給水深度處理工藝中活性炭選用、失效判定及運(yùn)行管理

高煒，高級(jí)工程師，上海城投集團(tuán)運(yùn)營(yíng)管理部副總經(jīng)理。曾任上海城投水務(wù)集團(tuán)副總經(jīng)理、上海城投水務(wù)集團(tuán)制水分公司總經(jīng)理、上海市土木工程學(xué)會(huì)給排水專業(yè)委員會(huì)主任、同濟(jì)大學(xué)兼職教師。主要從事上海自來(lái)水生產(chǎn)供應(yīng)的規(guī)劃、科研、建設(shè)、運(yùn)行與管理工作，致力于供水行業(yè)技術(shù)提升和創(chuàng)新能力建設(shè)。

臭氧生物活性炭處理工程是給水深度處理最常用的技術(shù)工藝。由該工程運(yùn)行的各項(xiàng)費(fèi)用可知，活性炭占其比重較大，因此選擇合適的活性炭，以取得技術(shù)與經(jīng)濟(jì)整體利益的最優(yōu)化對(duì)于水廠生產(chǎn)運(yùn)行尤為重要[1]?；钚蕴糠N類多、性能差異大，因此活性炭的合理選擇成為了我國(guó)水廠目前普遍面臨的一個(gè)問(wèn)題，此外還包括活性炭的失效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、使用壽命等。

除強(qiáng)度、水分等指標(biāo)外，選擇活性炭的更重要指標(biāo)是吸附性能，其與活性炭使用壽命[2]、費(fèi)用和出水水質(zhì)等息息相關(guān)。通常，碘吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值可作為活性炭表面微孔數(shù)量的表征，但不能完全反映活性炭處理水中有機(jī)物的能力，且隨著活性炭使用年限的延長(zhǎng)，碘值、亞甲基藍(lán)值等反應(yīng)吸附性能的指標(biāo)會(huì)逐漸弱化[3]。因此，在使用活性炭之前，結(jié)合具體水質(zhì)對(duì)活性炭進(jìn)行靜態(tài)吸附、動(dòng)態(tài)穿透等試驗(yàn)顯得十分重要。如能對(duì)水中有機(jī)物分布、活性炭表面性質(zhì)進(jìn)行更精確、微觀的分析，根據(jù)當(dāng)?shù)啬繕?biāo)水質(zhì)要求確定選型[3-5]，將更有助于水廠選炭。

上海早在“十五”期間就已經(jīng)開(kāi)展了臭氧生物活性炭深度處理工藝研究，本文以楊樹(shù)浦水廠36萬(wàn)m3/d的深度處理示范工程為例，針對(duì)臭氧活性炭深度處理工藝運(yùn)行管理中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和研究，提出相應(yīng)的運(yùn)行管理建議。

楊樹(shù)浦水廠36萬(wàn)m3/d的臭氧生物活性炭深度處理示范工程自2002年開(kāi)始建設(shè)，2007年底完工并啟動(dòng)調(diào)試，至2008年9月調(diào)試完成交付使用。建設(shè)前期，臭氧生物活性炭深度處理技術(shù)在上海水廠的應(yīng)用并不廣泛，經(jīng)驗(yàn)并不豐富，因此保守選擇了較高吸附指標(biāo)的活性炭。為了進(jìn)一步比較不同種類的活性炭在生產(chǎn)運(yùn)行中的去除效果，選用了原煤破碎炭、柱狀破碎炭和壓塊破碎炭這三種不同種類的活性炭，從活性炭吸附性能、機(jī)械強(qiáng)度和水質(zhì)處理效果等多方面系統(tǒng)分析了不同活性炭間的差異。

1 不同種類活性炭的應(yīng)用效能比較

1.1 吸附性能對(duì)比

在當(dāng)時(shí)活性炭應(yīng)用還不是很廣泛的情況下，為了進(jìn)一步比較不同規(guī)格活性炭在生產(chǎn)運(yùn)行中去除效果的差別，楊樹(shù)浦水廠選用了不同碘值和亞甲基藍(lán)值、不同規(guī)格的活性炭。作為對(duì)比試驗(yàn)的活性炭吸附指標(biāo)均較高，3種類型炭的碘值均大于1 000 mg/g。根據(jù)近年來(lái)水廠深度處理工藝的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，并非碘值和亞甲基藍(lán)值越高，活性炭對(duì)水中有機(jī)物的去除效果就越好，這兩者并無(wú)必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1、表2所示。不同吸附值的顆粒活性炭在投入運(yùn)行初期的處理效果可能略有差異，但中后期的效果幾乎無(wú)差別。

