活性炭選用、失效判定及運行管理
除強(qiáng)度、水分等指標(biāo)外，選擇活性炭的更重要指標(biāo)是吸附性能，其與活性炭使用壽命、費用和出水水質(zhì)等息息相關(guān)。通常，碘吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值可作為活性炭表面微孔數(shù)量的表征，但不能完全反映活性炭處理水中有機(jī)物的能力，并且隨著活性炭使用年限的延長，碘值、亞甲藍(lán)值等反應(yīng)吸附性能的指標(biāo)會逐漸弱化。因此，在使用活性炭之前，結(jié)合具體水質(zhì)對活性炭進(jìn)行靜態(tài)吸附、動態(tài)穿透等試驗顯得十分重要。如能對水中有機(jī)物分布、活性炭表面性質(zhì)進(jìn)行更精確、微觀的分析，根據(jù)當(dāng)?shù)啬繕?biāo)水質(zhì)要求確定選型，將更有助于水廠選炭。
上海早在十五期間就已經(jīng)開展了臭氧－生物活性炭深度處理工藝研究，本文以楊樹浦水廠36萬m3/d的深度處理示范工程為例，針對臭氧活性炭深度處理工藝運行管理中的關(guān)鍵問題進(jìn)行總結(jié)和研究，提出相應(yīng)的運行管理建議。
楊樹浦水廠36萬m3/d的臭氧生物活性炭深度處理示范工程自2002年開始建設(shè)，2007年底完工并啟動調(diào)試，至2008年9月調(diào)試完成交付使用。建設(shè)前期，臭氧生物活性炭深度處理技術(shù)在上海水廠的應(yīng)用并不廣泛，經(jīng)驗并不豐富，因此保守選擇了較高吸附指標(biāo)的活性炭。為了進(jìn)一步比較不同種類的活性炭在生產(chǎn)運行中的去除效果工業(yè)純水設(shè)備，選用了原煤破碎炭，柱狀破碎炭和壓塊破碎炭這三種不同種類的活性炭，從活性炭吸附性能、機(jī)械強(qiáng)度和水質(zhì)處理效果等多方面進(jìn)行系統(tǒng)分析不同活性炭間的差異。
1 不同種類活性炭的應(yīng)用效能比較
1.1 吸附性能對比
在當(dāng)時活性炭應(yīng)用還不是很廣泛的情況下，為了進(jìn)一步比較不同規(guī)格活性炭在生產(chǎn)運行中去除效果的差別，楊樹浦水廠選用了不同的碘值和亞甲藍(lán)值、不同規(guī)格的活性炭。作為對比試驗的活性炭吸附指標(biāo)均較高，3種類型炭的碘值都＞1 000 mg/g。根據(jù)近年來水廠深度處理工藝的實踐經(jīng)驗可知，并非碘值和亞甲藍(lán)值越高，活性炭對水中有機(jī)物的去除效果就越好，這兩者并無必然的對應(yīng)關(guān)系，如表1、表2所示。不同吸附值的顆?；钚蕴吭谕度脒\行初期的處理效果可能略有差異，但中后期的效果幾乎無差別。
由表1、表2可知，3格炭池中新炭的碘值都＞1 000 mg/L，亞甲藍(lán)值約200 mg/L，運行2年后，活性炭的碘值、亞甲藍(lán)值吸附指標(biāo)均下降到了較低的程度，降幅約50%。使用2年后活性炭的碘值約500~600 mg/g，亞甲基藍(lán)值約100~110 mg/g。運行5年后的碘值和亞甲蘭值進(jìn)一步降低，碘值降到了約200 mg/g，亞甲基藍(lán)值<75mg/g。運行6年后的活性炭碘值基本比運行5年的活性炭降低約50 mg/g，運行7年多的活性炭碘值下降幅度逐漸減緩，僅比運行6年多的活性炭降低約20 mg/g。
總體而言，隨著活性炭運行時間的延長，碘值及亞甲基藍(lán)值均呈下降趨勢，運行初期的降幅遠(yuǎn)大于中后期，說明初期活性炭以吸附為主，而中后期的吸附作用減弱，此時以生物作用為主。
表1 臭氧生物活性炭中活性炭碘值變化
表2 臭氧生物活性炭中活性炭亞甲基藍(lán)值變化
根據(jù)國內(nèi)的使用經(jīng)驗，當(dāng)活性炭碘吸附值≤600 mg/g時，表明活性炭的吸附性能很差，由此說明在生物活性炭處理的中后期，吸附作用已不占據(jù)主導(dǎo)地位，以生物降解作用為主，但是炭池運行后期，活性炭對有機(jī)物的去除效果變化較小，如圖1所示。運行了已有7年時間的炭池高錳酸鹽指數(shù)去除率穩(wěn)定在20%左右，且各炭池出水CODMn濃度仍在1 mg/L左右。因此僅采用碘值與亞甲藍(lán)值作為炭柱運行的控制指標(biāo)是欠妥的，還應(yīng)該考慮炭池出水水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行活性炭換炭或再生的判斷。
圖1 各炭池不同運行時間對CODMn的去除效果
1.2 機(jī)械強(qiáng)度對比
活性炭的強(qiáng)度與活性炭的使用壽命有一定的關(guān)系，活性炭應(yīng)保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度，沖洗時耐磨損，損耗率較小。由表3可知，舊炭雖然使用了多年工業(yè)純水設(shè)備，但強(qiáng)度仍較高，高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的90%，使用年限對活性炭強(qiáng)度的影響不大。
