活性炭吸附池工藝設計的探討
摘要：本文結合水廠活性炭吸附池工藝設計的調整過程，探討了當前活性炭吸附池工藝設計中普遍關注的問題，包括池型、濾層結構、沖洗方式及沖洗水源等，同時簡要介紹了目前我國活性炭吸附池的應用情況。
關鍵詞：活性炭 吸附池 設計
1 水廠活性炭吸附池工藝設計概況
水廠擴（改）建工程于1999年開始方案設計，2003年被確定為國家“863”課題“南方地區安全飲用水保障技術”的示范工程（以下簡稱示范工程），水廠擴建工程規模20萬m3/d，改建工程規模32萬m 3/d，其中常規凈化構筑物按新增20萬m3/d規模設計，預處理、深度處理、污泥處理按新建52萬m3/d規模設計。工程于2003年8月開工建設，目前正在建設中。
示范工程以東深引水和東部供水兩大水源系統為水源。東深引水水源受到生活性有機污染，氨氮、亞硝酸鹽、生化需氧量（BOD5）、耗氧量（KMnO4法）、溶解氧等項目超標。雖然東深引水工程經沙灣生物硝化預處理后，主要控制指標氨氮去除效果良好，實測值可基本符合《生活飲用水水源水質標準》二級水源水質標準，但去除效果不穩定，實測氨氮值和總磷值時有超標。而且即使硝化后，N、P等營養物質仍殘留水中，為藻類等水生植物的繁殖提供了條件。 示范工程出水水質執行《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》第一類水司的88項指標，同時課題要求下列指標達到：出廠水濁度低于0.1NTU；高錳酸鹽指數低于2mg/L；氨氮低于0.5mg/L。常規凈化工藝難以滿足原水水質不斷惡化、水源微污染日益嚴重同時出水水質日趨嚴格的要求。國內外大量的研究試驗和工程實踐證明，采用臭氧-活性炭深度處理工藝可以有效地去除水的色、嗅、味，降解有機物，滅活細菌和病原微生物，對消毒副產物及其前體物具有很好的去除效果，對內分泌干擾物及其前體物具有一定的控制作用，可明顯降低水的致突變活性，并提高水的生物穩定性，使飲用水水質得到極大改善，因此示范工程確定采用臭氧-活性炭吸附深度處理工藝。
由于方案設計時，尚無正式頒布的活性炭吸附池設計的國家級或行業規范，可借鑒的同類型工程也很少，因此主要參照北京市第九水廠活性炭吸附池的型式、反沖洗水力特性并結合水廠新建、擴建系統豎向及平面布置進行設計。
活性炭吸附池按32萬m3/d和20萬m3/d規模分為兩個系統，并與臭氧接觸池、臭氧制備間組合布置為集團式構筑物。
活性炭吸附池采用重力式、恒水位、恒速過濾，雙排布置，利用新建濾池濾后水重力反沖洗。采用小阻力配水系統。
采用直徑為 1.5mm，長2～3 mm的柱狀炭，干容重 0.495t/m3 ,吸水飽和后的密度為1.28t/m3。
初步設計主要工藝參數見表1。
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隨著863課題研究的深入和認識水平的不斷提高，示范工程在炭池形式、濾料組成、反沖洗方式以及沖洗水源等方面均做了較大幅度的調整，這一調整既順應了供水行業對深度處理的客觀需求，也反映了人們對炭吸附池設計的認識過程。
2 活性炭吸附池工藝設計的調整要點
2.1 池型
我國已建或在建水廠活性炭吸附池以普通快濾池為基本池型，多采用降流形式，在對進出水閥門及控制方式、濾層及承托層組成、沖洗及沖洗排水方式以及配水系統不斷改進的基礎上，形成虹吸濾池、V型濾池和翻板濾池等多種池型。見表2。
表2 國內部分水廠活性炭吸附池池型
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活性炭吸附池選型應根據處理規模、構筑物的銜接方式等因素、結合工程地形條件等，通過技術經濟比較后確定。
