陽澄湖水源“臭氧-活性炭”深度處理工藝的活性炭選型

劉玉紅

（蘇州工業園區清源華衍水務有限公司江蘇蘇州215000）

陽澄湖水源“臭氧-活性炭”深度處理工藝的活性炭選型

劉玉紅

（蘇州工業園區清源華衍水務有限公司江蘇蘇州215000）

為陽澄湖水源深度處理選擇合適的活性炭，分析了臭氧-活性炭工藝中影響活性炭性能的相關指標，并進行陽澄湖水源深度處理小試，對業內常用的原煤破碎炭、原煤柱狀炭、柱狀破碎炭和壓塊破碎炭對CODMn、氨氮、UV254的去除率進行了分析，選擇了壓塊破碎活性炭為陽澄湖水源深度處理用活性炭。

陽澄湖水；深度處理；活性炭；去除率

1 陽澄湖水為水源的深度處理工藝

根據《地表水環境質量標準》（GB3838-2006），集中式生活飲用水地表水源地一級保護區的高錳酸鹽指數限值為小于4mg/L。陽澄湖水2014年CODMn范圍在3.9 mg/L～6.5mg/L，有機物含量高，變化較大，作為飲用水水源地，屬于微有機物污染湖泊水。陽澄湖水體有機物以分子量<3k的為主，這部分有機物在總有機物中占比95%以上，其中分子量為1k～3k的約占50%，分子量為0.5k～1k的和<0.5k的分別占25%左右。根據有機物去除機制與規律，以及不同凈水工藝對不同分子量有機物的去除能力，陽澄湖水廠工藝流程設計為原水→取水泵房→預臭氧接觸池→絮凝平流沉淀池→砂濾池→中間提升泵房→主臭氧接觸池-活性炭濾池→清水池→吸水井→二級泵房→管網。

其中主臭氧接觸池-活性炭濾池即為臭氧-生物活性炭工藝。該工藝的基礎是活性炭的強吸附特性。主臭氧接觸池投加的臭氧有強氧化作用，將大分子有機物氧化為小分子有機物，有利于活性炭的吸附。炭濾池中的活性炭大量吸附水中的小分子有機物，同時也富集微生物，使其表面生長出良好的生物膜；由于有機物豐富，好氧菌在生物膜上大量生長繁殖，可以充分生物降解活性炭吸附的小分子有機物。因此，活性炭在水中的吸附特性和表面特性是確保臭氧-生物活性炭深度處理工藝效果的關鍵，選用合適的活性炭至關重要。

2 高小分子量有機物原水的活性炭選型實驗

2.1 活性炭選型之活性炭結構和性能

（1）不同種類的活性炭結構對選型的影響（圖片取自卡爾岡炭素公司資料）。

凈水的臭氧－生物活性炭工藝中活性炭一般選擇煤制顆粒炭。根據調研，該工藝最早使用的是原煤破碎炭，目前用的較多的為柱狀破碎炭，近2～3年壓塊破碎炭逐漸被接受。根據卡爾岡炭素公司對原煤破碎炭、柱狀破碎炭的研究，這兩種炭在結構上的不同如圖1～圖2。圖1～圖2均分別為10倍（左）與60倍（右）放大鏡下的活性炭。

原煤破碎炭、柱狀破碎炭與壓塊活性炭外表面比較。

圖1 原煤破碎炭有較光滑的表面及尖銳棱角

圖2 壓塊破碎炭有均勻粗糙的表面，無尖角

2.2 活性炭吸附性能對選型的影響

苯酚、碘和亞甲藍這幾種物質的分子量與分子直徑范圍與大多數的水污染物一致，人們常用苯酚吸附值、碘吸附值和亞甲藍吸附值來表征活性炭在水相中的吸附性，將其作為粗選活性炭的重要依據。陽澄湖水體中的有機物以腐殖質為主，分子平均半徑為0.8 nm～5.9nm。據計算，活性炭的最佳吸附孔徑范圍為1.7 nm～35 nm，相當于微孔和中孔的孔徑[1]。國內水凈化專家王寶貞所著的《飲用水深度處理技術》一書中指出：“對天然有機物具有吸附作用的是活性炭的二級微孔（次微孔）和中孔。而比表面積、碘值、亞甲藍值主要是表征活性炭的微孔發達程度”[2]。因碘吸附值、亞甲藍吸附值越高，活性炭價格越高，所以對小分子量有機物原水的處理，活性炭應選擇適宜的碘吸附值和亞甲藍吸附值，可從經濟的角度考慮，以中孔較發達的活性炭較好，不宜片面追求微孔的高吸附性。