表3 炭樣的強(qiáng)度對比
1.3 處理效果對比
1.3.1 耗氧量
由圖1還可知，在臭氧活性炭工藝運行初期，各炭池對CODMn的去除率均高達(dá)50%以上，此時活性炭濾池的運行主要處于吸附期。隨著運行時間的延長，活性炭吸附逐漸飽和，運行2年后，各炭池對CODMn的去除率均下降了30%左右，去除率約20%，此時生物活性炭濾池的有機(jī)物去除主要以生物降解作用為主。隨著活性炭運行的時間延長，炭池對有機(jī)物的去除效果變化較小。
1.3.2 UV254
活性炭的種類和UV254去除效果并無對應(yīng)關(guān)系，運行初期的柱狀破碎炭對UV254去除率最高，為65.12%；原煤破碎炭去除率最低，為53.49%。運行2年后，3個炭池UV254去除率范圍為26.6%~40.2%，原煤破碎炭去除率依然最低。運行5年后，3個炭池UV254去除率均在20%以下?？傮w而言，三種活性炭對UV254的去除效果差異性不是很顯著，壓塊破碎炭對UV254的去除效果略優(yōu)于其他兩種活性炭。
圖2 各炭池不同運行時間對UV254的去除效果
2 活性炭的失效判定指標(biāo)探討
當(dāng)活性炭使用目標(biāo)是以吸附水中有機(jī)物污染物為主時，活性炭的失效指標(biāo)以碘吸附值為主；當(dāng)活性炭使用目標(biāo)是以生物降解水中有機(jī)物污染物為主時，活性炭的失效指標(biāo)以炭池出水特征水質(zhì)指標(biāo)為主，以活性炭本身的粒度、強(qiáng)度指標(biāo)為輔。目前判定活性炭失效主要是依據(jù)出水水質(zhì)、取樣檢測等方法，每一種方法都要在保證出水水質(zhì)合格的前提下進(jìn)行。
2.1 水質(zhì)目標(biāo)判據(jù)
活性炭濾池通常處于水處理工藝的后端，活性炭濾池出水應(yīng)設(shè)置質(zhì)量控制點，對出水渾濁度、pH值、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、溴酸鹽和微生物指標(biāo)等進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)活性炭不能保證合格的出水水質(zhì)時，可判定活性炭失效。活性炭失效的評價指標(biāo)應(yīng)主要以處理后水質(zhì)能否穩(wěn)定達(dá)到水質(zhì)目標(biāo)為依據(jù)，并考慮活性炭剩余吸附能力是否適應(yīng)水質(zhì)突變的情況?；钚蕴繛V池高錳酸鹽指數(shù)去除率＜15%，或出廠水三鹵甲烷指標(biāo)與常規(guī)處理相比下降率＜30%，或出廠水水質(zhì)指標(biāo)無法達(dá)到本公司內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)考慮部分或全部更換新炭、再生。目前我國大部分凈水廠采用以出水水質(zhì)為依據(jù)來判斷是否需換炭，這種方法簡單易行且相對可靠，但也存在出水水質(zhì)不合格的風(fēng)險。在沒有更好的方法取代它之前工業(yè)純水設(shè)備，建議采用此種方法。
2.2 性能指標(biāo)判據(jù)
定期檢測炭池內(nèi)活性炭的碘吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值、粒度、強(qiáng)度等指標(biāo)。當(dāng)其數(shù)值低于某一限定值時，就需換炭。就楊樹浦水廠活性炭而言，在使用多年后強(qiáng)度依然較高，各格炭池中的活性炭強(qiáng)度都≥95%，且粒度集中在12×40目，炭池運行過程中未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。因此，從活性炭粒度、強(qiáng)度指標(biāo)角度分析來看，各格炭池仍可繼續(xù)使用。
2.3 目標(biāo)污染物判據(jù)
在試驗期間臭氧活性炭出水各項水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，活性炭更新時機(jī)的選擇目前在國內(nèi)沒有定論，大部分水廠的活性炭池已連續(xù)運行3~7年，對耗氧量的去除率維持在20%~30%，出水耗氧量能夠滿足＜3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)?；钚蕴康淖铋L使用時間已達(dá)7年以上，大部分水廠之所以未進(jìn)行再生或換新炭，是由于臭氧生物活性炭仍具有一定的去除污染物作用，且深度處理出水水質(zhì)達(dá)到GB 5749—2006的要求。但當(dāng)原水水質(zhì)波動較大，存在突發(fā)性的污染物時，如藻類爆發(fā)時產(chǎn)生的嗅味問題，此時老炭對目標(biāo)污染物的去除及抗沖擊能力如何就顯得非常重要。因此，建議各地結(jié)合實際，根據(jù)水源水質(zhì)以及監(jiān)控目標(biāo)差異，可選擇嗅味、抗生素、農(nóng)藥以及標(biāo)準(zhǔn)外消毒副產(chǎn)物等作為更換活性炭的依據(jù)，對目標(biāo)污染物進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)從供“合格水”向“高品質(zhì)水”的轉(zhuǎn)變。
