粒状活性炭饮用水深度处理应用技术
分割线摘要：本文概括介绍了国内外活性炭水处理的发展和应用情况、活性炭深度处理的机理及处理效果。针对于当前水源有机污染现状和发展趋势，论述了采用活性炭进行饮用水深度处理的必要性，给出了粒状活性炭吸附池设计的参数及要求。最后介绍了北京市城子水厂炭吸附池设计及特点。
国内外活性炭深度处理的应用
国外活性炭水处理发展概要
由于活性炭对水中微量有机污染物具有优良的吸附特性，早在20年代末30年代初国外就开始用粉状活性炭去除水中的臭和味，1930年第一个使用粒状活性炭吸附池除臭的水厂建于美国费城。在60年代末70年代初，由于煤质粒状炭的大量生产和再生设备的问世，发达国家开展了利用活性炭吸附去除水中微量有机物的研究工作，对饮用水进行深度处理。在60年代末70年代初粒状活性炭净化的装置在美国、欧洲、日本等国陆续建成投产。美国以地面水为水源的水厂已有90％以上采用了活性炭吸附工艺。目前世界上有成百座用粒状炭吸附的水厂正在运行。
国外目前在给水处理中最常用是降流式活性炭吸附池，据报道最大单池面积达180m2，单层炭层厚度为0.7~2.5m，空床接触时间6~20min，大多数采用压缩空气和水联合冲洗。
活性炭的使用方式有三种：
第一种，用粒状活性炭替换部分砂滤料，成为炭砂双层滤料滤池。采用这种方式，净化效果比单层好，可以减少反冲洗次数，降低反冲洗强度。这种方式目前在瑞士、日本、美国等都有采用。由于仅用活性炭替换部分砂层，可以迅速投产使用。但是这种方式换炭较困难，一般只作为应急措施采用。瑞士的苏黎世某水厂，有12个活性炭吸附池，每个池子面积为44m2，其池内下层有粒径为0.7~1.0mm的石英砂0.5m厚，上层为匹兹堡F400炭层1.2m厚，全年产水量4000万m3。厂内设有再生炉。
第二种，用粒状炭替换全部砂层，即活性炭吸附兼过滤。目前法国、美国、瑞典等国的水厂采用这种方式的活性炭吸附池也很多。法国南希市水厂，处理能力10万m3/d，采用0.9~1.0mm 的粒状活性炭代替砂，炭层厚1.5m，主要用于去除水中的臭味。美国西弗吉尼亚洲尼特罗水厂，处理能力2.66万m3/d，采用单池面积72.3m2的粒状活性炭吸附池2个，炭层厚1.5m，空床流速9~10m/h，在氯仿抽提物浓度较高时（约1000μg/L），去除率可达84~89％。
第三种，在砂滤之后建独立的活性炭吸附池。先经砂滤，再经炭吸附池，可以延长活性炭对去除杀虫剂、酚、有机物产生的臭与味的使用周期，有效的利用活性炭的吸附性能。特别是在原水中含铁和锰时效果更为明显。目前美国、荷兰、日本有不少水厂采用这种形式。当水源受到生物污染时，水中有机物及氨浓度增加，采用折点加氯法可能使出水中形成显著的氯氨味，用粒状活性炭可以有效地去除氯氨味。
法国的一些水厂在混凝——沉淀之前采用折点加氯。若采用粒状活性炭吸附池，既可除臭、除味和有机物，又可利用活性炭表面上的微生物除氨，可以减少在水处理过程中形成新的有机氯化物。采用粒状活性炭吸附池处理水时，一定要考虑失效炭的再生。从美国许多活性炭净化水厂的运转经验可知，粒状活性炭吸附床的一次使用寿命一般为2~3年，有的更长些。由于在水厂内建造再生炉，基建费用较高，利用率低，在经济上不合算。因此活性炭再生由制造厂出租给水厂使用，保险租用期为3年，到期由活性炭制造厂回收再生。
国外粒状活性炭的应用情况见表1。
| （表1）国外粒状活性炭应用情况 | |||||
| 水厂名称 | 处理量 （m3/d） | 处理工艺流程 | 活性炭吸附池的个数与参数 | 再生装置情况 | 活性炭的作用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 美国 新英格兰曼彻斯特市水厂 | 114000 | 高速混合、混凝沉淀、砂滤、活性炭吸附池 | 4池，49×33.6m炭层1.2m | 除味及有机物 | |
| 美国 丘吉威林水厂 | 9120 | 澄清反应池、快滤池、活性炭吸附池 | 12池 | 水厂内设有再生炉（2~3t/d） | 除味及有机物 |
| 日本 柏井净水厂 | 750000 | 流化床活性炭吸附装置 | 8池 | 设流化床再生炉 | 除味及有机物 |
| 苏联 秋明市水厂 | 混凝沉淀、双层滤料滤池、活性炭吸附池 | 炭层厚1.2m | 除味及有机物 | ||
| 法国 梅利水厂 | 10000 | 预氯化、混凝沉淀、粒状活性炭吸附、臭氧消毒、后氯化 | 6池，接触时间15min | 再生周期12个月 | 除味、氯及有机物 |
