活性炭的吸附性能，活性炭作用原理，億洋活性炭活性炭在水處理濾池的應(yīng)用
近年來，水被有機(jī)污染的程度越來越嚴(yán)重（見表一）。在人們對生活質(zhì)量的需求不斷提升的前提下，對飲用水質(zhì)量的要求也越來越高。針對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。深度處理中的臭氧活性炭工藝是目前處理微污染源水最有效的手段之一，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)。對活性炭濾池科學(xué)的運行維護(hù)能夠有效的提高供水水質(zhì)、節(jié)省制水成本、延長活性炭的使用周期。
2003年源水水質(zhì)情況
表1
項目名稱
色度（度）
氨氮（mg/L）
總鐵（mg/L）
錳（mg/L）
CODMn（mg/L）
最大
40
5.00
2.80
0.472
8.90
平均
19
1.23
1.14
0.228
5.52
1活性炭應(yīng)用工藝概況
1.1工藝原理
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。
臭氧的氧化能力極強(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(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，特別是對致突變物質(zhì)及氯化致突變物前驅(qū)低了出水的致突變活性。
許多實驗研究證明，為了抑制飲用水中大腸桿菌的生長，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)水也獲得了更長的保質(zhì)期。
1.2 工程概況
水質(zhì)作為一個技改項目在市人大會議上提出，并列為桐鄉(xiāng)市2003年為民辦實事的十件大事之一。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。
1.3 設(shè)計參數(shù)
臭氧投加點在活性炭過濾之前，根據(jù)實際水質(zhì)情況投加量為1～3mg/L，臭氧接觸時間為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的結(jié)果，活性炭濾池的1.8m、濾速8m/h、接觸時間13.5min。
在活性炭濾池設(shè)計中，幾個重要的工藝參數(shù)特別需要引起重視：
?、贋V速。它是影響水質(zhì)和運行管理的一項重要指標(biāo)，與進(jìn)水流量（即生產(chǎn)規(guī)模）和濾池面積有關(guān)，因此在正常運行中無法調(diào)整濾速，設(shè)計時首先必須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值表示單位時間內(nèi)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。
?、叟潘劬嚯x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(jù)果園橋水廠現(xiàn)場實測，氣沖洗時由于濾板下產(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間，經(jīng)數(shù)次反沖洗炭層日漸蓬松，炭層厚度較剛投入時增加約加炭層高度，設(shè)計時應(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，對活性炭的選型必須進(jìn)行吸附試驗，速、接觸時間、反沖洗時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)合一年多吸附試驗的運行經(jīng)驗，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目破碎炭兩種活性炭（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(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，運行維護(hù)比較麻煩，但粒徑易吸附水中的物質(zhì)，處理效果也更好。
活性炭的投入
活性炭的吸附性能極強(qiáng)，因此在運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在空氣中，因為活性炭容易吸附空氣中的物質(zhì)，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?；钚蕴客度肭皩钚蕴繛V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(jīng)濕透，但是該方式需要增加附屬設(shè)備及管道，濾池的造價相應(yīng)提高，并且高的要求，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(xì)小顆粒和未被浸透的炭會慢慢的浮上水面。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?？紫吨械目諝獗恢脫Q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)到行時出水PH值超標(biāo)。
（4）炭床分層。反沖洗時沖洗強(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池。
4活性炭濾池的運行維護(hù)
（1）對進(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)水濁度此在今后的運行中對進(jìn)水濁度應(yīng)該提出更高的控制目標(biāo)。
（2）對進(jìn)水余氯的控制?；钚蕴靠傻钠茐?，因此生產(chǎn)中必須控制活性炭濾池進(jìn)水不得有余氯。
（3）保持活性炭吸附程度的相對均勻?；钚蕴繛V池一般都采用方形池型，我們測量的反沖洗強(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各個位置的沖洗強(qiáng)度并不一致，角上的沖洗強(qiáng)度相對較小，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(fù)荷的增大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均勻。二期活性炭濾池增加了氣沖系統(tǒng)，由于氣沖時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）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。臭氧的投加極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1mgN02—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。
?。?）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(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)度的增大而增大，沖洗強(qiáng)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(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行維護(hù)的關(guān)鍵，是保證活性炭濾池成功運行的一個重要環(huán)節(jié)。
一般需注意以下幾個方面：
a. 至少采用砂濾池濾后水反沖洗，最好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。
b. 保證合理的沖洗歷時、沖洗強(qiáng)度和膨脹率。我們以沖洗結(jié)束時排出水的濁度來作為沖洗強(qiáng)度和歷時是否達(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/mL，因此將反沖洗廢水的濁度作為一項主要檢測指標(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目破碎炭的濾格最多只能持續(xù)8分鐘的沖洗歷時，12×40目破碎炭的濾格最多只能持續(xù)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(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)盡量延長其反沖洗歷時，以達(dá)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(nèi)濁度變化（見表三、表四）的基礎(chǔ)上將一期沖洗歷時定為8分鐘，二期沖洗歷時定為10分鐘。
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