粒狀活性炭飲用水深度處理應用技術
1.1 國外活性炭水處理發展概要
由于活性炭對水中微量有機污染物具有優良的吸附特性，早在20年代末30年代初國外就開始用粉狀活性炭去除水中的臭和味，1930年第一個使用粒狀活性炭吸附池除臭的水廠建于美國費城。在60年代末70年代初，由于煤質粒狀炭的大量生產和再生設備的問世，發達國家開展了利用活性炭吸附去除水中微量有機物的研究工作，對飲用水進行深度處理。在60年代末70年代初粒狀活性炭凈化的裝置在美國、歐洲、日本等國陸續建成投產。美國以地面水為水源的水廠已有90％以上采用了活性炭吸附工藝。目前世界上有成百座用粒狀炭吸附的水廠正在運行。
國外目前在給水處理中最常用是降流式活性炭吸附池，據報道最大單池面積達180m2，單層炭層厚度為0.7～2.5m，空床接觸時間6～20min，大多數采用壓縮空氣和水聯合沖洗。
活性炭的使用方式有三種：
第一種，用粒狀活性炭替換部分砂濾料，成為炭砂雙層濾料濾池。采用這種方式，凈化效果比單層好，可以減少反沖洗次數，降低反沖洗強度。這種方式目前在瑞士、日本、美國等都有采用。由于僅用活性炭替換部分砂層，可以迅速投產使用。但是這種方式換炭較困難，一般只作為應急措施采用。
瑞士的蘇黎世某水廠，有12個活性炭吸附池，每個池子面積為44m2，其池內下層有粒徑為0.7～1.0mm的石英砂0.5m厚，上層為匹茲堡F400炭層1.2m厚，全年產水量4000萬m3。廠內設有再生爐。
第二種，用粒狀炭替換全部砂層，即活性炭吸附兼過濾。目前法國、美國、瑞典等國的水廠采用這種方式的活性炭吸附池也很多。
法國南希市水廠，處理能力10萬m3／d，采用0.9～1.0mm 的粒狀活性炭代替砂，炭層厚1.5m，主要用于去除水中的臭味。美國西弗吉尼亞洲尼特羅水廠，處理能力2.66萬m3／d，采用單池面積72.3m2的粒狀活性炭吸附池2個，炭層厚1.5m，空床流速9～10m／h，在氯仿抽提物濃度較高時（約1000μg／L），去除率可達84～89％。
第三種，在砂濾之后建獨立的活性炭吸附池。先經砂濾，再經炭吸附池，可以延長活性炭對去除殺蟲劑、酚、有機物產生的臭與味的使用周期，有效的利用活性炭的吸附性能。特別是在原水中含鐵和錳時效果更為明顯。目前美國、荷蘭、日本有不少水廠采用這種形式。
當水源受到生物污染時，水中有機物及氨濃度增加，采用折點加氯法可能使出水中形成顯著的氯氨味，用粒狀活性炭可以有效地去除氯氨味。
法國的一些水廠在混凝——沉淀之前采用折點加氯。若采用粒狀活性炭吸附池，既可除臭、除味和有機物，又可利用活性炭表面上的微生物除氨，可以減少在水處理過程中形成新的有機氯化物。
采用粒狀活性炭吸附池處理水時，一定要考慮失效炭的再生。從美國許多活性炭凈化水廠的運轉經驗可知，粒狀活性炭吸附床的一次使用壽命一般為2～3年，有的更長些。由于在水廠內建造再生爐，基建費用較高，利用率低，在經濟上不合算。因此活性炭再生由制造廠出租給水廠使用，保險租用期為3年，到期由活性炭制造廠回收再生。日本采用粒狀活性炭吸附池的水廠，一般均設有再生爐。
國外粒狀活性炭的應用情況見表。
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1.2 國內活性炭水處理的應用
我國在60年代末期，開始利用活性炭去除受污染的水源水的除臭、除味。1967年沈陽自來水公司用活性炭吸附去除由于工業廢水污染引起的地下水的臭味，取得了較好的效果。白銀地區把活性炭用于給水處理，規模為3萬m3／d，由蘭州市政工程設計院設計，于1975年9月建成投產。該工程以黃河為水源，位于蘭州下游100公里處，受蘭州工業廢水污染。白銀的另一水源處于白銀地區的礦山、冶金、化工企業廢水排放口下游500米處，水源污染嚴重，石油、汞、酚、硝基化合物等方面都超過了國家規定的衛生標準，這套活性炭裝置投產后，水質大有改善。