虹吸濾池的進水、出水采用虹吸管代替閥門，變水位等速過濾，濾池運行由水力自動控制，可利用自身出水重力反沖洗，不需要沖洗水泵、鼓風機等設備。適用于水量2～10m3/d的中型水廠。
V型濾池采用均質深濾層、恒水位、恒濾速過濾，具有氣、水反沖洗和表面掃洗，沖洗效果好，運行穩妥可*，適用于大、中型水廠，單池面積可達150m2以上。目前已在我國很多水廠的砂濾池中使用，但用于活性炭吸附池的建成實例較少。
示范工程炭池原設計綜合V型濾池的進出水閥門組形式及控制方式，均質深濾層、恒水位、恒濾速過濾等特點，但配水采用短柄濾頭小阻力系統，只有水沖洗，沒有氣沖。池內設置中央進水渠和U型進水支渠（槽），兼進水配水和沖洗排水集水功能。
翻板濾池具有均質深濾層、恒水位、恒濾速過濾的特點，來水經進水堰均勻進入濾池，濾后水經橫向的集水管、縱向垂直管列組匯入集水槽至出水管。濾池采用氣沖、氣水沖、水沖三個階段沖洗（水沖洗強度可達15～16L/m2·s），沖洗廢水通過位于炭層上方的排水舌閥（板）排出，由于排水舌閥的內側底高于濾料層0.15～0.20m，而且排水閥板是在反沖洗結束，濾料沉降20s后再逐步開啟，從而濾料流失的幾率較小。因此翻板濾池具有沖洗強度大，濾料沖洗干凈且不易流失的特點，彌補了活性炭濾料輕易流失的不足。根據建設單位意見，施工圖設計階段將炭吸附池改為翻板濾池。
目前歐洲各國有300多家水廠采用翻板濾池，我國僅在昆明市自來水公司第七水廠（掌鳩河水廠）的砂濾池采用翻板濾池，該濾池現已竣工，目前尚未通水。
以上幾種活性炭池型在技術上均可行，設計可根據具體情況選用不同的池型。
2.2 濾層結構
與我國目前大多數建成使用的炭池相同，示范工程在最初設計時也是采用單層活性炭結構。但在試驗研究發現，對于去除水中可生物降解有機物、氨氮和亞硝酸鹽氮，以及提高水的生物穩定性等都是主要依*生物活性炭工藝來完成。而在運行過程中，脫落的生物膜影響出水水質，甚至出現濁度和細菌總數比砂濾池上升的情況。由于生物活性炭工藝在發揮生物作用和去除濁度方面往往難以兼顧，因此，研究石英砂墊層對生物活性炭工藝的補充與屏障作用具有重要的意義。
采用活性炭下鋪設石英砂墊層的辦法簡易可行，在歐洲也有實際應用。深圳水司對此進行了試驗研究，在厚度2.0m的柱狀活性炭下部鋪設粒徑范圍為0.8～1.2mm，厚度為300mm的石英砂。結果表明，經過石英砂墊層，活性炭出水濁度降低幅度多在0.02NTU左右；對生物活性炭池反沖洗前后細菌總數的分析比較發現，反沖洗前（連續運行三周），石英砂墊層對水中細菌的截留作用減弱，沖洗后，可恢復對水中細菌的部分截留作用；在加氯量1.25mg/L條件下，活性炭出水和砂墊層出水的余氯值基本相近，經加氯消毒，細菌總數均為未檢出。因此認為在生物活性炭底部加石英砂墊層對保障活性炭出水濁度有積極的作用，并對生物活性炭處理微生物的安全性具有屏障作用。
參照這一試驗結果，正在建設的梅林水廠活性炭吸附池設計采用2.0m炭層下鋪設0.3m石英砂的濾層結構。示范工程也擬將炭層厚度改為2.1m，接觸時間相應調整為13.3min（新建）和8.4min（擴建），并增加粒徑范圍為0.6～1.0mm、厚度為0.3m的石英砂墊層。
在接觸時間和吸附池過濾面積一定的情況下，炭層下增加石英砂墊層會增加池深和水頭損失。在同一沖洗強度下，由于二者的比重及濾層級配不同，膨脹率不同，沖洗后會出現一定程度的濾層混摻。因此，應通過進一步的技術經濟比較以及必要的試驗，確定合理的池深及適當的反沖洗強度。
2.3 沖洗方式及沖洗水源
在活性炭深度處理工藝中，炭池反沖洗的效果直接影響炭池的運行。生物活性炭濾池運行一定時間后，活性炭吸附能力降低，老化的生物膜脫落，顆粒物在炭粒表面和濾床中的進一步截留，均影響生物活性炭濾池的出水水質，應及時進行合理有效的反沖洗。
