摘要：本文主要介紹了某自來水公司果園橋水廠活性炭的選型、投入以及活性炭濾池的運(yùn)行維護(hù)情況。通過對(duì)活性炭濾池不同規(guī)格活性炭運(yùn)行情況進(jìn)行系統(tǒng)的跟蹤分析，摸索活性炭濾池的運(yùn)行維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)，旨在優(yōu)化活性炭濾池的運(yùn)行，為今后的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供借鑒。

0、前言

近年來，該果園橋水廠供水水源的大運(yùn)河支流康涇塘受到有機(jī)污染的程度越來越嚴(yán)重（見表一）。在人們對(duì)生活質(zhì)量的需求不斷提升的前提下，對(duì)飲用水質(zhì)量的要求也越來越高。針對(duì)日益惡化的源水水質(zhì)，采用預(yù)處理及深度處理工藝成為提高供水水質(zhì)的必要手段，也是今后國內(nèi)水處理發(fā)展的趨勢(shì)。深度處理中的臭氧活性炭工藝是目前處理微污染源水較有效的手段之一，在國內(nèi)外研究應(yīng)用已有70多年歷史?；钚蕴窟^濾是深度處理工藝的最后階段，更是必不可少的環(huán)節(jié)。對(duì)活性炭濾池科學(xué)的運(yùn)行維護(hù)能夠有效的提高供水水質(zhì)、節(jié)省制水成本、延長(zhǎng)活性炭的使用周期。果園橋水廠對(duì)此有多年的實(shí)踐，有必要作一次總結(jié)。

表一2003年源水水質(zhì)情況

1、工藝概況

臭氧活性炭深度處理工藝?yán)贸粞醯膹?qiáng)氧化性改變大分子有機(jī)物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、利用活性炭的吸附性能以及附著在活性炭表面上的生物膜的生物降解作用去除水中有機(jī)物，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。

臭氧的氧化能力較強(qiáng)，僅次于氟，在活性炭過濾前投加臭氧可以殺死細(xì)菌、去除病毒、氧化水中有機(jī)物、提高水中有機(jī)物的可生化性，增強(qiáng)活性炭吸附的生物作用，有利于活性炭對(duì)有機(jī)物的去除，還可以延長(zhǎng)活性炭的再生周期。

活性炭對(duì)分子量在1500以下的環(huán)狀化合物、不飽和化合物以及分子量在數(shù)千以上的直鏈化合物（糖類）有較強(qiáng)的吸附能力，對(duì)去除腐殖酸、異臭、色度、農(nóng)藥、烴類有機(jī)物、有機(jī)氯化物、洗滌劑等有很好的效果，特別是對(duì)致突變物質(zhì)及氯化致突變物前驅(qū)物的良好吸附，進(jìn)一步降低了出水的致突變活性。

許多實(shí)驗(yàn)研究證明，為了控制飲用水中大腸桿菌的生長(zhǎng)，需要達(dá)到AOC＜50μg/L，TOC＜2mg/L，活性炭表面附著的生物膜具有生物降解作用，在常規(guī)處理之后進(jìn)行生物處理對(duì)致突物有一定的去除效果，使出水達(dá)到更好的生物穩(wěn)定性，管網(wǎng)水也獲得了更長(zhǎng)的保質(zhì)期。

果園橋水廠的水質(zhì)“革命”作為一個(gè)技改項(xiàng)目在市人大會(huì)議上提出，并列為該市2003年為民辦實(shí)事的十件大事之一。采用生物接觸氧化預(yù)處理+常規(guī)處理+臭氧活性炭深度處理為全過程的水處理新工藝，一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模為8萬m³/d，在原有常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上新增預(yù)處理及深度處理工藝，2002年7月開工，2003年5月竣工投產(chǎn)；二期工程設(shè)計(jì)規(guī)模為7萬m³/d，為一套完整的預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理工藝，2003年8月開工，2004年7月竣工投產(chǎn)。兩期工程全部竣工并投入運(yùn)行后，果園橋水廠的水處理工藝從原來的單一常規(guī)處理迅速躍升至國內(nèi)先進(jìn)水平。

