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行維護情況。通過對活性炭濾池不同規格活性炭運行情況進行系統的跟蹤分析，摸索活性炭濾池的運行維護管理經驗，旨在優化活性炭濾池的運行，為今后的設計和運行管理提供借鑒。

0、前言

近年來，該果園橋水廠供水水源的大運河支流康涇塘受到有機污染的程度越來越嚴重（見表一）。在人們對生活質量的需求不斷提升的前提下，對飲用水質量的要求也越來越高。針對日益惡化的源水水質，采用預處理及深度處理工藝成為提高供水水質的必要手段，也是今后國內水處理發展的趨勢。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，在國內外研究應用已有70多年歷史。活性炭過濾是深度處理工藝的最后階段，更是必不可少的環節。對活性炭濾池科學的運行維護能夠有效的提高供水水質、節省制水成本、延長活性炭的使用周期。果園橋水廠對此有多年的實踐，有必要作一次總結。

表一2003年源水水質情況

1、工藝概況

臭氧活性炭深度處理工藝利用臭氧的強氧化性改變大分子有機物的性質和結構、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物，達到凈化水質的目的。

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

活性炭對分子量在1500以下的環狀化合物、不飽和化合物以及分子量在數千以上的直鏈化合物（糖類）有較強的吸附能力，對去除腐殖酸、異臭、色度、農藥、烴類有機物、有機氯化物、洗滌劑等有很好的效果，特別是對致突變物質及氯化致突變物前驅物的良好吸附，進一步降低了出水的致突變活性。

許多實驗研究證明，為了控制飲用水中大腸桿菌的生長，需要達到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，在常規處理之后進行生物處理對致突物有一定的去除效果，使出水達到更好的生物穩定性，管網水也獲得了更長的保質期。

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

臭氧投加點在活性炭過濾之前，根據實際水質情況投加量為1-3mg/L，臭氧接觸時間為15min。活性炭濾池分為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炭層進行反沖洗，通過調節反沖洗閥門的開度來控制反沖洗強度，二期活性炭濾池在單水反沖洗的基礎上增加了氣沖洗。

結合果園橋水廠吸附試驗的結果，活性炭濾池的工藝參數確定為單格面積48m²、炭層厚度1.8m、濾速8m/h、接觸時間13.5min。

在活性炭濾池設計中，幾個重要的工藝參數特別需要引起重視：

① 濾速。它是影響水質和運行管理的一項重要指標，與進水流量（即生產規模）和濾池面積有關，因此在正常運行中無法調整濾速，設計時首先需要考慮選擇合理的濾速。在一定的炭層厚度條件下，濾速越慢接觸時間越長，接觸時間越長則活性炭的吸附效果越好，出水水質越佳。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值作為衡量標準。SV值表示單位時間內單位體積活性炭的處理水量，SV=Q/Cv，Q為每小時處理水量（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炭粒流失，間距過大則不利于反沖洗廢水及時排出，還會多消耗反沖洗用水。根據果園橋水廠現場實測，氣沖洗時由于濾板下產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間，經數次反沖洗炭層日漸蓬松，炭層厚度較剛投入時增加約15cm左右，再考慮到以后補充新炭增加炭層高度，設計時應適當留有余地。

2、活性炭的選型

活性炭是一種經過氣化（炭化、活化），具有豐富孔隙結構和巨大比表面積的炭質吸附材料。活性炭的吸附是水中污染物質在其表面的富集或濃縮。

因原水水質和活性炭產品的性能差異較大，對活性炭的選型需要進行吸附試驗，以選擇活性炭的規格指標及較佳的炭層厚度、濾速、接觸時間、反沖洗時的膨脹率等工藝參數。

在參考了美國水廠選用活性炭指標的基礎上，結合一年多吸附試驗的運行經驗，經過認真的分析比較，一期活性炭濾池選用了1.5mm柱狀炭和8×30目破碎炭兩種活性炭（主要指標見表二）。其選用理由：一是以上兩種炭在吸附試驗中均表現出較好的去除效果，二是希望進一步比較不同規格、不同指標活性炭在生產運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。參考了一期的運行情況，二期選用的活性炭在主要指標上作了一定的調整和優化，大膽使用了粒徑更小的12×40目破碎炭（主要指標見表二），這種炭由于粒徑小，重量輕，運行維護比較麻煩，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，處理效果也更好。

3、活性炭的投入

活性炭的吸附性能較強，因此在運輸途中以及保存過程中嚴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，不可與揮發性物質同時存放，以避免包裝袋破裂使活性炭暴露在空氣中，因為活性炭容易吸附空氣中的物質，影響使用效果。

活性炭的投入過程一般分以下幾個步驟：

① 投入前的濾池清洗。活性炭投入前對活性炭濾池需采取很嚴格的消毒措施，用出廠水將濾池內的所有雜質沖洗干凈，將濃度為15mg/L的氯水注入濾池，浸泡24小時后將氯水排出，反復將濾池沖洗干凈，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濕透，但是該方式需要增加附屬設備及管道，濾池的造價相應提高，并且在投入過程中炭粒之間有劇烈的摩擦，對其強度有很高的要求，考慮到實際情況，果園橋水廠并未仿效。

③ 沖洗。在浸泡過程中，所有的細小顆粒和未被浸透的炭會慢慢的浮上水面。經數次反沖洗，炭層中的細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揮。生產出來的活性炭一般呈堿性，沖洗后其PH值達到中性，不致于引起運行時出水PH值超標。

