水深度凈化用活性炭的指標及選擇

李景樂，解 煒，3

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院；2.煤炭資源開采與潔凈利用國家重點實驗室；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

隨著中國經濟的快速增長和對環境保護的日益重視，特別是中國關于環境保護的相關法規頒布后，水處理、機動車、溶劑和廢氣回收以及空氣凈化等領域市場需求劇增。活性炭由于具有優良的化學穩定性、巨大的比表面積和極強的吸附性能，在水處理、氣體吸附分離、煙氣脫硫脫硝、食品處理等領域具有越來越廣泛的應用[1-3]。近年來，活性炭加工制造和回收利用已經成為我國增長較快的產業方向之一。水處理領域是活性炭最大的消費市場，水處理用活性炭需求量約占全年總需求量的1/3。

煤基活性炭在飲用水深度凈化領域使用較多，包括原煤破碎顆粒炭、柱狀活性炭、粉狀活性炭及壓塊破碎顆粒炭[4-5]。但是，市政自來水廠深度凈化工藝中關于活性炭的選用、更換依然存在很多爭議，本文通過對水深度凈化常用活性炭的特性及相關標準進行分析歸納，結合凈化水處理用活性炭主要性能影響因素，總結并提出凈化水深度處理活性炭選用方案。

1 凈化水用活性炭種類

1.1 原煤破碎顆粒活性炭

原煤破碎顆粒活性炭屬于不定形顆粒活性炭產品，應用于飲用水深度凈化處理，滿足一定的粒徑范圍即可，粒度通常為8×30目或12×40目。20世紀90年代，廠家利用山西大同地區塊狀優質侏羅紀煙煤，通過塊煤破碎—炭化—活化—破碎篩分工藝制成原煤破碎顆粒活性炭，并應用于部分地區自來水廠的凈化水工藝中。

原煤破碎炭具有工藝簡單，成本較低等優點。但是原煤破碎炭具有強度下降快、再生得率較低、漂浮率高、孔結構及表面特性不易控制的缺點，加之煤炭綜采的普遍應用，塊狀侏羅紀煙煤產量大幅度下降，導致優質原煤破碎顆粒活性炭產量越來越少。因此，市政自來水廠采用原煤破碎顆粒活性炭作為凈化材料已經不再是主流。

1.2 煤質柱狀活性炭

20世紀80年代，通過煤質柱狀顆粒活性炭在氣相吸附領域的應用經驗，研發出用于液相吸附的1.5 mm煤質柱狀顆粒活性炭，并應用于北京及周邊主要自來水廠的臭氧活性炭深度處理工藝中。2000年左右，臭氧活性炭深度處理技術開始在沿海地區城市凈水廠普及，相關活性炭廠家及自來水廠針對已有1.5 mm煤質柱狀顆粒活性炭進行進一步改進，開發出柱狀破碎炭，通過將柱狀顆粒活性炭碾壓至粒度更小的不定形顆粒，有效提升柱狀活性炭的表面掛膜能力、吸附性能及過濾性能，取得了良好的應用效果。

煤質柱狀活性炭具有良好的吸附性能及再生性能，并且強度也能符合凈水處理要求。但是由于柱狀顆粒活性炭作為定形活性炭其表面光滑，生物掛膜能力有限，且加工過程中需要添加焦油/瀝青等粘結劑，使制造成本增加。況且在使用過程中添加劑可能會帶來一些有害物質，易對市政自來水廠凈化水產品造成不良影響，因此柱狀顆粒活性炭在凈水應用方面也愈發凸顯出局限性。

1.3 煤質粉狀活性炭

煤質粉狀活性炭是在煤質顆粒活性炭生產過程中的副產品，是以篩下活性炭顆粒通過磨粉制成，其售價通常較低。粉狀活性炭的優勢是設備成本低、吸附速率快、投加起效快、能夠應對突發或短期水質突變，且價格低廉。但是，粉狀活性炭受其物理特性限制，只能一次性使用，幾乎無法再生，使用后會產生固體污染物，處置成本較高，并且用于水處理及反沖洗過程中易出現炭損失。因此粉狀活性炭一般應用于短期季節性水處理較多，較少用于長期運行的深度凈化處理中。

