《凈水廠用煤質顆粒活性炭選擇、使用及更換技術規范》解讀

顧 晨

(上海市供水調度監測中心，上海 200002)

2021年9月1日起，《凈水廠用煤質顆?；钚蕴窟x擇、使用及更換技術規范》(DB31/T 451—2021，以下簡稱“地標”)[1]正式頒布實施。地標替代了《自來水處理用煤質顆粒活性炭技術規范》(DB31/T 451—2009)[2]，對其中的技術要點進行了增加與修改，進一步明確了凈水廠中煤質顆?；钚蕴康倪x擇、使用和更換過程中的技術要素。本文針對地標新增和修改的技術要點進行解讀，并對地標的貫徹實施給出相關要求建議。

1 地標編制的背景

1.1 編制的目的

根據上海市水源水質特征和水廠工藝特點，凈水廠采用臭氧活性炭深度處理工藝可以去除水中微量有機物，改善嗅味問題，有助于進一步提升供水水質。上海市供水行業自2008年開始進行水廠深度處理工藝改造，截至2020年底，上海市38家水廠中已經有25家完成深度處理工藝改造，占1 221萬m3/d供水能力的64%。這些水廠采用的基本都是臭氧活性炭工藝，剩下的水廠也將在“十四五”期間基本完成臭氧活性炭工藝改造的工程建設。

上海市第一批深度處理的凈水廠使用活性炭已有10多年，活性炭的效能已經不能滿足水質要求，部分已經更換，還有部分仍在使用的需要對其效能進行評估。新建凈水廠的活性炭選擇、使用也需要標準來提供依據。

1.2 現有的研究基礎

2009年，上海市出臺了《自來水處理用煤質顆?；钚蕴考夹g規范》(DB31/T 451—2009)，對新購活性炭相關技術參數進行了規定，可適用于煤質活性炭的質量評價與技術要求。但此規范主要針對活性炭的吸附作用，缺乏對臭氧生物活性炭工藝中煤質顆粒活性炭的具體使用、更換周期等技術規范要求；江蘇省住建廳對活性炭濾池的運行維護進行了規定[3]，但目前國內尚未有水處理工藝過程中煤質顆粒活性炭的使用及其更換的標準。

上海市供水調度監測中心2017年起對上海市使用深度處理工藝的水廠進行了調研與摸底，對相關供水企業開展了活性炭濾池檢測的統一培訓工作，收集凈水廠濾池每季度的檢測情況并進行統計分析，基本掌握了本市水廠活性炭使用的情況并形成相關技術資料。以此為基礎編制了上海市水務局標準化指導性技術文件《上海市凈水廠煤質活性炭選擇、使用、更換規程》(SSH/Z 10022—2019)并予以發布。

2 地標編制的技術要點

地標的編制充分考慮上海市的水源特征與水廠的工藝特點，結合南市、臨江、閔行等水廠活性炭運行與更換的經驗，兼顧供水企業生產運行的經濟與技術條件，以可操作性為重點，對活性炭的選擇、使用和活性炭濾池的運行監測、換炭等方面的相關技術要點進行了明確。

2.1 活性炭的選擇

凈水廠使用的煤質顆粒活性炭應采用具有較好吸附性能、較高機械強度和化學穩定性、較強微生物附著能力及適宜粒徑的活性炭。宜選用壓塊(片)破碎活性炭及柱狀破碎活性炭。在選型指標上，重點關注碘吸附值、亞甲藍吸附值、比表面積、強度、水分。

(1)選型時應考慮活性炭的孔隙結構分布，微孔、中孔、大孔均應占有一定比例。

活性炭孔隙大于或等于被吸附物質的1.7倍才能有效吸附該物質，活性炭吸附主要是微孔和中孔起作用，但沒有大孔微生物也無法有效生長，因此，活性炭微孔、中孔、大孔需要一定比例才能發揮作用。活性炭吸附性能與孔隙有關，國際理論與應用化學聯合會(IUPAC)將活性炭的孔隙大小分類如下：微孔R≤2 nm，中孔 2 nm50 nm。活性炭的孔隙結構是在活化過程中形成的，不同的活化工藝可以得到不同的孔隙結構和外形特征，而不同的孔隙結構其功能也不同，微孔主要吸附小分子量有機物，中孔主要吸附大分子量有機物，大孔適宜吸附微生物。

