活性炭選用、失效判定及運行管理
除強度、水分等指標外，選擇活性炭的更重要指標是吸附性能，其與活性炭使用壽命、費用和出水水質等息息相關。通常，碘吸附值、亞甲基藍吸附值可作為活性炭表面微孔數(shù)量的表征，但不能完全反映活性炭處理水中有機物的能力，并且隨著活性炭使用年限的延長，碘值、亞甲藍值等反應吸附性能的指標會逐漸弱化。因此，在使用活性炭之前，結合具體水質對活性炭進行靜態(tài)吸附、動態(tài)穿透等試驗顯得十分重要。如能對水中有機物分布、活性炭表面性質進行更精確、微觀的分析，根據(jù)當?shù)啬繕怂|要求確定選型，將更有助于水廠選炭。
上海早在十五期間就已經(jīng)開展了臭氧－生物活性炭深度處理工藝研究，本文以楊樹浦水廠36萬m3/d的深度處理示范工程為例，針對臭氧活性炭深度處理工藝運行管理中的關鍵問題進行總結和研究，提出相應的運行管理建議。
楊樹浦水廠36萬m3/d的臭氧生物活性炭深度處理示范工程自2002年開始建設，2007年底完工并啟動調試，至2008年9月調試完成交付使用。建設前期，臭氧生物活性炭深度處理技術在上海水廠的應用并不廣泛，經(jīng)驗并不豐富，因此保守選擇了較高吸附指標的活性炭。為了進一步比較不同種類的活性炭在生產(chǎn)運行中的去除效果工業(yè)純水設備，選用了原煤破碎炭，柱狀破碎炭和壓塊破碎炭這三種不同種類的活性炭，從活性炭吸附性能、機械強度和水質處理效果等多方面進行系統(tǒng)分析不同活性炭間的差異。
1 不同種類活性炭的應用效能比較
1.1 吸附性能對比
在當時活性炭應用還不是很廣泛的情況下，為了進一步比較不同規(guī)格活性炭在生產(chǎn)運行中去除效果的差別，楊樹浦水廠選用了不同的碘值和亞甲藍值、不同規(guī)格的活性炭。作為對比試驗的活性炭吸附指標均較高，3種類型炭的碘值都＞1 000 mg/g。根據(jù)近年來水廠深度處理工藝的實踐經(jīng)驗可知，并非碘值和亞甲藍值越高，活性炭對水中有機物的去除效果就越好，這兩者并無必然的對應關系，如表1、表2所示。不同吸附值的顆粒活性炭在投入運行初期的處理效果可能略有差異，但中后期的效果幾乎無差別。
由表1、表2可知，3格炭池中新炭的碘值都＞1 000 mg/L，亞甲藍值約200 mg/L，運行2年后，活性炭的碘值、亞甲藍值吸附指標均下降到了較低的程度，降幅約50%。使用2年后活性炭的碘值約500~600 mg/g，亞甲基藍值約100~110 mg/g。運行5年后的碘值和亞甲蘭值進一步降低，碘值降到了約200 mg/g，亞甲基藍值<75mg/g。運行6年后的活性炭碘值基本比運行5年的活性炭降低約50 mg/g，運行7年多的活性炭碘值下降幅度逐漸減緩，僅比運行6年多的活性炭降低約20 mg/g。
總體而言，隨著活性炭運行時間的延長，碘值及亞甲基藍值均呈下降趨勢，運行初期的降幅遠大于中后期，說明初期活性炭以吸附為主，而中后期的吸附作用減弱，此時以生物作用為主。
表1 臭氧生物活性炭中活性炭碘值變化
表2 臭氧生物活性炭中活性炭亞甲基藍值變化
根據(jù)國內(nèi)的使用經(jīng)驗，當活性炭碘吸附值≤600 mg/g時，表明活性炭的吸附性能很差，由此說明在生物活性炭處理的中后期，吸附作用已不占據(jù)主導地位，以生物降解作用為主，但是炭池運行后期，活性炭對有機物的去除效果變化較小，如圖1所示。運行了已有7年時間的炭池高錳酸鹽指數(shù)去除率穩(wěn)定在20%左右，且各炭池出水CODMn濃度仍在1 mg/L左右。因此僅采用碘值與亞甲藍值作為炭柱運行的控制指標是欠妥的，還應該考慮炭池出水水質指標，進行活性炭換炭或再生的判斷。
圖1 各炭池不同運行時間對CODMn的去除效果
1.2 機械強度對比
