水深度凈化用活性炭的指標(biāo)及選擇

李景樂，解 煒，3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院；2.煤炭資源開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速增長和對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，特別是中國關(guān)于環(huán)境保護(hù)的相關(guān)法規(guī)頒布后，水處理、機(jī)動(dòng)車、溶劑和廢氣回收以及空氣凈化等領(lǐng)域市場需求劇增?；钚蕴坑捎诰哂袃?yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、巨大的比表面積和極強(qiáng)的吸附性能，在水處理、氣體吸附分離、煙氣脫硫脫硝、食品處理等領(lǐng)域具有越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。近年來，活性炭加工制造和回收利用已經(jīng)成為我國增長較快的產(chǎn)業(yè)方向之一。水處理領(lǐng)域是活性炭最大的消費(fèi)市場，水處理用活性炭需求量約占全年總需求量的1/3。

煤基活性炭在飲用水深度凈化領(lǐng)域使用較多，包括原煤破碎顆粒炭、柱狀活性炭、粉狀活性炭及壓塊破碎顆粒炭[4-5]。但是，市政自來水廠深度凈化工藝中關(guān)于活性炭的選用、更換依然存在很多爭議，本文通過對(duì)水深度凈化常用活性炭的特性及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析歸納，結(jié)合凈化水處理用活性炭主要性能影響因素，總結(jié)并提出凈化水深度處理活性炭選用方案。

1 凈化水用活性炭種類

1.1 原煤破碎顆粒活性炭

原煤破碎顆?；钚蕴繉儆诓欢ㄐ晤w?；钚蕴慨a(chǎn)品，應(yīng)用于飲用水深度凈化處理，滿足一定的粒徑范圍即可，粒度通常為8×30目或12×40目。20世紀(jì)90年代，廠家利用山西大同地區(qū)塊狀優(yōu)質(zhì)侏羅紀(jì)煙煤，通過塊煤破碎—炭化—活化—破碎篩分工藝制成原煤破碎顆?；钚蕴浚?yīng)用于部分地區(qū)自來水廠的凈化水工藝中。

原煤破碎炭具有工藝簡單，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但是原煤破碎炭具有強(qiáng)度下降快、再生得率較低、漂浮率高、孔結(jié)構(gòu)及表面特性不易控制的缺點(diǎn)，加之煤炭綜采的普遍應(yīng)用，塊狀侏羅紀(jì)煙煤產(chǎn)量大幅度下降，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)原煤破碎顆?；钚蕴慨a(chǎn)量越來越少。因此，市政自來水廠采用原煤破碎顆?；钚蕴孔鳛閮艋牧弦呀?jīng)不再是主流。

1.2 煤質(zhì)柱狀活性炭

20世紀(jì)80年代，通過煤質(zhì)柱狀顆粒活性炭在氣相吸附領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出用于液相吸附的1.5 mm煤質(zhì)柱狀顆粒活性炭，并應(yīng)用于北京及周邊主要自來水廠的臭氧活性炭深度處理工藝中。2000年左右，臭氧活性炭深度處理技術(shù)開始在沿海地區(qū)城市凈水廠普及，相關(guān)活性炭廠家及自來水廠針對(duì)已有1.5 mm煤質(zhì)柱狀顆?；钚蕴窟M(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，開發(fā)出柱狀破碎炭，通過將柱狀顆粒活性炭碾壓至粒度更小的不定形顆粒，有效提升柱狀活性炭的表面掛膜能力、吸附性能及過濾性能，取得了良好的應(yīng)用效果。

煤質(zhì)柱狀活性炭具有良好的吸附性能及再生性能，并且強(qiáng)度也能符合凈水處理要求。但是由于柱狀顆?；钚蕴孔鳛槎ㄐ位钚蕴科浔砻婀饣?，生物掛膜能力有限，且加工過程中需要添加焦油/瀝青等粘結(jié)劑，使制造成本增加。況且在使用過程中添加劑可能會(huì)帶來一些有害物質(zhì)，易對(duì)市政自來水廠凈化水產(chǎn)品造成不良影響，因此柱狀顆?；钚蕴吭趦羲畱?yīng)用方面也愈發(fā)凸顯出局限性。

