上向流生物活性炭工艺参数设计与处理效果分析

黄 慧，宋 欣，许 钊

(深圳市深水龙华水务有限公司，广东深圳 518100)

城市供水系统是城市发展规划的重要组成部分，随着经济社会的发展，人们对城市供水水质的要求也在不断提升。为推动城市供水水质由“达到安全、健康的基本要求”向“优质、可直接饮用的高品质需求”转变，对常规处理工艺的水厂进行工艺升级改造势在必行。“臭氧-生物活性炭工艺”集合了臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解的多重作用[1]，能氧化去除原水中的微生物、腐殖质、藻类及其代谢物、有机物等，并且对铁、锰也有良好的氧化去除效果，是广泛采用的深度处理工艺之一[2-6]。

生物活性炭技术按水流流动方向分为下向流和上向流两种模式。下向流生物活性炭池置于常规工艺砂滤池后，水流由炭池上部进水，底部出水。上向流生物活性炭池置于常规工艺砂滤池前，水流方向是自下而上。据不完全统计，截至2021年6月，国内采用臭氧-上向流生物活性炭工艺的水厂，已建成投产27座，供水规模为615万m3/d，在建6座，供水规模为145万m3/d。项目主要位于华东地区，华北、华中也有应用案例。与下向流模式相比，上向流模式具有以下几个优点：(1)由于炭池水流向上，活性炭层处于微膨胀状态[7]，悬浮状活性炭充分接触水体，微生物分布较均匀，有利于整个炭层均发挥生物降解作用[1]；
(2)对CODMn去除率略高；
(3)炭池反冲洗过程为气冲后通过初滤水排放实现炭层污染物去除，无需另设水冲泵，在反冲的模式上，较下向流活性炭池节约了水冲泵的采购和运行维护成本；
(4)砂池可作为防止炭池中脱落的生物膜或微型动物泄漏的最后一道屏障[8]。

本文以亚热带地区某水厂为研究对象，从活性炭池参数设计及水质处理效果两方面进行总结，为亚热带地区上向流活性炭的工程应用提供重要参考。

本文所研究的水厂位于亚热带地区，供水规模为30万m3/d，原水取自东江水源工程管道，源自惠州东江。对照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ类水标准，2017年—2021年，夏季、雨季等气候条件下，该水厂原水中藻类、CODMn、2-甲基异莰醇(2-MIB)、TOC、氨氮检出较高，常规工艺应对难度大，具体水质如表1所示。

表1 原水水质Tab.1 Raw Water Quality

针对该水厂原水有机物、藻类高的水质特点，2020年，水厂进行深度处理工艺改造。改造后，水厂工艺处理流程为：预臭氧接触池→机械混合池→折板反应池→平流沉淀池→臭氧-上向流生物活性炭→V型滤池→次氯酸钠消毒，如图1所示。经过一年的调试、运行，目前该水厂深度处理工艺运行趋于稳定。

图1 水厂工艺流程Fig.1 Process Flow of WTP

2.1 活性炭选型

由于炭池水流向上，活性炭层处于膨胀状态。上向流活性炭运行膨胀率一般为10%～30%[1]，通常不超过50%。根据韩立能[1]中试试验研究结果可知，同样进水负荷和进水水质条件下，生物降解阶段，不同粒径活性炭对有机物的降解效果差异性小，而当炭池滤速为11.5 m/h时，粒径为20×50目的活性炭膨胀率为15.9%～24.0%，最符合上向流活性炭对炭层膨胀率的要求。同时，煤质压块破碎炭表面粗糙，孔结构分布均匀，利于生物附着和生长，耐磨损性好。因此，该水厂选择粒径为20×50目的煤质压块破碎炭作为上向流生物活性炭池的滤料。

在活性炭技术指标要求上，除要求满足《煤质颗粒活性炭 净化水用煤质颗粒活性炭》(GB/T 7701.2—2008)外，对一些技术指标进行了更为严格的规定：要求孔积率不低于0.65 mL/g、比表面积不低于950 m2/g；
考虑到在活性炭运行初期，以吸附运行为主，要求碘吸附值不低于950 mg/g、亚甲蓝吸附值不低于180 mg/g；
为避免运行过程中的磨损，要求强度不低于93%；
为降低装填密度对炭层膨胀率的影响，要求装填密度不低于430 g/L；
为缩短调试洗炭用时，要求灰分不高于12%。

2.2 炭上水深

活性炭粒径相同时，炭层膨胀率随滤速增大而增加。超负荷运行下，滤速过大时，可能导致炭层膨胀率过高，出现跑炭现象，炭粒随水流进入滤池。经调研，在炭层高度一定的情况下，炭上水深高度是平衡进水负荷、活性炭跑炭及能耗的关键参数。若炭上水深不足，需短期超负荷运行的水厂生产会受限，若炭上水深太高，则会造成能耗的浪费。