1.4 煤質壓塊破碎顆粒活性炭

煤質壓塊破碎顆粒活性炭是在原煤破碎顆粒活性炭和柱狀顆粒活性炭研究、生產及應用的基礎上，進一步提高活性炭水深度凈化處理性能的產品。壓塊破碎炭是通過優質弱黏煤、煙煤等原料煤進行配煤、磨粉后利用煤自身的黏結性壓塊，再進行炭化活化加工，最后按照需求進行破碎制成的活性炭產品[6]。與柱狀顆粒活性炭相比，壓塊破碎顆粒活性炭是利用原料煤的自黏結性壓塊成型，不需添加粘結劑，且反應活性高，易于發育出微孔和中孔，目前國內只有大同地區和新疆地區的弱黏結性侏羅紀煙煤適合作為壓塊破碎顆粒活性炭的原料。與原煤顆粒活性炭相比，壓塊破碎顆粒活性炭可以通過配煤生產，便于調節活性炭產品的孔結構和強度，有利于活性炭的凈化應用。

壓塊活性炭產品的漂浮率較低、強度高，比較適用于液相處理，并且壓塊活性炭產品質量穩定可控、工藝較為成熟具有良好的吸附性能、再生性能以及較低的生產成本，已經成為目前市政自來水廠深度凈化處理工藝的最佳選擇。

2 凈化水用煤質顆粒活性炭相關標準分析

中國水處理用煤質活性炭現行標準主要為國家標準GB/T 7701.2—2008《凈化水用煤質顆粒活性炭》及行業標準CJ/T 345—2010《生活飲用水凈水廠用煤質活性炭》。GB/T 7701.2—2008要求水處理用顆粒活性炭技術指標包括漂浮率、裝填密度、亞甲藍吸附值(亞甲藍值)、碘吸附值(碘值)、粒度、強度、水分、苯酚吸附值、水溶物及pH等10項指標[7]；CJ/T 345—2010要求水處理用顆粒活性炭技術指標除GB/T 7701—2008要求的9項外(無苯酚吸附值指標)，還包括孔容積、比表面積、酚值、二甲基異莰醇吸附值、有效粒徑、均勻系數、鋅、砷、鎘、鉛含量等額外10項指標[8]。要求的10項指標與CJ/T 345—2010關于pH、水分、水溶物、裝填密度、粒度等5項指標的要求一致，pH要求處于6～10之間，水分要求不大于5%，水溶物含量要求不大于0.4%，裝填密度要求不小于380 g/L。不同的指標對比如表1所示。由表1可以看出，CJ/T 345-2010對于煤質顆粒活性炭吸附相關的主要性能要求更高。

表1 水處理煤質顆粒活性炭國家標準與行業標準指標差異值對照

此外，CJ/T 345—2010要求孔容積不小于0.65 mL/g，比表面積不小于950 m2/g，酚值不大于25 mg/L，有效粒徑處于0.35～1.5 mm，均勻系數不大于2.1，鋅、砷、鎘、鉛的質量分數分別小于500 μg/g、2 μg/g、1 μg/g、10 μg/g。在2019年住建部發布的相關行業標準《生活飲用水凈水廠用煤質活性炭(征求意見稿)》中，增加了關于汞指標的限定，要求汞質量分數小于1 μg/g。

綜上所述，行業標準CJ/T 345—2010不僅對活性炭主要吸附能力提出要求，還對活性炭中易產生污染的重金屬成分做出限制，對顆粒活性炭生產原料及工藝的要求更加嚴格。

3 水深度凈化用活性炭性能及影響因素分析

臭氧-生物活性炭水體深度處理工藝的凈化原理是活性炭吸附與生物降解共同作用，整個過程可以分為三個階段。第一階段為新活性炭剛投加時期，此階段由于活性炭表面生物掛膜未形成，且活性炭比表面積較大、孔隙發達，此階段以活性炭吸附作用為主，生物分解性能較小；第二階段為吸附-生物降解階段，此時新活性炭已運行一段時間，表面形成了一層生物掛膜，生物降解在活性炭表面開始作用，同時活性炭依然保持較強的吸附能力，此階段為活性炭吸附與生物降解共同作用階段；第三階段以生物降解為主，此階段由于活性炭使用時間較長，活性炭孔隙接近飽和，吸附性能衰減嚴重，主要依靠表面生物降解作用完成凈水深度處理。