2.3 強度對選型的影響

炭濾池中的活性炭長期浸泡在水中，并進行周期性的反沖洗。浸泡和反沖洗會給活性炭造成機械磨損，所以活性炭的強度越高越好。活性炭通過提高活化程度來提高吸附性能，但活化程度越高，強度會自然下降，強度與吸附性能是相反的關系。因此，選擇活性炭時應兼顧吸附值和強度兩項指標。

2.4 粒度對選型的影響

活性炭粒徑越小，表面積越大，水中有機物擴散到其微孔的距離比大顆粒炭短，其所需的吸附平衡時間比大顆粒炭要少。但小顆粒炭會增加過濾時的水頭損失，反沖洗頻率增強，反沖洗周期縮短，不利于生物膜的生長。在有效處理的情況下，可通過床層高度，水力停留時間等因素，選擇適宜粒度的活性炭，絕不應追求粒度越小越好。

2.5 漂浮率對選型的影響

漂浮率越低表示活性炭灰分越少，質量越好。活性炭選型的動態吸附實驗:活性炭動態吸附實驗也稱活性炭的掛柱實驗，是模擬自來水廠臭氧-活性炭深度處理工藝運行的小試。通過監控不同活性炭柱對實際原水中有機物的去除效果來選擇合適的活性炭。掛柱實驗在水質變化相同的情況下，充分模擬水廠實際運行中的臭氧氧化和水力條件，比在實驗室進行的靜態吸附實驗更有參考價值。考慮炭床生物膜的生長條件，掛柱實驗在允許的條件下，時間最好大于3個月。

原水經混凝、沉淀、砂濾和臭氧處理后，通過進水管分別從上部進入不同的炭柱，不同的炭柱為并聯；每根炭柱的進水管上都裝有流量計，通過調節流量計，保證每根炭柱的進水流量一致；炭柱中裝填不同類型的煤質顆粒活性炭，規格相同，為同一廠家的產品；濾后水從炭柱底部排出，在每根炭柱的下部設有獨立的取樣口。同水廠的工藝一致，炭柱的運行方式為下向流。

活性炭動態吸附試驗裝置包括：有機玻璃柱（內徑100 mm～200mm，高2.5m～3m，底部柵板上墊有200mm砂墊層）、流量計、反沖洗水泵、反沖洗水箱、不同管徑的PVC管和閥門、溢流槽、不銹鋼支架。

活性炭的裝填：根據活性炭的裝填密度估算出每種炭所需質量（稍多一點），分別裝入事先加好水的有機玻璃柱中。將炭浸泡48h后反沖洗，除去炭渣和炭灰，直至炭層上面的液面變清。最后，將所有炭柱補充至相同體積。

活性炭動態試驗是選擇飲用水用活性炭的重要依據之一。活性炭動態試驗充分結合了當地原水水質特征，模擬了實際運行的水力條件，進行活性炭對有機物去除效果比較，是活性炭選型較為科學的一種方式。

3 結語

高小分子量湖泊微污染原水凈水一般選擇常規處理+臭氧——活性炭深度處理聯用的工藝流程。在該工藝中，選擇合適的活性炭是保證此工藝經濟、正常運行的重要方面。

結合原水水質，首先從經濟的角度，選擇中孔較發達、苯酚吸附值較高的活性炭；從結構和外觀來看，壓塊破碎炭表面均勻粗糙，在水廠運行中適合掛膜；棱角較圓滑，在一定的水流中能保持生物膜的正常生長。同時，因壓塊破碎炭內部活化均勻，其吸附性能也會優于原煤破碎炭和柱狀破碎炭。

結合原水水質，從活性炭掛柱實驗來看，相同規格時，壓塊破碎炭對有機物、氨氮和UV254的去除能力均好于原煤破碎炭、柱狀破碎炭和柱狀炭。根據對有機物去除達到穩定所需時間，壓塊破碎炭更容易掛膜，即更利于生物膜的生長。

綜上所述，陽澄湖水源凈水深度處理活性炭宜選用適宜強度、適宜苯酚吸附值的壓塊破碎活性炭。

[1]張玉先,劉輝，包承忠.全流程生物氧化技術處理微污染水研究.中國給水排水,2002(5).

[2]王琳,王寶貞.飲用水深度處理技術.化學工業出版社.

劉玉紅（1977—），女，湖北，工程師，碩士，水處理。