漢江水源某水廠活性炭池工藝運行效果分析

李 露，蔡世顏，鄒 磊，程 珊，賈旭超，萬年紅

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

某水廠以漢江為主要取水水源，其水源水質優于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準限值。但近些年來，不時出現水源水污染事件，2012年及2014年先后兩次取水口氨氮超標，且每年7月—8月水源有高藻、嗅味水質問題，給水廠安全穩定運行帶來一定風險。為應對突發污染和季節性水質問題，該水廠在常規處理工藝后增加了臭氧-活性炭深度處理工藝，水廠工藝流程為“預氧化-混凝-沉淀-過濾-臭氧-活性炭-消毒”，設計規模為25萬m3/d，于2019年6月開始運行。

臭氧-活性炭工藝可以通過氧化分解、吸附、微生物降解等作用去除有機物、氨氮、消毒副產物等物質[1]，保障供水水質安全。目前該水廠已穩定運行一段時間，本文主要對活性炭池的工藝設計、活性炭性能、活性炭表面微生物生長情況和凈水效果進行分析探討，其結果為活性炭池運行管理及該地區其他水廠常規工藝技術改造提供參考。

1 原水水質及檢測方法

1.1 原水水質

對該水廠在2020年1月—6月原水水質的檢測分析結果表明，原水中高錳酸鹽指數質量濃度為1.41～4.04 mg/L，氨氮質量濃度為0.01～0.17 mg/L，渾濁度為4.04～26.9 NTU，藻類為5.4萬～153萬個/L?？傮w上，水源水質優于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準限值。但7月—8月，該水廠原水存在季節性高藻及嗅味問題，原水藻類為278.3萬～1 624萬個/L，土臭素質量濃度為4～40 ng/L，2-甲基異莰醇質量濃度為3～14 ng/L，高錳酸鹽指數質量濃度為1.47～5.29 mg/L，氨氮質量濃度為0.11～0.29 mg/L，渾濁度為27.3～147 NTU，臭和味達到3級。

1.2 取樣方法及檢測方法

1.2.1 取樣方法

先對活性炭池進出水進行取樣，進水取樣位置為活性炭池配水廊道，出水取樣點為炭池出水井。取完水樣后，選取某格活性炭池，關閉進水閥門，放空濾池，于池中用取樣裝置鉆入濾料層，分散選取池中3～5處點位進行不同深度取樣，并將其混合，制成代表性樣品，總質量不低于4 kg。并于表層20 cm以上采取表層活性炭，總質量不低于4 kg。用于微生物指標檢測的活性炭采回實驗室需要冷凍保存?；钚蕴咳硬捎米灾频臑V池濾料分層采樣裝置，該采樣裝置直徑為8 cm，長度為2.5 m，具有螺旋式取樣結構，可把不同深度濾料一次性取出。

1.2.2 檢測方法

對活性炭池進出水高錳酸鹽指數、氨氮、UV254、渾濁度進行檢測，分析活性炭池凈水效果，高藻期增加藻類、土臭素、2-甲基異莰醇及臭和味指標的檢測，考察活性炭池對藻類及臭和味的去除情況?；钚蕴啃阅苤笜酥饕獧z測強度、比表面積、碘吸附值、亞甲藍吸附值、酚值、粒度、有效粒徑和均勻系數指標?；钚蕴可仙L的微生物主要檢測生物量、異養菌、脫氫酶活性、硝化細菌及亞硝化細菌指標，此外還對活性炭表面進行電鏡掃描觀察生物膜覆蓋情況，相關檢測方法如表1所示。

2 活性炭池工藝設計

該廠的深度處理工藝為：在常規工藝后增加深度處理單元，深度處理單元主要處理污染物包含氨氮、有機物、藻類、臭和味等。陳皓珅等[2]調研顯示，后置式臭氧活性炭工藝中活性炭池多采用下向流。下向流活性炭池同時具有生物作用和過濾作用，有較好地去除有機物及氨氮效果，但要求進水渾濁度不宜超過1 NTU。水廠水源水總體上有機物含量不高，優于Ⅲ類水標準，且水廠常規工藝出水渾濁度低于0.5 NTU，所以深度處理工藝采用臭氧-下向流活性炭后置工藝較適宜。