1.3 煤質(zhì)粉狀活性炭

煤質(zhì)粉狀活性炭是在煤質(zhì)顆粒活性炭生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，是以篩下活性炭顆粒通過磨粉制成，其售價(jià)通常較低。粉狀活性炭的優(yōu)勢是設(shè)備成本低、吸附速率快、投加起效快、能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)或短期水質(zhì)突變，且價(jià)格低廉。但是，粉狀活性炭受其物理特性限制，只能一次性使用，幾乎無法再生，使用后會(huì)產(chǎn)生固體污染物，處置成本較高，并且用于水處理及反沖洗過程中易出現(xiàn)炭損失。因此粉狀活性炭一般應(yīng)用于短期季節(jié)性水處理較多，較少用于長期運(yùn)行的深度凈化處理中。

1.4 煤質(zhì)壓塊破碎顆?；钚蕴?/h3>

煤質(zhì)壓塊破碎顆?；钚蕴渴窃谠浩扑轭w粒活性炭和柱狀顆?；钚蕴垦芯?、生產(chǎn)及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高活性炭水深度凈化處理性能的產(chǎn)品。壓塊破碎炭是通過優(yōu)質(zhì)弱黏煤、煙煤等原料煤進(jìn)行配煤、磨粉后利用煤自身的黏結(jié)性壓塊，再進(jìn)行炭化活化加工，最后按照需求進(jìn)行破碎制成的活性炭產(chǎn)品[6]。與柱狀顆?；钚蕴肯啾?，壓塊破碎顆?；钚蕴渴抢迷厦旱淖责そY(jié)性壓塊成型，不需添加粘結(jié)劑，且反應(yīng)活性高，易于發(fā)育出微孔和中孔，目前國內(nèi)只有大同地區(qū)和新疆地區(qū)的弱黏結(jié)性侏羅紀(jì)煙煤適合作為壓塊破碎顆粒活性炭的原料。與原煤顆?；钚蕴肯啾龋瑝簤K破碎顆?；钚蕴靠梢酝ㄟ^配煤生產(chǎn)，便于調(diào)節(jié)活性炭產(chǎn)品的孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，有利于活性炭的凈化應(yīng)用。

壓塊活性炭產(chǎn)品的漂浮率較低、強(qiáng)度高，比較適用于液相處理，并且壓塊活性炭產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控、工藝較為成熟具有良好的吸附性能、再生性能以及較低的生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為目前市政自來水廠深度凈化處理工藝的最佳選擇。

2 凈化水用煤質(zhì)顆?；钚蕴肯嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

中國水處理用煤質(zhì)活性炭現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7701.2—2008《凈化水用煤質(zhì)顆?；钚蕴俊芳靶袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 345—2010《生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)活性炭》。GB/T 7701.2—2008要求水處理用顆?；钚蕴考夹g(shù)指標(biāo)包括漂浮率、裝填密度、亞甲藍(lán)吸附值(亞甲藍(lán)值)、碘吸附值(碘值)、粒度、強(qiáng)度、水分、苯酚吸附值、水溶物及pH等10項(xiàng)指標(biāo)[7]；CJ/T 345—2010要求水處理用顆?；钚蕴考夹g(shù)指標(biāo)除GB/T 7701—2008要求的9項(xiàng)外(無苯酚吸附值指標(biāo))，還包括孔容積、比表面積、酚值、二甲基異莰醇吸附值、有效粒徑、均勻系數(shù)、鋅、砷、鎘、鉛含量等額外10項(xiàng)指標(biāo)[8]。要求的10項(xiàng)指標(biāo)與CJ/T 345—2010關(guān)于pH、水分、水溶物、裝填密度、粒度等5項(xiàng)指標(biāo)的要求一致，pH要求處于6～10之間，水分要求不大于5%，水溶物含量要求不大于0.4%，裝填密度要求不小于380 g/L。不同的指標(biāo)對(duì)比如表1所示。由表1可以看出，CJ/T 345-2010對(duì)于煤質(zhì)顆?；钚蕴课较嚓P(guān)的主要性能要求更高。

