《凈水廠用煤質(zhì)顆粒活性炭選擇、使用及更換技術(shù)規(guī)范》解讀

顧 晨

(上海市供水調(diào)度監(jiān)測中心，上海 200002)

2021年9月1日起，《凈水廠用煤質(zhì)顆粒活性炭選擇、使用及更換技術(shù)規(guī)范》(DB31/T 451—2021，以下簡稱“地標(biāo)”)[1]正式頒布實(shí)施。地標(biāo)替代了《自來水處理用煤質(zhì)顆粒活性炭技術(shù)規(guī)范》(DB31/T 451—2009)[2]，對其中的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了增加與修改，進(jìn)一步明確了凈水廠中煤質(zhì)顆?；钚蕴康倪x擇、使用和更換過程中的技術(shù)要素。本文針對地標(biāo)新增和修改的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行解讀，并對地標(biāo)的貫徹實(shí)施給出相關(guān)要求建議。

1 地標(biāo)編制的背景

1.1 編制的目的

根據(jù)上海市水源水質(zhì)特征和水廠工藝特點(diǎn)，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(jī)物，改善嗅味問題，有助于進(jìn)一步提升供水水質(zhì)。上海市供水行業(yè)自2008年開始進(jìn)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(jīng)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(shè)。

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(jīng)不能滿足水質(zhì)要求，部分已經(jīng)更換，還有部分仍在使用的需要對其效能進(jìn)行評估。新建凈水廠的活性炭選擇、使用也需要標(biāo)準(zhǔn)來提供依據(jù)。

1.2 現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)

2009年，上海市出臺了《自來水處理用煤質(zhì)顆?；钚蕴考夹g(shù)規(guī)范》(DB31/T 451—2009)，對新購活性炭相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，可適用于煤質(zhì)活性炭的質(zhì)量評價(jià)與技術(shù)要求。但此規(guī)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(zhì)顆?；钚蕴康木唧w使用、更換周期等技術(shù)規(guī)范要求；江蘇省住建廳對活性炭濾池的運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行了規(guī)定[3]，但目前國內(nèi)尚未有水處理工藝過程中煤質(zhì)顆?；钚蕴康氖褂眉捌涓鼡Q的標(biāo)準(zhǔn)。

上海市供水調(diào)度監(jiān)測中心2017年起對上海市使用深度處理工藝的水廠進(jìn)行了調(diào)研與摸底，對相關(guān)供水企業(yè)開展了活性炭濾池檢測的統(tǒng)一培訓(xùn)工作，收集凈水廠濾池每季度的檢測情況并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基本掌握了本市水廠活性炭使用的情況并形成相關(guān)技術(shù)資料。以此為基礎(chǔ)編制了上海市水務(wù)局標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件《上海市凈水廠煤質(zhì)活性炭選擇、使用、更換規(guī)程》(SSH/Z 10022—2019)并予以發(fā)布。

2 地標(biāo)編制的技術(shù)要點(diǎn)

地標(biāo)的編制充分考慮上海市的水源特征與水廠的工藝特點(diǎn)，結(jié)合南市、臨江、閔行等水廠活性炭運(yùn)行與更換的經(jīng)驗(yàn)，兼顧供水企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)條件，以可操作性為重點(diǎn)，對活性炭的選擇、使用和活性炭濾池的運(yùn)行監(jiān)測、換炭等方面的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了明確。

2.1 活性炭的選擇

凈水廠使用的煤質(zhì)顆?；钚蕴繎?yīng)采用具有較好吸附性能、較高機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性、較強(qiáng)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(biāo)上，重點(diǎn)關(guān)注碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值、比表面積、強(qiáng)度、水分。

(1)選型時(shí)應(yīng)考慮活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)分布，微孔、中孔、大孔均應(yīng)占有一定比例。

活性炭孔隙大于或等于被吸附物質(zhì)的1.7倍才能有效吸附該物質(zhì)，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(fā)揮作用。活性炭吸附性能與孔隙有關(guān)，國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)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?；钚蕴康目紫督Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和外形特征，而不同的孔隙結(jié)構(gòu)其功能也不同，微孔主要吸附小分子量有機(jī)物，中孔主要吸附大分子量有機(jī)物，大孔適宜吸附微生物。

(2)碘吸附值是活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的一種顯示值，主要標(biāo)志活性炭微孔的發(fā)達(dá)程度，可用以評價(jià)活性炭對半徑小于2 nm吸附質(zhì)的吸附能力。

