上向流生物活性炭工藝參數(shù)設計與處理效果分析

黃 慧，宋 欣，許 釗

(深圳市深水龍華水務有限公司，廣東深圳 518100)

城市供水系統(tǒng)是城市發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分，隨著經濟社會的發(fā)展，人們對城市供水水質的要求也在不斷提升。為推動城市供水水質由“達到安全、健康的基本要求”向“優(yōu)質、可直接飲用的高品質需求”轉變，對常規(guī)處理工藝的水廠進行工藝升級改造勢在必行。“臭氧-生物活性炭工藝”集合了臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解的多重作用[1]，能氧化去除原水中的微生物、腐殖質、藻類及其代謝物、有機物等，并且對鐵、錳也有良好的氧化去除效果，是廣泛采用的深度處理工藝之一[2-6]。

生物活性炭技術按水流流動方向分為下向流和上向流兩種模式。下向流生物活性炭池置于常規(guī)工藝砂濾池后，水流由炭池上部進水，底部出水。上向流生物活性炭池置于常規(guī)工藝砂濾池前，水流方向是自下而上。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2021年6月，國內采用臭氧-上向流生物活性炭工藝的水廠，已建成投產27座，供水規(guī)模為615萬m3/d，在建6座，供水規(guī)模為145萬m3/d。項目主要位于華東地區(qū)，華北、華中也有應用案例。與下向流模式相比，上向流模式具有以下幾個優(yōu)點：(1)由于炭池水流向上，活性炭層處于微膨脹狀態(tài)[7]，懸浮狀活性炭充分接觸水體，微生物分布較均勻，有利于整個炭層均發(fā)揮生物降解作用[1]；(2)對CODMn去除率略高；(3)炭池反沖洗過程為氣沖后通過初濾水排放實現(xiàn)炭層污染物去除，無需另設水沖泵，在反沖的模式上，較下向流活性炭池節(jié)約了水沖泵的采購和運行維護成本；(4)砂池可作為防止炭池中脫落的生物膜或微型動物泄漏的最后一道屏障[8]。

本文以亞熱帶地區(qū)某水廠為研究對象，從活性炭池參數(shù)設計及水質處理效果兩方面進行總結，為亞熱帶地區(qū)上向流活性炭的工程應用提供重要參考。

1 項目背景

本文所研究的水廠位于亞熱帶地區(qū)，供水規(guī)模為30萬m3/d，原水取自東江水源工程管道，源自惠州東江。對照《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ類水標準，2017年—2021年，夏季、雨季等氣候條件下，該水廠原水中藻類、CODMn、2-甲基異莰醇(2-MIB)、TOC、氨氮檢出較高，常規(guī)工藝應對難度大，具體水質如表1所示。

表1 原水水質Tab.1 Raw Water Quality

針對該水廠原水有機物、藻類高的水質特點，2020年，水廠進行深度處理工藝改造。改造后，水廠工藝處理流程為：預臭氧接觸池→機械混合池→折板反應池→平流沉淀池→臭氧-上向流生物活性炭→V型濾池→次氯酸鈉消毒，如圖1所示。經過一年的調試、運行，目前該水廠深度處理工藝運行趨于穩(wěn)定。

圖1 水廠工藝流程Fig.1 Process Flow of WTP

2 活性炭池參數(shù)設計

2.1 活性炭選型

由于炭池水流向上，活性炭層處于膨脹狀態(tài)。上向流活性炭運行膨脹率一般為10%～30%[1]，通常不超過50%。根據(jù)韓立能[1]中試試驗研究結果可知，同樣進水負荷和進水水質條件下，生物降解階段，不同粒徑活性炭對有機物的降解效果差異性小，而當炭池濾速為11.5 m/h時，粒徑為20×50目的活性炭膨脹率為15.9%～24.0%，最符合上向流活性炭對炭層膨脹率的要求。同時，煤質壓塊破碎炭表面粗糙，孔結構分布均勻，利于生物附著和生長，耐磨損性好。因此，該水廠選擇粒徑為20×50目的煤質壓塊破碎炭作為上向流生物活性炭池的濾料。

在活性炭技術指標要求上，除要求滿足《煤質顆?；钚蕴?凈化水用煤質顆?；钚蕴俊?GB/T 7701.2—2008)外，對一些技術指標進行了更為嚴格的規(guī)定：要求孔積率不低于0.65 mL/g、比表面積不低于950 m2/g；考慮到在活性炭運行初期，以吸附運行為主，要求碘吸附值不低于950 mg/g、亞甲藍吸附值不低于180 mg/g；為避免運行過程中的磨損，要求強度不低于93%；為降低裝填密度對炭層膨脹率的影響，要求裝填密度不低于430 g/L；為縮短調試洗炭用時，要求灰分不高于12%。

2.2 炭上水深

活性炭粒徑相同時，炭層膨脹率隨濾速增大而增加。超負荷運行下，濾速過大時，可能導致炭層膨脹率過高，出現(xiàn)跑炭現(xiàn)象，炭粒隨水流進入濾池。經調研，在炭層高度一定的情況下，炭上水深高度是平衡進水負荷、活性炭跑炭及能耗的關鍵參數(shù)。若炭上水深不足，需短期超負荷運行的水廠生產會受限，若炭上水深太高，則會造成能耗的浪費。

