漢江水源某水廠活性炭池工藝運行效果分析

李 露，蔡世顏，鄒 磊，程 珊，賈旭超，萬年紅

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

某水廠以漢江為主要取水水源，其水源水質(zhì)優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。但近些年來，不時出現(xiàn)水源水污染事件，2012年及2014年先后兩次取水口氨氮超標(biāo)，且每年7月—8月水源有高藻、嗅味水質(zhì)問題，給水廠安全穩(wěn)定運行帶來一定風(fēng)險。為應(yīng)對突發(fā)污染和季節(jié)性水質(zhì)問題，該水廠在常規(guī)處理工藝后增加了臭氧-活性炭深度處理工藝，水廠工藝流程為“預(yù)氧化-混凝-沉淀-過濾-臭氧-活性炭-消毒”，設(shè)計規(guī)模為25萬m3/d，于2019年6月開始運行。

臭氧-活性炭工藝可以通過氧化分解、吸附、微生物降解等作用去除有機物、氨氮、消毒副產(chǎn)物等物質(zhì)[1]，保障供水水質(zhì)安全。目前該水廠已穩(wěn)定運行一段時間，本文主要對活性炭池的工藝設(shè)計、活性炭性能、活性炭表面微生物生長情況和凈水效果進行分析探討，其結(jié)果為活性炭池運行管理及該地區(qū)其他水廠常規(guī)工藝技術(shù)改造提供參考。

1 原水水質(zhì)及檢測方法

1.1 原水水質(zhì)

對該水廠在2020年1月—6月原水水質(zhì)的檢測分析結(jié)果表明，原水中高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)量濃度為1.41～4.04 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為0.01～0.17 mg/L，渾濁度為4.04～26.9 NTU，藻類為5.4萬～153萬個/L?？傮w上，水源水質(zhì)優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。但7月—8月，該水廠原水存在季節(jié)性高藻及嗅味問題，原水藻類為278.3萬～1 624萬個/L，土臭素質(zhì)量濃度為4～40 ng/L，2-甲基異莰醇質(zhì)量濃度為3～14 ng/L，高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)量濃度為1.47～5.29 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為0.11～0.29 mg/L，渾濁度為27.3～147 NTU，臭和味達到3級。

1.2 取樣方法及檢測方法

1.2.1 取樣方法

先對活性炭池進出水進行取樣，進水取樣位置為活性炭池配水廊道，出水取樣點為炭池出水井。取完水樣后，選取某格活性炭池，關(guān)閉進水閥門，放空濾池，于池中用取樣裝置鉆入濾料層，分散選取池中3～5處點位進行不同深度取樣，并將其混合，制成代表性樣品，總質(zhì)量不低于4 kg。并于表層20 cm以上采取表層活性炭，總質(zhì)量不低于4 kg。用于微生物指標(biāo)檢測的活性炭采回實驗室需要冷凍保存?；钚蕴咳硬捎米灾频臑V池濾料分層采樣裝置，該采樣裝置直徑為8 cm，長度為2.5 m，具有螺旋式取樣結(jié)構(gòu)，可把不同深度濾料一次性取出。

1.2.2 檢測方法

對活性炭池進出水高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、UV254、渾濁度進行檢測，分析活性炭池凈水效果，高藻期增加藻類、土臭素、2-甲基異莰醇及臭和味指標(biāo)的檢測，考察活性炭池對藻類及臭和味的去除情況?；钚蕴啃阅苤笜?biāo)主要檢測強度、比表面積、碘吸附值、亞甲藍吸附值、酚值、粒度、有效粒徑和均勻系數(shù)指標(biāo)。活性炭上生長的微生物主要檢測生物量、異養(yǎng)菌、脫氫酶活性、硝化細(xì)菌及亞硝化細(xì)菌指標(biāo)，此外還對活性炭表面進行電鏡掃描觀察生物膜覆蓋情況，相關(guān)檢測方法如表1所示。

2 活性炭池工藝設(shè)計

該廠的深度處理工藝為：在常規(guī)工藝后增加深度處理單元，深度處理單元主要處理污染物包含氨氮、有機物、藻類、臭和味等。陳皓珅等[2]調(diào)研顯示，后置式臭氧活性炭工藝中活性炭池多采用下向流。下向流活性炭池同時具有生物作用和過濾作用，有較好地去除有機物及氨氮效果，但要求進水渾濁度不宜超過1 NTU。水廠水源水總體上有機物含量不高，優(yōu)于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，且水廠常規(guī)工藝出水渾濁度低于0.5 NTU，所以深度處理工藝采用臭氧-下向流活性炭后置工藝較適宜。