為了去除水庫水源的色、嗅、味，80年代初北京市市政工程設計院為北京市第一座帶有深度處理的地面水水廠——田村山水廠開展了炭吸附試驗，而后，又在城子水廠進行輸炭試驗及驗證試驗。以試驗參數為依據，先后在北京建成規模為17萬m3／d的田村山水廠炭吸附池，規模為50萬m3／d的北京市第九水廠一期工程炭吸附池、規模為4.32萬m3／d的城子水廠升流式炭吸附池和規模為5萬m3／d的長辛店水廠炭吸附池、規模為100萬m3／d的九廠二期、三期工程炭吸附池、實踐證明炭吸附對去除微污染原水中大部分有機物質、有毒物質是有效的，與其它處理方法相比，工藝比較簡單，易上馬，經濟可靠。在常規處理不能滿足飲用水水質標準時，需要通過對深度處理工藝方案進行技術經濟比較，確定是否采用活性炭吸附工藝，并針對原水水質做現場炭柱試驗，確定所采用的設計參數。1996年10月，北京市政設計院編制了院定標準《活性炭水處理技術規定》（編號BSY－GG14－96），現正編制粒狀活性炭吸附池水處理技術國家規范。
國內活性炭使用的規格、性能見表。
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國內失效炭再生方面，在白銀地區飲用水深度處理工程中采用直接電流加熱再生爐，構造簡單、操作方便、體積小、熱效率高，對于大型水廠的炭再生，因再生設施的基本建設費用高、用水、燃料、耗電的經常費用也高，一噸炭在廠內自己再生比到廠外再生費用高，經濟上不合算，目前多數到再生專業廠再生。國內活性炭的應用情況見表。
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2 活性炭深度水處理機理及處理效果
活性炭是水處理中最常用的一種吸附劑。在制造活性炭的活化階段，炭粒晶格間生成的空隙形成了各種形狀和大小不同的細孔，其中大孔孔隙半徑100～10000nm，中孔孔隙半徑為2～100nm，小孔孔隙半徑＜2nm，大、中、小孔孔壁的總面積就是活性炭的總表面積，活性炭的強吸附性能主要就發生在這些孔的表面上。活性炭的吸附量除與表面積有關外，還與細孔的形狀、分布及表面的化學性質有關。一般情況，用于水處理的活性炭應具有適當比例的中孔，以去除水中分子量（或分子直徑）較大的吸附質。活性炭表面具有微弱的極性，不僅可以去除水中的非極性吸附質，還可以去除極性吸附質，甚至某些微量的金屬離子及其化合物。天然水源的污染，嚴重時造成水源的富營養化，藻類的大量繁殖，使水源帶有色、臭、味。活性炭吸附是除色、臭、味最有效的方法之一。此外，活性炭用于由鐵、錳及植物分解產物或由于有機污染而使水體帶有的顏色的去除也是十分有效的。
粒狀活性炭去除有機物及色度的效果見表
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此外，用活性炭去除水中微量有機氯及其產生的異臭味也是最為有效的方法之一。
3 飲用水深度處理的必要性
水是人民生活和國民經濟建設不可缺少的自然資源。隨著工農業生產的發展和人口的增加，對水的需求愈來愈多，同時對水環境的污染也愈來愈多，我國飲用水水源的污染現狀已十分嚴峻，特別是微量有機物的污染。1996年統計全國污水排放總量達到420億m3，致使全國1／3以上的河段受到污染，城市中90％以上水域受到污染，近50％的重點城鎮水源不符合飲用水水源水質標準。
地下水是人類寶貴的水資源，近年來地下水污染也逐年加劇，據對118個城市2～7年的連續監測資料，其中約占64％的城市地下水遭受較嚴重的污染，33％城市地下水輕度污染，僅3％的城市地下水基本潔凈。從污染項目上看，有的屬硬度超標，有的屬有毒物質酚、鉻、砷、氰化物、汞超標，有的細菌總數達60～128000個／L、大腸桿菌數達8～23800個／L，說明已遭受微生物污染。
盡管國家為保障人民身體健康、維護生態平衡，保護水資源作了大量工作，水源污染依然存在，還有發展之勢，特別是有機物污染，異臭，有毒物質污染，油污染，富營養化，放射性污染等。采用傳統的給水凈化工藝（混凝、沉淀、過濾、消毒），不能與現有的水源水質和水質標準相適應。由于采用氯消毒，氯與某些有機化合物反應所形成的副產物，對人體有害。動物試驗表明，某些氯的有機化合物屬于三致（致癌、致畸、致突變）物質。對人體健康構成潛在危害，為此必須進行深度水處理。
