1.1 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(gè)使用粒狀活性炭吸附池除臭的水廠建于美國費(fèi)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(yùn)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(bào)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(shí)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(gè)活性炭吸附池，每個(gè)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(gè)，炭層厚1.5m，空床流速9～10m／h，在氯仿抽提物濃度較高時(shí)（約1000μg／L），去除率可達(dá)84～89％。

第三種，在砂濾之后建獨(dú)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(shí)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(shí)，水中有機(jī)物及氨濃度增加，采用折點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)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(fèi)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(xiǎn)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(shè)有再生爐。

國外粒狀活性炭的應(yīng)用情況見表。

1.2 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(jì)院設(shè)計(jì)，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(jì)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(yàn)，而后，又在城子水廠進(jìn)行輸炭試驗(yàn)及驗(yàn)證試驗(yàn)。以試驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(yàn)，確定所采用的設(shè)計(jì)參數(shù)。1996年10月，北京市政設(shè)計(jì)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。

國內(nèi)活性炭使用的規(guī)格、性能見表。

國內(nèi)失效炭再生方面，在白銀地區(qū)飲用水深度處理工程中采用直接電流加熱再生爐，構(gòu)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(shè)施的基本建設(shè)費(fèi)用高、用水、燃料、耗電的經(jīng)常費(fèi)用也高，一噸炭在廠內(nèi)自己再生比到廠外再生費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)上不合算，目前多數(shù)到再生專業(yè)廠再生。國內(nèi)活性炭的應(yīng)用情況見表。

2 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。活性炭的吸附量除與表面積有關(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(shí)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

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。

3 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(shí)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(jì)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(diǎn)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(gè)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(xiàng)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(gè)／L、大腸桿菌數(shù)達(dá)8～23800個(gè)／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(yàn)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(yàn)（Ames）結(jié)果顯示，經(jīng)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(shè)計(jì)參數(shù)及要求

（1） 參數(shù)
　�、俳佑|時(shí)間＞7.5min；
　�、谔繉雍穸�1.0～2.5m；
　�、劭沾擦魉�8～20m／h；
　�、芴繉铀^損失0.4～0.6m；
　　⑤沖洗膨脹率20％～40％；
　�、逈_洗強(qiáng)度及歷時(shí)：
　　常溫下經(jīng)常沖洗強(qiáng)度為13L／m2·s，歷時(shí)6～10min，定期采用大流量沖洗強(qiáng)度為15～20L／m2·s，歷時(shí)6～10min。
　�、邲_洗周期：經(jīng)常性沖洗周期7～10d；定期沖洗周期1個(gè)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\(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)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)
　�、偬课匠匾瞬捎眯∽枇ε渌到y(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(shí)，應(yīng)封閉防二次污染。
　�、艹乇趹�(yīng)采用防電化學(xué)腐蝕措施。

5 粒狀活性炭吸附池設(shè)計(jì)實(shí)例

5.1 概況

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(xiàng)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(jì)。單池面積32m2。
5.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)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(shí)間8min；
　�。�4） 沖洗強(qiáng)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(diǎn)
　　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(shè)提升設(shè)備節(jié)省能源，簡化管理。
　　②利用炭吸附池的進(jìn)水與沖洗不同時(shí)發(fā)生的特點(diǎn)，使用了同一根管道及一個(gè)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。
　�、厶课匠貎�(nèi)炭粒層采用水力輸送，根據(jù)進(jìn)、出炭兩工序不會同時(shí)發(fā)生這一特點(diǎn)，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。
　　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(yùn)行效果很好。
　�、莶捎锰课匠貍溆酶�，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(shí)投入運(yùn)行，大大提高運(yùn)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。本設(shè)計(jì)獲1995年北京市優(yōu)秀設(shè)計(jì)三等獎(jiǎng)。見附圖。

參考文獻(xiàn)
［1］蘭淑澄編著，沈光范審校，活性炭水處理技術(shù)，中國環(huán)境科學(xué)出版社1991
［2］H·凱利、E·巴德著〔德〕，魏同成譯，活性炭及其工業(yè)應(yīng)用，1990
［3］北京市政設(shè)計(jì)院，北京自來水公司，提高地面水質(zhì)處理的研究（內(nèi)部資料），1981
［4］北京市政設(shè)計(jì)院研究所，城子水廠擴(kuò)建工程活性炭吸附池參數(shù)試驗(yàn)（內(nèi)部資料），1981
［5］北京市政設(shè)計(jì)院研究所，噴射器水力輸送活性炭試驗(yàn)報(bào)告（內(nèi)部資料），1983
 

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”