《净水厂用煤质颗粒活性炭选择、使用及更换技术规范》解读
2021-04-01顾晨
顾 晨
(上海市供水调度监测中心，上海 200002)
2021年9月1日起，《净水厂用煤质颗粒活性炭选择、使用及更换技术规范》(DB31/T 451—2021，以下简称“地标”)[1]正式颁布实施。地标替代了《自来水处理用煤质颗粒活性炭技术规范》(DB31/T 451—2009)[2]，对其中的技术要点进行了增加与修改，进一步明确了净水厂中煤质颗粒活性炭的选择、使用和更换过程中的技术要素。本文针对地标新增和修改的技术要点进行解读，并对地标的贯彻实施给出相关要求建议。
1 地标编制的背景
1.1 编制的目的
根据上海市水源水质特征和水厂工艺特点，净水厂采用臭氧活性炭深度处理工艺可以去除水中微量有机物，改善嗅味问题，有助于进一步提升供水水质。上海市供水行业自2008年开始进行水厂深度处理工艺改造，截至2020年底，上海市38家水厂中已经有25家完成深度处理工艺改造，占1 221万m3/d供水能力的64%。这些水厂采用的基本都是臭氧活性炭工艺，剩下的水厂也将在“十四五”期间基本完成臭氧活性炭工艺改造的工程建设。
上海市第一批深度处理的净水厂使用活性炭已有10多年，活性炭的效能已经不能满足水质要求，部分已经更换，还有部分仍在使用的需要对其效能进行评估。新建净水厂的活性炭选择、使用也需要标准来提供依据。
1.2 现有的研究基础
2009年，上海市出台了《自来水处理用煤质颗粒活性炭技术规范》(DB31/T 451—2009)，对新购活性炭相关技术参数进行了规定，可适用于煤质活性炭的质量评价与技术要求。但此规范主要针对活性炭的吸附作用，缺乏对臭氧生物活性炭工艺中煤质颗粒活性炭的具体使用、更换周期等技术规范要求；江苏省住建厅对活性炭滤池的运行维护进行了规定[3]，但目前国内尚未有水处理工艺过程中煤质颗粒活性炭的使用及其更换的标准。
上海市供水调度监测中心2017年起对上海市使用深度处理工艺的水厂进行了调研与摸底，对相关供水企业开展了活性炭滤池检测的统一培训工作，收集净水厂滤池每季度的检测情况并进行统计分析，基本掌握了本市水厂活性炭使用的情况并形成相关技术资料。以此为基础编制了上海市水务局标准化指导性技术文件《上海市净水厂煤质活性炭选择、使用、更换规程》(SSH/Z 10022—2019)并予以发布。
2 地标编制的技术要点
地标的编制充分考虑上海市的水源特征与水厂的工艺特点，结合南市、临江、闵行等水厂活性炭运行与更换的经验，兼顾供水企业生产运行的经济与技术条件，以可操作性为重点，对活性炭的选择、使用和活性炭滤池的运行监测、换炭等方面的相关技术要点进行了明确。
2.1 活性炭的选择
净水厂使用的煤质颗粒活性炭应采用具有较好吸附性能、较高机械强度和化学稳定性、较强微生物附着能力及适宜粒径的活性炭。宜选用压块(片)破碎活性炭及柱状破碎活性炭。在选型指标上，重点关注碘吸附值、亚甲蓝吸附值、比表面积、强度、水分。
(1)选型时应考虑活性炭的孔隙结构分布，微孔、中孔、大孔均应占有一定比例。
活性炭孔隙大于或等于被吸附物质的1.7倍才能有效吸附该物质，活性炭吸附主要是微孔和中孔起作用，但没有大孔微生物也无法有效生长，因此，活性炭微孔、中孔、大孔需要一定比例才能发挥作用。活性炭吸附性能与孔隙有关，国际理论与应用化学联合会(IUPAC)将活性炭的孔隙大小分类如下：微孔R≤2 nm，中孔 2 nm
(2)碘吸附值是活性炭孔隙结构的一种显示值，主要标志活性炭微孔的发达程度，可用以评价活性炭对半径小于2 nm吸附质的吸附能力。
(3)亚甲蓝吸附值用以评价活性炭对半径为2～100 nm吸附质的吸附能力，标志活性炭的中孔及部分大孔的发达程度，表征中等吸附质分子的吸附能力。
(4)活性炭的比表面积可以表征活性炭的吸附能力和微生物的附着能力，比表面积越大，活性炭吸附能力越强，微生物附着量越大，性能越优。
活性炭综合净水效能应根据原水水质、炭滤池在水厂工艺流程的位置，通过静态或动态试验进行评估。静态试验包括静态吸附量、吸附等温线、吸附速度等。其中，吸附等温线测定按照《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》(CJ/T 345—2010)[4]附录A执行。动态试验即吸附柱试验，根据各地选型经验，动态试验时间不应小于3个月，宜进行1年，用于选择适宜各地原水水质的活性炭及工艺参数，主要包括活性炭炭种、规格、性能指标及最佳运行工艺参数。但从可操作性上看，净水厂可从碘吸附值、亚甲蓝吸附值、强度、粒度、有效粒径、均匀系数等方面对活性炭开展性能评估。活性炭的相关性能指标的检验方法按照GB/T 7701.2—2008[5]、GB/T 7702—2008[6]和CJ/T 345—2010等有关规定执行。如使用非标准方法，应该对方法进行验证和确认。