(2)碘吸附值是活性炭孔隙結構的一種顯示值，主要標志活性炭微孔的發達程度，可用以評價活性炭對半徑小于2 nm吸附質的吸附能力。

(3)亞甲藍吸附值用以評價活性炭對半徑為2～100 nm吸附質的吸附能力，標志活性炭的中孔及部分大孔的發達程度，表征中等吸附質分子的吸附能力。

(4)活性炭的比表面積可以表征活性炭的吸附能力和微生物的附著能力，比表面積越大，活性炭吸附能力越強，微生物附著量越大，性能越優。

活性炭綜合凈水效能應根據原水水質、炭濾池在水廠工藝流程的位置，通過靜態或動態試驗進行評估。靜態試驗包括靜態吸附量、吸附等溫線、吸附速度等。其中，吸附等溫線測定按照《生活飲用水凈水廠用煤質活性炭》(CJ/T 345—2010)[4]附錄A執行。動態試驗即吸附柱試驗，根據各地選型經驗，動態試驗時間不應小于3個月，宜進行1年，用于選擇適宜各地原水水質的活性炭及工藝參數，主要包括活性炭炭種、規格、性能指標及最佳運行工藝參數。但從可操作性上看，凈水廠可從碘吸附值、亞甲藍吸附值、強度、粒度、有效粒徑、均勻系數等方面對活性炭開展性能評估?；钚蕴康南嚓P性能指標的檢驗方法按照GB/T 7701.2—2008[5]、GB/T 7702—2008[6]和CJ/T 345—2010等有關規定執行。如使用非標準方法，應該對方法進行驗證和確認。

2.2 活性炭的使用

地標從有效性和安全性的角度出發，對活性炭濾池的設置、活性炭濾料的裝填、生物活性炭掛膜、臭氧生物活性炭使用、活性炭濾池沖洗等方面提出了要求。

2.2.1 活性炭濾池的設置

活性炭去除微量有機物的方式是吸附，吸附是一個傳質的過程，水通過吸附層的方式吸附，因而可以采用降流式，也可以采用升流式進行濾池的設置。

活性炭濾池設在砂濾池后時，如設置升流式活性炭濾池，會導致炭濾池出水渾濁度增加，從而影響出廠水的渾濁度，所以應采用降流式活性炭濾池?；钚蕴繛V池設在砂濾池前時，因為炭濾池后還有砂濾工藝，不會對出廠水渾濁度造成影響，所以可以采用升流式活性炭濾池。

2.2.2 活性炭濾料的裝填

活性炭濾料使用前應在無氯水中浸泡，含氯水會影響活性炭濾料中的微生物，對后續使用時的微生物掛膜造成不良影響?；钚蕴繛V池沖洗宜使用無氯的沉淀池后出水或濾池出水，pH值小于8.5或炭濾池進出水24 h內pH值變化不超過0.5，表示活性炭濾池已清洗完畢。

2.2.3 生物活性炭掛膜

新活性炭濾池掛膜可以延長活性炭使用壽命，更好地發揮活性炭吸附和生物降解的協同作用。人工投加菌種掛膜可能會帶來微生物的安全風險，所以應采用自然掛膜方式進行生物掛膜。

掛膜初期宜減少活性炭沖洗，不同水源、不同季節所需掛膜時間不同，夏季掛膜需要15～20 d，冬季需要30 d左右。掛膜時間與水源有一定的相關性。因金澤水庫原水中含有較多的微生物及生物需要的營養物質，所以取用金澤水庫原水的水廠比取用長江水源原水的水廠掛膜時間短。

掛膜期間宜降低沖洗頻率，可選擇7 d或10 d為1個沖洗周期。如濾池水頭損失不影響供水水量就不需要沖洗。采用青草沙原水炭濾池出水pH明顯下降，采用金澤原水炭濾池出水氨氮明顯下降或生物量明顯增加，表明掛膜成功。

