水厂失效生物活性炭更换比例的生产性试验

张晶晶，庄星宇，胡 侃，唐中亚，王 慕，刘 成，石鲁娜，蒋 莹

(1.无锡市政公用环境检测研究院有限公司，江苏无锡 214031；2.无锡市水务集团有限公司，江苏无锡 214000；3.扬州市给排水管理处，江苏扬州 225100；4.河海大学环境学院，江苏南京 210098)

为提升供水水质、保证供水安全，以臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工艺为主的深度处理工艺在全国得到推广和应用。O3-BAC工艺融合了O3氧化、活性炭吸附、生物降解等基本作用，并实现了一定程度的协同作用，可有效去除水中多种污染物[1-2]。然而，O3-BAC工艺的处理效能随使用时间的增加整体呈现下降的趋势，到达一定年限后可能会无法应对原水水质风险，无法满足水厂优质出水的处理需求，需要进行活性炭的更换或再生[3]。由于国内水厂BAC应用年限普遍较长，采用热再生的处理效果相对较差[4-5]，水厂生产实践中倾向于采用更换的方式。近年来，部分省市已提出了关于活性炭更换的相关规程，比如上海的《净水厂用煤质颗粒活性炭选择、使用及更换技术规范》(DB 31/T 451—2021)和江苏省的《城镇供水厂生物活性炭失效判别和更换标准》(DB 32/T 4245—2022)，具有一定指导意义，但是O3-BAC工艺的处理效能与水源水质具有条件相关性，对于特定水源，更换比例和更换方式仍应针对性开展研究[6-7]。

2010年，W市以太湖为水源的X、Z水厂在原有常规处理工艺的基础上，增加了O3-BAC深度处理工艺，并于2011年4月投入运行。由于投运时间较久，活性炭碘值、亚甲基蓝值逐渐衰减，远低于新炭标准，炭滤池出水虽符合国家标准与江苏省地标，但对部分有机物的去除效果逐渐降低，炭滤池可能无法应对原水水质突发风险。O3-BAC深度处理工艺应在保证水质达标的基础上，预留一定应对原水水质突发污染的能力，满足水厂优质出水的处理需求。为有效保证水厂出厂水达到优质饮用水标准，两水厂于2019年11月分批进行活性炭的更换。为探究更换比例对活性炭后续应用效能的影响，更换过程中分别针对炭滤池进行了100%更换和50%更换的对比，同时预留一格炭滤池作为空白对比。本文重点针对两水厂更换后的炭滤池进行跟踪分析，明确更换比例对其净化效能、自身性状的影响，探讨活性炭的优化更换比例和更换方式，为O3-BAC工艺的运行管理及活性炭的更换提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究对象

X、Z水厂O3-BAC工艺的基本情况如表1所示，换炭前活性炭颗粒的基本参数如表2所示。

表1 水厂O3-BAC基本情况Tab.1 Basic Situation of O3-BAC in WTPs

1.2 研究方法

(1)换炭后活性炭理化性能指标及炭滤池水质净化效能的监测

2019年11月换炭后，两家水厂各选取一格100%更换、50%更换和未更换炭滤池作为跟踪对象，每月采集各炭滤池的进出水水样、分层炭样(表层10～15 cm、深层150 cm)，测定水质及活性炭变化情况，连续跟踪检测时间为2年。炭滤池的基本信息与跟踪检测指标如表3所示。

(2)不同更换比例炭滤池内的活性炭微生物多样性监测

换炭后，对旧炭滤池、100%换炭滤池与50%换炭滤池监测生物活性炭微生物多样性的变化情况。

1.3 分析方法

常规指标：水质指标与活性炭理化指标的检测依据或检测方法如表4所示。

表2 更换前活性炭的基本性能参数Tab.2 Basic Performance Parameters of Activated Carbon before Replacement

表3 监测炭滤池基本信息与监测指标Tab.3 Basic Information and Monitoring Indices of Carbon Filters

表4 检测依据或方法Tab.4 Detection Basis or Method

微生物多样性：采用16S rRNA高通量测序的方法测定活性炭微生物多样性[8]。

2 结果和讨论

2.1 换炭后活性炭理化性能指标的变化

2.1.1 碘值与亚甲基蓝值

X、Z水厂换炭后运行过程中活性炭碘值、亚甲基蓝值的变化情况如图1所示。

图1 两水厂100%换炭滤池与50%换炭滤池活性炭碘值与亚甲基蓝值变化Fig.1 Changes of Iodine Values and Methylene Blue Values of Activated Carbon in Two WTPs with 100% Carbon Replacement Filters and 50% Carbon Replacement Filters

