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陳健，陸輝，伏俊奕

（蘇州市自來(lái)水有限公司，江蘇蘇州  215002）

摘要：太湖金墅原水耗氧量月均值在3.0-4.2mg/L左右波動(dòng)，主要污染物為總磷、總氮，污染物隨季節(jié)變化大，出廠水穩(wěn)定在2.0mg/L以?xún)?nèi)，顆粒活性炭濾池使用三年多后對(duì)其中一格進(jìn)行了再生（加熱再生法），再生質(zhì)量損失率約30%，再生后碘值和亞甲藍(lán)值較新炭下降更快，加之臭氧對(duì)活性炭加熱再生后強(qiáng)度的影響【7】，再生后的使用期不足3年（綜合已有文獻(xiàn)，以碘值小于500mg/g判斷），6年內(nèi)兩次再生的成本已經(jīng)可以重新?lián)Q新炭。

關(guān)鍵詞：太湖原水、再生、活性炭、生物量

       臭氧—生物活性炭的第一次聯(lián)合使用是在1961的德國(guó)Amstaad水廠，它的成功引起了世界各地水處理工程界的重視。我國(guó)從80年代開(kāi)始應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，隨著改革開(kāi)放經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各地區(qū)水源陸續(xù)出現(xiàn)了富營(yíng)養(yǎng)化和微污染的情況，O3-BAC這個(gè)被水處理專(zhuān)家預(yù)言為21世紀(jì)飲用水凈化廠普遍采用的處理方法紛紛在許多自來(lái)水廠采用。

       O3-BAC的主要目的是去除水源中的消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物、CODMn、氨氮、嗅味物質(zhì)、藻毒素、內(nèi)分泌干擾物、并能有效的殺滅隱孢子蟲(chóng)、賈第蟲(chóng)等加氯不易滅活的病原原生動(dòng)物，有效的保障了生活飲用水的優(yōu)質(zhì)安全。

1.生物活性炭運(yùn)行狀況

       蘇州市自來(lái)水有限公司是江蘇省地區(qū)較早采用臭氧活性炭工藝的供水企業(yè)，相城水廠一期工程深度處理工藝設(shè)計(jì)規(guī)模30萬(wàn)m3/d，2008年3月相城水廠O3-BAC正式開(kāi)始運(yùn)行,活性炭面積121m2，炭層高2m，共有10格，采用12×40目煤質(zhì)破碎活性炭。期間運(yùn)行效果表面，其對(duì)氨氮、CODMn、色度、臭味等的去除效果明顯。

         監(jiān)測(cè)期內(nèi)原水耗氧量月均值在3.0-4.2mg/L內(nèi)波動(dòng)，但出廠水穩(wěn)定在1.6mg/L以?xún)?nèi)，很好的滿(mǎn)足了飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006）中耗氧量小于3mg/L的規(guī)定。由于微生物對(duì)耗氧量和氨氮的降解效果較理想，相城出水廠中上述兩個(gè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，從側(cè)面反映生物活性炭（BAC）工藝運(yùn)行效果良好。

       下面統(tǒng)計(jì)了2010年至2012年，1月和7月BAC工藝單元對(duì)氨氮、COD、TOC和UV254的去除情況，以直觀考察低溫和高溫條件下BAC工藝的凈水效果，如下圖所示。

         由上圖知從2010年至2012年，雖然活性炭的吸附性能總體逐漸降低，BAC對(duì)氨氮和有機(jī)物的去除率沒(méi)有隨時(shí)間增加而明顯降低。由于原水水質(zhì)變化，BAC進(jìn)水中各項(xiàng)指標(biāo)也有差異，各指標(biāo)的去除率也未像預(yù)想中呈現(xiàn)高溫去除率大，低溫相對(duì)小的規(guī)律。一般說(shuō)來(lái)，高溫條件下BAC中微生物代謝更旺盛，凈水效果也較好，下表統(tǒng)計(jì)了2010至2012年低溫條件下炭濾池出水有機(jī)物的情況。

       由上表知，即使在低溫條件下，BAC出水中有機(jī)物指標(biāo)總體較低，其中COD基本在2mg/L以下。且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，其出水水質(zhì)仍較穩(wěn)定。表明目前炭濾池運(yùn)行情況較好，在低溫不利條件下仍可發(fā)揮部分去除有機(jī)物的作用。COD和氨氮的變化如下圖所示。