表1 檢測方法Tab.1 Detection Methods

活性炭池設計參數如表2所示。

活性炭池池型一般包含普通快濾池、翻板濾池和V型濾池[3]。普通快濾池有較為成熟的管理運行經驗，與常規工藝中砂濾池可共用反沖洗系統。但需嚴格控制反沖洗強度，反沖洗強度過小，容易導致反沖洗效果差，出水渾濁度增加；若反沖洗強度過大，則容易跑炭；其次，反沖洗水量較翻板濾池大。翻板濾池優點[4]包括反沖洗強度大，反沖洗效果好；能最大限度地避免跑炭，節約運行成本；運行周期長，納污能力強；反沖洗水量較其他池型節約；進水量波動對氣水反沖洗強度的精度要求不高。但翻板濾池反沖洗后因需要靜置一段時間，導致廢水排放時間較長，污泥會沉積在活性炭表面，翻板濾池構造復雜且造價略高。從管理便捷和經濟性角度考慮，該廠活性炭池采用氣水反沖洗普通快濾池。

針對漢江水源水質情況，深度處理工藝主要解決藻類、臭和味、氨氮等污染問題，活性炭池停留時間設計為14 min，設計濾速為10 m/h，根據實際運行規模，停留時間實為15.8 min，運行濾速實為7.6 m/h。活性炭池濾料采用炭砂構造，上層為2 m厚的8×30目活性炭，下層為0.4 m厚均質石英砂濾料，眾多研究[5]表明底部鋪設0.3～0.5 m的石英砂濾料可以有效降低出水渾濁度及防止微型生物泄露。水廠用活性炭一般有煤質壓塊破碎炭、煤質柱狀炭、煤質柱狀破碎炭及原煤破碎炭4種炭，在強度方面，煤質柱狀炭較高；掛膜性能方面，壓塊炭較好；價格方面，原煤破碎炭最低。該廠采用的是應用較為普遍的煤質壓塊破碎活性炭，具備豐富的孔隙結構和不規則的形狀，有利于微生物掛膜發揮生物降解作用。

表2 活性炭池設計參數Tab.2 Designed Parameters of Activated Carbon Filter

活性炭池沖洗方式一般有單獨水反沖洗及氣、水兩階段反沖洗方式，也有少數濾池采用氣沖-氣水聯合沖-水沖三階段沖洗模式。研究[5]表明，單獨水反沖洗方式不利于去除老化的生物膜，炭床間容易形成泥球；而氣、水兩階段反沖洗，先采用較高強度的氣沖，可以松動和摩擦炭床，使附著的生物絮體剝落并促成吸附雜質的脫附，再采用水沖可將脫附的雜質和脫落的老化生物膜排出，有利于炭濾池出水渾濁度的控制。該廠采用氣、水兩階段反沖洗方式，日常沖洗周期為7 d，僅水沖，水沖強度為7 L/(m2·s)。每5周采用氣、水兩階段反沖洗，氣沖強度為15 L/(m2·s)，氣沖時間為5 min，水沖強度為7 L/(m2·s)，水沖時間為10 min。