以活性炭层膨胀率为10%～50%、炭层高度为2.50 m为例，为避免跑炭，炭上水深需大于1.25 m。同时，研究[9]表明，水温对膨胀率的影响很大，水温越低炭层膨胀率越高。因此，炭上水深设计需充分考虑当地气温的影响，并预留一定的超负荷空间。

经调研，国内上向流生物活性炭池炭层高度为2.50 m的水厂，炭上水深总高为2.55～2.70 m，能平衡进水负荷和跑炭的要求，如表2所示。该水厂处于亚热带地区，常年水温相对表2所列水厂高。该水厂炭层高度选择2.50 m，炭上水深综合国内案例经验，设计为2.65 m。

2.3 进水配水均匀性

活性炭进水配水均匀性影响单格炭池滤速及炭池整体运行效果。设计上，该水厂一期、二期共16格炭池，分两组设置。进水通过进水渠，翻堰后进入单格炭池。单组进水渠较长，为37.90 m，沿进水渠水流流动方向，单格炭池进水水损并非完全一致，导致配水不均。为尽量保障配水均匀性，设计上设置了可调节高度的堰板(图2)，水厂可通过测量不同水力负荷条件下单格炭层的膨胀率，微调堰板。

表2 国内工程案例炭上水深Tab.2 Water Depth of the Activated Carbon Pool of the Application Case at Home

注：尺寸单位为mm图2 可调节型堰板示意图Fig.2 Schematic Diagram of Adjustable Weir Plate

该水厂进水量设计负荷为12 500 m3/d，近3年进水负荷为7 800～14 400 m3/d，为设计负荷的62.4%～115.2%。运行过程中，活性炭层整体膨胀。由于活性炭粒存在不均匀性，少量炭粒的膨胀率会高于活性炭层的整体膨胀率。微调堰板，使各组炭池进水配水相对均匀，测量不同负荷条件下，单格炭池的整体膨胀率及膨胀率最高的炭粒离出水面距离，检测结果如表3所示。在进水负荷分别为500 m3/h(约为设计负荷的64.0%)、781 m3/h(设计负荷)、1 000 m3/h(约为设计负荷的128.0%)情况下，炭层膨胀率分别为11.8%、24.5%、30.8%，炭层整体处于微膨胀状态，有利于炭层与水体的充分接触，符合上向流活性炭对炭层整体膨胀率的要求。在进水负荷为1 000 m3/h(约为设计负荷的128.0%)情况下，膨胀率最高的炭粒离出水面距离为0.30 m，进水负荷继续增大至1 100 m3/h(约为设计负荷的140.8%)，膨胀率最高的炭粒离出水面距离为0，即存在少量活性炭流失情况。因此，建议进水负荷控制在设计负荷的64%～128%，进水负荷过小，膨胀率不足，进水负荷过大，则炭流失。

表3 不同进水负荷下炭层膨胀率检测结果Tab.3 Detection Results of Carbon Layer Expansion Rate under Different Inflow Loads

深度处理工艺投入运行后，该水厂出厂水水质指标优于深圳地方标准《生活饮用水水质标准》(DB 4403/T 60—2006)要求，结果如表4所示。其中出厂水有机物检出值显著下降，CODMn平均质量浓度由0.92 mg/L下降至0.65 mg/L，TOC平均质量浓度由0.81 mg/L下降至0.68 mg/L。

表4 出厂水水质Tab.4 Quality of Finished water

3.1 TOC去除分析

对2021年1月—2022年2月该厂原水和出厂水中TOC进行检测分析，该水厂进水TOC质量浓度为1.30～3.60 mg/L，深度处理工艺运行前后，进水中TOC的去除情况如图3所示。深度处理工艺运行前，进水TOC平均质量浓度为1.50 mg/L，出厂水TOC平均质量浓度为0.81 mg/L，TOC平均去除率为46%。深度处理工艺运行后，进水TOC平均质量浓度为2.36 mg/L，出厂水TOC平均质量浓度为0.68 mg/L，TOC平均去除率提高至71%。

图3 深度处理工艺运行前后TOC质量浓度及去除率Fig.3 Removal Rate and Mass Concentration of TOC before and after Advanced Treatment Process Operation

3.2 CODMn去除分析

对2021年5月—2022年2月该厂原水和出厂水中CODMn进行检测分析，该水厂进水CODMn质量浓度为1.18～4.66 mg/L，出厂水CODMn数值整体较为稳定，平均质量浓度为0.65 mg/L，最大质量浓度为1.39 mg/L，如图4所示。水厂净水工艺对CODMn总去除率为41%～96%，平均为71%，处于较高水平，分析原因主要是水厂深度处理工艺运行近一年时间，活性炭吸附性能协同生物降解作用，对有机物去除能力强。