2.2 活性炭的使用
地标从有效性和安全性的角度出发，对活性炭滤池的设置、活性炭滤料的装填、生物活性炭挂膜、臭氧生物活性炭使用、活性炭滤池冲洗等方面提出了要求。
2.2.1 活性炭滤池的设置
活性炭去除微量有机物的方式是吸附，吸附是一个传质的过程，水通过吸附层的方式吸附，因而可以采用降流式，也可以采用升流式进行滤池的设置。
活性炭滤池设在砂滤池后时，如设置升流式活性炭滤池，会导致炭滤池出水浑浊度增加，从而影响出厂水的浑浊度，所以应采用降流式活性炭滤池。活性炭滤池设在砂滤池前时，因为炭滤池后还有砂滤工艺，不会对出厂水浑浊度造成影响，所以可以采用升流式活性炭滤池。
2.2.2 活性炭滤料的装填
活性炭滤料使用前应在无氯水中浸泡，含氯水会影响活性炭滤料中的微生物，对后续使用时的微生物挂膜造成不良影响。活性炭滤池冲洗宜使用无氯的沉淀池后出水或滤池出水，pH值小于8.5或炭滤池进出水24 h内pH值变化不超过0.5，表示活性炭滤池已清洗完毕。
2.2.3 生物活性炭挂膜
新活性炭滤池挂膜可以延长活性炭使用寿命，更好地发挥活性炭吸附和生物降解的协同作用。人工投加菌种挂膜可能会带来微生物的安全风险，所以应采用自然挂膜方式进行生物挂膜。
挂膜初期宜减少活性炭冲洗，不同水源、不同季节所需挂膜时间不同，夏季挂膜需要15～20 d，冬季需要30 d左右。挂膜时间与水源有一定的相关性。因金泽水库原水中含有较多的微生物及生物需要的营养物质，所以取用金泽水库原水的水厂比取用长江水源原水的水厂挂膜时间短。
挂膜期间宜降低冲洗频率，可选择7 d或10 d为1个冲洗周期。如滤池水头损失不影响供水水量就不需要冲洗。采用青草沙原水炭滤池出水pH明显下降，采用金泽原水炭滤池出水氨氮明显下降或生物量明显增加，表明挂膜成功。
2.2.4 臭氧生物活性炭使用
臭氧-生物活性炭组合工艺是较成熟的深度处理工艺，臭氧和生物活性炭两者有机结合，可有效去除水中微量有机物。可根据不同情况对臭氧投加量进行控制。
当水源水中耗氧量或藻类指标较高时，可能因为还原性物质较多，可适当增加预臭氧投加量，按《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)[7]规定宜控制在0.5～1.0 mg/L。
夏季预臭氧投加会使水中溶解氧增加，沉淀池藻类也会增加。因此，预臭氧投加的同时，可投加少量氯杀灭藻类，以控制藻类增殖。氯投加量视水源藻类情况决定，宜控制在0.5～1.0 mg/L，沉淀池出口基本不含氯。如果砂滤池设置在炭滤池前，沉淀池可以保持一定余氯。
后臭氧投加量应与进活性炭滤池的余臭氧相关联。不同水源、不同季节投加量不同，进生物活性炭的余臭氧质量浓度应严格控制在0.10 mg/L以下。同时，还要关注出厂水溴酸盐指标，出厂水溴酸盐指标较高时，应降低后臭氧的投加量。
同时，为防止微生物和藻类生长，活性炭滤池要注意密封性，宜有避光措施，加盖防止蚊虫产卵繁殖；过高的浑浊度会影响炭滤池的使用寿命，需严格控制炭滤池进水的浑浊度；为保证活性炭的吸附效果不被氯消耗，还需控制活性炭滤池进水余氯。
2.2.5 活性炭滤池冲洗
生物活性炭的冲洗周期对发挥生物活性炭作用至关重要。冲洗频率过高，生物活性炭生物菌生长不好，不能很好发挥生物作用；冲洗频率过低，生物活性炭生物菌繁殖过多，会造成炭滤池堵塞、生物穿透泄漏、出水浑浊度升高等。不同水源、不同季节生物菌繁殖速度不同，因而冲洗时长、周期、强度宜适时调整，冬季生物菌生长缓慢，可5～7 d冲洗1次，夏季生物菌生长较快，宜3～5 d冲洗1次。
2.3 活性炭滤池的运行监测
为确保活性炭滤池正常运行，活性炭滤池出水水质满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[8]和《生活饮用水水质标准》(DB31/T 1091—2018)[9]的要求，应按照以下频次、指标对活性炭滤池及进出水进行检测。