活性炭的強度與活性炭的使用壽命有一定的關系，活性炭應保證足夠的機械強度，沖洗時耐磨損，損耗率較小。由表3可知，舊炭雖然使用了多年工業(yè)純水設備，但強度仍較高，高于國家標準規(guī)定的90%，使用年限對活性炭強度的影響不大。
表3 炭樣的強度對比
1.3 處理效果對比
1.3.1 耗氧量
由圖1還可知，在臭氧活性炭工藝運行初期，各炭池對CODMn的去除率均高達50%以上，此時活性炭濾池的運行主要處于吸附期。隨著運行時間的延長，活性炭吸附逐漸飽和，運行2年后，各炭池對CODMn的去除率均下降了30%左右，去除率約20%，此時生物活性炭濾池的有機物去除主要以生物降解作用為主。隨著活性炭運行的時間延長，炭池對有機物的去除效果變化較小。
1.3.2 UV254
活性炭的種類和UV254去除效果并無對應關系，運行初期的柱狀破碎炭對UV254去除率最高，為65.12%；原煤破碎炭去除率最低，為53.49%。運行2年后，3個炭池UV254去除率范圍為26.6%~40.2%，原煤破碎炭去除率依然最低。運行5年后，3個炭池UV254去除率均在20%以下。總體而言，三種活性炭對UV254的去除效果差異性不是很顯著，壓塊破碎炭對UV254的去除效果略優(yōu)于其他兩種活性炭。
圖2 各炭池不同運行時間對UV254的去除效果
2 活性炭的失效判定指標探討
當活性炭使用目標是以吸附水中有機物污染物為主時，活性炭的失效指標以碘吸附值為主；當活性炭使用目標是以生物降解水中有機物污染物為主時，活性炭的失效指標以炭池出水特征水質指標為主，以活性炭本身的粒度、強度指標為輔。目前判定活性炭失效主要是依據(jù)出水水質、取樣檢測等方法，每一種方法都要在保證出水水質合格的前提下進行。
2.1 水質目標判據(jù)
活性炭濾池通常處于水處理工藝的后端，活性炭濾池出水應設置質量控制點，對出水渾濁度、pH值、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、溴酸鹽和微生物指標等進行監(jiān)測，當活性炭不能保證合格的出水水質時，可判定活性炭失效。活性炭失效的評價指標應主要以處理后水質能否穩(wěn)定達到水質目標為依據(jù)，并考慮活性炭剩余吸附能力是否適應水質突變的情況。活性炭濾池高錳酸鹽指數(shù)去除率＜15%，或出廠水三鹵甲烷指標與常規(guī)處理相比下降率＜30%，或出廠水水質指標無法達到本公司內(nèi)控標準時，應考慮部分或全部更換新炭、再生。目前我國大部分凈水廠采用以出水水質為依據(jù)來判斷是否需換炭，這種方法簡單易行且相對可靠，但也存在出水水質不合格的風險。在沒有更好的方法取代它之前工業(yè)純水設備，建議采用此種方法。
2.2 性能指標判據(jù)
定期檢測炭池內(nèi)活性炭的碘吸附值、亞甲基藍吸附值、粒度、強度等指標。當其數(shù)值低于某一限定值時，就需換炭。就楊樹浦水廠活性炭而言，在使用多年后強度依然較高，各格炭池中的活性炭強度都≥95%，且粒度集中在12×40目，炭池運行過程中未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此，從活性炭粒度、強度指標角度分析來看，各格炭池仍可繼續(xù)使用。
2.3 目標污染物判據(jù)
在試驗期間臭氧活性炭出水各項水質指標均達標，活性炭更新時機的選擇目前在國內(nèi)沒有定論，大部分水廠的活性炭池已連續(xù)運行3~7年，對耗氧量的去除率維持在20%~30%，出水耗氧量能夠滿足＜3 mg/L的標準。活性炭的最長使用時間已達7年以上，大部分水廠之所以未進行再生或換新炭，是由于臭氧生物活性炭仍具有一定的去除污染物作用，且深度處理出水水質達到GB 5749—2006的要求。但當原水水質波動較大，存在突發(fā)性的污染物時，如藻類爆發(fā)時產(chǎn)生的嗅味問題，此時老炭對目標污染物的去除及抗沖擊能力如何就顯得非常重要。因此，建議各地結合實際，根據(jù)水源水質以及監(jiān)控目標差異，可選擇嗅味、抗生素、農(nóng)藥以及標準外消毒副產(chǎn)物等作為更換活性炭的依據(jù)，對目標污染物進行監(jiān)測，實現(xiàn)從供“合格水”向“高品質水”的轉變。