(3)亞甲藍(lán)吸附值用以評價(jià)活性炭對半徑為2～100 nm吸附質(zhì)的吸附能力，標(biāo)志活性炭的中孔及部分大孔的發(fā)達(dá)程度，表征中等吸附質(zhì)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(qiáng)，微生物附著量越大，性能越優(yōu)。

活性炭綜合凈水效能應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)、炭濾池在水廠工藝流程的位置，通過靜態(tài)或動態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行評估。靜態(tài)試驗(yàn)包括靜態(tài)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(zhì)活性炭》(CJ/T 345—2010)[4]附錄A執(zhí)行。動態(tài)試驗(yàn)即吸附柱試驗(yàn)，根據(jù)各地選型經(jīng)驗(yàn)，動態(tài)試驗(yàn)時(shí)間不應(yīng)小于3個(gè)月，宜進(jìn)行1年，用于選擇適宜各地原水水質(zhì)的活性炭及工藝參數(shù)，主要包括活性炭炭種、規(guī)格、性能指標(biāo)及最佳運(yùn)行工藝參數(shù)。但從可操作性上看，凈水廠可從碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值、強(qiáng)度、粒度、有效粒徑、均勻系數(shù)等方面對活性炭開展性能評估?；钚蕴康南嚓P(guān)性能指標(biāo)的檢驗(yàn)方法按照GB/T 7701.2—2008[5]、GB/T 7702—2008[6]和CJ/T 345—2010等有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。如使用非標(biāo)準(zhǔn)方法，應(yīng)該對方法進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)。

2.2 活性炭的使用

地標(biāo)從有效性和安全性的角度出發(fā)，對活性炭濾池的設(shè)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(shè)置

活性炭去除微量有機(jī)物的方式是吸附，吸附是一個(gè)傳質(zhì)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(jìn)行濾池的設(shè)置。

活性炭濾池設(shè)在砂濾池后時(shí)，如設(shè)置升流式活性炭濾池，會導(dǎo)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(yīng)采用降流式活性炭濾池。活性炭濾池設(shè)在砂濾池前時(shí)，因?yàn)樘繛V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(yīng)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(xù)使用時(shí)的微生物掛膜造成不良影響。活性炭濾池沖洗宜使用無氯的沉淀池后出水或?yàn)V池出水，pH值小于8.5或炭濾池進(jìn)出水24 h內(nèi)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(fā)揮活性炭吸附和生物降解的協(xié)同作用。人工投加菌種掛膜可能會帶來微生物的安全風(fēng)險(xiǎn)，所以應(yīng)采用自然掛膜方式進(jìn)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(jié)所需掛膜時(shí)間不同，夏季掛膜需要15～20 d，冬季需要30 d左右。掛膜時(shí)間與水源有一定的相關(guān)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(yǎng)物質(zhì)，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(shí)間短。

掛膜期間宜降低沖洗頻率，可選擇7 d或10 d為1個(gè)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(jī)結(jié)合，可有效去除水中微量有機(jī)物?？筛鶕?jù)不同情況對臭氧投加量進(jìn)行控制。

當(dāng)水源水中耗氧量或藻類指標(biāo)較高時(shí)，可能因?yàn)檫€原性物質(zhì)較多，可適當(dāng)增加預(yù)臭氧投加量，按《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)[7]規(guī)定宜控制在0.5～1.0 mg/L。

夏季預(yù)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(yù)臭氧投加的同時(shí)，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(shè)置在炭濾池前，沉淀池可以保持一定余氯。

后臭氧投加量應(yīng)與進(jìn)活性炭濾池的余臭氧相關(guān)聯(lián)。不同水源、不同季節(jié)投加量不同，進(jìn)生物活性炭的余臭氧質(zhì)量濃度應(yīng)嚴(yán)格控制在0.10 mg/L以下。同時(shí)，還要關(guān)注出廠水溴酸鹽指標(biāo)，出廠水溴酸鹽指標(biāo)較高時(shí)，應(yīng)降低后臭氧的投加量。

同時(shí)，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(chǎn)卵繁殖；過高的渾濁度會影響炭濾池的使用壽命，需嚴(yán)格控制炭濾池進(jìn)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(jìn)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(fā)揮生物活性炭作用至關(guān)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(fā)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(jié)生物菌繁殖速度不同，因而沖洗時(shí)長、周期、強(qiáng)度宜適時(shí)調(diào)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(yùn)行監(jiān)測

為確?；钚蕴繛V池正常運(yùn)行，活性炭濾池出水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[8]和《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB31/T 1091—2018)[9]的要求，應(yīng)按照以下頻次、指標(biāo)對活性炭濾池及進(jìn)出水進(jìn)行檢測。

