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- 2019-04-1810:31
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摘要：太湖金墅原水耗氧量月均值在3.0-4.2mg/L左右波動，主要污染物為總磷、總氮，污染物隨季節變化大，出廠水穩定在2.0mg/L以內，顆粒活性炭濾池使用三年多后對其中一格進行了再生（加熱再生法），再生質量損失率約30%，再生后碘值和亞甲藍值較新炭下降更快，加之臭氧對活性炭加熱再生后強度的影響【7】，再生后的使用期不足3年（綜合已有文獻，以碘值小于500mg/g判斷），6年內兩次再生的成本已經可以重新換新炭。
關鍵詞：太湖原水、再生、活性炭、生物量
臭氧—生物活性炭的第一次聯合使用是在1961的德國Amstaad水廠，它的成功引起了世界各地水處理工程界的重視。我國從80年代開始應用該項技術，隨著改革開放經濟的迅速發展，各地區水源陸續出現了富營養化和微污染的情況，O3-BAC這個被水處理專家預言為21世紀飲用水凈化廠普遍采用的處理方法紛紛在許多自來水廠采用。
O3-BAC的主要目的是去除水源中的消毒副產物前驅物、CODMn、氨氮、嗅味物質、藻毒素、內分泌干擾物、并能有效的殺滅隱孢子蟲、賈第蟲等加氯不易滅活的病原原生動物，有效的保障了生活飲用水的優質安全。
1.生物活性炭運行狀況
蘇州市自來水有限公司是江蘇省地區較早采用臭氧活性炭工藝的供水企業，相城水廠一期工程深度處理工藝設計規模30萬m3/d，2008年3月相城水廠O3-BAC正式開始運行,活性炭面積121m2，炭層高2m，共有10格，采用12×40目煤質破碎活性炭。期間運行效果表面，其對氨氮、CODMn、色度、臭味等的去除效果明顯。
監測期內原水耗氧量月均值在3.0-4.2mg/L內波動，但出廠水穩定在1.6mg/L以內，很好的滿足了飲用水衛生標準（GB5749-2006）中耗氧量小于3mg/L的規定。由于微生物對耗氧量和氨氮的降解效果較理想，相城出水廠中上述兩個指標達標，從側面反映生物活性炭（BAC）工藝運行效果良好。
下面統計了2010年至2012年，1月和7月BAC工藝單元對氨氮、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對氨氮和有機物的去除率沒有隨時間增加而明顯降低。由于原水水質變化，BAC進水中各項指標也有差異，各指標的去除率也未像預想中呈現高溫去除率大，低溫相對小的規律。一般說來，高溫條件下BAC中微生物代謝更旺盛，凈水效果也較好，下表統計了2010至2012年低溫條件下炭濾池出水有機物的情況。
由上表知，即使在低溫條件下，BAC出水中有機物指標總體較低，其中COD基本在2mg/L以下。且隨著運行時間的增加，其出水水質仍較穩定。表明目前炭濾池運行情況較好，在低溫不利條件下仍可發揮部分去除有機物的作用。COD和氨氮的變化如下圖所示。
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由上圖可知，在進廠水氨氮≤0.30mg/L，COD≤3.80mg/L時，炭濾池出水指標可分別控制在0.10mg/L和2.00mg/L以內，且投加的后道氯除了發揮消毒作用，也能起到部分氧化有機物的效果，使得出廠水中COD進一步降低。
對于高氨氮和高COD等水質突變情況，由于高氨氮原水一般發生在1到3月，此時水溫較低，微生物作用不明顯，需采用預氯化等工藝措施；高COD的情況則需加強預氧化和常規工藝的處理效果，降低炭濾池的進水負荷。臭氧氧化副產物方面。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，存在溴酸鹽風險，監測數據表明，相城出廠水中溴酸鹽濃度符合水質標準，這與原水水質、臭氧投加量、投加方式（廠內采用三點投加）和BAC的作用（將溴酸鹽轉化為溴離子）等有關。BAC的生物安全方面，通過定期清洗炭濾池、根據季節變化調整沖洗強度和沖洗周期、初濾水管理和在出水口加裝200目不銹鋼濾網等措施，加強BAC的運行管理，降低生物風險。 但是隨著時間的延長，活性炭本身吸附容量的限制，其亞甲藍值和碘值都在不斷地下降，指標弱化，處理效果也有所下降。在這種情況下，2011年7月對其中一格活性炭進行了加熱再生。