3 活性炭池運行與管理探討
3.1 監(jiān)測
a）定期檢測炭池進(jìn)出水的CODMn、UV254、微型動物每月1~2次，確保出廠水水質(zhì)指標(biāo)滿足公司內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)已出現(xiàn)微型生物泄漏且影響出水水質(zhì)時，應(yīng)停運生物活性炭濾池并查找原因，必要時應(yīng)采用次氯酸鈉溶液浸泡石英砂濾池，高濃度臭氧水浸泡活性炭濾池，經(jīng)沖洗合格后再投入使用。
b）每年應(yīng)測定1次活性炭濾池主要運行參數(shù)，包括：各組濾池活性炭層高度、濾速、沖洗強(qiáng)度、膨脹率等。每年應(yīng)做1次濾層抽樣檢查，同類型的炭濾池（活性炭使用情況基本相同的炭濾池屬于同類型炭濾池）抽檢率不應(yīng)低于20%，對活性炭碘值、強(qiáng)度、粒徑等指標(biāo)進(jìn)行檢測，防止粒度、強(qiáng)度不斷減小導(dǎo)致的跑炭和堵塞濾池現(xiàn)象。
3.2 反沖洗
生物活性炭應(yīng)保持一定的生物量，頻繁的反沖洗不利于生物生長，活性炭濾池沖洗周期應(yīng)根據(jù)水頭損失、濾后水渾濁度、微生物和運行時間確定，不同水源、不同季節(jié)生物活性炭沖洗周期不同，冬季沖洗周期一般為5~7
d，夏季一般為3~5 d。當(dāng)活性炭濾池出現(xiàn)下列情況時，宜加大沖洗強(qiáng)度、增加沖洗頻率或延長沖洗時間保證沖洗效果。
a）沖洗過程中發(fā)現(xiàn)表面炭層板結(jié)。
b）活性炭濾池水頭損失過大。
c）沖洗后，出水渾濁度高于控制值。
d）沖洗后，初濾水渾濁度高于控制值，此時初濾水應(yīng)停止回用。
3.3 活性炭更新與再生
活性炭是否繼續(xù)使用主要依據(jù)活性炭是否破損、是否影響過濾。如耗氧量去除率＜15%，則不需要全部換炭，換部分炭即可。當(dāng)發(fā)現(xiàn)濾池炭層凹陷時，應(yīng)立即停池并檢查漏炭原因，如濾頭是否損壞、沖洗是否跑炭、濾板結(jié)構(gòu)是否損壞等。當(dāng)濾料損失率＞10%時，應(yīng)補(bǔ)炭至炭層設(shè)計厚度。
當(dāng)活性炭失效后，應(yīng)根據(jù)活性炭新炭采購價格、舊炭再生工程費用和活性炭更新周期，確定采取全部更換新炭或全部再生恢復(fù)吸附效能的方案。也可以考慮部分再生或部分更換新炭的可行性。當(dāng)炭池需更換新炭時，建議選用8×30目柱狀破碎炭或壓塊破碎炭，碘值大于900 mg/g。根據(jù)近些年再生炭以及其他吸附指標(biāo)活性炭的應(yīng)用實踐，選用碘值900 mg/g或950 mg/g的顆?；钚蕴吭谕度脒\行初期的處理效果比碘值大于1 000 mg/g的活性炭要略微差一些，但運行到中后期對有機(jī)物的去除效果幾乎沒有差別。當(dāng)考慮活性炭再生時，宜選用8×30目柱狀炭或壓塊炭進(jìn)行再生工業(yè)純水設(shè)備，不宜選用原煤破碎炭和12×40目的顆粒炭進(jìn)行再生，易造成再生完的炭粒度和強(qiáng)度過小，從而導(dǎo)致運行過程中跑炭和堵塞濾池現(xiàn)象的發(fā)生。
3.4 活性炭全生命周期管理
水廠建立活性炭應(yīng)用檔案，從選用、失效、更換等活性炭全生命周期進(jìn)行優(yōu)化運行、科學(xué)管理，真正做到活性炭應(yīng)用的流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化，實現(xiàn)節(jié)能降耗、優(yōu)質(zhì)供水。
總結(jié)
安全供水、提高飲用水品質(zhì)已成為全球范圍內(nèi)共同關(guān)注的話題。活性炭吸附作為給水深度處理的重要手段，因其高效吸附性和經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用。研究活性炭選型、失效判定及運行管理，對于水廠深度處理改造是一個重要課題，能進(jìn)一步發(fā)揮活性炭在給水深度處理中的作用，從而早日實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)飲用水目標(biāo)。更多環(huán)保及純水處理設(shè)備資訊請關(guān)注皙全蘇州純水設(shè)備網(wǎng)。
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