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粒狀活性炭飲用水深度處理應(yīng)用技術(shù)
分割線摘要：本文概括介紹了國內(nèi)外活性炭水處理的發(fā)展和應(yīng)用情況、活性炭深度處理的機(jī)理及處理效果。針對于當(dāng)前水源有機(jī)污染現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，論述了采用活性炭進(jìn)行飲用水深度處理的必要性，給出了粒狀活性炭吸附池設(shè)計的參數(shù)及要求。最后介紹了北京市城子水廠炭吸附池設(shè)計及特點。
國內(nèi)外活性炭深度處理的應(yīng)用
國外活性炭水處理發(fā)展概要
由于活性炭對水中微量有機(jī)污染物具有優(yōu)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(zhì)粒狀炭的大量生產(chǎn)和再生設(shè)備的問世，發(fā)達(dá)國家開展了利用活性炭吸附去除水中微量有機(jī)物的研究工作，對飲用水進(jìn)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(xù)建成投產(chǎn)。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(jù)報道最大單池面積達(dá)180m2，單層炭層厚度為0.7~2.5m，空床接觸時間6~20min，大多數(shù)采用壓縮空氣和水聯(lián)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(shù)，降低反沖洗強(qiáng)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(chǎn)使用。但是這種方式換炭較困難，一般只作為應(yīng)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(nèi)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(chǎn)水量4000萬m3。廠內(nèi)設(shè)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(dá)84~89％。
第三種，在砂濾之后建獨立的活性炭吸附池。先經(jīng)砂濾，再經(jīng)炭吸附池，可以延長活性炭對去除殺蟲劑、酚、有機(jī)物產(chǎn)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(dāng)水源受到生物污染時，水中有機(jī)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(jī)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(jī)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(zhuǎn)經(jīng)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(nèi)建造再生爐，基建費用較高，利用率低，在經(jīng)濟(jì)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。
國外粒狀活性炭的應(yīng)用情況見表1。
| （表1）國外粒狀活性炭應(yīng)用情況 | |||||
| 水廠名稱 | 處理量 （m3/d） | 處理工藝流程 | 活性炭吸附池的個數(shù)與參數(shù) | 再生裝置情況 | 活性炭的作用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 美國 新英格蘭曼徹斯特市水廠 | 114000 | 高速混合、混凝沉淀、砂濾、活性炭吸附池 | 4池，49×33.6m炭層1.2m | 除味及有機(jī)物 | |
| 美國 丘吉威林水廠 | 9120 | 澄清反應(yīng)池、快濾池、活性炭吸附池 | 12池 | 水廠內(nèi)設(shè)有再生爐（2~3t/d） | 除味及有機(jī)物 |
| 日本 柏井凈水廠 | 750000 | 流化床活性炭吸附裝置 | 8池 | 設(shè)流化床再生爐 | 除味及有機(jī)物 |
| 蘇聯(lián) 秋明市水廠 | 混凝沉淀、雙層濾料濾池、活性炭吸附池 | 炭層厚1.2m | 除味及有機(jī)物 | ||
| 法國 梅利水廠 | 10000 | 預(yù)氯化、混凝沉淀、粒狀活性炭吸附、臭氧消毒、后氯化 | 6池，接觸時間15min | 再生周期12個月 | 除味、氯及有機(jī)物 |
| 法國 巴黎阿那納水廠 | 25000 | 混凝沉淀、活性炭吸附、臭氧氧化、后氯化 | 2池，接觸時間13min | 36個月再生一次 | 除味及有機(jī)物 |
| 美國 薩默賽物某水廠 | 190000 | 砂濾后、活性炭二次吸附 | 除色、臭、味 | ||
| 日本 渡利水廠 | 59000 | 混凝、沉淀、砂濾、炭吸附 | 空床流速15m/h炭層2.5m | 嗅閡值0降至0~3 | |
| 美國 辛辛那提市加利福尼亞水廠 | 620000 | 12池9.1×19.8m炭層3.5m接觸時間15分 | 二個流化床再生爐再生能力每個爐22700kg/d | 去除水中有機(jī)物污染 | |