2.2.4 臭氧生物活性炭使用

臭氧-生物活性炭組合工藝是較成熟的深度處理工藝，臭氧和生物活性炭兩者有機結合，可有效去除水中微量有機物。可根據不同情況對臭氧投加量進行控制。

當水源水中耗氧量或藻類指標較高時，可能因為還原性物質較多，可適當增加預臭氧投加量，按《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)[7]規定宜控制在0.5～1.0 mg/L。

夏季預臭氧投加會使水中溶解氧增加，沉淀池藻類也會增加。因此，預臭氧投加的同時，可投加少量氯殺滅藻類，以控制藻類增殖。氯投加量視水源藻類情況決定，宜控制在0.5～1.0 mg/L，沉淀池出口基本不含氯。如果砂濾池設置在炭濾池前，沉淀池可以保持一定余氯。

后臭氧投加量應與進活性炭濾池的余臭氧相關聯。不同水源、不同季節投加量不同，進生物活性炭的余臭氧質量濃度應嚴格控制在0.10 mg/L以下。同時，還要關注出廠水溴酸鹽指標，出廠水溴酸鹽指標較高時，應降低后臭氧的投加量。

同時，為防止微生物和藻類生長，活性炭濾池要注意密封性，宜有避光措施，加蓋防止蚊蟲產卵繁殖；過高的渾濁度會影響炭濾池的使用壽命，需嚴格控制炭濾池進水的渾濁度；為保證活性炭的吸附效果不被氯消耗，還需控制活性炭濾池進水余氯。

2.2.5 活性炭濾池沖洗

生物活性炭的沖洗周期對發揮生物活性炭作用至關重要。沖洗頻率過高，生物活性炭生物菌生長不好，不能很好發揮生物作用；沖洗頻率過低，生物活性炭生物菌繁殖過多，會造成炭濾池堵塞、生物穿透泄漏、出水渾濁度升高等。不同水源、不同季節生物菌繁殖速度不同，因而沖洗時長、周期、強度宜適時調整，冬季生物菌生長緩慢，可5～7 d沖洗1次，夏季生物菌生長較快，宜3～5 d沖洗1次。

2.3 活性炭濾池的運行監測

為確?；钚蕴繛V池正常運行，活性炭濾池出水水質滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[8]和《生活飲用水水質標準》(DB31/T 1091—2018)[9]的要求，應按照以下頻次、指標對活性炭濾池及進出水進行檢測。

(1)每周(7 d)不少于1次對每條生產線炭濾池進出水臭和味、渾濁度、高錳酸鹽指數、色度、菌落總數這5項指標進行檢測。根據原水及水廠情況，必要時可增加檢測頻率。因每個水廠濾池較多，無法對每組濾池進行進出水檢測，選擇對每條生產線每周檢測1次，是比較切實可行的方法。

(2)每月(30 d)不少于1次對出廠水中總有機碳(TOC)、溴酸鹽與消毒副產物(三鹵甲烷)等指標進行檢測，夏季宜將頻率調整為7 d不少于1次。夏季藻類繁殖，宜每30 d不少于1次對出廠水2-MIB及土臭素開展檢測。

(3)每季度(90 d)不少于1次對炭濾池的平整度、炭層高度、沖洗強度、炭濾池出水的生物量開展檢測。

(4)每年(365 d)不少于1次按《煤質顆?；钚蕴?凈化水用煤質顆?；钚蕴俊?GB/T 7701.2—2008)的規定方法，開展檢測活性炭的碘吸附值、亞甲藍吸附值、強度、粒度、有效粒徑及均勻系數這6項指標。每年(365 d)不少于1次對每條生產線炭濾池的進出水開展TOC、三鹵甲烷一致性生成條件試驗(uniform formation conditions test,UFC)。