| 法国 巴黎阿那纳水厂 | 25000 | 混凝沉淀、活性炭吸附、臭氧氧化、后氯化 | 2池，接触时间13min | 36个月再生一次 | 除味及有机物 |
| 美国 萨默赛物某水厂 | 190000 | 砂滤后、活性炭二次吸附 | 除色、臭、味 | ||
| 日本 渡利水厂 | 59000 | 混凝、沉淀、砂滤、炭吸附 | 空床流速15m/h炭层2.5m | 嗅阂值0降至0~3 | |
| 美国 辛辛那提市加利福尼亚水厂 | 620000 | 12池9.1×19.8m炭层3.5m接触时间15分 | 二个流化床再生炉再生能力每个炉22700kg/d | 去除水中有机物污染 | |
国内活性炭水处理的应用
我国在60年代末期，开始利用活性炭去除受污染的水源水的除臭、除味。1967年沈阳自来水公司用活性炭吸附去除由于工业废水污染引起的地下水的臭味，取得了较好的效果。白银地区把活性炭用于给水处理，规模为3万m3/d，由兰州市政工程设计院设计，于1975年9月建成投产。该工程以黄河为水源，位于兰州下游100公里处，受兰州工业废水污染。白银的另一水源处于白银地区的矿山、冶金、化工企业废水排放口下游500米处，水源污染严重，石油、汞、酚、硝基化合物等方面都超过了国家规定的卫生标准，这套活性炭装置投产后，水质大有改善。
为了去除水库水源的色、嗅、味，80年代初北京市市政工程设计院为北京市第一座带有深度处理的地面水水厂——田村山水厂开展了炭吸附试验，而后，又在城子水厂进行输炭试验及验证试验。以试验参数为依据，先后在北京建成规模为17万m3/d的田村山水厂炭吸附池，规模为50万m3/d的北京市第九水厂一期工程炭吸附池、规模为4.32万m3/d的城子水厂升流式炭吸附池和规模为5万m3/d的长辛店水厂炭吸附池、规模为100万m3/d的九厂二期、三期工程炭吸附池、实践证明炭吸附对去除微污染原水中大部分有机物质、有毒物质是有效的，与其它处理方法相比，工艺比较简单，易上马，经济可靠。在常规处理不能满足饮用水水质标准时，需要通过对深度处理工艺方案进行技术经济比较，确定是否采用活性炭吸附工艺，并针对原水水质做现场炭柱试验，确定所采用的设计参数。1996年10月，北京市政设计院编制了院定标准《活性炭水处理技术规定》（编号BSY－GG14－96），现正编制粒状活性炭吸附池水处理技术国家规范。
活性炭深度水处理机理及处理效果
活性炭是水处理中最常用的一种吸附剂。在制造活性炭的活化阶段，炭粒晶格间生成的空隙形成了各种形状和大小不同的细孔，其中大孔孔隙半径100~10000nm，中孔孔隙半径为2~100nm，小孔孔隙半径＜2nm，大、中、小孔孔壁的总面积就是活性炭的总表面积，活性炭的强吸附性能主要就发生在这些孔的表面上。活性炭的吸附量除与表面积有关外，还与细孔的形状、分布及表面的化学性质有关。一般情况，用于水处理的活性炭应具有适当比例的中孔，以去除水中分子量（或分子直径）较大的吸附质。活性炭表面具有微弱的极性，不仅可以去除水中的非极性吸附质，还可以去除极性吸附质，甚至某些微量的金属离子及其化合物。天然水源的污染，严重时造成水源的富营养化，藻类的大量繁殖，使水源带有色、臭、味。活性炭吸附是除色、臭、味最有效的方法之一。此外，活性炭用于由铁、锰及植物分解产物或由于有机污染而使水体带有的颜色的去除也是十分有效的。 粒状活性炭去除有机物及色度的效果见表2
| （表2）粒状活性炭层去除有机物效果 | |||
| 项目 | 原水 | 凝聚沉淀处理水 | 粒状活性炭处理水 |
|---|---|---|---|
| BOD（mg/L） | 200~400 | ＜1 | |
| CDD（mg/L） | 400~600 | 30~60 | 3~16 |
| 洗涤剂（mg/L） | 2~4 | 1.1~2.9 | 0.002~0.05 |
| 色度（度） | － | ~30 | 5 |
此外，用活性炭去除水中微量有机氯及其产生的异臭味也是最为有效的方法之一。
饮用水深度处理的必要性
水是人民生活和国民经济建设不可缺少的自然资源。随着工农业生产的发展和人口的增加，对水的需求愈来愈多，同时对水环境的污染也愈来愈多，我国饮用水水源的污染现状已十分严峻，特别是微量有机物的污染。1996年统计全国污水排放总量达到420亿m3，致使全国1/3以上的河段受到污染，城市中90％以上水域受到污染，近50％的重点城镇水源不符合饮用水水源水质标准。