臭氧投加點(diǎn)在活性炭過濾之前，根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況投加量為1-3mg/L，臭氧接觸時(shí)間為15min?；钚蕴繛V池分為10格，一期7格為1.5mm柱狀炭，3格為8×30目破碎炭，二期10格全部為12×40目破碎炭，利用原有反沖洗水塔中的砂濾池出水對(duì)炭層進(jìn)行反沖洗，通過調(diào)節(jié)反沖洗閥門的開度來控制反沖洗強(qiáng)度，二期活性炭濾池在單水反沖洗的基礎(chǔ)上增加了氣沖洗。

結(jié)合果園橋水廠吸附試驗(yàn)的結(jié)果，活性炭濾池的工藝參數(shù)確定為單格面積48m²、炭層厚度1.8m、濾速8m/h、接觸時(shí)間13.5min。

在活性炭濾池設(shè)計(jì)中，幾個(gè)重要的工藝參數(shù)特別需要引起重視：

① 濾速。它是影響水質(zhì)和運(yùn)行管理的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與進(jìn)水流量（即生產(chǎn)規(guī)模）和濾池面積有關(guān)，因此在正常運(yùn)行中無法調(diào)整濾速，設(shè)計(jì)時(shí)首先需要考慮選擇合理的濾速。在一定的炭層厚度條件下，濾速越慢接觸時(shí)間越長(zhǎng)，接觸時(shí)間越長(zhǎng)則活性炭的吸附效果越好，出水水質(zhì)越佳。歐美水廠活性炭濾池的濾速一般為7.5-15m/h。

② 炭層厚度。炭層厚度一般以SV值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。SV值表示單位時(shí)間內(nèi)單位體積活性炭的處理水量，SV=Q/Cv，Q為每小時(shí)處理水量（m³/h），Cv為活性炭的體積（m³），SV值為4-8能保持較好的處理效果。歐美水廠活性炭濾池的炭層厚度一般為1.8-3.6m。

③ 排水槽距離炭層面的高度。間距過小易造成反沖洗時(shí)炭粒流失，間距過大則不利于反沖洗廢水及時(shí)排出，還會(huì)多消耗反沖洗用水。根據(jù)果園橋水廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，氣沖洗時(shí)由于濾板下產(chǎn)生的氣墊層以及氣體在水中占有了一部分體積，水位要上升45cm左右，新炭投入后使用一段時(shí)間，經(jīng)數(shù)次反沖洗炭層日漸蓬松，炭層厚度較剛投入時(shí)增加約15cm左右，再考慮到以后補(bǔ)充新炭增加炭層高度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)留有余地。

2、活性炭的選型

活性炭是一種經(jīng)過氣化（炭化、活化），具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的炭質(zhì)吸附材料?；钚蕴康奈绞撬形廴疚镔|(zhì)在其表面的富集或濃縮。

因原水水質(zhì)和活性炭產(chǎn)品的性能差異較大，對(duì)活性炭的選型需要進(jìn)行吸附試驗(yàn)，以選擇活性炭的規(guī)格指標(biāo)及較佳的炭層厚度、濾速、接觸時(shí)間、反沖洗時(shí)的膨脹率等工藝參數(shù)。

在參考了美國水廠選用活性炭指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合一年多吸附試驗(yàn)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過認(rèn)真的分析比較，一期活性炭濾池選用了1.5mm柱狀炭和8×30目破碎炭?jī)煞N活性炭（主要指標(biāo)見表二）。其選用理由：一是以上兩種炭在吸附試驗(yàn)中均表現(xiàn)出較好的去除效果，二是希望進(jìn)一步比較不同規(guī)格、不同指標(biāo)活性炭在生產(chǎn)運(yùn)行中去除效果的差別。粒徑大于1.5mm的活性炭由于濾料之間間隙太大，影響處理效果基本不予考慮。參考了一期的運(yùn)行情況，二期選用的活性炭在主要指標(biāo)上作了一定的調(diào)整和優(yōu)化，大膽使用了粒徑更小的12×40目破碎炭（主要指標(biāo)見表二），這種炭由于粒徑小，重量輕，運(yùn)行維護(hù)比較麻煩，但粒徑越小，炭粒的間隙就越小，活性炭越容易吸附水中的物質(zhì)，處理效果也更好。