       由上圖可知，在進(jìn)廠水氨氮≤0.30mg/L，COD≤3.80mg/L時(shí)，炭濾池出水指標(biāo)可分別控制在0.10mg/L和2.00mg/L以?xún)?nèi)，且投加的后道氯除了發(fā)揮消毒作用，也能起到部分氧化有機(jī)物的效果，使得出廠水中COD進(jìn)一步降低。

       對(duì)于高氨氮和高COD等水質(zhì)突變情況，由于高氨氮原水一般發(fā)生在1到3月，此時(shí)水溫較低，微生物作用不明顯，需采用預(yù)氯化等工藝措施；高COD的情況則需加強(qiáng)預(yù)氧化和常規(guī)工藝的處理效果，降低炭濾池的進(jìn)水負(fù)荷。臭氧氧化副產(chǎn)物方面。由于其容易被BAC上微生物降解且相城臭氧投量較低，出廠水中甲醛基本無(wú)檢出。而太湖原水中溴化物濃度總體在100至200ng/L之間，存在溴酸鹽風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，相城出廠水中溴酸鹽濃度符合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這與原水水質(zhì)、臭氧投加量、投加方式（廠內(nèi)采用三點(diǎn)投加）和BAC的作用（將溴酸鹽轉(zhuǎn)化為溴離子）等有關(guān)。BAC的生物安全方面，通過(guò)定期清洗炭濾池、根據(jù)季節(jié)變化調(diào)整沖洗強(qiáng)度和沖洗周期、初濾水管理和在出水口加裝200目不銹鋼濾網(wǎng)等措施，加強(qiáng)BAC的運(yùn)行管理，降低生物風(fēng)險(xiǎn)。 但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，活性炭本身吸附容量的限制，其亞甲藍(lán)值和碘值都在不斷地下降，指標(biāo)弱化，處理效果也有所下降。在這種情況下，2011年7月對(duì)其中一格活性炭進(jìn)行了加熱再生。

2.活性炭再生

    2.1再生周期

       研究表明，在有氯水處理后的工藝中，三鹵甲烷20天后就會(huì)在活性炭氯床開(kāi)始穿透，NVDOC（不揮發(fā)可溶性有機(jī)碳）50天后開(kāi)始穿透，去除率下降。因此在用顆?；钚蕴课铰忍幚硭膱?chǎng)合，需要頻繁地再生，建議一年1～4次[5]。

       在不含氯水流流入活性炭濾床時(shí)，微生物在活性炭層中繁殖，這樣大大延長(zhǎng)了活性炭的壽命，有關(guān)實(shí)踐證明，生物活性炭經(jīng)過(guò)大約6年的持續(xù)運(yùn)行，仍能夠穩(wěn)定的去除原水中60～80%的鹵甲烷前驅(qū)物[4]。可以認(rèn)為即使活性炭的物理吸附能力降低或到達(dá)穩(wěn)定飽和，一般在3～6個(gè)月，由于微生物的存在也可以使得活性炭能夠長(zhǎng)期的有效使用。據(jù)報(bào)道，生物活性炭去除農(nóng)藥類(lèi)、致畸致突變有機(jī)物方面有長(zhǎng)期連續(xù)的去除效果[4]。目前結(jié)合國(guó)內(nèi)外O3-BAC運(yùn)行狀況，活性炭大約在3～4年再生一次的較多。

       活性炭再生周期和水廠處理工藝、原水水質(zhì)、吸附有機(jī)物類(lèi)型濃度等有關(guān)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)再生的標(biāo)準(zhǔn)。具體的再生標(biāo)準(zhǔn)主要是從出廠水水質(zhì)和活性炭自身物理性能兩方面考慮。

       對(duì)于出廠水水質(zhì)，根據(jù)《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T206-2005》的要求，水廠出水水質(zhì)檢驗(yàn)項(xiàng)目（如濁度、色度、氨氮、CODMn等）單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)合格率要≥95%，如果出廠水水質(zhì)指標(biāo)的合格率達(dá)不到規(guī)定要求，應(yīng)查明原因，調(diào)整水處理的工藝參數(shù)，或考慮活性炭的再生。