國內(nèi)活性炭水處理的應(yīng)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(yè)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(qū)把活性炭用于給水處理，規(guī)模為3萬m3/d，由蘭州市政工程設(shè)計院設(shè)計，于1975年9月建成投產(chǎn)。該工程以黃河為水源，位于蘭州下游100公里處，受蘭州工業(yè)廢水污染。白銀的另一水源處于白銀地區(qū)的礦山、冶金、化工企業(yè)廢水排放口下游500米處，水源污染嚴(yán)重，石油、汞、酚、硝基化合物等方面都超過了國家規(guī)定的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，這套活性炭裝置投產(chǎn)后，水質(zhì)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(shè)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(jìn)行輸炭試驗及驗證試驗。以試驗參數(shù)為依據(jù)，先后在北京建成規(guī)模為17萬m3/d的田村山水廠炭吸附池，規(guī)模為50萬m3/d的北京市第九水廠一期工程炭吸附池、規(guī)模為4.32萬m3/d的城子水廠升流式炭吸附池和規(guī)模為5萬m3/d的長辛店水廠炭吸附池、規(guī)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(jī)物質(zhì)、有毒物質(zhì)是有效的，與其它處理方法相比，工藝比較簡單，易上馬，經(jīng)濟(jì)可靠。在常規(guī)處理不能滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，需要通過對深度處理工藝方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定是否采用活性炭吸附工藝，并針對原水水質(zhì)做現(xiàn)場炭柱試驗，確定所采用的設(shè)計參數(shù)。1996年10月，北京市政設(shè)計院編制了院定標(biāo)準(zhǔn)《活性炭水處理技術(shù)規(guī)定》（編號BSY－GG14－96），現(xiàn)正編制粒狀活性炭吸附池水處理技術(shù)國家規(guī)范。
活性炭深度水處理機(jī)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(xì)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(qiáng)吸附性能主要就發(fā)生在這些孔的表面上�；钚蕴康奈搅砍c表面積有關(guān)外，還與細(xì)孔的形狀、分布及表面的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。一般情況，用于水處理的活性炭應(yīng)具有適當(dāng)比例的中孔，以去除水中分子量（或分子直徑）較大的吸附質(zhì)�；钚蕴勘砻婢哂形⑷醯臉O性，不僅可以去除水中的非極性吸附質(zhì)，還可以去除極性吸附質(zhì)，甚至某些微量的金屬離子及其化合物。天然水源的污染，嚴(yán)重時造成水源的富營養(yǎng)化，藻類的大量繁殖，使水源帶有色、臭、味�；钚蕴课绞浅⒊�、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(chǎn)物或由于有機(jī)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(jī)物及色度的效果見表2
| （表2）粒狀活性炭層去除有機(jī)物效果 | |||
| 項目 | 原水 | 凝聚沉淀處理水 | 粒狀活性炭處理水 |
|---|---|---|---|
| BOD（mg/L） | 200~400 | ＜1 | |
| CDD（mg/L） | 400~600 | 30~60 | 3~16 |
| 洗滌劑（mg/L） | 2~4 | 1.1~2.9 | 0.002~0.05 |
| 色度（度） | － | ~30 | 5 |
此外，用活性炭去除水中微量有機(jī)氯及其產(chǎn)生的異臭味也是最為有效的方法之一。
飲用水深度處理的必要性
水是人民生活和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的自然資源。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和人口的增加，對水的需求愈來愈多，同時對水環(huán)境的污染也愈來愈多，我國飲用水水源的污染現(xiàn)狀已十分嚴(yán)峻，特別是微量有機(jī)物的污染。1996年統(tǒng)計全國污水排放總量達(dá)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(zhèn)水源不符合飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