表1 檢測方法Tab.1 Detection Methods

活性炭池設(shè)計參數(shù)如表2所示。

活性炭池池型一般包含普通快濾池、翻板濾池和V型濾池[3]。普通快濾池有較為成熟的管理運行經(jīng)驗，與常規(guī)工藝中砂濾池可共用反沖洗系統(tǒng)。但需嚴(yán)格控制反沖洗強度，反沖洗強度過小，容易導(dǎo)致反沖洗效果差，出水渾濁度增加；若反沖洗強度過大，則容易跑炭；其次，反沖洗水量較翻板濾池大。翻板濾池優(yōu)點[4]包括反沖洗強度大，反沖洗效果好；能最大限度地避免跑炭，節(jié)約運行成本；運行周期長，納污能力強；反沖洗水量較其他池型節(jié)約；進水量波動對氣水反沖洗強度的精度要求不高。但翻板濾池反沖洗后因需要靜置一段時間，導(dǎo)致廢水排放時間較長，污泥會沉積在活性炭表面，翻板濾池構(gòu)造復(fù)雜且造價略高。從管理便捷和經(jīng)濟性角度考慮，該廠活性炭池采用氣水反沖洗普通快濾池。

針對漢江水源水質(zhì)情況，深度處理工藝主要解決藻類、臭和味、氨氮等污染問題，活性炭池停留時間設(shè)計為14 min，設(shè)計濾速為10 m/h，根據(jù)實際運行規(guī)模，停留時間實為15.8 min，運行濾速實為7.6 m/h?；钚蕴砍貫V料采用炭砂構(gòu)造，上層為2 m厚的8×30目活性炭，下層為0.4 m厚均質(zhì)石英砂濾料，眾多研究[5]表明底部鋪設(shè)0.3～0.5 m的石英砂濾料可以有效降低出水渾濁度及防止微型生物泄露。水廠用活性炭一般有煤質(zhì)壓塊破碎炭、煤質(zhì)柱狀炭、煤質(zhì)柱狀破碎炭及原煤破碎炭4種炭，在強度方面，煤質(zhì)柱狀炭較高；掛膜性能方面，壓塊炭較好；價格方面，原煤破碎炭最低。該廠采用的是應(yīng)用較為普遍的煤質(zhì)壓塊破碎活性炭，具備豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和不規(guī)則的形狀，有利于微生物掛膜發(fā)揮生物降解作用。

表2 活性炭池設(shè)計參數(shù)Tab.2 Designed Parameters of Activated Carbon Filter

活性炭池沖洗方式一般有單獨水反沖洗及氣、水兩階段反沖洗方式，也有少數(shù)濾池采用氣沖-氣水聯(lián)合沖-水沖三階段沖洗模式。研究[5]表明，單獨水反沖洗方式不利于去除老化的生物膜，炭床間容易形成泥球；而氣、水兩階段反沖洗，先采用較高強度的氣沖，可以松動和摩擦炭床，使附著的生物絮體剝落并促成吸附雜質(zhì)的脫附，再采用水沖可將脫附的雜質(zhì)和脫落的老化生物膜排出，有利于炭濾池出水渾濁度的控制。該廠采用氣、水兩階段反沖洗方式，日常沖洗周期為7 d，僅水沖，水沖強度為7 L/(m2·s)。每5周采用氣、水兩階段反沖洗，氣沖強度為15 L/(m2·s)，氣沖時間為5 min，水沖強度為7 L/(m2·s)，水沖時間為10 min。