由图1可知，换炭后活性炭碘值与亚甲基蓝值整体呈下降趋势，且100%更换比例的活性炭下降速率较大，这可能与其净化效能有关。此外，各炭滤池表层和深层活性炭的碘值和亚甲基蓝值存在轻微差异，但包括50%更换比例的炭滤池在内的所有炭滤池均没有出现显著的分层现象。一般认为新活性炭和旧活性炭颗粒在比重上存在一定的差异，正常水力条件下会出现分层，但结合课题组前期的研究结果，新、旧活性炭颗粒粒度上的不同分布可在一定程度弥补比重上的差异，使炭滤池各层活性炭整体呈现均匀的状况。

2.1.2 生物量

X、Z水厂换炭后运行过程中生物活性炭生物量的变化情况如图2所示。

图2的结果表明，自2019年11月换炭后，炭滤池内生物量随使用时间呈现增加的趋势，运行半年后基本稳定，且更换比例为50%的炭滤池内生物量较100%更换炭滤池内的生物量略高，且挂膜成熟时间也较短，原因可能在于炭滤池内旧炭颗粒上生物膜的影响。由图2可知，换炭后的炭滤池在生物膜基本成熟稳定后呈现了一定的分布和变化规律：1)表层活性炭生物量整体高于深层活性炭；2)各炭层生物量随季节呈现一定的变化，冬季生物量下降，之后生物量逐步增加至稳定水平。

2.1.3 比表面积与孔容积

X、Z水厂换炭后运行过程中生物活性炭比表面积与孔容积的变化情况如图3所示。

由图3可知，活性炭的比表面积与孔容积呈现相似的变化规律，随使用时间逐渐降低，且100%更换比例的活性炭下降速率较大。此外，各炭滤池表层和深层活性炭的比表面积与孔容积也存在轻微差异，但未出现显著的分层现象。不同更换比例的活性炭比表面积与孔容积的变化情况与各自对应活性炭碘值与亚甲基蓝值的变化情况类似。

2.1.4 强度

由表5可知，无论是100%更换比例还是50%更换比例的活性炭，换炭后活性炭的强度无太大差别，且随着运行时间的延长，活性炭强度相对稳定，下降速率缓慢。

2.2 换炭后炭滤池的水质净化效能

O3-BAC深度处理工艺以有机物为主要去除目标，为探究换炭后炭滤池水质净化效能的影响，选择TOC、阿特拉津、三卤甲烷作为研究指标。TOC是以碳的含量来表示水中有机物质总量的一个综合指标。阿特拉津为微量有机污染物的典型代表，微量有机污染物是影响水质安全的重要指标。水厂中含氯消毒剂的广泛使用降低了饮用水的微生物风险，但与此同时会产生多种具有潜在毒性的消毒副产物。三卤甲烷是各类消毒副产物中浓度最髙的一类，也是目前饮用水安全关注的重点，饮用水中三卤甲烷需要尽可能保持在较低水平。

图2 两水厂换炭后生物量变化Fig.2 Changes of Biomass after Activated Carbon Replacement in Two WTPs

图3 两水厂换炭后比表面积与孔容积变化Fig.3 Changes of Specific Surface Area and Pore Volume after Activated Carbon Replacement in Two WTPs

表5 两水厂换炭后强度变化Tab.5 Changes of Strength after Activated Carbon Replacement in Two WTPs

2.2.1 TOC

两水厂炭滤池换炭后对TOC的去除效果如图4所示。

图4 不同更换比例炭池对TOC的去除效果Fig.4 Removal Effect of TOC by Different Replacement Ratios of Activated Carbon Filters

图5 不同更换比例炭池对阿特拉津的去除效果Fig.5 Removal Effect of Atrazine by Different Replacement Ratios of Activated Carbon Filter