3 運行效果分析

3.1 活性炭性能指標分析

活性炭池已連續運行11個月，采取活性炭池表層炭及混合炭測定性能指標，數據如表3所示。表層炭強度為94%，相比混合炭強度97%略有下降。表層炭在粒度上30目以下含量為17.5%，比混合炭3.5%高出14.0%，有效粒徑為0.55 mm，也明顯低于混合炭有效粒徑(0.73 mm)，說明活性炭在運行過程中存在破碎磨損現象，這主要是該廠使用的為壓塊破碎炭，壓塊破碎炭在生產工藝環節不需要添加黏結劑，通常通過配煤調節活性炭產品的孔結構和強度，其強度比柱狀活性炭低[6]，但強度及有效粒徑均符合《生活飲用水凈水廠用煤質活性炭》(CJ/T 345—2010)指標要求。碘吸附值和亞甲藍吸附值一般用于表征活性炭微孔和中孔的多少，表層炭碘吸附值和亞甲藍吸附值分別為593 mg/g和137 mg/g，混合炭為627 mg/g和142 mg/g，高于表層炭，混合炭酚值也優于表層炭，說明活性炭發揮吸附作用的微孔和中孔數量隨著運行時間的增加逐漸變少，表層粒徑較小的活性炭吸附性能下降更快。另外，從比表面積看，表層炭比表面積更高，說明比表面積與碘吸附值和亞甲藍吸附值并非是完全正相關關系。

表3 活性炭性能指標檢測結果Tab.3 Detection Results of Activated Carbon Performance Indices

3.2 微生物分析

董秉直等[7]研究表明，隨著運行時間的增加，活性炭后期去除污染物主要依靠表面附著生長微生物的降解作用。分析該廠活性炭微生物生長情況，數據如表4所示，微生物生長主要分布在表層活性炭，異養菌生長數量級參考值為105～106，本次檢測結果達到了106～107，說明異養菌在活性炭表面生長效果較好，能有效發揮生物降解作用去除有機物。硝化細菌及亞硝化細菌的參考值為104～105[8]，根據檢測結果，數量較少，僅為102數量級，可能是進水中氨氮含量較低，不利于硝化細菌和亞硝化細菌生長繁殖。

取表層炭及混合炭進行電鏡掃描，同時放大25 000倍進行觀察，如圖1所示。圖1(a)中表層炭生物膜呈片狀，覆蓋較完整，掛膜成熟度較好；圖1(b)中混合炭膜成塊狀，掛膜成熟度良好，這與微生物檢測數據基本吻合。同時說明，該廠活性炭池沖洗方式較適宜，日常采用水沖洗模式，定期采用氣沖-水沖兩階段沖洗模式，不僅可以沖洗脫落老化生物膜和表面沉積的懸浮物，也可以保護新生成的生物膜，更有利于發揮活性炭池吸附和生物降解功能。

表4 活性炭微生物檢測數據Tab.4 Microbial Detection Data of Activated Carbon

圖1 活性炭電鏡掃描圖Fig.1 Scanning Image of Activated Carbon under Electron Microscope

3.3 凈水效果分析

自活性炭池運行以來，漢江水源未出現突發氨氮污染事件，但每年高藻期部分時段有嗅味問題，本文主要從低藻期水質較好和高藻期水質較差兩個時期研究活性炭池凈水效果。

3.3.1 低藻期

對2020年6月低藻期炭濾池進出水進行檢測分析，數據如表5所示?；钚蕴砍剡M出水CODMn平均值分別為1.86 mg/L和1.59 mg/L，平均去除率為14.52%。UV254平均去除率為30.00%，說明活性炭池對水中的天然有機物有一定的去除效果[9]。結合活性炭性能指標和微生物檢測數據及運行時間分析，活性炭池的對有機物的去除效果較好，原因是活性炭池運行時間尚不足1年，部分活性炭仍具有較好的吸附性能，活性炭上異養菌數量和脫氫酶活性均較高，說明活性炭除了具有吸附作用還具有生物降解作用。

表5 低藻期活性炭池進出水水質Tab.5 Inflow and Treated Water Quality of Activated Carbon Filter in Low Alge Period

由于活性炭池進水氨氮平均質量濃度僅0.03 mg/L，經過活性炭池處理后數值低于檢出限，說明盡管活性炭附著硝化細菌和亞硝化細菌數量相對較低，仍能夠將較低濃度的氨氮進一步降解。梁心怡等[10]研究發現，當原水的氨氮較低時，活性炭表面生物膜中的硝化菌和亞硝化菌能將氨氮去除率穩定在88.93%左右，幾乎能去除全部氨氮，與本文研究結果一致。

