水廠失效生物活性炭更換比例的生產(chǎn)性試驗

張晶晶，莊星宇，胡 侃，唐中亞，王 慕，劉 成，石魯娜，蔣 瑩

(1.無錫市政公用環(huán)境檢測研究院有限公司，江蘇無錫 214031；2.無錫市水務集團有限公司，江蘇無錫 214000；3.揚州市給排水管理處，江蘇揚州 225100；4.河海大學環(huán)境學院，江蘇南京 210098)

為提升供水水質(zhì)、保證供水安全，以臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工藝為主的深度處理工藝在全國得到推廣和應用。O3-BAC工藝融合了O3氧化、活性炭吸附、生物降解等基本作用，并實現(xiàn)了一定程度的協(xié)同作用，可有效去除水中多種污染物[1-2]。然而，O3-BAC工藝的處理效能隨使用時間的增加整體呈現(xiàn)下降的趨勢，到達一定年限后可能會無法應對原水水質(zhì)風險，無法滿足水廠優(yōu)質(zhì)出水的處理需求，需要進行活性炭的更換或再生[3]。由于國內(nèi)水廠BAC應用年限普遍較長，采用熱再生的處理效果相對較差[4-5]，水廠生產(chǎn)實踐中傾向于采用更換的方式。近年來，部分省市已提出了關(guān)于活性炭更換的相關(guān)規(guī)程，比如上海的《凈水廠用煤質(zhì)顆?；钚蕴窟x擇、使用及更換技術(shù)規(guī)范》(DB 31/T 451—2021)和江蘇省的《城鎮(zhèn)供水廠生物活性炭失效判別和更換標準》(DB 32/T 4245—2022)，具有一定指導意義，但是O3-BAC工藝的處理效能與水源水質(zhì)具有條件相關(guān)性，對于特定水源，更換比例和更換方式仍應針對性開展研究[6-7]。

2010年，W市以太湖為水源的X、Z水廠在原有常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上，增加了O3-BAC深度處理工藝，并于2011年4月投入運行。由于投運時間較久，活性炭碘值、亞甲基藍值逐漸衰減，遠低于新炭標準，炭濾池出水雖符合國家標準與江蘇省地標，但對部分有機物的去除效果逐漸降低，炭濾池可能無法應對原水水質(zhì)突發(fā)風險。O3-BAC深度處理工藝應在保證水質(zhì)達標的基礎(chǔ)上，預留一定應對原水水質(zhì)突發(fā)污染的能力，滿足水廠優(yōu)質(zhì)出水的處理需求。為有效保證水廠出廠水達到優(yōu)質(zhì)飲用水標準，兩水廠于2019年11月分批進行活性炭的更換。為探究更換比例對活性炭后續(xù)應用效能的影響，更換過程中分別針對炭濾池進行了100%更換和50%更換的對比，同時預留一格炭濾池作為空白對比。本文重點針對兩水廠更換后的炭濾池進行跟蹤分析，明確更換比例對其凈化效能、自身性狀的影響，探討活性炭的優(yōu)化更換比例和更換方式，為O3-BAC工藝的運行管理及活性炭的更換提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象

X、Z水廠O3-BAC工藝的基本情況如表1所示，換炭前活性炭顆粒的基本參數(shù)如表2所示。

表1 水廠O3-BAC基本情況Tab.1 Basic Situation of O3-BAC in WTPs

1.2 研究方法

(1)換炭后活性炭理化性能指標及炭濾池水質(zhì)凈化效能的監(jiān)測

2019年11月?lián)Q炭后，兩家水廠各選取一格100%更換、50%更換和未更換炭濾池作為跟蹤對象，每月采集各炭濾池的進出水水樣、分層炭樣(表層10～15 cm、深層150 cm)，測定水質(zhì)及活性炭變化情況，連續(xù)跟蹤檢測時間為2年。炭濾池的基本信息與跟蹤檢測指標如表3所示。