       另外，自來(lái)水廠對(duì)活性炭的物理參數(shù)指標(biāo)也也有相應(yīng)要求，如相城水廠對(duì)活性炭廠招標(biāo)時(shí)明確規(guī)定碘值大于950mg/g，亞甲藍(lán)值大于180mg/g，當(dāng)活性炭系統(tǒng)運(yùn)行很長(zhǎng)一段時(shí)間，這個(gè)兩個(gè)數(shù)值會(huì)有一定程度的降低。張捷根據(jù)果園橋水廠生物活性炭的運(yùn)行實(shí)踐，活性炭再生時(shí)候參考的指標(biāo)為碘吸附值為500mg/g，亞甲藍(lán)值為100mg/g左右[5]。北京第九水廠認(rèn)為當(dāng)?shù)馕街敌∮?00mg/g，亞甲藍(lán)值小于為85mg/g時(shí)會(huì)對(duì)水的處理效果產(chǎn)生影響，并且其還規(guī)定了再生炭碘吸附值需大于750mg/g，亞甲藍(lán)值大于100mg/g。

       相城水廠認(rèn)為碘吸附值600mg/g，亞甲藍(lán)值為85mg/g是一個(gè)臨界值，此時(shí)再生無(wú)論從經(jīng)濟(jì)成本還是活性炭本身吸附情況都是一個(gè)比較好的判斷標(biāo)準(zhǔn)，活性炭的物理參數(shù)如果在臨界值附近，進(jìn)行再生后它的參數(shù)可以恢復(fù)到出廠時(shí)候的85～90%左右，如果不及時(shí)進(jìn)行再生可能之后恢復(fù)率會(huì)有所降低，其次如果繼續(xù)使用的話對(duì)今后出廠水水質(zhì)需要嚴(yán)格監(jiān)督。

    2.2再生方法

       活性炭的再生方法有很多，根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)條件，國(guó)內(nèi)外活性炭的再生方法主要如：加熱再生、生物再生、光再生、微波再生、超臨界流體再生等，種類(lèi)繁多，但是真正適用于水廠的再生并且在工業(yè)上應(yīng)用比較廣泛的是熱再生法，主要依靠再生爐，分為多層爐、流動(dòng)層爐、回轉(zhuǎn)爐、移動(dòng)層爐，再生能力從幾噸每天到幾百?lài)嵜刻觳坏取?/span>

       水廠活性炭熱再生的過(guò)程如下：100℃干燥，此時(shí)孔隙中的水分就會(huì)蒸發(fā)；350～800℃炭化，此時(shí)低沸點(diǎn)有機(jī)物脫離，部分高沸點(diǎn)有機(jī)物被熱分解；800～1000℃活化，此時(shí)去除炭化殘留物并防止氧氣混入，恢復(fù)活性炭的初始吸附性能,具有關(guān)試驗(yàn)證實(shí)活化過(guò)程中的水蒸氣能顯著恢復(fù)活性炭的微孔容積[1]。

       水廠中吸附的物質(zhì)通常包含嗅味物質(zhì)、腐殖質(zhì)、三鹵甲烷、鹵乙酸、藻毒素、內(nèi)分泌干擾物等，因此采用熱再生是恢復(fù)水廠活性炭的有效方法之一。并且在上述再生方法中曾提到的微生物再生法在掛膜成功后，時(shí)時(shí)刻刻在活性炭和表面吸附的生物群中進(jìn)行著微生物再生，這也是活性炭和微生物共同作用后，能夠給顯著延長(zhǎng)活性炭吸附周期的原因之一。雖然活性炭表面生長(zhǎng)微生物，分解活性炭所吸附的有機(jī)物，延長(zhǎng)了活性炭使用期限，但是難以恢復(fù)已吸附難分解有機(jī)物質(zhì)的活性炭的吸附性能，因此熱再生不可避免。

    2.3 再生指標(biāo)

       再生后的吸附性能、再生活性炭耗損率和顆粒強(qiáng)度是活性炭再生評(píng)價(jià)體系中的重要參考指標(biāo)。 從水廠角度說(shuō)，當(dāng)然希望飽和后的活性炭能夠在各個(gè)參數(shù)都恢復(fù)到和出廠時(shí)候的一樣，但是一旦強(qiáng)化再生條件，往往會(huì)使得活性炭強(qiáng)度粒徑下降，耗損率上升。因此再生后的目標(biāo)應(yīng)該是控制吸附性能的恢復(fù)率在一定的范圍內(nèi)，充分考慮強(qiáng)度、顆粒變化與吸附性能的得失，做出一個(gè)經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)的選擇。