3 活性炭池運行與管理探討
3.1 監(jiān)測
a）定期檢測炭池進出水的CODMn、UV254、微型動物每月1~2次，確保出廠水水質指標滿足公司內(nèi)控標準的要求。當已出現(xiàn)微型生物泄漏且影響出水水質時，應停運生物活性炭濾池并查找原因，必要時應采用次氯酸鈉溶液浸泡石英砂濾池，高濃度臭氧水浸泡活性炭濾池，經(jīng)沖洗合格后再投入使用。
b）每年應測定1次活性炭濾池主要運行參數(shù)，包括：各組濾池活性炭層高度、濾速、沖洗強度、膨脹率等。每年應做1次濾層抽樣檢查，同類型的炭濾池（活性炭使用情況基本相同的炭濾池屬于同類型炭濾池）抽檢率不應低于20%，對活性炭碘值、強度、粒徑等指標進行檢測，防止粒度、強度不斷減小導致的跑炭和堵塞濾池現(xiàn)象。
3.2 反沖洗
生物活性炭應保持一定的生物量，頻繁的反沖洗不利于生物生長，活性炭濾池沖洗周期應根據(jù)水頭損失、濾后水渾濁度、微生物和運行時間確定，不同水源、不同季節(jié)生物活性炭沖洗周期不同，冬季沖洗周期一般為5~7
d，夏季一般為3~5 d。當活性炭濾池出現(xiàn)下列情況時，宜加大沖洗強度、增加沖洗頻率或延長沖洗時間保證沖洗效果。
a）沖洗過程中發(fā)現(xiàn)表面炭層板結。
b）活性炭濾池水頭損失過大。
c）沖洗后，出水渾濁度高于控制值。
d）沖洗后，初濾水渾濁度高于控制值，此時初濾水應停止回用。
3.3 活性炭更新與再生
活性炭是否繼續(xù)使用主要依據(jù)活性炭是否破損、是否影響過濾。如耗氧量去除率＜15%，則不需要全部換炭，換部分炭即可。當發(fā)現(xiàn)濾池炭層凹陷時，應立即停池并檢查漏炭原因，如濾頭是否損壞、沖洗是否跑炭、濾板結構是否損壞等。當濾料損失率＞10%時，應補炭至炭層設計厚度。
當活性炭失效后，應根據(jù)活性炭新炭采購價格、舊炭再生工程費用和活性炭更新周期，確定采取全部更換新炭或全部再生恢復吸附效能的方案。也可以考慮部分再生或部分更換新炭的可行性。當炭池需更換新炭時，建議選用8×30目柱狀破碎炭或壓塊破碎炭，碘值大于900 mg/g。根據(jù)近些年再生炭以及其他吸附指標活性炭的應用實踐，選用碘值900 mg/g或950 mg/g的顆粒活性炭在投入運行初期的處理效果比碘值大于1 000 mg/g的活性炭要略微差一些，但運行到中后期對有機物的去除效果幾乎沒有差別。當考慮活性炭再生時，宜選用8×30目柱狀炭或壓塊炭進行再生工業(yè)純水設備，不宜選用原煤破碎炭和12×40目的顆粒炭進行再生，易造成再生完的炭粒度和強度過小，從而導致運行過程中跑炭和堵塞濾池現(xiàn)象的發(fā)生。
3.4 活性炭全生命周期管理
水廠建立活性炭應用檔案，從選用、失效、更換等活性炭全生命周期進行優(yōu)化運行、科學管理，真正做到活性炭應用的流程化、標準化、精細化，實現(xiàn)節(jié)能降耗、優(yōu)質供水。
總結
安全供水、提高飲用水品質已成為全球范圍內(nèi)共同關注的話題。活性炭吸附作為給水深度處理的重要手段，因其高效吸附性和經(jīng)濟性而被廣泛應用。研究活性炭選型、失效判定及運行管理，對于水廠深度處理改造是一個重要課題，能進一步發(fā)揮活性炭在給水深度處理中的作用，從而早日實現(xiàn)優(yōu)質飲用水目標。更多環(huán)保及純水處理設備資訊請關注皙全蘇州純水設備網(wǎng)。
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