活性炭池出水平均渾濁度為0.104 NTU，平均去除率為16.80%，遠優于生活飲用水標準規定的1 NTU?；钚蕴繉由锪控S富，隨著炭池的運行，會有少量微型生物從活性炭層隨過濾水流向下進入下層石英砂濾層，下層鋪設一定厚度的石英砂濾層，可防止微型水生生物穿透，對渾濁度的去除有一定效果[11-12]。

3.3.2 季節性高藻期

7月—8月為高藻期，原水藻個數為278.3萬～1 624萬個/L，有明顯的土霉嗅味。對高藻期活性炭池進出水進行檢測分析，數據如表6所示。原水藻類、土臭素、2-甲基異莰醇、臭和味以及高錳酸鹽指數平均值分別為643萬個/L、22 ng/L、9 ng/L、3級以及4.15 mg/L，原水存在高藻、高有機物和嗅味問題[13]。

活性炭池對CODMn平均去除率為29.26%，約是低藻期去除率的2倍，應是由于進水有機物含量高，異養菌微生物生長更為豐富，UV254去除率30.14%和低藻期相當。氨氮平均質量濃度由0.09 mg/L降低至0.05 mg/L，出水氨氮濃度與低藻期相差不大，均較低?；钚蕴砍爻鏊疁啙岫绕骄禐?.30 NTU，明顯高于低藻期，但經過消毒環節可達到企業內控要求0.3 NTU以下。藻類經過活性炭池降低為1.37萬個/L，平均去除率達到96.69%；土臭素和2-甲基異莰醇經過活性炭池處理后均低于檢出限，臭和味降為0級。綜上，活性炭池在高藻期可通過吸附和生物降解作用有效去除有機物、藻類、氨氮、土臭素和2-甲基異莰醇[14]，消除臭和味，但出水渾濁度比低藻期高，可能原因一方面是炭濾池進水渾濁度較高，另一方面炭濾池沖洗周期和沖洗強度仍然為低藻期時的沖洗參數，建議高藻期根據水質情況可縮短沖洗周期，延長沖洗時間，有助于降低出水渾濁度。

表6 高藻期活性炭池進出水水質Tab.6 Inflow and Treated Water Quality of Activated Carbon Filter in High Alge Period

4 結論及建議

(1)活性炭池工藝設計上，推薦采用氣水反沖洗普通快濾池，活性炭池停留時間為15～16 min，濾速為7～8 m/h，活性炭厚度為2.0 m，活性炭可采用掛膜性能較好的煤質壓塊破碎炭。推薦采用氣、水兩階段反沖洗方式，在水質較好時，沖洗周期宜為7 d，僅水沖，水沖強度為7 L/(m2·s)；每5周采用氣-水兩階段反沖洗，氣沖強度為15 L/(m2·s)，氣沖時間為5 min，水沖強度為7 L/(m2·s)，水沖時間為10 min。

(2)對于該漢江水源水廠，在活性炭池運行的第11個月，活性炭兼具吸附和生物降解功能，相較混合炭，表面炭微生物生長量高，掛膜完整性好，但吸附值和強度相對下降更快。

(3)低藻期活性炭池對CODMn和UV254平均去除率分別為14.52%和30.00%，出水氨氮低于檢出限，渾濁度平均為0.104 NTU；高藻期活性炭池對CODMn、UV254和藻類平均去除率分別為29.26%、30.14%和96.69%，出水氨氮濃度與低藻期相差不大，土臭素和2-甲基異莰醇均低于檢出限，臭和味降低為0級，出水渾濁度平均值為0.30 NTU。在不同水質時期，活性炭池均可通過吸附和生物降解作用去除有機物、藻類、氨氮、土臭素和2-甲基異莰醇，消除臭和味。

(4)高藻期活性炭池出水渾濁度有所提升，建議下一步開展活性炭池在不同水質條件下沖洗參數相關研究，進一步指導水廠安全穩定運行。