       活性炭常見(jiàn)的吸附性能指標(biāo)，如亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值等。AWWA美國(guó)水工業(yè)協(xié)會(huì)采用多種測(cè)試方法來(lái)表征活性的性。如在相城水廠主要考察了活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、脫氫酶活性和生物量。亞甲基藍(lán)吸附值反映了活性炭吸附中小分子的物質(zhì)的能力；碘值反映了活性炭的表面積，是微孔指示器。相對(duì)水廠來(lái)說(shuō)可以加入丙酮肟和單寧酸吸附值，丙酮肟吸附值表征了活性炭去除VOC等小分子的能力；單寧酸吸附值表征了去除消毒副產(chǎn)物前驅(qū)物等大分子有機(jī)物的能力。因?yàn)楸M管碘吸附性能可能通過(guò)再生恢復(fù)過(guò)來(lái)，但是吸附性能仍然可能會(huì)大幅下降的，因此對(duì)再生后的活性炭必須嚴(yán)格控制，再生指標(biāo)可以適當(dāng)增加并且規(guī)定一定的范圍。

3相城水廠再生前后

    3.1再生前各項(xiàng)指標(biāo)和運(yùn)行情況

相城水廠生物活性炭濾池自2008年3月投運(yùn)至2011年三年期間，有效提高了水廠的出廠水水質(zhì)，期間水廠定期委托公司水檢中心和北京煤科總院對(duì)活性炭的各項(xiàng)主要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤，以便及時(shí)掌握活性炭各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的衰減情況。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表一：

表一

       參考《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，碘值小于600mg/g或亞甲藍(lán)值小于85mg/g時(shí)，活性炭需考慮再生；行業(yè)內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)是，當(dāng)?shù)庵岛蛠喖姿{(lán)值分別低于600mg/g和60mg/g時(shí)，活性炭需考慮再生；但作為生物活性炭，可適當(dāng)延長(zhǎng)使用壽命，減小吸附性能減弱帶來(lái)的影響，再生條件可以放寬。

表二

       從表二可以看出，炭濾工藝對(duì)NH3—N和COD指標(biāo)的平均去除效率由開(kāi)始時(shí)下降趨勢(shì)至目前達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，且出廠水質(zhì)指標(biāo)均符合要求，比較穩(wěn)定。

       根據(jù)上述情況，活性炭指標(biāo)基本達(dá)到再生要求，如繼續(xù)使用，可能會(huì)失去活性炭再生的最佳時(shí)機(jī)，但又考慮到出水水質(zhì)均符合要求，因此選擇一組炭濾池作為再生的試點(diǎn)濾池。

    3.2再生后各項(xiàng)指標(biāo)和運(yùn)行情況

       再生后委托北京煤科總院對(duì)活性炭的各項(xiàng)主要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤。

       再生前共計(jì)取出活性炭230m3，再生炭裝填量約162m3，剩余約68m3的活性炭缺口另用新炭補(bǔ)充。再生損耗率29.6%。再生總價(jià)26萬(wàn)元左右。

       水檢中心監(jiān)測(cè)相城9#與10#炭濾池吸附性能如下圖所示。

       由圖可知，未再生的10#炭濾池碘值和亞甲藍(lán)值分別穩(wěn)定在430mg/g和85mg/g左右，而再生炭的碘值和亞甲藍(lán)值分別為540mg/g和150mg/g。再生炭與新炭投運(yùn)12個(gè)月時(shí)的數(shù)據(jù)相比，碘值下降速度快，亞甲藍(lán)值衰減速度較慢。由于當(dāng)年相城供水量明顯增加，且原水水質(zhì)與新炭投運(yùn)時(shí)不同，故無(wú)法斷言再生炭與新炭吸附性能變化的差異是由再生工藝引起。

       為全面了解活性炭的性能，另取兩個(gè)炭池的炭樣送至北京煤科總院檢測(cè)。數(shù)據(jù)表明，未再生炭樣強(qiáng)度值與2011年同期相比沒(méi)有明顯變化，裝填密度和比表面值均較穩(wěn)定。表明廠內(nèi)BAC反沖洗強(qiáng)度較合適，未造成炭料之間的磨損。 而經(jīng)過(guò)再生的活性炭粒徑變細(xì)，但濾料強(qiáng)度值并未因反復(fù)沖洗而出現(xiàn)降低，表明目前沖洗未對(duì)再生炭造成進(jìn)一步磨損，但還需持續(xù)關(guān)注沖洗對(duì)再生炭強(qiáng)度的影響。

