摘要：本文結(jié)合水廠活性炭吸附池工藝設(shè)計(jì)的調(diào)整過程，探討了當(dāng)前活性炭吸附池工藝設(shè)計(jì)中普遍關(guān)注的問題，包括池型、濾層結(jié)構(gòu)、沖洗方式及沖洗水源等，同時簡要介紹了目前我國活性炭吸附池的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：活性炭 吸附池 設(shè)計(jì)

1 水廠活性炭吸附池工藝設(shè)計(jì)概況

水廠擴(kuò)（改）建工程于1999年開始方案設(shè)計(jì)，2003年被確定為國家“863”課題“南方地區(qū)安全飲用水保障技術(shù)”的示范工程（以下簡稱示范工程），水廠擴(kuò)建工程規(guī)模20萬m3/d，改建工程規(guī)模32萬m 3/d，其中常規(guī)凈化構(gòu)筑物按新增20萬m3/d規(guī)模設(shè)計(jì)，預(yù)處理、深度處理、污泥處理按新建52萬m3/d規(guī)模設(shè)計(jì)。工程于2003年8月開工建設(shè)，目前正在建設(shè)中。

示范工程以東深引水和東部供水兩大水源系統(tǒng)為水源。東深引水水源受到生活性有機(jī)污染，氨氮、亞硝酸鹽、生化需氧量（BOD5）、耗氧量（KMnO4法）、溶解氧等項(xiàng)目超標(biāo)。雖然東深引水工程經(jīng)沙灣生物硝化預(yù)處理后，主要控制指標(biāo)氨氮去除效果良好，實(shí)測值可基本符合《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》二級水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但去除效果不穩(wěn)定，實(shí)測氨氮值和總磷值時有超標(biāo)。而且即使硝化后，N、P等營養(yǎng)物質(zhì)仍殘留水中，為藻類等水生植物的繁殖提供了條件。 示范工程出水水質(zhì)執(zhí)行《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》第一類水司的88項(xiàng)指標(biāo)，同時課題要求下列指標(biāo)達(dá)到：出廠水濁度低于0.1NTU；高錳酸鹽指數(shù)低于2mg/L；氨氮低于0.5mg/L。常規(guī)凈化工藝難以滿足原水水質(zhì)不斷惡化、水源微污染日益嚴(yán)重同時出水水質(zhì)日趨嚴(yán)格的要求。國內(nèi)外大量的研究試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，采用臭氧-活性炭深度處理工藝可以有效地去除水的色、嗅、味，降解有機(jī)物，滅活細(xì)菌和病原微生物，對消毒副產(chǎn)物及其前體物具有很好的去除效果，對內(nèi)分泌干擾物及其前體物具有一定的控制作用，可明顯降低水的致突變活性，并提高水的生物穩(wěn)定性，使飲用水水質(zhì)得到極大改善，因此示范工程確定采用臭氧-活性炭吸附深度處理工藝。

由于方案設(shè)計(jì)時，尚無正式頒布的活性炭吸附池設(shè)計(jì)的國家級或行業(yè)規(guī)范，可借鑒的同類型工程也很少，因此主要參照北京市第九水廠活性炭吸附池的型式、反沖洗水力特性并結(jié)合水廠新建、擴(kuò)建系統(tǒng)豎向及平面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

活性炭吸附池按32萬m3/d和20萬m3/d規(guī)模分為兩個系統(tǒng)，并與臭氧接觸池、臭氧制備間組合布置為集團(tuán)式構(gòu)筑物。

活性炭吸附池采用重力式、恒水位、恒速過濾，雙排布置，利用新建濾池濾后水重力反沖洗。采用小阻力配水系統(tǒng)。

采用直徑為 1.5mm，長2～3 mm的柱狀炭，干容重 0.495t/m3 ,吸水飽和后的密度為1.28t/m3。

初步設(shè)計(jì)主要工藝參數(shù)見表1。

隨著863課題研究的深入和認(rèn)識水平的不斷提高，示范工程在炭池形式、濾料組成、反沖洗方式以及沖洗水源等方面均做了較大幅度的調(diào)整，這一調(diào)整既順應(yīng)了供水行業(yè)對深度處理的客觀需求，也反映了人們對炭吸附池設(shè)計(jì)的認(rèn)識過程。