由表1、表2可知，3格炭池中新炭的碘值均大于1 000 mg/L，亞甲藍(lán)值約200 mg/L，運(yùn)行2年后，活性炭的碘值、亞甲基藍(lán)值吸附指標(biāo)均下降到了較低的程度，降幅約50%。使用2年后，活性炭的碘值約500～600 mg/g，亞甲基藍(lán)值約100～110 mg/g。運(yùn)行5年后的碘值和亞甲基藍(lán)值進(jìn)一步降低，碘值降到了約200 mg/g，亞甲基藍(lán)值則小于75 mg/g。運(yùn)行6年后的活性炭碘值基本比運(yùn)行5年的活性炭降低約50 mg/g，運(yùn)行7年多的活性炭碘值下降幅度逐漸減緩，僅比運(yùn)行6年多的活性炭降低約20 mg/g。

總體而言，隨著活性炭運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，碘值及亞甲基藍(lán)值均呈下降趨勢(shì)，運(yùn)行初期的降幅遠(yuǎn)大于中后期，說(shuō)明初期活性炭以吸附為主，而中后期的吸附作用減弱，此時(shí)以生物作用為主。

表1 臭氧生物活性炭中活性炭碘值變化

表2 臭氧生物活性炭中活性炭亞甲基藍(lán)值變化

根據(jù)國(guó)內(nèi)的使用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)活性炭碘吸附值≤600 mg/g時(shí)，活性炭的吸附性能很差。由此可知，在生物活性炭處理的中后期，吸附作用已不占據(jù)主導(dǎo)地位，以生物降解作用為主，但是炭池運(yùn)行后期，活性炭對(duì)有機(jī)物的去除效果變化較小，如圖1所示。運(yùn)行了已有7年時(shí)間的炭池CODMn去除率穩(wěn)定在20%左右，且各炭池出水CODMn質(zhì)量濃度仍在1 mg/L左右。因此僅采用碘值與亞甲基藍(lán)值作為炭柱運(yùn)行的控制指標(biāo)是欠妥的，還應(yīng)該考慮炭池出水水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行活性炭換炭或再生的判斷。

圖1 各炭池不同運(yùn)行時(shí)間對(duì)CODMn的去除效果Fig.1 Removal Efficiency of CODMn by Different Activated Carbon Tanks under Different Running Time

1.2 機(jī)械強(qiáng)度對(duì)比

活性炭的強(qiáng)度與活性炭的使用壽命有一定的關(guān)系，活性炭應(yīng)保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度，沖洗時(shí)耐磨損，損耗率較小。由表3可知，舊炭雖然使用了多年，但強(qiáng)度仍較高，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的90%，使用年限對(duì)活性炭強(qiáng)度的影響不大。

表3 炭樣的強(qiáng)度對(duì)比

1.3 處理效果對(duì)比

1.3.1 耗氧量

由圖1可知，在臭氧活性炭工藝運(yùn)行初期，各炭池對(duì)CODMn的去除率均高達(dá)50%以上，此時(shí)活性炭濾池的運(yùn)行主要處于吸附期。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，活性炭吸附逐漸飽和，運(yùn)行2年后，各炭池對(duì)CODMn的去除率均下降了30%左右，去除率約20%，此時(shí)生物活性炭濾池的有機(jī)物去除主要以生物降解作用為主。隨著活性炭運(yùn)行的時(shí)間延長(zhǎng)，炭池對(duì)有機(jī)物的去除變化較小。

1.3.2 UV254

活性炭的種類和UV254去除效果并無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。運(yùn)行初期的柱狀破碎炭對(duì)UV254去除率最高，為65.12%；原煤破碎炭去除率最低，為53.49%。運(yùn)行2年后，3個(gè)炭池UV254去除率在26.6%～40.2%，原煤破碎炭去除率依然最低。運(yùn)行5年后，3個(gè)炭池UV254去除率均在20%以下。

圖2 各炭池不同運(yùn)行時(shí)間對(duì)UV254的去除效果Fig.2 Removal Efficiency of UV254 by Different Activated Carbon Tanks under Different Running Time