表1 水處理煤質(zhì)顆?；钚蕴繃覙?biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)差異值對(duì)照

此外，CJ/T 345—2010要求孔容積不小于0.65 mL/g，比表面積不小于950 m2/g，酚值不大于25 mg/L，有效粒徑處于0.35～1.5 mm，均勻系數(shù)不大于2.1，鋅、砷、鎘、鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別小于500 μg/g、2 μg/g、1 μg/g、10 μg/g。在2019年住建部發(fā)布的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)活性炭(征求意見稿)》中，增加了關(guān)于汞指標(biāo)的限定，要求汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1 μg/g。

綜上所述，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 345—2010不僅對(duì)活性炭主要吸附能力提出要求，還對(duì)活性炭中易產(chǎn)生污染的重金屬成分做出限制，對(duì)顆?；钚蕴可a(chǎn)原料及工藝的要求更加嚴(yán)格。

3 水深度凈化用活性炭性能及影響因素分析

臭氧-生物活性炭水體深度處理工藝的凈化原理是活性炭吸附與生物降解共同作用，整個(gè)過程可以分為三個(gè)階段。第一階段為新活性炭剛投加時(shí)期，此階段由于活性炭表面生物掛膜未形成，且活性炭比表面積較大、孔隙發(fā)達(dá)，此階段以活性炭吸附作用為主，生物分解性能較??；第二階段為吸附-生物降解階段，此時(shí)新活性炭已運(yùn)行一段時(shí)間，表面形成了一層生物掛膜，生物降解在活性炭表面開始作用，同時(shí)活性炭依然保持較強(qiáng)的吸附能力，此階段為活性炭吸附與生物降解共同作用階段；第三階段以生物降解為主，此階段由于活性炭使用時(shí)間較長，活性炭孔隙接近飽和，吸附性能衰減嚴(yán)重，主要依靠表面生物降解作用完成凈水深度處理。

3.1 吸附性能及水處理效果

活性炭的吸附性能可分為靜態(tài)吸附及動(dòng)態(tài)吸附。靜態(tài)吸附性能指的是碘吸附值和亞甲藍(lán)吸附值；動(dòng)態(tài)吸附性能主要為評(píng)價(jià)進(jìn)出水的有機(jī)物UV254及COD、TOC等指標(biāo)去除效果。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析證明，碘吸附值及亞甲藍(lán)吸附值總和與有機(jī)物吸附去除能力有顯著相關(guān)性[9]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及活性炭工業(yè)應(yīng)用運(yùn)行監(jiān)測結(jié)果，隨著活性炭運(yùn)行時(shí)間的延長，碘吸附值及亞甲藍(lán)吸附值值均呈下降趨勢，運(yùn)行初期的降幅遠(yuǎn)大于中后期。這也證明了初期活性炭以吸附為主，而中后期的吸附作用減弱，則以生物作用為主[10]?；钚蕴客都映跗?，對(duì)于有機(jī)物UV254及COD的處理效果較好，能夠達(dá)到40%以上的去除率，隨著活性炭使用年限增長，由于處理環(huán)境差異，一般在使用3～7年后有機(jī)物去除率降至20%以下并逐漸趨于穩(wěn)定，證明在活性炭吸附能力減弱時(shí)，有機(jī)物的處理主要為表面生物降解穩(wěn)定作用[11]。國內(nèi)有臭氧-生物活性炭濾池中活性炭投入未更換已超過7年仍能穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)例。盡管其活性炭的吸附性能已經(jīng)較低(碘值小于400 mg/g)，說明生物降解為主的凈化仍能起到相應(yīng)的作用。但是，市政自來水供應(yīng)涉及千家萬戶的用水安全，所處理水源也深受季節(jié)及氣候的變化，還是建議盡量保證臭氧-生物活性炭在吸附-生物降解階段為宜，達(dá)到一定的使用年限后需要及時(shí)更換活性炭。

