炭砂滤池炭层厚度对饮用水处理效能的影响研究

关键词：炭砂滤池；炭层厚度；饮用水处理；污染物去除效能

中图分类号：X523 文献标志码：B

前言

自党的十八大以来，中国水生态环境保护成效显著，水污染防治措施坚决有效。根据《2023中国生态环境状况公报》，全国地表水Ⅰ～Ⅲ类水质断面比例增至89.4%，劣Ⅴ类降至0.7%，地级以上城市饮用水源达标率达96.5%，水质持续改善。

随着《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）的实施，饮用水标准更加严格，新标准增加了嗅味指标GSM和2-MIB，要求水厂在保障水质安全的同时提升感官品质。面对新挑战，水厂需技术升级和创新。中国供水工艺主要依赖常规工艺，占比85.23%，受经济成本、用地和技术管理水平限制。在水质持续改善和标准提升的背景下，优化常规工艺是经济有效的提质方法。

过滤工艺是饮用水处理的关键，能有效降低出水浊度，去除溶解性有机和无机污染物。研究表明，颗粒活性炭滤料的加入显著提升滤池吸附性能和生物降解能力，有效提高有机物和氨氮去除效果，去除消毒副产物及其前驱物，对2-MIB去除效果良好。炭砂滤池因处理效果出色、改建／新建成本低、运维管理简便，成为中小型水厂提升工艺的首选，尤其适合有限空间和预算条件下的技术改造和升级。

此研究基于现有炭砂滤池成果，系统研究不同炭层厚度对污染物去除效能，旨在为水厂工艺提升改造提供技术支撑，为新建水厂滤池设计提供理论依据，确保供水安全性和可靠性。

1试验设备与方法

1.1试验设备及运行参数

此研究通过并联中试滤柱装置模拟滤池工艺。滤柱由有机玻璃制成，内径为300mm，高度为4000 mm，设计为下向流进水方式，进水为水厂沉淀池的出水，反冲洗水为过滤出水。每个滤柱都配备气冲和水冲功能，并配有流量计。滤柱内滤料结构自上而下依次为颗粒活性炭层、石英砂层和鹅卵石承托层。

在前期研究中，已经系统地评估了不同类型和粒径的颗粒活性炭在去除水中污染物方面的效果。基于这些研究数据，此研究选择了污染物去除效果较好且广泛应用的8*30目压块破碎炭作为研究对象，旨在深入探究不同厚度炭层在过滤过程中的去除效能。

1.2试验水质

此试验选取南方某水厂的沉淀池出水作为炭砂滤池的进水。该水厂原水总体水质整体较好，但在特定季节，锰、氨氮、异嗅味等指标会出现波动。近3年的检测数据显示，2-MIB的最高检出值为42ng/L，超过了《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）中10ng/L限值，表明该水厂面临原水的嗅味挑战。

试验期间炭砂滤池进水水质情况见表1。

1.3检测方法

COD_Mn采用国标（GB/T 5750.1-2023）中酸性高锰酸钾滴定法；2-MIB采用行标（CJ/T 141-2018）中顶空固相微萃取／气相色谱一质谱法；扫描电镜生物标本制作采用叔丁醇冷冻真空干燥法；滤料表面结构分析采用热场扫描电子显微镜法（型号Apreo 2S HiVac）；生物量采用差量法。

2炭砂滤池沿程去除效能研究

2.1 COD_Mn

COD_Mn通常用来代表水中有机物的总量，出水COD_Mn的去除情况可以反映滤池对有机物的去除能力。试验期间对炭层厚度为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0m的沿程出水COD_Mn进行测定，COD_Mn沿程浓度变化见图1。

由图1可知，对于沉后水COD_Mn浓度在1.78～1.04mg/L的情况下，0.5m深度的炭层对COD_Mn的去除贡献最大，平均去除率达到29.23%。而1.0m、1.5m和2.0m处的去除率分别为31.15%、34.07%和35.43%。0.5m深度炭层中的微生物与有机物接触时间较长，且浅层微生物能获取更多的溶解氧，从而促进了微生物代谢的活跃性，有效降解了COD_Mn。尽管1.0m深的滤柱在初期对COD_Mn的去除效果略低于0.5m深的滤柱，但随着运行时间的延长，去除能力逐渐增强并最终超过了0.5m深的滤柱。这表明1.0m深滤柱中的微生物逐渐适应了水质条件，并提高了对COD_Mn的去除效率。相比之下，1.5 m和2.0m深的滤柱对COD_Mn的去除效果始终相对较差，这可能是由于这些深度的滤柱中营养物质较少，导致微生物代谢活性降低。此外，随着运行时间的增加，滤柱对COD_Mn的去除效果整体呈现出先下降后上升的趋势，这可能与滤柱中生物膜的成熟度提高有关，从而增强了对COD_Mn的去除能力。