(1)每周(7 d)不少于1次對每條生產(chǎn)線炭濾池進(jìn)出水臭和味、渾濁度、高錳酸鹽指數(shù)、色度、菌落總數(shù)這5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測。根據(jù)原水及水廠情況，必要時(shí)可增加檢測頻率。因每個(gè)水廠濾池較多，無法對每組濾池進(jìn)行進(jìn)出水檢測，選擇對每條生產(chǎn)線每周檢測1次，是比較切實(shí)可行的方法。

(2)每月(30 d)不少于1次對出廠水中總有機(jī)碳(TOC)、溴酸鹽與消毒副產(chǎn)物(三鹵甲烷)等指標(biāo)進(jìn)行檢測，夏季宜將頻率調(diào)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(qiáng)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(zhì)顆?；钚蕴?凈化水用煤質(zhì)顆?；钚蕴俊?GB/T 7701.2—2008)的規(guī)定方法，開展檢測活性炭的碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值、強(qiáng)度、粒度、有效粒徑及均勻系數(shù)這6項(xiàng)指標(biāo)。每年(365 d)不少于1次對每條生產(chǎn)線炭濾池的進(jìn)出水開展TOC、三鹵甲烷一致性生成條件試驗(yàn)(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(gè)取樣點(diǎn)，取樣深度為炭表層以下10～40 cm，各取樣點(diǎn)取樣量應(yīng)盡量均衡，并視情況可適當(dāng)增加取樣點(diǎn)位置及取樣深度。將各取樣點(diǎn)樣品混合均勻后，取一定數(shù)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(shù)量根據(jù)活性炭分析指標(biāo)情況而定。

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

2.4 活性炭濾池?fù)Q炭

臭氧生物活性炭工藝主要是為了解決供水水質(zhì)存在的臭和味、微量有機(jī)污染物、消毒副產(chǎn)物、氨氮等問題，地標(biāo)從換炭標(biāo)準(zhǔn)和換炭年限兩個(gè)方面進(jìn)行了規(guī)定。

2.4.1 活性炭濾池?fù)Q炭標(biāo)準(zhǔn)

(1)出廠水臭和味合格率明顯降低。

(2)活性炭進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(dá)到控制出廠水三鹵甲烷的目的?，F(xiàn)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(jìn)出水的pH值調(diào)整至8.5±0.2，向活性炭濾池進(jìn)出水中加入游離氯(次氯酸鈉)，所加劑量應(yīng)保證氯化反應(yīng)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(jìn)出水反應(yīng)后的三鹵甲烷總量，如果出水試驗(yàn)的三鹵甲烷總量超過進(jìn)水試驗(yàn)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(qiáng)度、粒度兩項(xiàng)指標(biāo)不符合《煤質(zhì)顆?；钚蕴?凈化水用煤質(zhì)顆?；钚蕴俊?GB/T 7701.2—2008)技術(shù)要求，同時(shí)，碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值、有效粒徑及均勻系數(shù)這4項(xiàng)指標(biāo)作為參考。而碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值不滿足相關(guān)技術(shù)要求時(shí)，表示活性炭的吸附性能大大減少。強(qiáng)度、粒度、有效粒徑和均勻系數(shù)不符合相關(guān)技術(shù)要求時(shí)，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?fù)Q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(yīng)每季度對活性炭進(jìn)出水耗氧量、TOC、三鹵甲烷前體物、炭濾池中活性炭的強(qiáng)度、粒度等指標(biāo)開展評估，如評估結(jié)果出現(xiàn)地標(biāo)文本6.2.1條款情況時(shí)，應(yīng)盡快翻池?fù)Q炭。

(2)黃浦江上游金澤原水水質(zhì)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(shù)據(jù)，評判依據(jù)主要是活性炭濾池進(jìn)出水耗氧量或TOC的去除率，以及三鹵甲烷總量與常規(guī)處理工藝相比的去除率提高值。

(3)翻池?fù)Q炭應(yīng)根據(jù)活性炭磨損情況或指標(biāo)檢測情況更換至少1/2或全部的活性炭。

3 結(jié)語

地標(biāo)是上海市用煤質(zhì)顆粒活性炭的選擇、使用及更換方面的首個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)，也是行業(yè)內(nèi)首個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其貫徹執(zhí)行將為行業(yè)內(nèi)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(yè)也有一定的借鑒意義。對上海市的供水企業(yè)在進(jìn)一步優(yōu)化成本控制、不斷提升技術(shù)能力、加強(qiáng)精細(xì)化管理方面，也提出了更高的要求。