(2)不同更換比例炭濾池內(nèi)的活性炭微生物多樣性監(jiān)測

換炭后，對舊炭濾池、100%換炭濾池與50%換炭濾池監(jiān)測生物活性炭微生物多樣性的變化情況。

1.3 分析方法

常規(guī)指標：水質(zhì)指標與活性炭理化指標的檢測依據(jù)或檢測方法如表4所示。

表2 更換前活性炭的基本性能參數(shù)Tab.2 Basic Performance Parameters of Activated Carbon before Replacement

表3 監(jiān)測炭濾池基本信息與監(jiān)測指標Tab.3 Basic Information and Monitoring Indices of Carbon Filters

表4 檢測依據(jù)或方法Tab.4 Detection Basis or Method

微生物多樣性：采用16S rRNA高通量測序的方法測定活性炭微生物多樣性[8]。

2 結(jié)果和討論

2.1 換炭后活性炭理化性能指標的變化

2.1.1 碘值與亞甲基藍值

X、Z水廠換炭后運行過程中活性炭碘值、亞甲基藍值的變化情況如圖1所示。

圖1 兩水廠100%換炭濾池與50%換炭濾池活性炭碘值與亞甲基藍值變化Fig.1 Changes of Iodine Values and Methylene Blue Values of Activated Carbon in Two WTPs with 100% Carbon Replacement Filters and 50% Carbon Replacement Filters

由圖1可知，換炭后活性炭碘值與亞甲基藍值整體呈下降趨勢，且100%更換比例的活性炭下降速率較大，這可能與其凈化效能有關(guān)。此外，各炭濾池表層和深層活性炭的碘值和亞甲基藍值存在輕微差異，但包括50%更換比例的炭濾池在內(nèi)的所有炭濾池均沒有出現(xiàn)顯著的分層現(xiàn)象。一般認為新活性炭和舊活性炭顆粒在比重上存在一定的差異，正常水力條件下會出現(xiàn)分層，但結(jié)合課題組前期的研究結(jié)果，新、舊活性炭顆粒粒度上的不同分布可在一定程度彌補比重上的差異，使炭濾池各層活性炭整體呈現(xiàn)均勻的狀況。

2.1.2 生物量

X、Z水廠換炭后運行過程中生物活性炭生物量的變化情況如圖2所示。

圖2的結(jié)果表明，自2019年11月?lián)Q炭后，炭濾池內(nèi)生物量隨使用時間呈現(xiàn)增加的趨勢，運行半年后基本穩(wěn)定，且更換比例為50%的炭濾池內(nèi)生物量較100%更換炭濾池內(nèi)的生物量略高，且掛膜成熟時間也較短，原因可能在于炭濾池內(nèi)舊炭顆粒上生物膜的影響。由圖2可知，換炭后的炭濾池在生物膜基本成熟穩(wěn)定后呈現(xiàn)了一定的分布和變化規(guī)律：1)表層活性炭生物量整體高于深層活性炭；2)各炭層生物量隨季節(jié)呈現(xiàn)一定的變化，冬季生物量下降，之后生物量逐步增加至穩(wěn)定水平。

2.1.3 比表面積與孔容積

X、Z水廠換炭后運行過程中生物活性炭比表面積與孔容積的變化情況如圖3所示。

由圖3可知，活性炭的比表面積與孔容積呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，隨使用時間逐漸降低，且100%更換比例的活性炭下降速率較大。此外，各炭濾池表層和深層活性炭的比表面積與孔容積也存在輕微差異，但未出現(xiàn)顯著的分層現(xiàn)象。不同更換比例的活性炭比表面積與孔容積的變化情況與各自對應活性炭碘值與亞甲基藍值的變化情況類似。

