臭氧活性炭深度处理工艺因其出水水质良好,对臭味物质、微量有机物有较好的去除效果,与常规工艺相比具有明显的优势。目前上海市供水能力约1 100万m³/d,深度处理工艺约占40%,仍有60%采用常规处理工艺。上海“十三五”供水规划已明确上海“十三五”启动长江水源深度处理工艺改造,“十四五”要基本完成长江水源深度处理工艺改造。而选用性价比较高的活性炭对于保证出水水质,降低成本具有重要意义^[1,2] 。本文就目前净水厂常用的压块破碎炭和柱状破碎炭开展中试研究,分析不同种类活性炭对有机污染物等水质指标的去除效果,为净水厂实际生产提供技术参考。

　　 试验选取均为8×30目的压块破碎炭和柱状破碎炭,碘吸附值965~990mg/g,装填在2根有机玻璃柱内。每根柱的处理规模为0.3m³/h,滤速v=10m/h,活性炭柱停留时间为12min左右,滤速为10m/h,采用气水联合反冲。混凝剂为硫酸铝液体(氧化铝含量7.8%),投加量在25 mg/L左右。有效尺寸:×H=200mm×3 500mm,活性炭层厚度H₁=2.00 m;承托层粒径级配由上至下2~16mm,厚250mm。装置还有流量计、溢流槽、反冲洗水箱、反冲洗水泵、不同管径的PVC管和阀门等。活性炭中试装置的进水为后臭氧出水。

　　 2014年9月中试装置安装完成,10月底将新炭装入中试有机玻璃柱中,浸泡48h后反冲洗,除去炭渣和炭灰,直至炭层上面的液面变清,补充炭至相同体积。自2014年11月中试装置开始运行并取样检测。

　　 COD_Mn测定采用GB/T 5750.7-2006酸性高锰酸钾滴定法;UV₂₅₄采用紫外分光光度仪(UV-4802型,美国尤尼克公司)测定;浊度采用美国HACH公司2100AN浊度仪测定;藻细胞计数采用灌取1L定量水样,加鲁哥氏液固定,于室内条件下沉淀浓缩并收集藻类细胞,用“计数框行格法”进行;TOC用TOC仪(Phoenix8000)检测;颗粒数用IBR Versa Count直接测定;抗生素用HPLC-MS-MS测定。

　　 试验用活性炭技术参数见表1。

　　 试验所用原水取自某水库至净水厂的进厂原水,主要水质特征参数见表2。该原水水质总体良好,浊度、色度、有机物含量较低。

　　 活性炭较大的比表面积和微孔结构的特性使其具有了较好吸附有机物的物理特征,运行初期对COD_Mn的去除率为50%~70%,运行3个月后,当活性炭慢慢以生物降解作用为主,活性炭吸附作用为辅时,活性炭出水COD_Mn的去除率有所降低,此时柱状破碎炭出水COD_Mn均值为0.96mg/L,压块破碎炭出水COD_Mn均值为0.78mg/L(见图1)。

　　 由图1可知,运行一年的炭柱进水COD_Mn均值为1.21 mg/L,柱状破碎炭出水COD_Mn均值为0.82mg/L,对COD_Mn的去除率为31.8%;压块破碎炭出水COD_Mn均值为0.69mg/L,对COD_Mn的去除率为42.8%。对COD_Mn的去除效果压块破碎炭优于柱状破碎炭,分析原因主要是因为柱状破碎炭以无烟煤为原料,孔隙结构比以烟煤生产的压块破碎炭单一,而烟煤制作的压块破碎炭中孔、过度孔较多,活化均匀^[3] ,去除水中大分子有机物的中孔比以无烟煤为原料生产的柱状破碎活性炭发达。

　　 由图2可知,活性炭在吸附初期对进水中的UV₂₅₄有较好的去除。吸附最初阶段,两种活性炭对UV₂₅₄的去除率相近,基本都在90%以上。这说明活性炭吸附初期,活性炭的吸附孔道畅通,孔隙率较大,孔隙流速较小,水流剪切力较小,对吸附颗粒与活性炭之间的粘附力影响较小,吸附能力较大,有机物颗粒可以很容易进入到吸附孔隙,从而在活性炭吸附初期对有机物的去除率较高。运行3个月后,活性炭对UV₂₅₄的去除率明显下降,在炭柱运行期间,炭柱进水UV₂₅₄均值为0.022cm^-1,柱状破碎炭出水UV₂₅₄均值为0.011cm^-1,压块破碎炭出水UV₂₅₄均值为0.007cm^-1。柱状破碎炭和压块破碎炭对UV₂₅₄平均去除率分别约为47%和67%。

　　 由图3可知,炭柱进水TOC均值为2.90mg/L,柱状破碎炭出水TOC均值为2.36mg/L,压块破碎炭出水TOC均值为2.19mg/L。试验期间压块破碎炭对TOC的去除效果优于柱状破碎炭对TOC的去除效果,柱状破碎炭和压块破碎炭对TOC去除率分别约为18%和24%。活性炭对TOC去除效果与UV₂₅₄和COD_Mn有着相似的规律,即吸附初期活性炭对TOC去除率都较高,且相近,随着吸附过程的进行,去除率大幅度下降。继续运行过程中,各种炭的去除率逐步稳定,并缓慢地波动下降。

　　 在2015年1月28日取臭氧活性炭中试水样,检测各炭柱进出水的抗生素浓度。由表3可知,炭柱进水中的抗生素浓度都处于较低的水平,臭氧活性炭深度处理工艺对抗生素有较好的去除效果,柱状破碎炭和压块破碎炭出水中氯霉素类物质无检出,磺胺类物质有检出,但浓度极低,都比炭池进水低了一个数量级。由表3可知,用于深度处理的柱状破碎炭和压块破碎炭对抗生素的去除效果接近。

　　 在2015年3月原水藻类较多的时间段对中试基地臭氧活性炭工艺段进行了藻类的取样分析,由表4可知,当原水总藻密度在10⁷个数量级时,经过砂滤工艺段后降到了10⁵个数量级,再经过压块破碎炭后,出水总藻降到10⁴个数量级,比柱状破碎炭对藻类的去除效果略好。

　　 由图4可知,活性炭进水是经过常规工艺处理的后臭氧出水,常规处理工艺的主要去除对象是水源水中的悬浮物、胶体杂质和细菌,这部分污染物正是产生浊度的主要物质,通过常规处理,浊度已降至一个较低的范围,活性炭进水的浊度不高,炭柱进水浊度均值为0.21NTU,柱状破碎炭和压块破碎炭对浊度的去除效果几乎没有差别,出水浊度均值都为0.11NTU。

　　 (1)从去除有机物的角度来看,在吸附初期两种活性炭对有机物的去除率都较高,且柱状破碎炭和压块破碎炭的去除效果相近,随着吸附过程的进行,去除率大幅度下降。继续运行过程中,两种炭对有机物的去除率逐步稳定,并缓慢地波动下降。在一年的试验期间,压块破碎炭对有机物的平均去除效果优于柱状破碎炭。

　　 (2)柱状破碎炭和压块破碎炭对浊度的去除效果几乎没有差别,出水浊度均值都为0.11NTU。但对藻类的去除效果压块破碎炭比柱状破碎炭略优。

　　 (3)臭氧活性炭深度处理工艺对抗生素有较好的去除效果,柱状破碎炭和压块破碎炭出水中氯霉素类物质无检出,磺胺类物质极微量检出,两者对抗生素的去除效果接近,都在90%以上。