2 活性炭吸附池工藝設(shè)計(jì)的調(diào)整要點(diǎn)

2.1 池型

我國已建或在建水廠活性炭吸附池以普通快濾池為基本池型，多采用降流形式，在對進(jìn)出水閥門及控制方式、濾層及承托層組成、沖洗及沖洗排水方式以及配水系統(tǒng)不斷改進(jìn)的基礎(chǔ)上，形成虹吸濾池、V型濾池和翻板濾池等多種池型。見表2。

表2 國內(nèi)部分水廠活性炭吸附池池型

活性炭吸附池選型應(yīng)根據(jù)處理規(guī)模、構(gòu)筑物的銜接方式等因素、結(jié)合工程地形條件等，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。
　　
虹吸濾池的進(jìn)水、出水采用虹吸管代替閥門，變水位等速過濾，濾池運(yùn)行由水力自動控制，可利用自身出水重力反沖洗，不需要沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備。適用于水量2～10m3/d的中型水廠。
　　
V型濾池采用均質(zhì)深濾層、恒水位、恒濾速過濾，具有氣、水反沖洗和表面掃洗，沖洗效果好，運(yùn)行穩(wěn)妥可*，適用于大、中型水廠，單池面積可達(dá)150m2以上。目前已在我國很多水廠的砂濾池中使用，但用于活性炭吸附池的建成實(shí)例較少。
　　
示范工程炭池原設(shè)計(jì)綜合V型濾池的進(jìn)出水閥門組形式及控制方式，均質(zhì)深濾層、恒水位、恒濾速過濾等特點(diǎn)，但配水采用短柄濾頭小阻力系統(tǒng)，只有水沖洗，沒有氣沖。池內(nèi)設(shè)置中央進(jìn)水渠和U型進(jìn)水支渠（槽），兼進(jìn)水配水和沖洗排水集水功能。

翻板濾池具有均質(zhì)深濾層、恒水位、恒濾速過濾的特點(diǎn)，來水經(jīng)進(jìn)水堰均勻進(jìn)入濾池，濾后水經(jīng)橫向的集水管、縱向垂直管列組匯入集水槽至出水管。濾池采用氣沖、氣水沖、水沖三個階段沖洗（水沖洗強(qiáng)度可達(dá)15～16L/m2·s），沖洗廢水通過位于炭層上方的排水舌閥（板）排出，由于排水舌閥的內(nèi)側(cè)底高于濾料層0.15～0.20m，而且排水閥板是在反沖洗結(jié)束，濾料沉降20s后再逐步開啟，從而濾料流失的幾率較小。因此翻板濾池具有沖洗強(qiáng)度大，濾料沖洗干凈且不易流失的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了活性炭濾料輕易流失的不足。根據(jù)建設(shè)單位意見，施工圖設(shè)計(jì)階段將炭吸附池改為翻板濾池。
　　
目前歐洲各國有300多家水廠采用翻板濾池，我國僅在昆明市自來水公司第七水廠（掌鳩河水廠）的砂濾池采用翻板濾池，該濾池現(xiàn)已竣工，目前尚未通水。
　　
以上幾種活性炭池型在技術(shù)上均可行，設(shè)計(jì)可根據(jù)具體情況選用不同的池型。