3、活性炭的投入

活性炭的吸附性能較強(qiáng)，因此在運(yùn)輸途中以及保存過程中嚴(yán)格要求采用防紫外線材料制成的牢固且不易破損的包裝袋，不可與揮發(fā)性物質(zhì)同時(shí)存放，以避免包裝袋破裂使活性炭暴露在空氣中，因?yàn)榛钚蕴咳菀孜娇諝庵械奈镔|(zhì)，影響使用效果。

活性炭的投入過程一般分以下幾個(gè)步驟：

① 投入前的濾池清洗?；钚蕴客度肭皩?duì)活性炭濾池需采取很嚴(yán)格的消毒措施，用出廠水將濾池內(nèi)的所有雜質(zhì)沖洗干凈，將濃度為15mg/L的氯水注入濾池，浸泡24小時(shí)后將氯水排出，反復(fù)將濾池沖洗干凈，直至沖洗出水不含余氯為止。

② 投入后的浸泡。投入活性炭后立即加入一定量不含余氯的濾后水，浸泡24小時(shí)以上，使活性炭濕透。歐美水廠一般將活性炭與水充分混合（在活性炭中加入15%左右的水），用泵打入濾池。這種方式便于活性炭的投入與取出，活性炭在投入過程中已經(jīng)濕透，但是該方式需要增加附屬設(shè)備及管道，濾池的造價(jià)相應(yīng)提高，并且在投入過程中炭粒之間有劇烈的摩擦，對(duì)其強(qiáng)度有很高的要求，考慮到實(shí)際情況，果園橋水廠并未仿效。

③ 沖洗。在浸泡過程中，所有的細(xì)小顆粒和未被浸透的炭會(huì)慢慢的浮上水面。經(jīng)數(shù)次反沖洗，炭層中的細(xì)小顆粒和未被浸透的炭得以去除，炭粒孔隙中的空氣被置換出來，使活性炭的吸附能力得以充分發(fā)揮。生產(chǎn)出來的活性炭一般呈堿性，沖洗后其PH值達(dá)到中性，不致于引起運(yùn)行時(shí)出水PH值超標(biāo)。

④ 炭床分層。反沖洗時(shí)沖洗強(qiáng)度需逐漸增加到炭床的膨脹率為30%左右，并穩(wěn)定保持10-15min。在此過程中， 炭床發(fā)生分層， 即大小顆粒重新分布， 細(xì)小的顆粒隨沖洗水流上升排出濾池。

4、活性炭濾池的運(yùn)行維護(hù)

4.1 對(duì)進(jìn)水濁度的控制。采用活性炭處理的目的是為了更有效的去除有機(jī)物，而不是為了截留懸浮固體， 一般控制炭濾池的進(jìn)水濁度小于3NTU， 否則容易造成炭床堵塞， 縮短吸附周期，因此在今后的運(yùn)行中對(duì)進(jìn)水濁度應(yīng)該提出更高的控制目標(biāo)。

4.2 對(duì)進(jìn)水余氯的控制?；钚蕴靠梢晕剿械挠嗦龋嗦葘?duì)活性炭表面的生物膜會(huì)產(chǎn)生較大的破壞，因此生產(chǎn)中需要控制活性炭濾池進(jìn)水不得有余氯。