2.2三维荧光

三维荧光光谱通常用来表征水中的可溶性有机物种类及其含量的变化。如图2所示，沉后水溶解性有机物主要集中于Ⅳ区、Ⅱ区和Ⅲ区，分别包括微生物代谢物质、色氨酸类蛋白质和富里酸类物质，其中以Ⅳ区微生物代谢物质为主。Ⅰ、Ⅴ区的荧光强度较低，表明酪氨酸类蛋白质和腐殖酸类物质含量较少。整体而言，沉后水水质荧光响应值整体较低，表明天然溶解性有机物含量较低，水质情况较好。经过0.5 m炭层后，出水水质中Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区荧光峰值降低，出水中类色氨酸物质和富里酸类物质得到控制；在1.0 m炭层出水，Ⅲ区富里酸类物质得到进一步的控制，表明炭砂滤池对富里酸类物质有较好的控制效果。另一方面，随着炭层深度的增加，出水中Ⅳ区微生物代谢物质含量逐渐降低，但是相比于类色氨酸物质和富里酸类物质仍有相对较高的浓度，表明炭砂滤池中存在活跃的微生物代谢活动，微生物在分解有机物质的过程中会产生各种代谢产物，该微生物代谢活动可以提高炭砂滤池对于有机物等污染物的处理效率。

2.3 2-MIB

此研究期间沉后水2-MIB的浓度范围为33.4～6.8ng/L，出厂水2-MIB都在10ng/L以下，达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）。通过对水厂工艺全流程检测，混凝沉淀工艺出水2-MIB与原水基本相同，主要去除贡献为过滤工艺。

炭砂滤池不同炭层厚度对2-MIB的去除情况如图3所示，对于沉后水2-MIB浓度在33.4～6.8ng/L的情况下，炭层0.5m处2-MIB浓度明显下降，1.0m、1.5m、2.0m处的浓度变化不明显。在上部0.5m处就基本达到了50%以上的去除率，1m厚处的平均去除率为68.50%～74.08%，1.5m～2.0m厚处的平均去除率为75.87%～84.15%。此研究的沉后水2-MIB最高浓度为33.4ng/L，炭层厚度0.5m处可将2-MIB浓度基本去除低于10ng/L以下，而1.0m处即可稳定并远低于10ng/L以下。

2.4扫描电镜表征及生物量

为验证进一步研究不同炭层深度的降解能力，进行了SEM扫描电镜表征分析。对比不同深度厚度炭层表面生物膜生长情况，见图4和图5。

不同厚度的活性炭滤料表面上的生物膜在1000倍以下，大部分表面覆盖生物膜，放大到5000～10000倍后可以看到，炭层表面和表面下0.3m两个位置的生物面膜密度较大，且较为紧致、完整；表面下0.6m和表面下0.9m两个位置的生物膜则相对较为松散，膜上“孔洞”明显变多。

进一步对生物膜表面的微生物群落进行分析（放大倍数10000倍），炭层表面和表面下0.3m滤料表面覆盖紧致的微生物代谢物质；而表面下0.6m和表面下0.9m两个位置的生物膜表面有着较为丰富的微生物群落，并且表面下60cm生物膜与微生物群落深入到活性炭孔道内部，充分利用了活性炭的微孔结构。因此，炭层表面下0.6m生物作用明显。

采用差量法对滤料表面生物膜进行测量，将不同炭层深度表面的生物量进行对比。生物量随着炭层深度递减的特征，表层生物量最高为28.214mg/g，0.3m处为18.711mg/g，0.6m为14.105 mg/g，0.9m为3.551mg/g，进一步说明活性炭滤料的生物作用主要发挥在炭层下0.6 m范围附近。

活性炭表面生物量从表层到底层逐渐下降，这可能是由于滤池内不同深度滤层的运行环境不一致，尤其是营养水平不一致。随着滤池深度的增加，溶解氧含量与有机物浓度逐渐下降。表层活性炭在溶解氧充足并且滤料与有机污染物充分接触的条件下，污染物在很短时间内即可被去除。

有研究显示，生物活性炭系统在进入稳定期后，活性炭吸附作用和微生物作用协同共同去除有机物。基于文献调研及此研究结果，污染物在上层被快速吸附完成，而下层则需要相对较长的接触时间才能完成吸附作用。另一方面，在水力分级的作用下，表层活性炭粒径较小，下层粒径较大，有研究表明活性炭粒径越小越有利于对有机物的去除，故下层活性炭吸附效果没有上层好。对于降解作用，上层微生物群落的活性较高，使得易于生物降解的有机物得以迅速转化。相较之下，下层微生物的降解能力较弱，限制了对有机物的去除效率。因此，炭砂滤池的吸附和生物降解过程在空间分布上呈现出层级性，上层活性炭因其物理特性和微生物活性的优势，对污染物的整体去除效率起着决定性作用。

3结论

此研究通过分析COD_Mn和2-MIB去除效果，结合SEM观察生物膜形态及测定滤料表面生物量可知，活性炭层厚度在0.5m～1.0m的炭砂滤池处理微污染水源水及应对季节性水质波动时，可发挥吸附与生物降解双重作用，实现高效水质净化。新建／改扩建水厂宜采用此厚度设计活性炭层。在受到经济成本、用地限制以及技术与管理水平限制的水厂升级改造中，普通砂滤池改炭砂滤池可行，是应对原水有机微污染的有效方式。为提升炭砂滤池效能，可实施曝气等强化措施增强生物活性，并考虑与微絮凝、预氧化等工艺集成，具体依原水水质与水厂实际情况选择，以充分发挥过滤工艺在饮用水处理中的优势。