2.2 濾層結(jié)構(gòu)
　　
與我國目前大多數(shù)建成使用的炭池相同，示范工程在最初設(shè)計(jì)時也是采用單層活性炭結(jié)構(gòu)。但在試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對于去除水中可生物降解有機(jī)物、氨氮和亞硝酸鹽氮，以及提高水的生物穩(wěn)定性等都是主要依*生物活性炭工藝來完成。而在運(yùn)行過程中，脫落的生物膜影響出水水質(zhì)，甚至出現(xiàn)濁度和細(xì)菌總數(shù)比砂濾池上升的情況。由于生物活性炭工藝在發(fā)揮生物作用和去除濁度方面往往難以兼顧，因此，研究石英砂墊層對生物活性炭工藝的補(bǔ)充與屏障作用具有重要的意義。
　　
采用活性炭下鋪設(shè)石英砂墊層的辦法簡易可行，在歐洲也有實(shí)際應(yīng)用。深圳水司對此進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在厚度2.0m的柱狀活性炭下部鋪設(shè)粒徑范圍為0.8～1.2mm，厚度為300mm的石英砂。結(jié)果表明，經(jīng)過石英砂墊層，活性炭出水濁度降低幅度多在0.02NTU左右；對生物活性炭池反沖洗前后細(xì)菌總數(shù)的分析比較發(fā)現(xiàn)，反沖洗前（連續(xù)運(yùn)行三周），石英砂墊層對水中細(xì)菌的截留作用減弱，沖洗后，可恢復(fù)對水中細(xì)菌的部分截留作用；在加氯量1.25mg/L條件下，活性炭出水和砂墊層出水的余氯值基本相近，經(jīng)加氯消毒，細(xì)菌總數(shù)均為未檢出。因此認(rèn)為在生物活性炭底部加石英砂墊層對保障活性炭出水濁度有積極的作用，并對生物活性炭處理微生物的安全性具有屏障作用。
　　
參照這一試驗(yàn)結(jié)果，正在建設(shè)的梅林水廠活性炭吸附池設(shè)計(jì)采用2.0m炭層下鋪設(shè)0.3m石英砂的濾層結(jié)構(gòu)。示范工程也擬將炭層厚度改為2.1m，接觸時間相應(yīng)調(diào)整為13.3min（新建）和8.4min（擴(kuò)建），并增加粒徑范圍為0.6～1.0mm、厚度為0.3m的石英砂墊層。
　　
在接觸時間和吸附池過濾面積一定的情況下，炭層下增加石英砂墊層會增加池深和水頭損失。在同一沖洗強(qiáng)度下，由于二者的比重及濾層級配不同，膨脹率不同，沖洗后會出現(xiàn)一定程度的濾層混摻。因此，應(yīng)通過進(jìn)一步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較以及必要的試驗(yàn)，確定合理的池深及適當(dāng)?shù)姆礇_洗強(qiáng)度。