由图4可知，100%更换、50%更换以及未更换炭滤池对TOC均有一定的去除效果，但去除效率存在明显的差异。100%更换炭滤池的去除效率明显高于50%更换炭滤池和未更换炭滤池，运行前半年对水中TOC的平均去除率可达40%左右(X水厂)、50%左右(Z水厂)，且较高的去除效率现象在整个监测周期均存在，但差值随时间逐渐降低。此外，50%更换和未更换炭滤池在冬季去除TOC的平均效率均低于夏季，且差值随使用时间逐渐增大，说明生物降解作用的贡献逐步增大。

2.2.2 阿特拉津

阿特拉津是一种典型的内分泌干扰物，具备使用范围广泛、水源水中检出概率较高的特点，常被作为微量有机污染物的典型代表。水厂换炭后对阿特拉津的去除效果如图5所示。

图5的结果表明，活性炭池更换比例对阿特拉津的去除效果具有较大的影响，100%更换炭滤池的去除效率明显高于更换50%更换和未更换炭池。运行前半年去除率可达到60%左右(X水厂)、70%左右(Z水厂)，出水阿特拉津质量浓度基本都低于检出限(0.000 01 mg/L)，后续去除效率有下降的趋势，这与前期研究[9]的结果类似。原因在于阿特拉津的生物降解作用较弱，主要通过活性炭吸附作用途径进行去除，引起活性炭的吸附性能决定着阿特拉津的去除效果。需要注意的是，未更换炭滤池对阿特拉津基本没有去除效果，这也表明使用年限较长的活性炭对水中微量有机物的控制效能需要予以充分重视。

2.2.3 三卤甲烷总量

三卤甲烷是各类消毒副产物中浓度最髙的一类，具有潜在的致癌风险，是目前饮用水安全关注的重点。水厂活性炭池更换后出水的三卤甲烷总量的变化如图6所示。

图6的结果表明，更换比例对生物活性炭池单元控制三卤甲烷总量的控制效能具有一定影响，较高的更换比例有利于三卤甲烷生成势的控制，运行前半年，100%更换炭滤池对水中三卤甲烷的平均去除率可达70%左右，原因同前述。

图6 不同更换比例炭滤池对三卤甲烷生成势的控制效果Fig.6 Control Effect of Different Replacement Ratios on Trihalomethane Formation Potential of Activated Carbon Filters

2.3 生物活性炭更换比例及更换方式优化探讨

2.3.1 更换比例的确定

生物活性炭更换比例需要综合换炭后生物活性炭的净化效能及其功能需求和更换成本来确定。

(1)净化效能

结合两个水厂换炭后的长期监测结果以及前期的相关工作[7,10]可以看出，较高的活性炭更换比例有利于提升生物活性炭单元的净化效能，且可在较长的使用时间内维持较高的去除效率。基于BAC主要依靠吸附和生物降解及其协同作用来净化进水中的典型污染物，更换比例较高的BAC池整体具有较高的吸附性能，同时生物膜成熟后(3～6个月)的生物降解活性较高，从而具有较高的净化能力。结合图1的结果可知，100%、50%更换的活性炭池在使用2.5年后碘值分别降低至600、200 mg/g左右，更换比例为50%的活性炭池吸附能力已降低至较低水平，净化效能降低的同时，对水质变化的适应能力也减弱，接近再次更换的时间节点。

(2)更换成本

活性炭更换一般包括废旧活性炭取出及处置、洗池及消毒、新活性炭填充以及新活性炭清洗等步骤，特殊情况下还需要针对待填充活性炭进行预清洗或预处理，而其更换成本也主要包括新活性炭购置及上述步骤所涉及的费用。就单次更换而言，100%更换的成本相对较高，但综合考虑净化效能及更换后的使用年限，整体更换成本可能会明显降低。

(3)旧活性炭对更换后活性炭池的作用及意义

图2的结果间接反映了旧活性炭的存在有利于加速新更换活性炭的挂膜及成熟，这对于强化生物活性炭吸附和生物降解的协同作用具有一定的推动作用。为进一步探讨旧活性炭对生物活性炭挂膜的影响，进一步针对更换炭滤池中的生物多样性进行了测定，结果如表6所示。活性炭微生物多样性的分析可以反映活性炭中微生物群落的丰度和多样性。ACE指数和Chao指数越大，说明微生物群落的物种丰度越高；Simpson和Shannon指数表示微生物群落多样性的变化，Simpson指数越小、Shannon指数越大，微生物多样性越高。微生物群落的多样性越高，微生物的生物降解能力也越高。表6的结果表明，生物活性炭池中存有一定的旧活性炭有利于提升微生物的丰度(50%更换活性炭池的ACE指数和Chao指数高于100%更换的活性炭池)，并且促进炭附着微生物多样性的提升。