由北京市自來水公司用色質聯機（GC－MS）定性分析對活性炭效果測試表明，經炭吸附后的出水有機物種類有所減少。對水中有機氯化物有很好的吸附作用。致突變試驗（Ames）結果顯示，經活性炭吸附的出水致突變降為陰性。
4 粒狀活性炭吸附池設計參數及要求
（1） 參數
①接觸時間＞7.5min；
②炭層厚度1.0～2.5m；
③空床流速8～20m／h；
④炭層水頭損失0.4～0.6m；
⑤沖洗膨脹率20％～40％；
⑥沖洗強度及歷時：
常溫下經常沖洗強度為13L／m2·s，歷時6～10min，定期采用大流量沖洗強度為15～20L／m2·s，歷時6～10min。
⑦沖洗周期：經常性沖洗周期7～10d；定期沖洗周期1個月。
（2） 炭吸附池進水濁度應＜3NTU
（3） 炭吸附池的形式
炭吸附池采用升流式或降流式形式的確定，應根據原水水質，構筑物銜接方式、重力排水要求、當地運行管理經驗等因素，結合工程地形條件，通過技術經濟比較后確定。
（4） 沖洗水可采用過濾水或炭吸附水，沖洗水濁度應小于3NTU
（5） 配水系統
①炭吸附池宜采用小阻力配水系統，其配水孔眼面積與炭吸附池面積之比應1％～1.5％。
②承托層宜采用大、小、大分層級配。
③當采用升流式炭吸附池時，應封閉防二次污染。
④池壁應采用防電化學腐蝕措施。
5 粒狀活性炭吸附池設計實例
5.1 概況
城子水廠是北京市自來水公司門頭溝區的地表水水廠，規模為8.64萬m3／d，分期建設，一期4.32萬m3／d，水源是官廳水庫，由三家店水庫取水。采用機械加速澄清池、虹吸式砂濾池的常規處理方法，于1986年建成。由于官廳水庫水質惡化，來水經常規處理后，在嗅閾值、色度、酚、汞等項指標方面還不能達到飲用水水質標準，因此采用粒狀活性炭吸附進行深度處理來確保出廠水水質。炭吸附池于1990年建成投產。由于城子水廠受排水水體——永定河水位限制，炭吸附池按升流式設計。單池面積32m2。
5.2 主要設計參數如下
（1） 炭層厚度1.5m，墊層厚度0.5m；
（2） 空床流速11.25m／h；
（3） 接觸時間8min；
（4） 沖洗強度13L／m2·s～15.6L／m2·s；
（5） 沖洗水頭1.3m；
（6） 沖洗膨脹率20～40％；
（7） 炭層水頭損失0.6m；
（8） 沖洗周期7～15d；
（9） 炭吸附池特點
①采用升流式炭吸附池，充份利用水源與排水水體之間的高程差，不設提升設備節省能源，簡化管理。
②利用炭吸附池的進水與沖洗不同時發生的特點，使用了同一根管道及一個帶開度指示的蝶閥，控制兩種開啟度，以達到控制進水量小與沖洗水量大的兩種流量要求。為了便于操作，將蝶閥的操作手輪設于室內地面以上。采用該種形式的炭吸附池，構造簡單、操作省力方便、節省設備、節省管材。
③炭吸附池內炭粒層采用水力輸送，根據進、出炭兩工序不會同時發生這一特點，采用同一根不銹鋼管進炭和出炭，以節省管材、設備和投資、也可以簡化安裝。
④為保證升流式炭吸附池的出水中不含有漂浮的炭沫，采用潛流式穿孔管出水，運行效果很好。
⑤采用炭吸附池備用格，增加投資不多，備用格既可起到貯存炭的作用，又可以在炭格檢修期間及時投入運行，大大提高運行的安全度，減少貯炭庫用地，在國內大、中型水廠中建造規模這么大的升流式鋼筋混凝土炭吸附池尚屬首次。本設計獲1995年北京市優秀設計三等獎。見附圖。
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參考文獻
［1］蘭淑澄編著，沈光范審校，活性炭水處理技術，中國環境科學出版社1991
［2］H·凱利、E·巴德著〔德〕，魏同成譯，活性炭及其工業應用，1990
［3］北京市政設計院，北京自來水公司，提高地面水質處理的研究（內部資料），1981
［4］北京市政設計院研究所，城子水廠擴建工程活性炭吸附池參數試驗（內部資料），1981
［5］北京市政設計院研究所，噴射器水力輸送活性炭試驗報告（內部資料），1983
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