图4 深度处理工艺运行前后CODMn去除效果Fig.4 Removal Efficiency of CODMn before and after Advanced Treatment Process Operation

对2021年9月—2022年2月该厂各工艺段的CODMn平均去除率进行统计分析，如图5所示。进水中CODMn去除主要依靠混凝沉淀和臭氧活性炭两个工艺段。絮凝沉淀对CODMn的平均去除率约为39%，臭氧活性炭工艺对CODMn的平均去除率约为25%，砂滤池对CODMn的平均去除率约为4%，经过次氯酸钠消毒，清水池出水的CODMn较砂滤池约下降2%。

图5 各工艺段CODMn去除效果分析Fig.5 Removal Efficiency of CODMn under Different Processes

活性炭池过滤周期以CODMn去除效果作为指导参数。过滤周期内，滤池反冲洗恢复运行后，单格滤池对CODMn去除率随时间的变化情况如图6所示。在气温为17～33 ℃的条件下，过滤周期12 d内，单格炭池炭后CODMn质量浓度在第8 d后趋于稳定。总体来看，CODMn质量浓度由0.26 mg/L波动上升至0.69 mg/L，对CODMn的去除率由88%下降至73%。在该气温条件下，过滤周期以8 d较为合适。

图6 过滤周期内CODMn去除效果Fig.6 Removal Efficiency of CODMn in Filtration Cycle

3.3 氨氮去除分析

对2021年1月—2022年2月该厂原水中氨氮进行检测分析，结果如图7所示。2021年1月—2022年2月，该水厂原水中氨氮检出质量浓度为0～0.38 mg/L，出厂水检出值均低于检测限，去除率接近100%。

图7 原水中氨氮质量浓度Fig.7 Mass Concentration of Ammonia Nitrogen in Raw Water

3.4 2-MIB去除分析

该水厂原水藻类高，一方面会影响水厂混凝沉淀效果；
另一方面，藻类的生长繁殖和胞内物释放，会带来嗅味、微囊藻毒素等问题。水中常见的土霉味物质与水中席藻、颤藻、束丝藻、假鱼腥藻等藻类的代谢有关。深度处理工艺运行期间，该水厂原水藻类最高检出值为3 404万个/L，2-MIB检出值最高达到17.8 ng/L，出厂水中藻类未检出，2-MIB低于检测限(5 ng/L)，保障了出厂水的健康、安全。

3.5 浑浊度变化情况分析

上向流生物活性炭的进水为沉淀池出水，进水浑浊度太高将缩短活性炭的使用寿命，也不利于炭层生物膜的生长和有机物去除，因此，要求进水浑浊度小于1.00 NTU。对比分析该水厂7月—10月全流程水浑浊度变化情况，如表5所示。全流程浑浊度的去除主要是靠混凝沉淀、砂滤工艺段，混凝沉淀对浑浊度的去除率达到95.7%(一期)、97.1%(二期)，沉淀池出水平均浑浊度为0.69 NTU(一期)、0.49 NTU(二期)，符合进水浑浊度要求。上向流生物活性炭池出水平均浑浊度为0.47 NTU，几乎无浑浊度截留，此状态对于上向流池运行较为正常合理，有利于生物膜的生长。

表5 浑浊度变化Tab.5 Variation of Turbidity

(1)上向流活性炭参数设计除满足行业相关标准要求外，可从提高炭吸附性能、提高炭耐磨损性、降低炭装填密度对膨胀率影响，以及缩短洗炭调试用时等角度，对炭粒径、孔积率、比表面积强度、碘吸附值、亚甲蓝吸附值、强度、装填密度及灰分等指标提出更为严格的规定。进水负荷对活性炭层膨胀率影响较大，一方面可以通过在进水渠上设置可调节高度的堰板，提高配水均匀性，避免进水不均匀导致某一格炭池进水负荷过高，从而造成跑炭；
另一方面，在设计上应充分考虑不同进水负荷下的炭层膨胀率，确保实际运行中，炭层整体处于微膨胀状态，有利于炭层与水体的充分接触，提高炭层生物对水中有机物的去除。

(2)在气温为17～33 ℃条件下，连续监测上向流活性炭，池过滤周期内的CODMn去除效果，CODMn去除率随运行时间呈先增后降的趋势，过滤周期以8 d较为合适。

(3)深度工艺对TOC、CODMn等有机物指标的去除效果较好，平均去除率均达到71%。同时深度工艺运行期间，出厂水中藻类未检出，2-MIB低于检测限(5 ng/L)。

(4)本文以亚热带地区某水厂为研究对象，从活性炭池参数设计及水质处理效果两方面进行总结，为亚热带地区上向流活性炭的工程应用提供重要参考。但由于水厂投产运行时间相对较短，活性炭性能、有机物去除效率随运行时间的变化规律，以及尚未暴露出来的问题等均有待进一步研究。