由于碘吸附值及亞甲藍(lán)吸附值為煤質(zhì)顆?；钚蕴抗逃刑卣?，與其破碎粒徑無明顯關(guān)聯(lián)，但是粒徑較大、表面粗糙的活性炭可以更快速的形成表面生物掛膜，有利于凈水廠深度處理過程中有機(jī)物的去除。

3.2 物理性能

壓塊破碎顆?；钚蕴恐饕ぷ魑锢硇阅苡袕?qiáng)度、漂浮率、裝填密度、水分等。在活性炭使用期間，由于水流的不斷沖洗及反沖洗，會(huì)造成顆?；钚蕴恐g相互碰撞，對(duì)其物理性能造成影響。如果活性炭強(qiáng)度降低，會(huì)造成顆?；钚蕴康臄D壓、磨損破碎，使漂浮率升高，造成活性炭的流失以及處理能力的下降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著活性炭投放時(shí)間增長，確實(shí)存在強(qiáng)度和平均粒徑下降的趨勢，但是一般強(qiáng)度下降區(qū)間也僅在1%～3%左右，如果新活性炭強(qiáng)度能夠達(dá)到95%左右，長時(shí)間使用后的活性炭依然能夠完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[12]。不過由于碰撞磨損因素，粒徑組成比例可能會(huì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)臨界值附近，需要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行關(guān)注。

壓塊破碎顆?；钚蕴砍跏紡?qiáng)度、含水量、裝填密度等基本指標(biāo)與其破碎粒徑無明顯關(guān)聯(lián)，但是考慮到使用過程中的粒徑變化因素，在不影響其處理性能的前提下，選用較大粒度的顆?；钚蕴坑欣诰S持活性炭處理系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.3 可再生能力

活性炭的可再生能力是目前各活性炭應(yīng)用廠家較為關(guān)注的性能，再生性能直接影響到廠家的用炭經(jīng)濟(jì)效益。如果綜合考慮凈水能力及出水指標(biāo)，按照3年周期，使用再生活性炭能夠比全部使用新炭降低40%～50%的成本。目前主要的活性炭再生方式是熱再生法[13]，采用轉(zhuǎn)爐或者多膛爐再生，一些即將報(bào)廢的斯列普活化爐也可以用于熱再生。活性炭再生會(huì)造成活性炭平均粒徑縮小、強(qiáng)度降低、炭損失等。因此，選用較大粒度的壓塊破碎顆粒炭有利于保證再生炭的性能指標(biāo)，降低企業(yè)運(yùn)行成本。

4 結(jié) 語

(1)通過活性炭自身特性及凈水用活性炭相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，各項(xiàng)高指標(biāo)的活性炭有利于提高水凈化處理效果，但是高指標(biāo)的凈水用活性炭產(chǎn)品也使得企業(yè)成本增加，因此各水廠應(yīng)根據(jù)自身水源狀況、水處理工藝特點(diǎn)、出廠水要求、制水成本等因素進(jìn)行選炭實(shí)驗(yàn)，選用符合標(biāo)準(zhǔn)及自身運(yùn)行狀況的活性炭。

(2)綜合考慮到活性炭吸附處理性能、出水水質(zhì)穩(wěn)定性、物理性能及可再生性能，同等條件下建議選用符合標(biāo)準(zhǔn)的粒度較大的壓塊破碎顆?；钚蕴?，如8×30目(粒徑0.6～2.3 mm)。

(3)水廠應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)在臭氧-生物活性炭深度處理運(yùn)行階段的管理，積極監(jiān)測出水水質(zhì)，通過活性炭取樣檢測及出水水質(zhì)監(jiān)測相結(jié)合的判定方式，判斷活性炭是否需要更換或再生。