       從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，活性炭再生成本大約是新炭50%，一般推薦3年或碘值小于600mg/g時(shí)進(jìn)行再生。相城9#炭濾池再生后碘值和亞甲藍(lán)值較新炭下降更快（除了再生工藝，也受原水水質(zhì)變化和供水量增加的影響），再生后的使用期不一定能滿(mǎn)3年（綜合已有文獻(xiàn)，以碘值小于500mg/g判斷），從這方面考慮，6年內(nèi)兩次再生的成本已可以重新?lián)Q新炭，且活性炭經(jīng)過(guò)兩次再生后，強(qiáng)度是否滿(mǎn)足使用要求也存在疑問(wèn)。而從前文分析知，目前炭濾池出水較穩(wěn)定，且已經(jīng)過(guò)了再生的臨界點(diǎn)（使用超過(guò)3年），此時(shí)進(jìn)行再生損耗率較高，增加了再生成本。因此建議密切觀察活性炭濾池出水水質(zhì)的變化，同時(shí)加強(qiáng)炭濾池的日常管理，確保出廠水水質(zhì)。

       另外，從圖上還可看出，無(wú)論是再生或是未再生的炭池，均在5月出現(xiàn)了吸附性能明顯下降的現(xiàn)象。這段時(shí)間原水水質(zhì)和活性炭中的生物情況如下圖所示。

       出現(xiàn)上述現(xiàn)象，除了檢測(cè)方面可能存在的誤差，可從原水水質(zhì)和廠內(nèi)工藝方面分析。原水水質(zhì)方面由左圖知，期間原水中有機(jī)物總體較高，在3.5mg/L以上，3到5月間原水中2-MIB和GSM的濃度也較高，從吸附指標(biāo)看，主要是碘值下降，而亞甲基藍(lán)下降不明顯，而碘值表征的是微孔的吸附性能，GSM和2-MIB這類(lèi)小分子均吸附在微孔上。不過(guò)二者是否會(huì)造成活性炭吸附性能下降，文獻(xiàn)中尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。在5月關(guān)于工藝流程對(duì)2-MIB去除的取樣分析中發(fā)現(xiàn)主臭氧出水中2-MIB濃度已降至12ng/L，此時(shí)顯然不會(huì)對(duì)活性炭吸附性能造成影響，但嗅味產(chǎn)生因素較復(fù)雜，加上期間有機(jī)物濃度較高，也不排除原水水質(zhì)變化，進(jìn)而影響活性炭吸附性能的可能。

         廠內(nèi)工藝調(diào)整方面，由右圖可知，3月后脫氫酶活性呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)，這主要與水溫升高，微生物代謝作用加強(qiáng)有關(guān)；生物量卻呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，可能因?yàn)槠陂g原水2-MIB和GSM的濃度較高，廠內(nèi)加強(qiáng)了對(duì)BAC的沖洗，5月后采用小沖程序，生物量明顯增加，生物膜粘附在部分微孔上，使得碘值下降。

       另外5月開(kāi)始，相城供水量明顯增加，5月平均日供水量為25.4萬(wàn)m3，達(dá)到去年除了太東路沖洗時(shí)的最高日供水量，由于工藝負(fù)荷加重，不可避免會(huì)影響到炭濾池的吸附性能。

4. 結(jié)論

1．針對(duì)于太湖原水微污染原水的臭氧-生物活性炭工藝的活性炭再生周期建議根據(jù)出廠水質(zhì)情況確定。

2. 活性炭再生后碘值比同期新炭低，亞甲藍(lán)值高，粒徑也變細(xì)，但滿(mǎn)足目前廠內(nèi)沖洗強(qiáng)度的要求。未再生炭與2011年同期比，物理性能指標(biāo)較穩(wěn)定，表明目前廠內(nèi)沖洗強(qiáng)度較合適。

3.如果僅以碘值作為再生標(biāo)準(zhǔn)，從現(xiàn)有數(shù)據(jù)推斷，不到3年可能需要再次再生。而6年內(nèi)再生兩次成本已與全部換新接近，且兩次再生后活性炭強(qiáng)度是否滿(mǎn)足需要存在疑問(wèn)。

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