2.1.4 強度

由表5可知，無論是100%更換比例還是50%更換比例的活性炭，換炭后活性炭的強度無太大差別，且隨著運行時間的延長，活性炭強度相對穩(wěn)定，下降速率緩慢。

2.2 換炭后炭濾池的水質(zhì)凈化效能

O3-BAC深度處理工藝以有機物為主要去除目標，為探究換炭后炭濾池水質(zhì)凈化效能的影響，選擇TOC、阿特拉津、三鹵甲烷作為研究指標。TOC是以碳的含量來表示水中有機物質(zhì)總量的一個綜合指標。阿特拉津為微量有機污染物的典型代表，微量有機污染物是影響水質(zhì)安全的重要指標。水廠中含氯消毒劑的廣泛使用降低了飲用水的微生物風險，但與此同時會產(chǎn)生多種具有潛在毒性的消毒副產(chǎn)物。三鹵甲烷是各類消毒副產(chǎn)物中濃度最髙的一類，也是目前飲用水安全關(guān)注的重點，飲用水中三鹵甲烷需要盡可能保持在較低水平。

圖2 兩水廠換炭后生物量變化Fig.2 Changes of Biomass after Activated Carbon Replacement in Two WTPs

圖3 兩水廠換炭后比表面積與孔容積變化Fig.3 Changes of Specific Surface Area and Pore Volume after Activated Carbon Replacement in Two WTPs

表5 兩水廠換炭后強度變化Tab.5 Changes of Strength after Activated Carbon Replacement in Two WTPs

2.2.1 TOC

兩水廠炭濾池換炭后對TOC的去除效果如圖4所示。

圖4 不同更換比例炭池對TOC的去除效果Fig.4 Removal Effect of TOC by Different Replacement Ratios of Activated Carbon Filters

圖5 不同更換比例炭池對阿特拉津的去除效果Fig.5 Removal Effect of Atrazine by Different Replacement Ratios of Activated Carbon Filter

由圖4可知，100%更換、50%更換以及未更換炭濾池對TOC均有一定的去除效果，但去除效率存在明顯的差異。100%更換炭濾池的去除效率明顯高于50%更換炭濾池和未更換炭濾池，運行前半年對水中TOC的平均去除率可達40%左右(X水廠)、50%左右(Z水廠)，且較高的去除效率現(xiàn)象在整個監(jiān)測周期均存在，但差值隨時間逐漸降低。此外，50%更換和未更換炭濾池在冬季去除TOC的平均效率均低于夏季，且差值隨使用時間逐漸增大，說明生物降解作用的貢獻逐步增大。

2.2.2 阿特拉津

阿特拉津是一種典型的內(nèi)分泌干擾物，具備使用范圍廣泛、水源水中檢出概率較高的特點，常被作為微量有機污染物的典型代表。水廠換炭后對阿特拉津的去除效果如圖5所示。

圖5的結(jié)果表明，活性炭池更換比例對阿特拉津的去除效果具有較大的影響，100%更換炭濾池的去除效率明顯高于更換50%更換和未更換炭池。運行前半年去除率可達到60%左右(X水廠)、70%左右(Z水廠)，出水阿特拉津質(zhì)量濃度基本都低于檢出限(0.000 01 mg/L)，后續(xù)去除效率有下降的趨勢，這與前期研究[9]的結(jié)果類似。原因在于阿特拉津的生物降解作用較弱，主要通過活性炭吸附作用途徑進行去除，引起活性炭的吸附性能決定著阿特拉津的去除效果。需要注意的是，未更換炭濾池對阿特拉津基本沒有去除效果，這也表明使用年限較長的活性炭對水中微量有機物的控制效能需要予以充分重視。

2.2.3 三鹵甲烷總量

三鹵甲烷是各類消毒副產(chǎn)物中濃度最髙的一類，具有潛在的致癌風險，是目前飲用水安全關(guān)注的重點。水廠活性炭池更換后出水的三鹵甲烷總量的變化如圖6所示。