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(jù)對118個城市2~7年的連續(xù)監(jiān)測資料，其中約占64％的城市地下水遭受較嚴(yán)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(biāo)，有的屬有毒物質(zhì)酚、鉻、砷、氰化物、汞超標(biāo)，有的細(xì)菌總數(shù)達(dá)60~128000個/L、大腸桿菌數(shù)達(dá)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(hù)生態(tài)平衡，保護(hù)水資源作了大量工作，水源污染依然存在，還有發(fā)展之勢，特別是有機(jī)物污染，異臭，有毒物質(zhì)污染，油污染，富營養(yǎng)化，放射性污染等。采用傳統(tǒng)的給水凈化工藝（混凝、沉淀、過濾、消毒），不能與現(xiàn)有的水源水質(zhì)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。由于采用氯消毒，氯與某些有機(jī)化合物反應(yīng)所形成的副產(chǎn)物，對人體有害。動物試驗表明，某些氯的有機(jī)化合物屬于三致（致癌、致畸、致突變）物質(zhì)。對人體健康構(gòu)成潛在危害，為此必須進(jìn)行深度水處理。
由北京市自來水公司用色質(zhì)聯(lián)機(jī)（GC－MS）定性分析對活性炭效果測試表明，經(jīng)炭吸附后的出水有機(jī)物種類有所減少。對水中有機(jī)氯化物有很好的吸附作用。致突變試驗（Ames）結(jié)果顯示，經(jīng)活性炭吸附的出水致突變降為陰性。
粒狀活性炭吸附池設(shè)計參數(shù)及要求
（1）參數(shù)
- 接觸時間＞7.5min；
- 炭層厚度1.0~2.5m；
- 空床流速8~20m/h；
- 炭層水頭損失0.4~0.6m；
- 沖洗膨脹率20％~40％；
- 沖洗強(qiáng)度及歷時：
常溫下經(jīng)常沖洗強(qiáng)度為13L/m2.s，歷時6~10min，定期采用大流量沖洗強(qiáng)度為15~20L/m2.s，歷時6~10min。 - 沖洗周期：經(jīng)常性沖洗周期7~10d；定期沖洗周期1個月。
（2）炭吸附池進(jìn)水濁度應(yīng)＜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(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)，構(gòu)筑物銜接方式、重力排水要求、當(dāng)?shù)剡\行管理經(jīng)驗等因素，結(jié)合工程地形條件，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(yīng)小于3NTU。
（5）配水系統(tǒng)
①炭吸附池宜采用小阻力配水系統(tǒng)，其配水孔眼面積與炭吸附池面積之比應(yīng)1％~1.5％。
�、诔型袑右瞬捎么�、小、大分層級配。
�、郛�(dāng)采用升流式炭吸附池時，應(yīng)封閉防二次污染。
�、艹乇趹�(yīng)采用防電化學(xué)腐蝕措施。
粒狀活性炭吸附池設(shè)計實例
城子水廠是北京市自來水公司門頭溝區(qū)的地表水水廠，規(guī)模為8.64萬m3/d，分期建設(shè)，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(jī)械加速澄清池、虹吸式砂濾池的常規(guī)處理方法，于1986年建成。由于官廳水庫水質(zhì)惡化，來水經(jīng)常規(guī)處理后，在嗅閾值、色度、酚、汞等項指標(biāo)方面還不能達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此采用粒狀活性炭吸附進(jìn)行深度處理來確保出廠水水質(zhì)。炭吸附池于1990年建成投產(chǎn)。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(shè)計。單池面積32m2。
主要設(shè)計參數(shù)如下：
- 炭層厚度1.5m，墊層厚度0.5m；
- 空床流速11.25m/h；
- 接觸時間8min；
- 沖洗強(qiáng)度13L/m2.s~15.6L/m2.s；
- 沖洗水頭1.3m；
- 沖洗膨脹率20~40％；
- 炭層水頭損失0.6m；
- 沖洗周期7~15d；
炭吸附池特點：
- 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(shè)提升設(shè)備節(jié)省能源，簡化管理。
- 利用炭吸附池的進(jìn)水與沖洗不同時發(fā)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(dá)到控制進(jìn)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(shè)于室內(nèi)地面以上。采用該種形式的炭吸附池，構(gòu)造簡單、操作省力方便、節(jié)省設(shè)備、節(jié)省管材。
- 炭吸附池內(nèi)炭粒層采用水力輸送，根據(jù)進(jìn)、出炭兩工序不會同時發(fā)生這一特點，采用同一根不銹鋼管進(jìn)炭和出炭，以節(jié)省管材、設(shè)備和投資、也可以簡化安裝。
- 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。
- 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(nèi)大、中型水廠中建造規(guī)模這么大的升流式鋼筋混凝土炭吸附池尚屬首次。
參考文獻(xiàn)
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