(5)活性炭濾池取樣。每格活性炭濾池均勻選擇4～6個取樣點，取樣深度為炭表層以下10～40 cm，各取樣點取樣量應盡量均衡，并視情況可適當增加取樣點位置及取樣深度。將各取樣點樣品混合均勻后，取一定數量活性炭存放于封口塑料袋中，作為該格活性炭濾池的待檢樣品，取樣數量根據活性炭分析指標情況而定。

(6)為監控炭濾池出水水質，在炭濾池出水口宜設置耗氧量、氨氮和渾濁度在線監測儀表。

2.4 活性炭濾池換炭

臭氧生物活性炭工藝主要是為了解決供水水質存在的臭和味、微量有機污染物、消毒副產物、氨氮等問題，地標從換炭標準和換炭年限兩個方面進行了規定。

2.4.1 活性炭濾池換炭標準

(1)出廠水臭和味合格率明顯降低。

(2)活性炭進出水耗氧量或TOC等去除率小于15%，表示活性炭的吸附能力已飽和，且生物降解作用不明顯。

(3)采用UFC方法評估炭濾池進出水三鹵甲烷前體物濃度，出水三鹵甲烷生成勢(即生成潛能，代指三鹵甲烷前體物水平)超過進水三鹵甲烷生成勢的80%，說明活性炭性能下降。

臭氧活性炭工藝可有效去除三鹵甲烷前體物，三鹵甲烷的主要前體物是水中的溶解性有機碳(DOC)。臭氧活性炭工藝中，生物活性炭濾池可有效吸附并降解水中的部分DOC，從而達到控制出廠水三鹵甲烷的目的?，F階段水廠尚沒有有效手段直接檢測水中的三鹵甲烷前體物，目前常使用UFC來評估水中的三鹵甲烷前體物。即將活性炭濾池進出水的pH值調整至8.5±0.2，向活性炭濾池進出水中加入游離氯(次氯酸鈉)，所加劑量應保證氯化反應24 h后的游離余氯量在(1.0±0.2)mg/L，在(20±1)℃避光條件下，分別測量進出水反應后的三鹵甲烷總量，如果出水試驗的三鹵甲烷總量超過進水試驗的80%，則表示活性炭濾池對三鹵甲烷前體物的去除效果降低。

(4)炭濾池檢測強度、粒度兩項指標不符合《煤質顆?；钚蕴?凈化水用煤質顆?；钚蕴俊?GB/T 7701.2—2008)技術要求，同時，碘吸附值、亞甲藍吸附值、有效粒徑及均勻系數這4項指標作為參考。而碘吸附值、亞甲藍吸附值不滿足相關技術要求時，表示活性炭的吸附性能大大減少。強度、粒度、有效粒徑和均勻系數不符合相關技術要求時，會大幅度影響活性炭濾池的過濾效果。

2.4.2 活性炭濾池翻池換炭的年限

(1)取用黃浦江上游金澤水庫原水的水廠活性炭使用年限一般在6年，取用長江水源的水廠使用年限一般在8年。超過使用年限的水廠應每季度對活性炭進出水耗氧量、TOC、三鹵甲烷前體物、炭濾池中活性炭的強度、粒度等指標開展評估，如評估結果出現地標文本6.2.1條款情況時，應盡快翻池換炭。

(2)黃浦江上游金澤原水水質較長江原水差，所以使用年限較短。6年與8年年限是基于采用臭氧活性炭深度處理工藝的水廠歷史數據，評判依據主要是活性炭濾池進出水耗氧量或TOC的去除率，以及三鹵甲烷總量與常規處理工藝相比的去除率提高值。

(3)翻池換炭應根據活性炭磨損情況或指標檢測情況更換至少1/2或全部的活性炭。

3 結語

地標是上海市用煤質顆?；钚蕴康倪x擇、使用及更換方面的首個地方標準，也是行業內首個相關標準，其貫徹執行將為行業內活性炭的選擇、使用及更換提供指引，對其他城市采用相同處理工藝的供水企業也有一定的借鑒意義。對上海市的供水企業在進一步優化成本控制、不斷提升技術能力、加強精細化管理方面，也提出了更高的要求。