阳澄湖水源“臭氧-活性炭”深度处理工艺的活性炭选型

2016-12-16刘玉红

资源节约与环保 2016年1期

关键词：压块柱状阳澄湖

刘玉红

（苏州工业园区清源华衍水务有限公司江苏苏州215000）

阳澄湖水源“臭氧-活性炭”深度处理工艺的活性炭选型

刘玉红

（苏州工业园区清源华衍水务有限公司江苏苏州215000）

为阳澄湖水源深度处理选择合适的活性炭，分析了臭氧-活性炭工艺中影响活性炭性能的相关指标，并进行阳澄湖水源深度处理小试，对业内常用的原煤破碎炭、原煤柱状炭、柱状破碎炭和压块破碎炭对CODMn、氨氮、UV254的去除率进行了分析，选择了压块破碎活性炭为阳澄湖水源深度处理用活性炭。

阳澄湖水；深度处理；活性炭；去除率

1 阳澄湖水为水源的深度处理工艺

根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2006），集中式生活饮用水地表水源地一级保护区的高锰酸盐指数限值为小于4mg/L。阳澄湖水2014年CODMn范围在3.9 mg/L～6.5mg/L，有机物含量高，变化较大，作为饮用水水源地，属于微有机物污染湖泊水。阳澄湖水体有机物以分子量<3k的为主，这部分有机物在总有机物中占比95%以上，其中分子量为1k～3k的约占50%，分子量为0.5k～1k的和<0.5k的分别占25%左右。根据有机物去除机制与规律，以及不同净水工艺对不同分子量有机物的去除能力，阳澄湖水厂工艺流程设计为原水→取水泵房→预臭氧接触池→絮凝平流沉淀池→砂滤池→中间提升泵房→主臭氧接触池-活性炭滤池→清水池→吸水井→二级泵房→管网。

其中主臭氧接触池-活性炭滤池即为臭氧-生物活性炭工艺。该工艺的基础是活性炭的强吸附特性。主臭氧接触池投加的臭氧有强氧化作用，将大分子有机物氧化为小分子有机物，有利于活性炭的吸附。炭滤池中的活性炭大量吸附水中的小分子有机物，同时也富集微生物，使其表面生长出良好的生物膜；由于有机物丰富，好氧菌在生物膜上大量生长繁殖，可以充分生物降解活性炭吸附的小分子有机物。因此，活性炭在水中的吸附特性和表面特性是确保臭氧-生物活性炭深度处理工艺效果的关键，选用合适的活性炭至关重要。

2 高小分子量有机物原水的活性炭选型实验

2.1 活性炭选型之活性炭结构和性能

（1）不同种类的活性炭结构对选型的影响（图片取自卡尔冈炭素公司资料）。

净水的臭氧－生物活性炭工艺中活性炭一般选择煤制颗粒炭。根据调研，该工艺最早使用的是原煤破碎炭，目前用的较多的为柱状破碎炭，近2～3年压块破碎炭逐渐被接受。根据卡尔冈炭素公司对原煤破碎炭、柱状破碎炭的研究，这两种炭在结构上的不同如图1～图2。图1～图2均分别为10倍（左）与60倍（右）放大镜下的活性炭。

原煤破碎炭、柱状破碎炭与压块活性炭外表面比较。

图1 原煤破碎炭有较光滑的表面及尖锐棱角

图2 压块破碎炭有均匀粗糙的表面，无尖角

2.2 活性炭吸附性能对选型的影响

苯酚、碘和亚甲蓝这几种物质的分子量与分子直径范围与大多数的水污染物一致，人们常用苯酚吸附值、碘吸附值和亚甲蓝吸附值来表征活性炭在水相中的吸附性，将其作为粗选活性炭的重要依据。阳澄湖水体中的有机物以腐殖质为主，分子平均半径为0.8 nm～5.9nm。据计算，活性炭的最佳吸附孔径范围为1.7 nm～35 nm，相当于微孔和中孔的孔径[1]。国内水净化专家王宝贞所著的《饮用水深度处理技术》一书中指出：“对天然有机物具有吸附作用的是活性炭的二级微孔（次微孔）和中孔。而比表面积、碘值、亚甲蓝值主要是表征活性炭的微孔发达程度”[2]。因碘吸附值、亚甲蓝吸附值越高，活性炭价格越高，所以对小分子量有机物原水的处理，活性炭应选择适宜的碘吸附值和亚甲蓝吸附值，可从经济的角度考虑，以中孔较发达的活性炭较好，不宜片面追求微孔的高吸附性。

2.3 强度对选型的影响

炭滤池中的活性炭长期浸泡在水中，并进行周期性的反冲洗。浸泡和反冲洗会给活性炭造成机械磨损，所以活性炭的强度越高越好。活性炭通过提高活化程度来提高吸附性能，但活化程度越高，强度会自然下降，强度与吸附性能是相反的关系。因此，选择活性炭时应兼顾吸附值和强度两项指标。

2.4 粒度对选型的影响

活性炭粒径越小，表面积越大，水中有机物扩散到其微孔的距离比大颗粒炭短，其所需的吸附平衡时间比大颗粒炭要少。但小颗粒炭会增加过滤时的水头损失，反冲洗频率增强，反冲洗周期缩短，不利于生物膜的生长。在有效处理的情况下，可通过床层高度，水力停留时间等因素，选择适宜粒度的活性炭，绝不应追求粒度越小越好。

2.5 漂浮率对选型的影响

漂浮率越低表示活性炭灰分越少，质量越好。活性炭选型的动态吸附实验:活性炭动态吸附实验也称活性炭的挂柱实验，是模拟自来水厂臭氧-活性炭深度处理工艺运行的小试。通过监控不同活性炭柱对实际原水中有机物的去除效果来选择合适的活性炭。挂柱实验在水质变化相同的情况下，充分模拟水厂实际运行中的臭氧氧化和水力条件，比在实验室进行的静态吸附实验更有参考价值。考虑炭床生物膜的生长条件，挂柱实验在允许的条件下，时间最好大于3个月。

原水经混凝、沉淀、砂滤和臭氧处理后，通过进水管分别从上部进入不同的炭柱，不同的炭柱为并联；每根炭柱的进水管上都装有流量计，通过调节流量计，保证每根炭柱的进水流量一致；炭柱中装填不同类型的煤质颗粒活性炭，规格相同，为同一厂家的产品；滤后水从炭柱底部排出，在每根炭柱的下部设有独立的取样口。同水厂的工艺一致，炭柱的运行方式为下向流。

活性炭动态吸附试验装置包括：有机玻璃柱（内径100 mm～200mm，高2.5m～3m，底部栅板上垫有200mm砂垫层）、流量计、反冲洗水泵、反冲洗水箱、不同管径的PVC管和阀门、溢流槽、不锈钢支架。

活性炭的装填：根据活性炭的装填密度估算出每种炭所需质量（稍多一点），分别装入事先加好水的有机玻璃柱中。将炭浸泡48h后反冲洗，除去炭渣和炭灰，直至炭层上面的液面变清。最后，将所有炭柱补充至相同体积。

活性炭动态试验是选择饮用水用活性炭的重要依据之一。活性炭动态试验充分结合了当地原水水质特征，模拟了实际运行的水力条件，进行活性炭对有机物去除效果比较，是活性炭选型较为科学的一种方式。