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

4、活性炭濾池的運行維護

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

4.2 對進水余氯的控制。活性炭可以吸附水中的余氯，余氯對活性炭表面的生物膜會產生較大的破壞，因此生產中需要控制活性炭濾池進水不得有余氯。

4.3 保持活性炭吸附程度的相對均勻。活性炭濾池一般都采用方形池型，我們測量的反沖洗強度一般是指整格池的平均沖洗強度。方形池型在反沖洗時各個位置的沖洗強度并不一致，角上的沖洗強度相對較小，而池中間以及離反沖洗進水管近的位置，沖洗強度相對較大，運行一段時間后就會造成炭層面中間低、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較大，運行負荷的增加使炭層薄的地方活性炭的使用周期縮短，造成單格池內活性炭在吸附飽和程度上的不均勻。因此在使用一段時間后需人工耙平，以保持池內活性炭在吸附飽和程度上的相對均勻。二期活性炭濾池增加了氣沖系統，由于氣沖時炭粒處于完全膨脹狀態，炭層能在氣沖結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的種類、水中細菌的濃度和種類、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，并且使進入炭層內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，使活性炭的生物作用得以穩定發揮。

4.5 對反沖洗的控制。隨著活性炭濾池運行時間的延長，炭粒表面及炭層中積累的生物和非生物顆粒的數量不斷增加，導致炭粒間隙減小，水頭損失增加，影響活性炭濾池的出水水質和產水量。如果反沖洗時炭層的膨脹率不足，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，達不到沖洗效果。膨脹率隨著沖洗強度的增加而增加，沖洗強度過大，會造成炭粒的流失，由于反沖洗水的流速很大，會沖動承托層，破壞其級配排列，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。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行維護的關鍵，是保證活性炭濾池成功運行的一個重要環節。一般需注意以下幾個方面：

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

表三：一期活性炭濾池反沖洗歷時內的濁度變化

表四：二期活性炭濾池反沖洗歷時內的濁度變化（NTU）

③ 氣沖的運用。在活性炭濾池運行中不允許有氣水混沖這種沖洗方式，因為活性炭比重小在氣水混沖時容易隨反沖洗廢水排出池外。在氣沖結束后，水沖開始前需要靜止3-5分鐘，以使氣沖時處于懸浮狀態的炭粒完全下沉。

4.6 反沖洗的分析

二期活性炭濾池在單水沖洗的基礎上增加了氣沖洗，較大的紊流氣體能預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。在實際使用中，我們發現單水反沖洗時，反沖洗廢水呈褐色，說明脫落的生物膜比較多，氣沖時水體呈深黑色，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，長期氣沖必然會影響活性炭的強度，使其磨損程度越來越嚴重，因此氣沖洗只能作為反沖洗的一種輔助手段，以防止沖洗強度弱、沖洗周期長以及生物膜的影響造成的活性炭板結，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定為每月一次。

通過觀察反沖洗廢水發現，8×30目破碎炭由于具有不規則的形狀和粗糙的表面結構，微生物容易依附在炭粒外表面上，生物膜比較多，常以水中有機物為營養增殖形成的生物膜，對于可生物降解有機物具有去除作用，1.5mm柱狀炭的生物膜量相對少一些，12×40目破碎炭由于氣沖時氣體的劇烈沖刷生物膜量比較少。

我們對活性炭濾池的主要水質指標進行了檢測（見表五、表六）。沖洗后初濾水的水質相當差，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，盡量將各個濾池的沖洗時間錯開，以避免出水水質短時間超標。

表五：一期活性炭濾池反沖洗前后的水質情況

表六：二期活性炭濾池反沖洗前后的水質情況

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，為保證出水水質，一般在炭層與承托層之間增加數十公分的砂濾料，增加的砂濾料在反沖洗時容易與活性炭混合，活性炭再生時不允許有雜質，因此混入活性炭的石英砂對再生會造成影響。

4.8 活性炭使用過程中主要指標的變化

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

表七：一期活性炭運行期間的主要指標

隨著使用時間的增加，活性炭的主要吸附指標均呈下降趨勢，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構的影響，也受其表面化學性質的影響，孔隙結構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。經過水蒸氣活化的煤質活性炭一般呈堿性，使用后活性炭的PH值為5-6，呈酸性，堿性的表面化學性質更有利于微生物的附著。

5、活性炭濾池運行中存在的問題

5.1 活性炭濾池內使用普通的國產電動蝶閥，使用一段時間后，常發生閥門關不到位即關不死和開度發生錯位現象，使沖洗強度比原定值有所改變，達不到準確控制的目的。

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，池內藻類較易生長，椎實螺眾多，給活性炭濾池的清洗帶來較大的困難。經過觀察發現，藻類以及椎實螺的數量朝南濾格多于朝北濾格，東側濾格多于西側濾格，說明藻類、椎實螺的生長與水溫、陽光密切有關。國外一般都建成封閉式，但封閉式不利于觀察、運行維護以及活性炭的投入及取出。

6、結論

6.1 臭氧活性炭工藝是化學反應、物理吸附以及微生物所進行的生物降解相結合的過程，對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，更是必不可少的環節。對活性炭合理的選型、投入以及對活性炭濾池合理的運行維護是延長活性炭使用周期以及保證出水水質的關鍵。

6.2 對活性炭選型應依據吸附試驗。以去除效果的優劣選擇活性炭的規格以及活性炭濾池的較佳炭層厚度、濾速、接觸時間、反沖洗時的膨脹率等工藝參數。

6.3 活性炭的投入應經過濾池凈化、炭粒浸泡、反沖洗等步序，確保其在使用中處于較佳運行狀態。

6.4 活性炭濾池的運行維護應注重對進水濁度、余氯的控制，保持活性炭吸附飽和程度的相對均勻，增加水中的溶解氧和把握好對反沖洗的控制等要素。