總體而言，三種活性炭對(duì)UV254的去除效果差異性不是很顯著，壓塊破碎炭對(duì)UV254的去除效果略優(yōu)于其他兩種活性炭。

2 活性炭的失效判定指標(biāo)探討

當(dāng)活性炭使用目標(biāo)是以吸附水中有機(jī)物污染物為主時(shí)，活性炭的失效指標(biāo)以碘吸附值為主；當(dāng)活性炭使用目標(biāo)是以生物降解水中有機(jī)物污染物為主時(shí)，活性炭的失效指標(biāo)以炭池出水特征水質(zhì)指標(biāo)為主，以活性炭本身的粒度、強(qiáng)度指標(biāo)為輔。目前判定活性炭失效主要是依據(jù)出水水質(zhì)、取樣檢測(cè)等方法，每一種方法都要在保證出水水質(zhì)合格的前提下進(jìn)行。

2.1 水質(zhì)目標(biāo)判據(jù)

活性炭濾池通常處于水處理工藝的后端，活性炭濾池出水應(yīng)設(shè)置質(zhì)量控制點(diǎn)，對(duì)出水渾濁度、pH、氨氮、CODMn、溴酸鹽和微生物指標(biāo)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)活性炭不能保證合格的出水水質(zhì)時(shí)，可判定活性炭失效?；钚蕴渴У脑u(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)主要以處理后水質(zhì)能否穩(wěn)定達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)為依據(jù)，并考慮活性炭剩余吸附能力是否適應(yīng)水質(zhì)突變的情況?；钚蕴繛V池CODMn去除率小于15%，或出廠水三鹵甲烷指標(biāo)與常規(guī)處理相比下降率小于30%，或出廠水水質(zhì)指標(biāo)無(wú)法達(dá)到本公司內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮部分或全部更換新炭、再生。目前我國(guó)大部分凈水廠采用以出水水質(zhì)為依據(jù)來(lái)判斷是否需換炭，這種方法簡(jiǎn)單易行且相對(duì)可靠，但也存在出水水質(zhì)不合格的風(fēng)險(xiǎn)。在沒(méi)有更好的方法取代它之前，建議采用此種方法。

2.2 性能指標(biāo)判據(jù)

定期檢測(cè)炭池內(nèi)活性炭的碘吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值、粒度、強(qiáng)度等指標(biāo)[6]。當(dāng)其數(shù)值低于某一限定值時(shí)，就需換炭。就楊樹(shù)浦水廠活性炭而言，在使用多年后強(qiáng)度依然較高，各格炭池中的活性炭強(qiáng)度均大于等于95%，且粒度集中在12×40目，炭池運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此，從活性炭粒度、強(qiáng)度指標(biāo)角度分析來(lái)看，各格炭池仍可繼續(xù)使用。

2.3 目標(biāo)污染物判據(jù)

試驗(yàn)期間，臭氧活性炭出水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，活性炭更新時(shí)機(jī)的選擇目前在國(guó)內(nèi)沒(méi)有定論，大部分水廠的活性炭池已連續(xù)運(yùn)行3～7年，對(duì)耗氧量的去除率維持在20%～30%，出水耗氧量能夠滿足小于3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。活性炭的最長(zhǎng)使用時(shí)間已達(dá)7年以上，大部分水廠之所以未進(jìn)行再生或換新炭，是由于臭氧生物活性炭仍具有一定的去除污染物作用，且深度處理出水水質(zhì)達(dá)到GB 5749—2006的要求。但當(dāng)原水水質(zhì)波動(dòng)較大、存在突發(fā)性的污染物時(shí)，如藻類暴發(fā)時(shí)產(chǎn)生的臭味問(wèn)題，此時(shí)老炭對(duì)目標(biāo)污染物的去除及抗沖擊能力如何就顯得非常重要。因此，建議各地結(jié)合實(shí)際，根據(jù)水源水質(zhì)以及監(jiān)控目標(biāo)差異，可選擇臭味、抗生素、農(nóng)藥，以及標(biāo)準(zhǔn)外消毒副產(chǎn)物等作為更換活性炭的依據(jù)，對(duì)目標(biāo)污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)從供“合格水”向“高品質(zhì)水”的轉(zhuǎn)變。