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天后就會在活性炭氯床開始穿透，NVDOC（不揮發可溶性有機碳）50天后開始穿透，去除率下降。因此在用顆粒活性炭吸附氯處理水的場合，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，微生物在活性炭層中繁殖，這樣大大延長了活性炭的壽命，有關實踐證明，生物活性炭經過大約6年的持續運行，仍能夠穩定的去除原水中60～80%的鹵甲烷前驅物[4]。可以認為即使活性炭的物理吸附能力降低或到達穩定飽和，一般在3～6個月，由于微生物的存在也可以使得活性炭能夠長期的有效使用。據報道，生物活性炭去除農藥類、致畸致突變有機物方面有長期連續的去除效果[4]。目前結合國內外O3-BAC運行狀況，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、吸附有機物類型濃度等有關，國內尚無再生的標準。具體的再生標準主要是從出廠水水質和活性炭自身物理性能兩方面考慮。
對于出廠水水質，根據《城市供水水質標準CJ/T206-2005》的要求，水廠出水水質檢驗項目（如濁度、色度、氨氮、CODMn等）單項水質指標合格率要≥95%，如果出廠水水質指標的合格率達不到規定要求，應查明原因，調整水處理的工藝參數，或考慮活性炭的再生。
另外，自來水廠對活性炭的物理參數指標也也有相應要求，如相城水廠對活性炭廠招標時明確規定碘值大于950mg/g，亞甲藍值大于180mg/g，當活性炭系統運行很長一段時間，這個兩個數值會有一定程度的降低。張捷根據果園橋水廠生物活性炭的運行實踐，活性炭再生時候參考的指標為碘吸附值為500mg/g，亞甲藍值為100mg/g左右[5]。北京第九水廠認為當碘吸附值小于600mg/g，亞甲藍值小于為85mg/g時會對水的處理效果產生影響，并且其還規定了再生炭碘吸附值需大于750mg/g，亞甲藍值大于100mg/g。
相城水廠認為碘吸附值600mg/g，亞甲藍值為85mg/g是一個臨界值，此時再生無論從經濟成本還是活性炭本身吸附情況都是一個比較好的判斷標準，活性炭的物理參數如果在臨界值附近，進行再生后它的參數可以恢復到出廠時候的85～90%左右，如果不及時進行再生可能之后恢復率會有所降低，其次如果繼續使用的話對今后出廠水水質需要嚴格監督。
2.2再生方法
活性炭的再生方法有很多，根據不同的現場條件，國內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，種類繁多，但是真正適用于水廠的再生并且在工業上應用比較廣泛的是熱再生法，主要依靠再生爐，分為多層爐、流動層爐、回轉爐、移動層爐，再生能力從幾噸每天到幾百噸每天不等。
水廠活性炭熱再生的過程如下：100℃干燥，此時孔隙中的水分就會蒸發；350～800℃炭化，此時低沸點有機物脫離，部分高沸點有機物被熱分解；800～1000℃活化，此時去除炭化殘留物并防止氧氣混入，恢復活性炭的初始吸附性能,具有關試驗證實活化過程中的水蒸氣能顯著恢復活性炭的微孔容積[1]。
水廠中吸附的物質通常包含嗅味物質、腐殖質、三鹵甲烷、鹵乙酸、藻毒素、內分泌干擾物等，因此采用熱再生是恢復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，時時刻刻在活性炭和表面吸附的生物群中進行著微生物再生，這也是活性炭和微生物共同作用后，能夠給顯著延長活性炭吸附周期的原因之一。雖然活性炭表面生長微生物，分解活性炭所吸附的有機物，延長了活性炭使用期限，但是難以恢復已吸附難分解有機物質的活性炭的吸附性能，因此熱再生不可避免。
2.3 再生指標
再生后的吸附性能、再生活性炭耗損率和顆粒強度是活性炭再生評價體系中的重要參考指標。 從水廠角度說，當然希望飽和后的活性炭能夠在各個參數都恢復到和出廠時候的一樣，但是一旦強化再生條件，往往會使得活性炭強度粒徑下降，耗損率上升。因此再生后的目標應該是控制吸附性能的恢復率在一定的范圍內，充分考慮強度、顆粒變化與吸附性能的得失，做出一個經濟上最優的選擇。
活性炭常見的吸附性能指標，如亞甲基藍吸附值、碘吸附值等。AWWA美國水工業協會采用多種測試方法來表征活性的性。如在相城水廠主要考察了活性炭的亞甲基藍吸附值、碘吸附值、脫氫酶活性和生物量。亞甲基藍吸附值反映了活性炭吸附中小分子的物質的能力；碘值反映了活性炭的表面積，是微孔指示器。相對水廠來說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物前驅物等大分子有機物的能力。因為盡管碘吸附性能可能通過再生恢復過來，但是吸附性能仍然可能會大幅下降的，因此對再生后的活性炭必須嚴格控制，再生指標可以適當增加并且規定一定的范圍。
3相城水廠再生前后
3.1再生前各項指標和運行情況
相城水廠生物活性炭濾池自2008年3月投運至2011年三年期間，有效提高了水廠的出廠水水質，期間水廠定期委托公司水檢中心和北京煤科總院對活性炭的各項主要參數進行檢測跟蹤，以便及時掌握活性炭各項技術指標的衰減情況。具體數據見表一：