3.1 吸附性能及水處理效果

活性炭的吸附性能可分為靜態吸附及動態吸附。靜態吸附性能指的是碘吸附值和亞甲藍吸附值；動態吸附性能主要為評價進出水的有機物UV254及COD、TOC等指標去除效果。有實驗數據分析證明，碘吸附值及亞甲藍吸附值總和與有機物吸附去除能力有顯著相關性[9]。

根據實驗及活性炭工業應用運行監測結果，隨著活性炭運行時間的延長，碘吸附值及亞甲藍吸附值值均呈下降趨勢，運行初期的降幅遠大于中后期。這也證明了初期活性炭以吸附為主，而中后期的吸附作用減弱，則以生物作用為主[10]。活性炭投加初期，對于有機物UV254及COD的處理效果較好，能夠達到40%以上的去除率，隨著活性炭使用年限增長，由于處理環境差異，一般在使用3～7年后有機物去除率降至20%以下并逐漸趨于穩定，證明在活性炭吸附能力減弱時，有機物的處理主要為表面生物降解穩定作用[11]。國內有臭氧-生物活性炭濾池中活性炭投入未更換已超過7年仍能穩定運行的實例。盡管其活性炭的吸附性能已經較低(碘值小于400 mg/g)，說明生物降解為主的凈化仍能起到相應的作用。但是，市政自來水供應涉及千家萬戶的用水安全，所處理水源也深受季節及氣候的變化，還是建議盡量保證臭氧-生物活性炭在吸附-生物降解階段為宜，達到一定的使用年限后需要及時更換活性炭。

由于碘吸附值及亞甲藍吸附值為煤質顆粒活性炭固有特征，與其破碎粒徑無明顯關聯，但是粒徑較大、表面粗糙的活性炭可以更快速的形成表面生物掛膜，有利于凈水廠深度處理過程中有機物的去除。

3.2 物理性能

壓塊破碎顆粒活性炭主要工作物理性能有強度、漂浮率、裝填密度、水分等。在活性炭使用期間，由于水流的不斷沖洗及反沖洗，會造成顆粒活性炭之間相互碰撞，對其物理性能造成影響。如果活性炭強度降低，會造成顆粒活性炭的擠壓、磨損破碎，使漂浮率升高，造成活性炭的流失以及處理能力的下降。

實驗結果表明，隨著活性炭投放時間增長，確實存在強度和平均粒徑下降的趨勢，但是一般強度下降區間也僅在1%～3%左右，如果新活性炭強度能夠達到95%左右，長時間使用后的活性炭依然能夠完全滿足標準要求[12]。不過由于碰撞磨損因素，粒徑組成比例可能會達到標準臨界值附近，需要對其運行狀態進行關注。

壓塊破碎顆粒活性炭初始強度、含水量、裝填密度等基本指標與其破碎粒徑無明顯關聯，但是考慮到使用過程中的粒徑變化因素，在不影響其處理性能的前提下，選用較大粒度的顆粒活性炭有利于維持活性炭處理系統的穩定。

3.3 可再生能力

活性炭的可再生能力是目前各活性炭應用廠家較為關注的性能，再生性能直接影響到廠家的用炭經濟效益。如果綜合考慮凈水能力及出水指標，按照3年周期，使用再生活性炭能夠比全部使用新炭降低40%～50%的成本。目前主要的活性炭再生方式是熱再生法[13]，采用轉爐或者多膛爐再生，一些即將報廢的斯列普活化爐也可以用于熱再生。活性炭再生會造成活性炭平均粒徑縮小、強度降低、炭損失等。因此，選用較大粒度的壓塊破碎顆粒炭有利于保證再生炭的性能指標，降低企業運行成本。

4 結 語

(1)通過活性炭自身特性及凈水用活性炭相關標準分析，各項高指標的活性炭有利于提高水凈化處理效果，但是高指標的凈水用活性炭產品也使得企業成本增加，因此各水廠應根據自身水源狀況、水處理工藝特點、出廠水要求、制水成本等因素進行選炭實驗，選用符合標準及自身運行狀況的活性炭。

(2)綜合考慮到活性炭吸附處理性能、出水水質穩定性、物理性能及可再生性能，同等條件下建議選用符合標準的粒度較大的壓塊破碎顆粒活性炭，如8×30目(粒徑0.6～2.3 mm)。

(3)水廠應當加強在臭氧-生物活性炭深度處理運行階段的管理，積極監測出水水質，通過活性炭取樣檢測及出水水質監測相結合的判定方式，判斷活性炭是否需要更換或再生。