4.3 保持活性炭吸附程度的相對(duì)均勻。活性炭濾池一般都采用方形池型，我們測(cè)量的反沖洗強(qiáng)度一般是指整格池的平均沖洗強(qiáng)度。方形池型在反沖洗時(shí)各個(gè)位置的沖洗強(qiáng)度并不一致，角上的沖洗強(qiáng)度相對(duì)較小，而池中間以及離反沖洗進(jìn)水管近的位置，沖洗強(qiáng)度相對(duì)較大，運(yùn)行一段時(shí)間后就會(huì)造成炭層面中間低、四周高，低的位置炭層較薄水頭損失較小，因此該處局部的濾速相對(duì)較大，運(yùn)行負(fù)荷的增加使炭層薄的地方活性炭的使用周期縮短，造成單格池內(nèi)活性炭在吸附飽和程度上的不均勻。因此在使用一段時(shí)間后需人工耙平，以保持池內(nèi)活性炭在吸附飽和程度上的相對(duì)均勻。二期活性炭濾池增加了氣沖系統(tǒng)，由于氣沖時(shí)炭粒處于完全膨脹狀態(tài)，炭層能在氣沖結(jié)束后保持比較均勻的厚度。

4.4 增加水中的溶解氧。成為生物活性炭取決于水溫、微生物利用的原水中所含基質(zhì)的種類、水中細(xì)菌的濃度和種類、反沖洗方式和反沖洗周期以及溶解氧。臭氧的投加較大的增加了水中的溶解氧，并且使進(jìn)入炭層內(nèi)部的水中留有一定的余臭氧，保證了炭層中生物的需要。去除有機(jī)物、氨氮需要消耗大量的溶解氧，通常在1：4以上，每氧化1mgNH₃-N為NO₂-N，需要消耗3.34mg的溶解氧，每氧化1mgNO₂-N為NO₃-N需要消耗1.14mg的溶解氧。經(jīng)過投加臭氧，濾前水溶解氧能保持在12-15mg/L，基本處于飽和狀態(tài)，使活性炭的生物作用得以穩(wěn)定發(fā)揮。

4.5 對(duì)反沖洗的控制。隨著活性炭濾池運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，炭粒表面及炭層中積累的生物和非生物顆粒的數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致炭粒間隙減小，水頭損失增加，影響活性炭濾池的出水水質(zhì)和產(chǎn)水量。如果反沖洗時(shí)炭層的膨脹率不足，下層的炭粒懸浮不起來，炭層就沖洗不干凈，如膨脹率過大，水流剪力就較小，炭粒不易碰撞，達(dá)不到?jīng)_洗效果。膨脹率隨著沖洗強(qiáng)度的增加而增加，沖洗強(qiáng)度過大，會(huì)造成炭粒的流失，由于反沖洗水的流速很大，會(huì)沖動(dòng)承托層，破壞其級(jí)配排列，使炭層和承托層卵石混合在一起，即不利于再生又影響出水水質(zhì)。合理的反沖洗可以充分除去過量的生物膜和截留的微小顆粒，而頻繁的反沖洗則使生物膜難以形成。因此反沖洗成為活性炭濾池運(yùn)行維護(hù)的關(guān)鍵，是保證活性炭濾池成功運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。一般需注意以下幾個(gè)方面：

① 至少采用砂濾池濾后水反沖洗，需要采用活性炭濾池出水，保證沖洗用水具有較低的濁度和較好的水質(zhì)，即可以使沖洗后的炭層比較潔凈又避免炭層在沖洗過程中的無效吸附。