2.3 沖洗方式及沖洗水源
　　
在活性炭深度處理工藝中，炭池反沖洗的效果直接影響炭池的運(yùn)行。生物活性炭濾池運(yùn)行一定時間后，活性炭吸附能力降低，老化的生物膜脫落，顆粒物在炭粒表面和濾床中的進(jìn)一步截留，均影響生物活性炭濾池的出水水質(zhì)，應(yīng)及時進(jìn)行合理有效的反沖洗。
　　
國內(nèi)已建成水廠的炭吸附池多采用單獨(dú)水反沖洗方式，沖洗強(qiáng)度10-16L/m2×s，如北京市第九水廠、昆明市自來水公司第五水廠、浙江桐鄉(xiāng)果園橋水廠采用單獨(dú)水反沖洗方式等。示范工程在初步設(shè)計(jì)時根據(jù)北京市第九水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本著節(jié)約能耗、方便管理、延長活性炭使用壽命的原則，采用單獨(dú)水反沖洗方式，并利用砂濾池出水重力沖洗，不設(shè)反沖洗設(shè)備，以減少管理和維修工作量。水沖洗強(qiáng)度11-13 L/m2×s。
　　
氣、水反沖洗是砂濾池中普遍采用的沖洗方式，可以節(jié)省沖洗水量和提高濾池的沖洗效果，延長沖洗周期。一些尚在建設(shè)的炭吸附池采用氣、水反沖方式，如梅林水廠、杭州南星橋水廠等。其中梅林水廠炭池設(shè)計(jì)氣沖強(qiáng)度12-14 L/m2×s，沖洗時間3min；水沖強(qiáng)度6-8 L/m2×s，沖洗時間7min；南星橋水廠設(shè)計(jì)氣沖強(qiáng)度15 L/m2×s，水沖強(qiáng)度6.9 L/m2×s。
　　
反沖洗方式的選擇應(yīng)根據(jù)工藝流程、池型、活性炭種類、被去除物質(zhì)的性質(zhì)等確定。
　　
針對生物活性炭吸附機(jī)理的研究表明，懸浮顆粒在炭池內(nèi)的去除除了傳統(tǒng)的范德華力和化學(xué)鍵力作用外，還存在著由附著在活性炭上的微生物所分泌的粘性物質(zhì)如多糖類、酯類等對懸浮顆粒產(chǎn)生絮凝而形成的生物絮凝作用。采用沖洗強(qiáng)度較高的氣沖可以將炭層托起，通過炭粒之間的相對運(yùn)動、相互摩擦及剪切作用，使附著的生物絮體剝落并促成吸附雜質(zhì)的脫附。其后的水沖再將脫附的雜質(zhì)及脫落的生物膜及時排出。廣州水司的進(jìn)一步試驗(yàn)顯示，當(dāng)氣沖洗強(qiáng)度和歷時確定時，水沖強(qiáng)度和沖洗歷時將影響最終出水水質(zhì)。比較水沖洗強(qiáng)度為8.7L/m2×s，歷時10min與水沖洗強(qiáng)度為5.3L/ m2×s，歷時12min的沖洗后初濾水水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)前者池內(nèi)殘留的顆粒物數(shù)量明顯低于后者。建議在實(shí)際生產(chǎn)中通過實(shí)驗(yàn)確定合理的沖洗參數(shù)。
　　
綜合相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，將示范工程炭池的沖洗方式調(diào)整為氣、水沖洗，即先氣沖、再水沖，同時考慮臭氧－生物活性炭吸附池若采用砂濾池出水沖洗，在不排放初濾水的情況下，一部分未經(jīng)深度處理的水將直接進(jìn)入清水池，導(dǎo)致病原微生物的潛在風(fēng)險增加。因此，沖洗水源由砂濾池出水調(diào)整為炭池出水。
　　沖洗強(qiáng)度及歷時因處理水量、處理水中的懸浮物的性質(zhì)、濃度、粒狀活性炭粒子的大小、吸附方式（固定床、流動床）不同而各異，需根據(jù)試驗(yàn)及現(xiàn)有炭吸附池的運(yùn)行資料確定。
　　
目前我國關(guān)于活性炭的設(shè)計(jì)規(guī)范尚在編制當(dāng)中，現(xiàn)階段參照協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但該標(biāo)準(zhǔn)中沒有關(guān)于氣沖強(qiáng)度的規(guī)定。示范工程調(diào)整設(shè)計(jì)參照日本水道協(xié)會《給水設(shè)施設(shè)計(jì)指南》（2000），見表4，并考慮氣沖強(qiáng)度過大會增加炭粒的磨損和流失，縮短活性炭的使用壽命，因此適當(dāng)縮短了沖洗時間，經(jīng)調(diào)整后炭吸附池的沖洗參數(shù)為氣沖洗強(qiáng)度為15L/ m2×s，歷時2.5min，水沖洗強(qiáng)度為8L/ m2×s，歷時8min。
 
表4 日本水道協(xié)會《給水設(shè)施設(shè)計(jì)指南》（2000）沖洗參數(shù)

由于目前活性炭吸附池采用氣水反沖洗的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，上述設(shè)計(jì)參數(shù)還需經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證。

3 有待進(jìn)一步研究的問題

由于活性炭吸附池在飲用水深度處理方面特有的優(yōu)勢，使其成為現(xiàn)階段越來越多新、改建水廠的工藝選擇。除本文討論的有關(guān)活性炭吸附池池型、濾層結(jié)構(gòu)、沖洗方式及沖洗水源等問題外，活性炭種類的選擇、初濾水的排放、優(yōu)化炭吸附池運(yùn)行等涉及水處理材料、工藝系統(tǒng)、監(jiān)控手段的問題均影響深度處理的總體技術(shù)水平，仍需結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)一步研究探討。
 
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