(jù)。陽(yáng)澄湖水體中的有機(jī)物以腐殖質(zhì)為主，分子平均半徑為0.8 nm～5.9nm。據(jù)計(jì)算，活性炭的最佳吸附孔徑范圍為1.7 nm～35 nm，相當(dāng)于微孔和中孔的孔徑[1]。國(guó)內(nèi)水凈化專家王寶貞所著的《飲用水深度處理技術(shù)》一書(shū)中指出：“對(duì)天然有機(jī)物具有吸附作用的是活性炭的二級(jí)微孔（次微孔）和中孔。而比表面積、碘值、亞甲藍(lán)值主要是表征活性炭的微孔發(fā)達(dá)程度”[2]。因碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值越高，活性炭?jī)r(jià)格越高，所以對(duì)小分子量有機(jī)物原水的處理，活性炭應(yīng)選擇適宜的碘吸附值和亞甲藍(lán)吸附值，可從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，以中孔較發(fā)達(dá)的活性炭較好，不宜片面追求微孔的高吸附性。

2.3 強(qiáng)度對(duì)選型的影響

炭濾池中的活性炭長(zhǎng)期浸泡在水中，并進(jìn)行周期性的反沖洗。浸泡和反沖洗會(huì)給活性炭造成機(jī)械磨損，所以活性炭的強(qiáng)度越高越好?；钚蕴客ㄟ^(guò)提高活化程度來(lái)提高吸附性能，但活化程度越高，強(qiáng)度會(huì)自然下降，強(qiáng)度與吸附性能是相反的關(guān)系。因此，選擇活性炭時(shí)應(yīng)兼顧吸附值和強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)。

2.4 粒度對(duì)選型的影響

活性炭粒徑越小，表面積越大，水中有機(jī)物擴(kuò)散到其微孔的距離比大顆粒炭短，其所需的吸附平衡時(shí)間比大顆粒炭要少。但小顆粒炭會(huì)增加過(guò)濾時(shí)的水頭損失，反沖洗頻率增強(qiáng)，反沖洗周期縮短，不利于生物膜的生長(zhǎng)。在有效處理的情況下，可通過(guò)床層高度，水力停留時(shí)間等因素，選擇適宜粒度的活性炭，絕不應(yīng)追求粒度越小越好。

2.5 漂浮率對(duì)選型的影響

漂浮率越低表示活性炭灰分越少，質(zhì)量越好。活性炭選型的動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn):活性炭動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)也稱活性炭的掛柱實(shí)驗(yàn)，是模擬自來(lái)水廠臭氧-活性炭深度處理工藝運(yùn)行的小試。通過(guò)監(jiān)控不同活性炭柱對(duì)實(shí)際原水中有機(jī)物的去除效果來(lái)選擇合適的活性炭。掛柱實(shí)驗(yàn)在水質(zhì)變化相同的情況下，充分模擬水廠實(shí)際運(yùn)行中的臭氧氧化和水力條件，比在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)更有參考價(jià)值?？紤]炭床生物膜的生長(zhǎng)條件，掛柱實(shí)驗(yàn)在允許的條件下，時(shí)間最好大于3個(gè)月。

原水經(jīng)混凝、沉淀、砂濾和臭氧處理后，通過(guò)進(jìn)水管分別從上部進(jìn)入不同的炭柱，不同的炭柱為并聯(lián)；每根炭柱的進(jìn)水管上都裝有流量計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)，保證每根炭柱的進(jìn)水流量一致；炭柱中裝填不同類型的煤質(zhì)顆?；钚蕴浚?guī)格相同，為同一廠家的產(chǎn)品；濾后水從炭柱底部排出，在每根炭柱的下部設(shè)有獨(dú)立的取樣口。同水廠的工藝一致，炭柱的運(yùn)行方式為下向流。

活性炭動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)裝置包括：有機(jī)玻璃柱（內(nèi)徑100 mm～200mm，高2.5m～3m，底部柵板上墊有200mm砂墊層）、流量計(jì)、反沖洗水泵、反沖洗水箱、不同管徑的PVC管和閥門、溢流槽、不銹鋼支架。

活性炭的裝填：根據(jù)活性炭的裝填密度估算出每種炭所需質(zhì)量（稍多一點(diǎn)），分別裝入事先加好水的有機(jī)玻璃柱中。將炭浸泡48h后反沖洗，除去炭渣和炭灰，直至炭層上面的液面變清。最后，將所有炭柱補(bǔ)充至相同體積。

活性炭動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是選擇飲用水用活性炭的重要依據(jù)之一?；钚蕴縿?dòng)態(tài)試驗(yàn)充分結(jié)合了當(dāng)?shù)卦|(zhì)特征，模擬了實(shí)際運(yùn)行的水力條件，進(jìn)行活性炭對(duì)有機(jī)物去除效果比較，是活性炭選型較為科學(xué)的一種方式。

3 結(jié)語(yǔ)

高小分子量湖泊微污染原水凈水一般選擇常規(guī)處理+臭氧——活性炭深度處理聯(lián)用的工藝流程。在該工藝中，選擇合適的活性炭是保證此工藝經(jīng)濟(jì)、正常運(yùn)行的重要方面。

結(jié)合原水水質(zhì)，首先從經(jīng)濟(jì)的角度，選擇中孔較發(fā)達(dá)、苯酚吸附值較高的活性炭；從結(jié)構(gòu)和外觀來(lái)看，壓塊破碎炭表面均勻粗糙，在水廠運(yùn)行中適合掛膜；棱角較圓滑，在一定的水流中能保持生物膜的正常生長(zhǎng)。同時(shí)，因壓塊破碎炭?jī)?nèi)部活化均勻，其吸附性能也會(huì)優(yōu)于原煤破碎炭和柱狀破碎炭。

結(jié)合原水水質(zhì)，從活性炭掛柱實(shí)驗(yàn)來(lái)看，相同規(guī)格時(shí)，壓塊破碎炭對(duì)有機(jī)物、氨氮和UV254的去除能力均好于原煤破碎炭、柱狀破碎炭和柱狀炭。根據(jù)對(duì)有機(jī)物去除達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間，壓塊破碎炭更容易掛膜，即更利于生物膜的生長(zhǎng)。

綜上所述，陽(yáng)澄湖水源凈水深度處理活性炭宜選用適宜強(qiáng)度、適宜苯酚吸附值的壓塊破碎活性炭。

[1]張玉先,劉輝，包承忠.全流程生物氧化技術(shù)處理微污染水研究.中國(guó)給水排水,2002(5).

[2]王琳,王寶貞.飲用水深度處理技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.

劉玉紅（1977—），女，湖北，工程師，碩士，水處理。