3 活性炭池運(yùn)行與管理探討

3.1 監(jiān)測(cè)

(1)定期檢測(cè)炭池進(jìn)出水的CODMn、UV254，微型動(dòng)物每月1～2次，確保出廠水水質(zhì)指標(biāo)滿足公司內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)已出現(xiàn)微型生物泄漏，且影響出水水質(zhì)時(shí)，應(yīng)停運(yùn)生物活性炭濾池并查找原因，必要時(shí)應(yīng)采用次氯酸鈉溶液浸泡石英砂濾池，高濃度臭氧水浸泡活性炭濾池，經(jīng)沖洗合格后再投入使用。

(2)每年應(yīng)測(cè)定1次活性炭濾池主要運(yùn)行參數(shù)，包括：各組濾池活性炭層高度、濾速、沖洗強(qiáng)度、膨脹率等。每年應(yīng)做1次濾層抽樣檢查，同類型的炭濾池(活性炭使用情況基本相同的炭濾池屬于同類型炭濾池)抽檢率不應(yīng)低于20%，對(duì)活性炭碘值、強(qiáng)度、粒徑等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，防止粒度、強(qiáng)度不斷減小導(dǎo)致的跑炭和堵塞濾池現(xiàn)象。

3.2 反沖洗

生物活性炭應(yīng)保持一定的生物量，頻繁的反沖洗不利于生物生長(zhǎng)，活性炭濾池沖洗周期應(yīng)根據(jù)水頭損失、濾后水渾濁度、微生物和運(yùn)行時(shí)間確定，不同水源、不同季節(jié)生物活性炭沖洗周期不同，冬季沖洗周期一般為5～7 d，夏季一般為3～5 d。當(dāng)活性炭濾池出現(xiàn)下列情況時(shí)，宜加大沖洗強(qiáng)度、增加沖洗頻率或延長(zhǎng)沖洗時(shí)間，保證沖洗效果：(1)沖洗過(guò)程中發(fā)現(xiàn)表面炭層板結(jié)；(2)活性炭濾池水頭損失過(guò)大；(3)沖洗后，出水渾濁度高于控制值；(4)沖洗后，初濾水渾濁度高于控制值，此時(shí)初濾水應(yīng)停止回用。

3.3 活性炭更新與再生

活性炭是否繼續(xù)使用主要依據(jù)活性炭是否破損、是否影響過(guò)濾。如耗氧量去除率小于15%，則不需要全部換炭，換部分炭即可。當(dāng)發(fā)現(xiàn)濾池炭層凹陷時(shí)，應(yīng)立即停池并檢查漏炭原因，如濾頭是否損壞、沖洗是否跑炭、濾板結(jié)構(gòu)是否損壞等。當(dāng)濾料損失率大于10%時(shí)，應(yīng)補(bǔ)炭至炭層設(shè)計(jì)厚度。

當(dāng)活性炭失效后，應(yīng)根據(jù)活性炭新炭采購(gòu)價(jià)格、舊炭再生工程費(fèi)用和活性炭更新周期，確定采取全部更換新炭或全部再生恢復(fù)吸附效能的方案，也可以考慮部分再生或部分更換新炭的可行性。當(dāng)炭池需更換新炭時(shí)，建議選用8×30目柱狀破碎炭或壓塊破碎炭，碘值大于900 mg/g。根據(jù)近些年再生炭以及其他吸附指標(biāo)活性炭的應(yīng)用實(shí)踐，在投入運(yùn)行初期，碘值900 mg/g或950 mg/g的顆?；钚蕴康奶幚硇Ч鹊庵荡笥? 000 mg/g的活性炭要略微差一些，但運(yùn)行到中后期對(duì)有機(jī)物的去除效果幾乎沒(méi)有差別。當(dāng)考慮活性炭再生時(shí)，宜選用8×30目柱狀炭或壓塊炭進(jìn)行再生，不宜選用原煤破碎炭和12×40目的顆粒炭進(jìn)行再生，易造成再生完的炭粒度和強(qiáng)度過(guò)小，從而導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中跑炭和堵塞濾池現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4 活性碳全生命周期管理

水廠建立活性碳應(yīng)用檔案，從選用、失效、更換等活性碳全生命周期，進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行、科學(xué)管理，真正做到活性碳應(yīng)用的流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、優(yōu)質(zhì)供水。

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