3 運行效果分析

3.1 活性炭性能指標(biāo)分析

活性炭池已連續(xù)運行11個月，采取活性炭池表層炭及混合炭測定性能指標(biāo)，數(shù)據(jù)如表3所示。表層炭強度為94%，相比混合炭強度97%略有下降。表層炭在粒度上30目以下含量為17.5%，比混合炭3.5%高出14.0%，有效粒徑為0.55 mm，也明顯低于混合炭有效粒徑(0.73 mm)，說明活性炭在運行過程中存在破碎磨損現(xiàn)象，這主要是該廠使用的為壓塊破碎炭，壓塊破碎炭在生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)不需要添加黏結(jié)劑，通常通過配煤調(diào)節(jié)活性炭產(chǎn)品的孔結(jié)構(gòu)和強度，其強度比柱狀活性炭低[6]，但強度及有效粒徑均符合《生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)活性炭》(CJ/T 345—2010)指標(biāo)要求。碘吸附值和亞甲藍吸附值一般用于表征活性炭微孔和中孔的多少，表層炭碘吸附值和亞甲藍吸附值分別為593 mg/g和137 mg/g，混合炭為627 mg/g和142 mg/g，高于表層炭，混合炭酚值也優(yōu)于表層炭，說明活性炭發(fā)揮吸附作用的微孔和中孔數(shù)量隨著運行時間的增加逐漸變少，表層粒徑較小的活性炭吸附性能下降更快。另外，從比表面積看，表層炭比表面積更高，說明比表面積與碘吸附值和亞甲藍吸附值并非是完全正相關(guān)關(guān)系。

表3 活性炭性能指標(biāo)檢測結(jié)果Tab.3 Detection Results of Activated Carbon Performance Indices

3.2 微生物分析

董秉直等[7]研究表明，隨著運行時間的增加，活性炭后期去除污染物主要依靠表面附著生長微生物的降解作用。分析該廠活性炭微生物生長情況，數(shù)據(jù)如表4所示，微生物生長主要分布在表層活性炭，異養(yǎng)菌生長數(shù)量級參考值為105～106，本次檢測結(jié)果達到了106～107，說明異養(yǎng)菌在活性炭表面生長效果較好，能有效發(fā)揮生物降解作用去除有機物。硝化細(xì)菌及亞硝化細(xì)菌的參考值為104～105[8]，根據(jù)檢測結(jié)果，數(shù)量較少，僅為102數(shù)量級，可能是進水中氨氮含量較低，不利于硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌生長繁殖。

取表層炭及混合炭進行電鏡掃描，同時放大25 000倍進行觀察，如圖1所示。圖1(a)中表層炭生物膜呈片狀，覆蓋較完整，掛膜成熟度較好；圖1(b)中混合炭膜成塊狀，掛膜成熟度良好，這與微生物檢測數(shù)據(jù)基本吻合。同時說明，該廠活性炭池沖洗方式較適宜，日常采用水沖洗模式，定期采用氣沖-水沖兩階段沖洗模式，不僅可以沖洗脫落老化生物膜和表面沉積的懸浮物，也可以保護新生成的生物膜，更有利于發(fā)揮活性炭池吸附和生物降解功能。

表4 活性炭微生物檢測數(shù)據(jù)Tab.4 Microbial Detection Data of Activated Carbon

圖1 活性炭電鏡掃描圖Fig.1 Scanning Image of Activated Carbon under Electron Microscope

3.3 凈水效果分析

自活性炭池運行以來，漢江水源未出現(xiàn)突發(fā)氨氮污染事件，但每年高藻期部分時段有嗅味問題，本文主要從低藻期水質(zhì)較好和高藻期水質(zhì)較差兩個時期研究活性炭池凈水效果。

3.3.1 低藻期

對2020年6月低藻期炭濾池進出水進行檢測分析，數(shù)據(jù)如表5所示?；钚蕴砍剡M出水CODMn平均值分別為1.86 mg/L和1.59 mg/L，平均去除率為14.52%。UV254平均去除率為30.00%，說明活性炭池對水中的天然有機物有一定的去除效果[9]。結(jié)合活性炭性能指標(biāo)和微生物檢測數(shù)據(jù)及運行時間分析，活性炭池的對有機物的去除效果較好，原因是活性炭池運行時間尚不足1年，部分活性炭仍具有較好的吸附性能，活性炭上異養(yǎng)菌數(shù)量和脫氫酶活性均較高，說明活性炭除了具有吸附作用還具有生物降解作用。

表5 低藻期活性炭池進出水水質(zhì)Tab.5 Inflow and Treated Water Quality of Activated Carbon Filter in Low Alge Period

由于活性炭池進水氨氮平均質(zhì)量濃度僅0.03 mg/L，經(jīng)過活性炭池處理后數(shù)值低于檢出限，說明盡管活性炭附著硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌數(shù)量相對較低，仍能夠?qū)⑤^低濃度的氨氮進一步降解。梁心怡等[10]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原水的氨氮較低時，活性炭表面生物膜中的硝化菌和亞硝化菌能將氨氮去除率穩(wěn)定在88.93%左右，幾乎能去除全部氨氮，與本文研究結(jié)果一致。