② 保證合理的沖洗歷時(shí)、沖洗強(qiáng)度和膨脹率。我們以沖洗結(jié)束時(shí)排出水的濁度來作為沖洗強(qiáng)度和歷時(shí)是否達(dá)到?jīng)_洗目的的衡量標(biāo)準(zhǔn)。活性炭濾池反沖洗廢水中的微生物濃度一般不低于10⁵個(gè)/mL，因此將反沖洗廢水的濁度作為一項(xiàng)主要檢測(cè)指標(biāo)，一般以反沖洗廢水濁度≤5NTU作為反沖洗結(jié)束的前提。一般認(rèn)為25%~30%的膨脹率是比較合理的， 反沖洗強(qiáng)度與活性炭的粒徑有關(guān)，達(dá)到一定的膨脹率，粒徑越大所需的沖洗強(qiáng)度就越大，達(dá)到30%的膨脹率，1.5mm柱狀炭的沖洗強(qiáng)度為11L/s.m²，8×30目破碎炭的沖洗強(qiáng)度為10L/s.m²，12×40目破碎炭的沖洗強(qiáng)度為7.7L/s.m²。由于水塔水量的限制，在以上的沖洗強(qiáng)度條件下，1.5mm柱狀炭和8×30目破碎炭的濾格較多只能持續(xù)8分鐘的沖洗歷時(shí)，12×40目破碎炭的濾格較多只能持續(xù)10分鐘的沖洗歷時(shí)，一期活性炭以反沖洗廢水濁度＜5NTU作為反沖洗結(jié)束的前提，二期活性炭以反沖洗廢水濁度<3NTU作為反沖洗結(jié)束的前提，考慮到活性炭比較輕，反沖洗強(qiáng)度比較弱，在水塔水量允許的情況下應(yīng)盡量延長(zhǎng)其反沖洗歷時(shí)，以達(dá)到延長(zhǎng)沖洗周期、避免炭粒過度磨損的目的。因此我們?cè)趨⒄辗礇_洗歷時(shí)內(nèi)濁度變化（見表三、表四）的基礎(chǔ)上將一期沖洗歷時(shí)定為8分鐘，二期沖洗歷時(shí)定為10分鐘。

表三：一期活性炭濾池反沖洗歷時(shí)內(nèi)的濁度變化

表四：二期活性炭濾池反沖洗歷時(shí)內(nèi)的濁度變化（NTU）

③ 氣沖的運(yùn)用。在活性炭濾池運(yùn)行中不允許有氣水混沖這種沖洗方式，因?yàn)榛钚蕴勘戎匦≡跉馑鞗_時(shí)容易隨反沖洗廢水排出池外。在氣沖結(jié)束后，水沖開始前需要靜止3-5分鐘，以使氣沖時(shí)處于懸浮狀態(tài)的炭粒完全下沉。

4.6 反沖洗的分析

二期活性炭濾池在單水沖洗的基礎(chǔ)上增加了氣沖洗，較大的紊流氣體能預(yù)先沖松炭層并更好的沖刷活性炭表面的生物膜，單水反沖洗前增加氣沖洗可使炭粒表面的污物受到更為持久的剪力和剝離，使脫落污物的排出更為容易。在實(shí)際使用中，我們發(fā)現(xiàn)單水反沖洗時(shí)，反沖洗廢水呈褐色，說明脫落的生物膜比較多，氣沖時(shí)水體呈深黑色，在氣沖之后的水沖過程中反沖洗廢水呈淺黑色，夾雜著大量的微小炭粒，說明在氣沖過程中炭粒受到了劇烈的磨損，長(zhǎng)期氣沖必然會(huì)影響活性炭的強(qiáng)度，使其磨損程度越來越嚴(yán)重，因此氣沖洗只能作為反沖洗的一種輔助手段，以防止沖洗強(qiáng)度弱、沖洗周期長(zhǎng)以及生物膜的影響造成的活性炭板結(jié)，并去除附著在活性炭表面難以脫落的老膜，為此我們將氣沖洗周期設(shè)定為每月一次。

通過觀察反沖洗廢水發(fā)現(xiàn)，8×30目破碎炭由于具有不規(guī)則的形狀和粗糙的表面結(jié)構(gòu)，微生物容易依附在炭粒外表面上，生物膜比較多，常以水中有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)增殖形成的生物膜，對(duì)于可生物降解有機(jī)物具有去除作用，1.5mm柱狀炭的生物膜量相對(duì)少一些，12×40目破碎炭由于氣沖時(shí)氣體的劇烈沖刷生物膜量比較少。

我們對(duì)活性炭濾池的主要水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)（見表五、表六）。沖洗后初濾水的水質(zhì)相當(dāng)差，因此作為水處理工藝中的最后一道工序我們需要考慮初濾水的排放，盡量將各個(gè)濾池的沖洗時(shí)間錯(cuò)開，以避免出水水質(zhì)短時(shí)間超標(biāo)。