國內已建成水廠的炭吸附池多采用單獨水反沖洗方式，沖洗強度10-16L/m2×s，如北京市第九水廠、昆明市自來水公司第五水廠、浙江桐鄉果園橋水廠采用單獨水反沖洗方式等。示范工程在初步設計時根據北京市第九水廠的運行經驗，本著節約能耗、方便管理、延長活性炭使用壽命的原則，采用單獨水反沖洗方式，并利用砂濾池出水重力沖洗，不設反沖洗設備，以減少管理和維修工作量。水沖洗強度11-13 L/m2×s。
氣、水反沖洗是砂濾池中普遍采用的沖洗方式，可以節省沖洗水量和提高濾池的沖洗效果，延長沖洗周期。一些尚在建設的炭吸附池采用氣、水反沖方式，如梅林水廠、杭州南星橋水廠等。其中梅林水廠炭池設計氣沖強度12-14 L/m2×s，沖洗時間3min；水沖強度6-8 L/m2×s，沖洗時間7min；南星橋水廠設計氣沖強度15 L/m2×s，水沖強度6.9 L/m2×s。
反沖洗方式的選擇應根據工藝流程、池型、活性炭種類、被去除物質的性質等確定。
針對生物活性炭吸附機理的研究表明，懸浮顆粒在炭池內的去除除了傳統的范德華力和化學鍵力作用外，還存在著由附著在活性炭上的微生物所分泌的粘性物質如多糖類、酯類等對懸浮顆粒產生絮凝而形成的生物絮凝作用。采用沖洗強度較高的氣沖可以將炭層托起，通過炭粒之間的相對運動、相互摩擦及剪切作用，使附著的生物絮體剝落并促成吸附雜質的脫附。其后的水沖再將脫附的雜質及脫落的生物膜及時排出。廣州水司的進一步試驗顯示，當氣沖洗強度和歷時確定時，水沖強度和沖洗歷時將影響最終出水水質。比較水沖洗強度為8.7L/m2×s，歷時10min與水沖洗強度為5.3L/ m2×s，歷時12min的沖洗后初濾水水質，發現前者池內殘留的顆粒物數量明顯低于后者。建議在實際生產中通過實驗確定合理的沖洗參數。
綜合相關試驗結果，將示范工程炭池的沖洗方式調整為氣、水沖洗，即先氣沖、再水沖，同時考慮臭氧－生物活性炭吸附池若采用砂濾池出水沖洗，在不排放初濾水的情況下，一部分未經深度處理的水將直接進入清水池，導致病原微生物的潛在風險增加。因此，沖洗水源由砂濾池出水調整為炭池出水。
沖洗強度及歷時因處理水量、處理水中的懸浮物的性質、濃度、粒狀活性炭粒子的大小、吸附方式（固定床、流動床）不同而各異，需根據試驗及現有炭吸附池的運行資料確定。
目前我國關于活性炭的設計規范尚在編制當中，現階段參照協會標準執行，但該標準中沒有關于氣沖強度的規定。示范工程調整設計參照日本水道協會《給水設施設計指南》（2000），見表4，并考慮氣沖強度過大會增加炭粒的磨損和流失，縮短活性炭的使用壽命，因此適當縮短了沖洗時間，經調整后炭吸附池的沖洗參數為氣沖洗強度為15L/ m2×s，歷時2.5min，水沖洗強度為8L/ m2×s，歷時8min。
表4 日本水道協會《給水設施設計指南》（2000）沖洗參數
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由于目前活性炭吸附池采用氣水反沖洗的運行經驗較少，上述設計參數還需經實踐驗證。
3 有待進一步研究的問題
由于活性炭吸附池在飲用水深度處理方面特有的優勢，使其成為現階段越來越多新、改建水廠的工藝選擇。除本文討論的有關活性炭吸附池池型、濾層結構、沖洗方式及沖洗水源等問題外，活性炭種類的選擇、初濾水的排放、優化炭吸附池運行等涉及水處理材料、工藝系統、監控手段的問題均影響深度處理的總體技術水平，仍需結合工程實際，進一步研究探討。
參考文獻
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