以活性炭層膨脹率為10%～50%、炭層高度為2.50 m為例，為避免跑炭，炭上水深需大于1.25 m。同時，研究[9]表明，水溫對膨脹率的影響很大，水溫越低炭層膨脹率越高。因此，炭上水深設計需充分考慮當?shù)貧鉁氐挠绊?，并預留一定的超負荷空間。

經調研，國內上向流生物活性炭池炭層高度為2.50 m的水廠，炭上水深總高為2.55～2.70 m，能平衡進水負荷和跑炭的要求，如表2所示。該水廠處于亞熱帶地區(qū)，常年水溫相對表2所列水廠高。該水廠炭層高度選擇2.50 m，炭上水深綜合國內案例經驗，設計為2.65 m。

2.3 進水配水均勻性

活性炭進水配水均勻性影響單格炭池濾速及炭池整體運行效果。設計上，該水廠一期、二期共16格炭池，分兩組設置。進水通過進水渠，翻堰后進入單格炭池。單組進水渠較長，為37.90 m，沿進水渠水流流動方向，單格炭池進水水損并非完全一致，導致配水不均。為盡量保障配水均勻性，設計上設置了可調節(jié)高度的堰板(圖2)，水廠可通過測量不同水力負荷條件下單格炭層的膨脹率，微調堰板。

表2 國內工程案例炭上水深Tab.2 Water Depth of the Activated Carbon Pool of the Application Case at Home

注：尺寸單位為mm圖2 可調節(jié)型堰板示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Adjustable Weir Plate

該水廠進水量設計負荷為12 500 m3/d，近3年進水負荷為7 800～14 400 m3/d，為設計負荷的62.4%～115.2%。運行過程中，活性炭層整體膨脹。由于活性炭粒存在不均勻性，少量炭粒的膨脹率會高于活性炭層的整體膨脹率。微調堰板，使各組炭池進水配水相對均勻，測量不同負荷條件下，單格炭池的整體膨脹率及膨脹率最高的炭粒離出水面距離，檢測結果如表3所示。在進水負荷分別為500 m3/h(約為設計負荷的64.0%)、781 m3/h(設計負荷)、1 000 m3/h(約為設計負荷的128.0%)情況下，炭層膨脹率分別為11.8%、24.5%、30.8%，炭層整體處于微膨脹狀態(tài)，有利于炭層與水體的充分接觸，符合上向流活性炭對炭層整體膨脹率的要求。在進水負荷為1 000 m3/h(約為設計負荷的128.0%)情況下，膨脹率最高的炭粒離出水面距離為0.30 m，進水負荷繼續(xù)增大至1 100 m3/h(約為設計負荷的140.8%)，膨脹率最高的炭粒離出水面距離為0，即存在少量活性炭流失情況。因此，建議進水負荷控制在設計負荷的64%～128%，進水負荷過小，膨脹率不足，進水負荷過大，則炭流失。

表3 不同進水負荷下炭層膨脹率檢測結果Tab.3 Detection Results of Carbon Layer Expansion Rate under Different Inflow Loads

3 運行效果分析

深度處理工藝投入運行后，該水廠出廠水水質指標優(yōu)于深圳地方標準《生活飲用水水質標準》(DB 4403/T 60—2006)要求，結果如表4所示。其中出廠水有機物檢出值顯著下降，CODMn平均質量濃度由0.92 mg/L下降至0.65 mg/L，TOC平均質量濃度由0.81 mg/L下降至0.68 mg/L。

表4 出廠水水質Tab.4 Quality of Finished water

3.1 TOC去除分析

對2021年1月—2022年2月該廠原水和出廠水中TOC進行檢測分析，該水廠進水TOC質量濃度為1.30～3.60 mg/L，深度處理工藝運行前后，進水中TOC的去除情況如圖3所示。深度處理工藝運行前，進水TOC平均質量濃度為1.50 mg/L，出廠水TOC平均質量濃度為0.81 mg/L，TOC平均去除率為46%。深度處理工藝運行后，進水TOC平均質量濃度為2.36 mg/L，出廠水TOC平均質量濃度為0.68 mg/L，TOC平均去除率提高至71%。

圖3 深度處理工藝運行前后TOC質量濃度及去除率Fig.3 Removal Rate and Mass Concentration of TOC before and after Advanced Treatment Process Operation

3.2 CODMn去除分析

對2021年5月—2022年2月該廠原水和出廠水中CODMn進行檢測分析，該水廠進水CODMn質量濃度為1.18～4.66 mg/L，出廠水CODMn數(shù)值整體較為穩(wěn)定，平均質量濃度為0.65 mg/L，最大質量濃度為1.39 mg/L，如圖4所示。水廠凈水工藝對CODMn總去除率為41%～96%，平均為71%，處于較高水平，分析原因主要是水廠深度處理工藝運行近一年時間，活性炭吸附性能協(xié)同生物降解作用，對有機物去除能力強。