表一
參考《給水排水設計手冊》可知，碘值小于600mg/g或亞甲藍值小于85mg/g時，活性炭需考慮再生；行業內部經驗是，當碘值和亞甲藍值分別低于600mg/g和60mg/g時，活性炭需考慮再生；但作為生物活性炭，可適當延長使用壽命，減小吸附性能減弱帶來的影響，再生條件可以放寬。
表二
從表二可以看出，炭濾工藝對NH3—N和COD指標的平均去除效率由開始時下降趨勢至目前達到平穩狀態，且出廠水質指標均符合要求，比較穩定。
根據上述情況，活性炭指標基本達到再生要求，如繼續使用，可能會失去活性炭再生的最佳時機，但又考慮到出水水質均符合要求，因此選擇一組炭濾池作為再生的試點濾池。
3.2再生后各項指標和運行情況
再生后委托北京煤科總院對活性炭的各項主要參數進行檢測跟蹤。
再生前共計取出活性炭230m3，再生炭裝填量約162m3，剩余約68m3的活性炭缺口另用新炭補充。再生損耗率29.6%。再生總價26萬元左右。
水檢中心監測相城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值分別穩定在430mg/g和85mg/g左右，而再生炭的碘值和亞甲藍值分別為540mg/g和150mg/g。再生炭與新炭投運12個月時的數據相比，碘值下降速度快，亞甲藍值衰減速度較慢。由于當年相城供水量明顯增加，且原水水質與新炭投運時不同，故無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，另取兩個炭池的炭樣送至北京煤科總院檢測。數據表明，未再生炭樣強度值與2011年同期相比沒有明顯變化，裝填密度和比表面值均較穩定。表明廠內BAC反沖洗強度較合適，未造成炭料之間的磨損。 而經過再生的活性炭粒徑變細，但濾料強度值并未因反復沖洗而出現降低，表明目前沖洗未對再生炭造成進一步磨損，但還需持續關注沖洗對再生炭強度的影響。
從經濟性來說，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時進行再生。相城9#炭濾池再生后碘值和亞甲藍值較新炭下降更快（除了再生工藝，也受原水水質變化和供水量增加的影響），再生后的使用期不一定能滿3年（綜合已有文獻，以碘值小于500mg/g判斷），從這方面考慮，6年內兩次再生的成本已可以重新換新炭，且活性炭經過兩次再生后，強度是否滿足使用要求也存在疑問。而從前文分析知，目前炭濾池出水較穩定，且已經過了再生的臨界點（使用超過3年），此時進行再生損耗率較高，增加了再生成本。因此建議密切觀察活性炭濾池出水水質的變化，同時加強炭濾池的日常管理，確保出廠水水質。
另外，從圖上還可看出，無論是再生或是未再生的炭池，均在5月出現了吸附性能明顯下降的現象。這段時間原水水質和活性炭中的生物情況如下圖所示。
出現上述現象，除了檢測方面可能存在的誤差，可從原水水質和廠內工藝方面分析。原水水質方面由左圖知，期間原水中有機物總體較高，在3.5mg/L以上，3到5月間原水中2-MIB和GSM的濃度也較高，從吸附指標看，主要是碘值下降，而亞甲基藍下降不明顯，而碘值表征的是微孔的吸附性能，GSM和2-MIB這類小分子均吸附在微孔上。不過二者是否會造成活性炭吸附性能下降，文獻中尚無相關報道。在5月關于工藝流程對2-MIB去除的取樣分析中發現主臭氧出水中2-MIB濃度已降至12ng/L，此時顯然不會對活性炭吸附性能造成影響，但嗅味產生因素較復雜，加上期間有機物濃度較高，也不排除原水水質變化，進而影響活性炭吸附性能的可能。
廠內工藝調整方面，由右圖可知，3月后脫氫酶活性呈現直線上升的趨勢，這主要與水溫升高，微生物代謝作用加強有關；生物量卻呈現先減少后增加的趨勢，可能因為期間原水2-MIB和GSM的濃度較高，廠內加強了對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月開始，相城供水量明顯增加，5月平均日供水量為25.4萬m3，達到去年除了太東路沖洗時的最高日供水量，由于工藝負荷加重，不可避免會影響到炭濾池的吸附性能。
4. 結論
1．針對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出廠水質情況確定。
2. 活性炭再生后碘值比同期新炭低，亞甲藍值高，粒徑也變細，但滿足目前廠內沖洗強度的要求。未再生炭與2011年同期比，物理性能指標較穩定，表明目前廠內沖洗強度較合適。
3.如果僅以碘值作為再生標準，從現有數據推斷，不到3年可能需要再次再生。而6年內再生兩次成本已與全部換新接近，且兩次再生后活性炭強度是否滿足需要存在疑問。
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