活性炭池出水平均渾濁度為0.104 NTU，平均去除率為16.80%，遠優(yōu)于生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 NTU?；钚蕴繉由锪控S富，隨著炭池的運行，會有少量微型生物從活性炭層隨過濾水流向下進入下層石英砂濾層，下層鋪設(shè)一定厚度的石英砂濾層，可防止微型水生生物穿透，對渾濁度的去除有一定效果[11-12]。

3.3.2 季節(jié)性高藻期

7月—8月為高藻期，原水藻個數(shù)為278.3萬～1 624萬個/L，有明顯的土霉嗅味。對高藻期活性炭池進出水進行檢測分析，數(shù)據(jù)如表6所示。原水藻類、土臭素、2-甲基異莰醇、臭和味以及高錳酸鹽指數(shù)平均值分別為643萬個/L、22 ng/L、9 ng/L、3級以及4.15 mg/L，原水存在高藻、高有機物和嗅味問題[13]。

活性炭池對CODMn平均去除率為29.26%，約是低藻期去除率的2倍，應(yīng)是由于進水有機物含量高，異養(yǎng)菌微生物生長更為豐富，UV254去除率30.14%和低藻期相當(dāng)。氨氮平均質(zhì)量濃度由0.09 mg/L降低至0.05 mg/L，出水氨氮濃度與低藻期相差不大，均較低?；钚蕴砍爻鏊疁啙岫绕骄禐?.30 NTU，明顯高于低藻期，但經(jīng)過消毒環(huán)節(jié)可達到企業(yè)內(nèi)控要求0.3 NTU以下。藻類經(jīng)過活性炭池降低為1.37萬個/L，平均去除率達到96.69%；土臭素和2-甲基異莰醇經(jīng)過活性炭池處理后均低于檢出限，臭和味降為0級。綜上，活性炭池在高藻期可通過吸附和生物降解作用有效去除有機物、藻類、氨氮、土臭素和2-甲基異莰醇[14]，消除臭和味，但出水渾濁度比低藻期高，可能原因一方面是炭濾池進水渾濁度較高，另一方面炭濾池沖洗周期和沖洗強度仍然為低藻期時的沖洗參數(shù)，建議高藻期根據(jù)水質(zhì)情況可縮短沖洗周期，延長沖洗時間，有助于降低出水渾濁度。

表6 高藻期活性炭池進出水水質(zhì)Tab.6 Inflow and Treated Water Quality of Activated Carbon Filter in High Alge Period

4 結(jié)論及建議

(1)活性炭池工藝設(shè)計上，推薦采用氣水反沖洗普通快濾池，活性炭池停留時間為15～16 min，濾速為7～8 m/h，活性炭厚度為2.0 m，活性炭可采用掛膜性能較好的煤質(zhì)壓塊破碎炭。推薦采用氣、水兩階段反沖洗方式，在水質(zhì)較好時，沖洗周期宜為7 d，僅水沖，水沖強度為7 L/(m2·s)；每5周采用氣-水兩階段反沖洗，氣沖強度為15 L/(m2·s)，氣沖時間為5 min，水沖強度為7 L/(m2·s)，水沖時間為10 min。

(2)對于該漢江水源水廠，在活性炭池運行的第11個月，活性炭兼具吸附和生物降解功能，相較混合炭，表面炭微生物生長量高，掛膜完整性好，但吸附值和強度相對下降更快。

(3)低藻期活性炭池對CODMn和UV254平均去除率分別為14.52%和30.00%，出水氨氮低于檢出限，渾濁度平均為0.104 NTU；高藻期活性炭池對CODMn、UV254和藻類平均去除率分別為29.26%、30.14%和96.69%，出水氨氮濃度與低藻期相差不大，土臭素和2-甲基異莰醇均低于檢出限，臭和味降低為0級，出水渾濁度平均值為0.30 NTU。在不同水質(zhì)時期，活性炭池均可通過吸附和生物降解作用去除有機物、藻類、氨氮、土臭素和2-甲基異莰醇，消除臭和味。

(4)高藻期活性炭池出水渾濁度有所提升，建議下一步開展活性炭池在不同水質(zhì)條件下沖洗參數(shù)相關(guān)研究，進一步指導(dǎo)水廠安全穩(wěn)定運行。