圖6的結(jié)果表明，更換比例對生物活性炭池單元控制三鹵甲烷總量的控制效能具有一定影響，較高的更換比例有利于三鹵甲烷生成勢的控制，運行前半年，100%更換炭濾池對水中三鹵甲烷的平均去除率可達70%左右，原因同前述。

圖6 不同更換比例炭濾池對三鹵甲烷生成勢的控制效果Fig.6 Control Effect of Different Replacement Ratios on Trihalomethane Formation Potential of Activated Carbon Filters

2.3 生物活性炭更換比例及更換方式優(yōu)化探討

2.3.1 更換比例的確定

生物活性炭更換比例需要綜合換炭后生物活性炭的凈化效能及其功能需求和更換成本來確定。

(1)凈化效能

結(jié)合兩個水廠換炭后的長期監(jiān)測結(jié)果以及前期的相關(guān)工作[7,10]可以看出，較高的活性炭更換比例有利于提升生物活性炭單元的凈化效能，且可在較長的使用時間內(nèi)維持較高的去除效率?；贐AC主要依靠吸附和生物降解及其協(xié)同作用來凈化進水中的典型污染物，更換比例較高的BAC池整體具有較高的吸附性能，同時生物膜成熟后(3～6個月)的生物降解活性較高，從而具有較高的凈化能力。結(jié)合圖1的結(jié)果可知，100%、50%更換的活性炭池在使用2.5年后碘值分別降低至600、200 mg/g左右，更換比例為50%的活性炭池吸附能力已降低至較低水平，凈化效能降低的同時，對水質(zhì)變化的適應能力也減弱，接近再次更換的時間節(jié)點。

(2)更換成本

活性炭更換一般包括廢舊活性炭取出及處置、洗池及消毒、新活性炭填充以及新活性炭清洗等步驟，特殊情況下還需要針對待填充活性炭進行預清洗或預處理，而其更換成本也主要包括新活性炭購置及上述步驟所涉及的費用。就單次更換而言，100%更換的成本相對較高，但綜合考慮凈化效能及更換后的使用年限，整體更換成本可能會明顯降低。

(3)舊活性炭對更換后活性炭池的作用及意義

圖2的結(jié)果間接反映了舊活性炭的存在有利于加速新更換活性炭的掛膜及成熟，這對于強化生物活性炭吸附和生物降解的協(xié)同作用具有一定的推動作用。為進一步探討舊活性炭對生物活性炭掛膜的影響，進一步針對更換炭濾池中的生物多樣性進行了測定，結(jié)果如表6所示。活性炭微生物多樣性的分析可以反映活性炭中微生物群落的豐度和多樣性。ACE指數(shù)和Chao指數(shù)越大，說明微生物群落的物種豐度越高；Simpson和Shannon指數(shù)表示微生物群落多樣性的變化，Simpson指數(shù)越小、Shannon指數(shù)越大，微生物多樣性越高。微生物群落的多樣性越高，微生物的生物降解能力也越高。表6的結(jié)果表明，生物活性炭池中存有一定的舊活性炭有利于提升微生物的豐度(50%更換活性炭池的ACE指數(shù)和Chao指數(shù)高于100%更換的活性炭池)，并且促進炭附著微生物多樣性的提升。

表6 不同更換比例活性炭微生物多樣性Tab.6 Microbial Diversity of Activated Carbon with Different Replacement Ratios

2.3.2 更換時間節(jié)點及更換方式探討

本次兩水廠活性炭的更換時間選擇在了11月，不利于活性炭的掛膜和快速成熟，也導致活性炭上生物膜完全成熟穩(wěn)定需將近6個月，這顯著長于通常條件下活性炭上生物膜的成熟期(3個月左右)。但掛膜期間活性炭的吸附作用相對較強，可實現(xiàn)對部分難降解污染物的強化去除。因此，針對更換時間節(jié)點的選擇除考慮掛膜速度等因素之外，尚需結(jié)合水廠實際存在的典型水質(zhì)期的水質(zhì)特征來合理確定。