圖4 深度處理工藝運行前后CODMn去除效果Fig.4 Removal Efficiency of CODMn before and after Advanced Treatment Process Operation

對2021年9月—2022年2月該廠各工藝段的CODMn平均去除率進行統(tǒng)計分析，如圖5所示。進水中CODMn去除主要依靠混凝沉淀和臭氧活性炭兩個工藝段。絮凝沉淀對CODMn的平均去除率約為39%，臭氧活性炭工藝對CODMn的平均去除率約為25%，砂濾池對CODMn的平均去除率約為4%，經過次氯酸鈉消毒，清水池出水的CODMn較砂濾池約下降2%。

圖5 各工藝段CODMn去除效果分析Fig.5 Removal Efficiency of CODMn under Different Processes

活性炭池過濾周期以CODMn去除效果作為指導參數(shù)。過濾周期內，濾池反沖洗恢復運行后，單格濾池對CODMn去除率隨時間的變化情況如圖6所示。在氣溫為17～33 ℃的條件下，過濾周期12 d內，單格炭池炭后CODMn質量濃度在第8 d后趨于穩(wěn)定?？傮w來看，CODMn質量濃度由0.26 mg/L波動上升至0.69 mg/L，對CODMn的去除率由88%下降至73%。在該氣溫條件下，過濾周期以8 d較為合適。

圖6 過濾周期內CODMn去除效果Fig.6 Removal Efficiency of CODMn in Filtration Cycle

3.3 氨氮去除分析

對2021年1月—2022年2月該廠原水中氨氮進行檢測分析，結果如圖7所示。2021年1月—2022年2月，該水廠原水中氨氮檢出質量濃度為0～0.38 mg/L，出廠水檢出值均低于檢測限，去除率接近100%。

圖7 原水中氨氮質量濃度Fig.7 Mass Concentration of Ammonia Nitrogen in Raw Water

3.4 2-MIB去除分析

該水廠原水藻類高，一方面會影響水廠混凝沉淀效果；另一方面，藻類的生長繁殖和胞內物釋放，會帶來嗅味、微囊藻毒素等問題。水中常見的土霉味物質與水中席藻、顫藻、束絲藻、假魚腥藻等藻類的代謝有關。深度處理工藝運行期間，該水廠原水藻類最高檢出值為3 404萬個/L，2-MIB檢出值最高達到17.8 ng/L，出廠水中藻類未檢出，2-MIB低于檢測限(5 ng/L)，保障了出廠水的健康、安全。

3.5 渾濁度變化情況分析

上向流生物活性炭的進水為沉淀池出水，進水渾濁度太高將縮短活性炭的使用壽命，也不利于炭層生物膜的生長和有機物去除，因此，要求進水渾濁度小于1.00 NTU。對比分析該水廠7月—10月全流程水渾濁度變化情況，如表5所示。全流程渾濁度的去除主要是靠混凝沉淀、砂濾工藝段，混凝沉淀對渾濁度的去除率達到95.7%(一期)、97.1%(二期)，沉淀池出水平均渾濁度為0.69 NTU(一期)、0.49 NTU(二期)，符合進水渾濁度要求。上向流生物活性炭池出水平均渾濁度為0.47 NTU，幾乎無渾濁度截留，此狀態(tài)對于上向流池運行較為正常合理，有利于生物膜的生長。

表5 渾濁度變化Tab.5 Variation of Turbidity

4 小結

(1)上向流活性炭參數(shù)設計除滿足行業(yè)相關標準要求外，可從提高炭吸附性能、提高炭耐磨損性、降低炭裝填密度對膨脹率影響，以及縮短洗炭調試用時等角度，對炭粒徑、孔積率、比表面積強度、碘吸附值、亞甲藍吸附值、強度、裝填密度及灰分等指標提出更為嚴格的規(guī)定。進水負荷對活性炭層膨脹率影響較大，一方面可以通過在進水渠上設置可調節(jié)高度的堰板，提高配水均勻性，避免進水不均勻導致某一格炭池進水負荷過高，從而造成跑炭；另一方面，在設計上應充分考慮不同進水負荷下的炭層膨脹率，確保實際運行中，炭層整體處于微膨脹狀態(tài)，有利于炭層與水體的充分接觸，提高炭層生物對水中有機物的去除。

(2)在氣溫為17～33 ℃條件下，連續(xù)監(jiān)測上向流活性炭，池過濾周期內的CODMn去除效果，CODMn去除率隨運行時間呈先增后降的趨勢，過濾周期以8 d較為合適。

(3)深度工藝對TOC、CODMn等有機物指標的去除效果較好，平均去除率均達到71%。同時深度工藝運行期間，出廠水中藻類未檢出，2-MIB低于檢測限(5 ng/L)。

(4)本文以亞熱帶地區(qū)某水廠為研究對象，從活性炭池參數(shù)設計及水質處理效果兩方面進行總結，為亞熱帶地區(qū)上向流活性炭的工程應用提供重要參考。但由于水廠投產運行時間相對較短，活性炭性能、有機物去除效率隨運行時間的變化規(guī)律，以及尚未暴露出來的問題等均有待進一步研究。