表五：一期活性炭濾池反沖洗前后的水質(zhì)情況

表六：二期活性炭濾池反沖洗前后的水質(zhì)情況

4.7 活性炭濾池的出水

活性炭濾池出水中較多粉末顆粒和一些脫落的生物膜隨水流帶出，影響出水的水質(zhì)，為保證出水水質(zhì)，一般在炭層與承托層之間增加數(shù)十公分的砂濾料，增加的砂濾料在反沖洗時(shí)容易與活性炭混合，活性炭再生時(shí)不允許有雜質(zhì)，因此混入活性炭的石英砂對(duì)再生會(huì)造成影響。

4.8 活性炭使用過程中主要指標(biāo)的變化

一期活性炭濾池投入運(yùn)行至今已近二年，在此期間我們對(duì)其主要指標(biāo)作了檢測(cè)（見表七）。

表七：一期活性炭運(yùn)行期間的主要指標(biāo)

隨著使用時(shí)間的增加，活性炭的主要吸附指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，堆積重則明顯增加，說明活性炭的吸附日漸飽和。

活性炭的吸附不僅受其孔隙結(jié)構(gòu)的影響，也受其表面化學(xué)性質(zhì)的影響，孔隙結(jié)構(gòu)及其各種表面氧化物的存在和比例，取決于活性炭的制造原理和制造工藝。經(jīng)過水蒸氣活化的煤質(zhì)活性炭一般呈堿性，使用后活性炭的PH值為5-6，呈酸性，堿性的表面化學(xué)性質(zhì)更有利于微生物的附著。

5、活性炭濾池運(yùn)行中存在的問題

5.1 活性炭濾池內(nèi)使用普通的國產(chǎn)電動(dòng)蝶閥，使用一段時(shí)間后，常發(fā)生閥門關(guān)不到位即關(guān)不死和開度發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象，使沖洗強(qiáng)度比原定值有所改變，達(dá)不到準(zhǔn)確控制的目的。

5.2 活性炭濾池采用敞開式，由于陽光的照射及溶解氧比較充足，池內(nèi)藻類較易生長(zhǎng)，椎實(shí)螺眾多，給活性炭濾池的清洗帶來較大的困難。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，藻類以及椎實(shí)螺的數(shù)量朝南濾格多于朝北濾格，東側(cè)濾格多于西側(cè)濾格，說明藻類、椎實(shí)螺的生長(zhǎng)與水溫、陽光密切有關(guān)。國外一般都建成封閉式，但封閉式不利于觀察、運(yùn)行維護(hù)以及活性炭的投入及取出。

6、結(jié)論

6.1 臭氧活性炭工藝是化學(xué)反應(yīng)、物理吸附以及微生物所進(jìn)行的生物降解相結(jié)合的過程，對(duì)水中污染物的去除有明顯的效果。活性炭過濾是深度處理工藝的最后階段，更是必不可少的環(huán)節(jié)。對(duì)活性炭合理的選型、投入以及對(duì)活性炭濾池合理的運(yùn)行維護(hù)是延長(zhǎng)活性炭使用周期以及保證出水水質(zhì)的關(guān)鍵。

6.2 對(duì)活性炭選型應(yīng)依據(jù)吸附試驗(yàn)。以去除效果的優(yōu)劣選擇活性炭的規(guī)格以及活性炭濾池的較佳炭層厚度、濾速、接觸時(shí)間、反沖洗時(shí)的膨脹率等工藝參數(shù)。

6.3 活性炭的投入應(yīng)經(jīng)過濾池凈化、炭粒浸泡、反沖洗等步序，確保其在使用中處于較佳運(yùn)行狀態(tài)。

6.4 活性炭濾池的運(yùn)行維護(hù)應(yīng)注重對(duì)進(jìn)水濁度、余氯的控制，保持活性炭吸附飽和程度的相對(duì)均勻，增加水中的溶解氧和把握好對(duì)反沖洗的控制等要素。