地下水是人类宝贵的水资源，近年来地下水污染也逐年加剧，据对118个城市2~7年的连续监测资料，其中约占64％的城市地下水遭受较严重的污染，33％城市地下水轻度污染，仅3％的城市地下水基本洁净。从污染项目上看，有的属硬度超标，有的属有毒物质酚、铬、砷、氰化物、汞超标，有的细菌总数达60~128000个/L、大肠杆菌数达8~23800个/L，说明已遭受微生物污染。
尽管国家为保障人民身体健康、维护生态平衡，保护水资源作了大量工作，水源污染依然存在，还有发展之势，特别是有机物污染，异臭，有毒物质污染，油污染，富营养化，放射性污染等。采用传统的给水净化工艺（混凝、沉淀、过滤、消毒），不能与现有的水源水质和水质标准相适应。由于采用氯消毒，氯与某些有机化合物反应所形成的副产物，对人体有害。动物试验表明，某些氯的有机化合物属于三致（致癌、致畸、致突变）物质。对人体健康构成潜在危害，为此必须进行深度水处理。
由北京市自来水公司用色质联机（GC－MS）定性分析对活性炭效果测试表明，经炭吸附后的出水有机物种类有所减少。对水中有机氯化物有很好的吸附作用。致突变试验（Ames）结果显示，经活性炭吸附的出水致突变降为阴性。
粒状活性炭吸附池设计参数及要求
（1）参数
- 接触时间＞7.5min；
- 炭层厚度1.0~2.5m；
- 空床流速8~20m/h；
- 炭层水头损失0.4~0.6m；
- 冲洗膨胀率20％~40％；
- 冲洗强度及历时：
常温下经常冲洗强度为13L/m2.s，历时6~10min，定期采用大流量冲洗强度为15~20L/m2.s，历时6~10min。 - 冲洗周期：经常性冲洗周期7~10d；定期冲洗周期1个月。
（2）炭吸附池进水浊度应＜3NTU
（3）炭吸附池的形式
炭吸附池采用升流式或降流式形式的确定，应根据原水水质，构筑物衔接方式、重力排水要求、当地运行管理经验等因素，结合工程地形条件，通过技术经济比较后确定。
（4）冲洗水可采用过滤水或炭吸附水，冲洗水浊度应小于3NTU。
（5）配水系统
①炭吸附池宜采用小阻力配水系统，其配水孔眼面积与炭吸附池面积之比应1％~1.5％。
②承托层宜采用大、小、大分层级配。
③当采用升流式炭吸附池时，应封闭防二次污染。
④池壁应采用防电化学腐蚀措施。
粒状活性炭吸附池设计实例
城子水厂是北京市自来水公司门头沟区的地表水水厂，规模为8.64万m3/d，分期建设，一期4.32万m3/d，水源是官厅水库，由三家店水库取水。采用机械加速澄清池、虹吸式砂滤池的常规处理方法，于1986年建成。由于官厅水库水质恶化，来水经常规处理后，在嗅阈值、色度、酚、汞等项指标方面还不能达到饮用水水质标准，因此采用粒状活性炭吸附进行深度处理来确保出厂水水质。炭吸附池于1990年建成投产。由于城子水厂受排水水体——永定河水位限制，炭吸附池按升流式设计。单池面积32m2。
主要设计参数如下：
- 炭层厚度1.5m，垫层厚度0.5m；
- 空床流速11.25m/h；
- 接触时间8min；
- 冲洗强度13L/m2.s~15.6L/m2.s；
- 冲洗水头1.3m；
- 冲洗膨胀率20~40％；
- 炭层水头损失0.6m；
- 冲洗周期7~15d；
炭吸附池特点：
- 采用升流式炭吸附池，充份利用水源与排水水体之间的高程差，不设提升设备节省能源，简化管理。
- 利用炭吸附池的进水与冲洗不同时发生的特点，使用了同一根管道及一个带开度指示的蝶阀，控制两种开启度，以达到控制进水量小与冲洗水量大的两种流量要求。为了便于操作，将蝶阀的操作手轮设于室内地面以上。采用该种形式的炭吸附池，构造简单、操作省力方便、节省设备、节省管材。
- 炭吸附池内炭粒层采用水力输送，根据进、出炭两工序不会同时发生这一特点，采用同一根不锈钢管进炭和出炭，以节省管材、设备和投资、也可以简化安装。
- 为保证升流式炭吸附池的出水中不含有漂浮的炭沫，采用潜流式穿孔管出水，运行效果很好。
- 采用炭吸附池备用格，增加投资不多，备用格既可起到贮存炭的作用，又可以在炭格检修期间及时投入运行，大大提高运行的安全度，减少贮炭库用地，在国内大、中型水厂中建造规模这么大的升流式钢筋混凝土炭吸附池尚属首次。
参考文献
［1］兰淑澄编著，沈光范审校，活性炭水处理技术，中国环境科学出版社1991
［2］H.凯利、E.巴德著〔德〕，魏同成译，活性炭及其工业应用，1990
［3］北京市政设计院，北京自来水公司，提高地面水质处理的研究（内部资料），1981
［4］北京市政设计院研究所，城子水厂扩建工程活性炭吸附池参数试验（内部资料），1981
［5］北京市政设计院研究所，喷射器水力输送活性炭试验报告（内部资料），1983
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