《城鎮(zhèn)供水廠生物活性炭失效判別和更換標準》(DB 32/T 4245—2022)指出，生物活性炭失效判別應以凈水效能為主要依據(jù)，對于活性炭理化指標，碘值低于250 mg/g、亞甲基藍值低于75 mg/g時宜進行活性炭更換。數(shù)據(jù)顯示，更換比例為50%的活性炭池運行2.5年后，活性炭吸附能力已降低至較低水平，接近再次換炭的時間節(jié)點，因此，若僅考慮凈化效能，全部更換活性炭可能會較合理。綜合考慮活性炭掛膜速度及掛膜后的生物降解效能，炭濾池內(nèi)存有適當比例的舊活性炭可能會有更理想的效果，且可以適當減少砂墊層和礫石層更換的費用，但具體舊炭的比例限值或應用方式尚需進一步的研究確定。

換炭操作過程中，水廠可根據(jù)相關(guān)指標判斷活性炭是否失效，提前制定科學合理的更換方案，確定更換的范圍、格數(shù)等，確保所有炭濾池內(nèi)活性炭在其失效前得到更換，保障供水安全。換炭后，為促進微生物在活性炭表面的生長，掛膜期宜適當延長活性炭的反沖洗周期，同時避免高強度的沖洗，以降低掛膜階段的生物量損失。換炭后至運行穩(wěn)定期間的主要目標是盡快完成活性炭的掛膜過程，因此，需對炭上微生物的生長情況進行監(jiān)測，以便了解炭上微生物的生長狀況。

3 結(jié)論

(1)對以吸附作用為主要去除機理的污染物如TOC、阿特拉津，100%換炭池對污染物的去除效果>50%換炭池>舊炭池。影響生物活性炭的作用效能主要是生物活性炭的生物降解作用，及時、快速地培養(yǎng)生物膜有利于生物活性炭凈化效能的充分發(fā)揮。生物活性炭掛膜的本質(zhì)是水中微生物在活性炭上附著生長并不斷增殖，最終形成優(yōu)勢菌種的過程，建議水廠在換炭后注重對活性炭生物指標的檢測，可定期對活性炭微生物多樣性進行測定，以便了解活性炭上微生物的生長情況，從而有助于判斷掛膜情況。

(2)檢測指標的優(yōu)化。對于活性炭基本性能指標，換炭后的運行初期，可針對不同炭層深度檢測活性炭的基本性能指標，在炭濾池進入正常使用后，考慮經(jīng)濟成本，可采集混勻樣品檢測活性炭基本性能指標；對于水質(zhì)指標，建議水廠夏季增加炭濾池出水微生物與消毒副產(chǎn)物作為加密監(jiān)測指標，同時密切觀察前端加氯量的投加與各工藝環(huán)節(jié)出水消毒副產(chǎn)物的濃度，防止炭濾池出水消毒副產(chǎn)物較高影響出廠水與后端管網(wǎng)水水質(zhì)。

(3)換炭方式的優(yōu)化。從處理效能角度考慮，活性炭的更換比例應以保證水廠水質(zhì)安全為前提，逐步形成高效穩(wěn)定的更換體系。由于舊炭的剩余吸附能力有限，且在混合使用中會出現(xiàn)炭濾池出水污染物濃度高于進水的現(xiàn)象，從而影響出水水質(zhì)，建議水廠從經(jīng)濟成本及長效利用兩者情況下考慮換炭比例，較高的更換比例有利于保障生物活性炭工藝單元的凈化效能。對于以有機物為主要去除目標的水廠而言，可在經(jīng)濟預算范圍內(nèi)，提高活性炭更換比例，分批次實現(xiàn)炭濾池的更換，換炭的節(jié)點建議在春季，新炭的掛膜速度較慢，經(jīng)過幾個月的時間后，炭濾池投入正常運行，并逐漸形成生物膜，在冬季可以更好地去除以生物降解為主要去除機理的污染物。