表6 不同更换比例活性炭微生物多样性Tab.6 Microbial Diversity of Activated Carbon with Different Replacement Ratios

2.3.2 更换时间节点及更换方式探讨

本次两水厂活性炭的更换时间选择在了11月，不利于活性炭的挂膜和快速成熟，也导致活性炭上生物膜完全成熟稳定需将近6个月，这显著长于通常条件下活性炭上生物膜的成熟期(3个月左右)。但挂膜期间活性炭的吸附作用相对较强，可实现对部分难降解污染物的强化去除。因此，针对更换时间节点的选择除考虑挂膜速度等因素之外，尚需结合水厂实际存在的典型水质期的水质特征来合理确定。

《城镇供水厂生物活性炭失效判别和更换标准》(DB 32/T 4245—2022)指出，生物活性炭失效判别应以净水效能为主要依据，对于活性炭理化指标，碘值低于250 mg/g、亚甲基蓝值低于75 mg/g时宜进行活性炭更换。数据显示，更换比例为50%的活性炭池运行2.5年后，活性炭吸附能力已降低至较低水平，接近再次换炭的时间节点，因此，若仅考虑净化效能，全部更换活性炭可能会较合理。综合考虑活性炭挂膜速度及挂膜后的生物降解效能，炭滤池内存有适当比例的旧活性炭可能会有更理想的效果，且可以适当减少砂垫层和砾石层更换的费用，但具体旧炭的比例限值或应用方式尚需进一步的研究确定。

换炭操作过程中，水厂可根据相关指标判断活性炭是否失效，提前制定科学合理的更换方案，确定更换的范围、格数等，确保所有炭滤池内活性炭在其失效前得到更换，保障供水安全。换炭后，为促进微生物在活性炭表面的生长，挂膜期宜适当延长活性炭的反冲洗周期，同时避免高强度的冲洗，以降低挂膜阶段的生物量损失。换炭后至运行稳定期间的主要目标是尽快完成活性炭的挂膜过程，因此，需对炭上微生物的生长情况进行监测，以便了解炭上微生物的生长状况。

3 结论

(1)对以吸附作用为主要去除机理的污染物如TOC、阿特拉津，100%换炭池对污染物的去除效果>50%换炭池>旧炭池。影响生物活性炭的作用效能主要是生物活性炭的生物降解作用，及时、快速地培养生物膜有利于生物活性炭净化效能的充分发挥。生物活性炭挂膜的本质是水中微生物在活性炭上附着生长并不断增殖，最终形成优势菌种的过程，建议水厂在换炭后注重对活性炭生物指标的检测，可定期对活性炭微生物多样性进行测定，以便了解活性炭上微生物的生长情况，从而有助于判断挂膜情况。

(2)检测指标的优化。对于活性炭基本性能指标，换炭后的运行初期，可针对不同炭层深度检测活性炭的基本性能指标，在炭滤池进入正常使用后，考虑经济成本，可采集混匀样品检测活性炭基本性能指标；对于水质指标，建议水厂夏季增加炭滤池出水微生物与消毒副产物作为加密监测指标，同时密切观察前端加氯量的投加与各工艺环节出水消毒副产物的浓度，防止炭滤池出水消毒副产物较高影响出厂水与后端管网水水质。

(3)换炭方式的优化。从处理效能角度考虑，活性炭的更换比例应以保证水厂水质安全为前提，逐步形成高效稳定的更换体系。由于旧炭的剩余吸附能力有限，且在混合使用中会出现炭滤池出水污染物浓度高于进水的现象，从而影响出水水质，建议水厂从经济成本及长效利用两者情况下考虑换炭比例，较高的更换比例有利于保障生物活性炭工艺单元的净化效能。对于以有机物为主要去除目标的水厂而言，可在经济预算范围内，提高活性炭更换比例，分批次实现炭滤池的更换，换炭的节点建议在春季，新炭的挂膜速度较慢，经过几个月的时间后，炭滤池投入正常运行，并逐渐形成生物膜，在冬季可以更好地去除以生物降解为主要去除机理的污染物。