(1)每周(7 d)不少于1次对每条生产线炭滤池进出水臭和味、浑浊度、高锰酸盐指数、色度、菌落总数这5项指标进行检测。根据原水及水厂情况，必要时可增加检测频率。因每个水厂滤池较多，无法对每组滤池进行进出水检测，选择对每条生产线每周检测1次，是比较切实可行的方法。
(2)每月(30 d)不少于1次对出厂水中总有机碳(TOC)、溴酸盐与消毒副产物(三卤甲烷)等指标进行检测，夏季宜将频率调整为7 d不少于1次。夏季藻类繁殖，宜每30 d不少于1次对出厂水2-MIB及土臭素开展检测。
(3)每季度(90 d)不少于1次对炭滤池的平整度、炭层高度、冲洗强度、炭滤池出水的生物量开展检测。
(4)每年(365 d)不少于1次按《煤质颗粒活性炭 净化水用煤质颗粒活性炭》(GB/T 7701.2—2008)的规定方法，开展检测活性炭的碘吸附值、亚甲蓝吸附值、强度、粒度、有效粒径及均匀系数这6项指标。每年(365 d)不少于1次对每条生产线炭滤池的进出水开展TOC、三卤甲烷一致性生成条件试验(uniform formation conditions test,UFC)。
(5)活性炭滤池取样。每格活性炭滤池均匀选择4～6个取样点，取样深度为炭表层以下10～40 cm，各取样点取样量应尽量均衡，并视情况可适当增加取样点位置及取样深度。将各取样点样品混合均匀后，取一定数量活性炭存放于封口塑料袋中，作为该格活性炭滤池的待检样品，取样数量根据活性炭分析指标情况而定。
(6)为监控炭滤池出水水质，在炭滤池出水口宜设置耗氧量、氨氮和浑浊度在线监测仪表。
2.4 活性炭滤池换炭
臭氧生物活性炭工艺主要是为了解决供水水质存在的臭和味、微量有机污染物、消毒副产物、氨氮等问题，地标从换炭标准和换炭年限两个方面进行了规定。
2.4.1 活性炭滤池换炭标准
(1)出厂水臭和味合格率明显降低。
(2)活性炭进出水耗氧量或TOC等去除率小于15%，表示活性炭的吸附能力已饱和，且生物降解作用不明显。
(3)采用UFC方法评估炭滤池进出水三卤甲烷前体物浓度，出水三卤甲烷生成势(即生成潜能，代指三卤甲烷前体物水平)超过进水三卤甲烷生成势的80%，说明活性炭性能下降。
臭氧活性炭工艺可有效去除三卤甲烷前体物，三卤甲烷的主要前体物是水中的溶解性有机碳(DOC)。臭氧活性炭工艺中，生物活性炭滤池可有效吸附并降解水中的部分DOC，从而达到控制出厂水三卤甲烷的目的。现阶段水厂尚没有有效手段直接检测水中的三卤甲烷前体物，目前常使用UFC来评估水中的三卤甲烷前体物。即将活性炭滤池进出水的pH值调整至8.5±0.2，向活性炭滤池进出水中加入游离氯(次氯酸钠)，所加剂量应保证氯化反应24 h后的游离余氯量在(1.0±0.2)mg/L，在(20±1)℃避光条件下，分别测量进出水反应后的三卤甲烷总量，如果出水试验的三卤甲烷总量超过进水试验的80%，则表示活性炭滤池对三卤甲烷前体物的去除效果降低。
(4)炭滤池检测强度、粒度两项指标不符合《煤质颗粒活性炭 净化水用煤质颗粒活性炭》(GB/T 7701.2—2008)技术要求，同时，碘吸附值、亚甲蓝吸附值、有效粒径及均匀系数这4项指标作为参考。而碘吸附值、亚甲蓝吸附值不满足相关技术要求时，表示活性炭的吸附性能大大减少。强度、粒度、有效粒径和均匀系数不符合相关技术要求时，会大幅度影响活性炭滤池的过滤效果。
2.4.2 活性炭滤池翻池换炭的年限
(1)取用黄浦江上游金泽水库原水的水厂活性炭使用年限一般在6年，取用长江水源的水厂使用年限一般在8年。超过使用年限的水厂应每季度对活性炭进出水耗氧量、TOC、三卤甲烷前体物、炭滤池中活性炭的强度、粒度等指标开展评估，如评估结果出现地标文本6.2.1条款情况时，应尽快翻池换炭。
(2)黄浦江上游金泽原水水质较长江原水差，所以使用年限较短。6年与8年年限是基于采用臭氧活性炭深度处理工艺的水厂历史数据，评判依据主要是活性炭滤池进出水耗氧量或TOC的去除率，以及三卤甲烷总量与常规处理工艺相比的去除率提高值。
(3)翻池换炭应根据活性炭磨损情况或指标检测情况更换至少1/2或全部的活性炭。
3 结语
地标是上海市用煤质颗粒活性炭的选择、使用及更换方面的首个地方标准，也是行业内首个相关标准，其贯彻执行将为行业内活性炭的选择、使用及更换提供指引，对其他城市采用相同处理工艺的供水企业也有一定的借鉴意义。对上海市的供水企业在进一步优化成本控制、不断提升技术能力、加强精细化管理方面，也提出了更高的要求。
