2013年Z市对B水厂和S水厂2个地表水厂先后开展了臭氧活性炭深度处理工艺改造工程建设。B水厂臭氧活性炭工艺后置, 采用下向流活性炭池;S水厂臭氧活性炭工艺中置, 采用上向流活性炭池。在臭氧活性炭深度处理技术中, 活性炭的吸附和生物降解作用对水质净化贡献很大, 从2014年3月起对2个水厂活性炭池物理和生物参数进行连续监测, 并跟踪活性炭池出水水质指标变化, 考察分析活性炭池运行5年来的变化情况, 以期对水厂开展臭氧活性炭深度处理工艺改造及上向流和下向流活性炭池运行管理提供技术支持。

　　 B水厂下向流活性炭池, 颗粒活性炭规格为8×30目, 2013年3月运行;S水厂上向流活性炭池, 颗粒活性炭规格为20×50目, 2013年9月运行。在B水厂的下向流活性炭池和S水厂的上向流活性炭池分别选取3组池取样检测。

　　 分别对B水厂和S水厂活性炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值进行检测, 结果见图1和图2。由图1中可以看出, B水厂和S水厂活性炭亚甲基蓝值均在活性炭池运行1年后衰减率达到稳定, 在炭池运行3年之后衰减率快速升高。运行5年后, 2个水厂活性炭亚甲基蓝值均衰减至75 mg/g以下。由图2中可以看出, B水厂和S水厂活性炭碘吸附值同样在炭池运行1年后衰减率达到稳定, 在炭池运行3年之后衰减率快速升高。运行5年后, B水厂和S水厂活性炭碘吸附值衰减率分别达到60%和50%。

　　 活性炭的强度与活性炭的使用寿命有一定的关系, 活性炭应保证足够的机械强度, 冲洗时耐磨损, 损耗率较小。由表3可以看出, 2个水厂活性炭池的活性炭虽然使用了多年, 但强度仍较高, 高于《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》 (CJ/T 345-2010) 规定的90%限值。运行5年上向流和下向流活性炭池对活性炭强度的影响区别不大。

　　 S水厂运行初期以及2017年对炭池进行补炭之后, 炭池内<50目和40～50目的活性炭粒度百分比明显减少, 说明上向流炭池在运行期间跑炭现象严重。两种炭池在运行期间, 上向流活性炭池在2017年进行了补炭, 下向流活性炭滤池活性炭粒度变化不明显, 具体见表4、表5。

　　 活性炭电镜扫描能较直观地观察生物膜的生长情况。电镜扫描结果 (见图3和图4) 均显示, 相对于新炭, 2个水厂活性炭池在运行1年后, 炭粒表面均覆盖有明显的生物膜, 说明此时活性炭池已有生物膜形成。随后, 活性炭池内生物膜一直维持在较稳定状态。2018年的检测结果显示, 两水厂活性炭池的生物膜有部分脱落现象, 生物膜由原来的片状覆盖变成了块状覆盖。这可能与夏季高峰供水水厂满负荷甚至超负荷运行致反冲洗周期缩短有关。

　　 对2个水厂活性炭池内生物量和微型生物情况检测结果见表6。从表6中可以看出, 生物量一直有上升趋势, 说明生物膜在逐渐稳定生成。2014年三季度, 活性炭池内出现后生动物, 此时也是炭池生物膜形成时期 (见图3) 。B水厂下向流活性炭池炭样检测中, 多个池中均出现轮虫等后生生物, 后生生物的种类和数量也明显多于S水厂上向流活性炭池内情况。总体比较, B水厂下向流活性炭生物膜形成更为成熟, 一方面因为B水厂活性炭池运行时间早于S水厂活性炭池半年, 另一方面, 上向流活性炭池中一直受水流冲击, 可能会影响微型生物在活性炭表面的附着生长。

　　 B水厂的活性炭池作为最后一道处理工序, 对于其下向流活性炭池中呈现出的微生物群落的多样性, 应密切关注出水微生物含量, 避免微生物泄漏。

　　 B水厂和S水厂的活性炭池对COD_Mn的去除效果如图5所示。由图5可以看出, 运行第一年, 2个水厂活性炭池对COD_Mn的去除率均可达到近30%。随后, B水厂活性炭池对COD_Mn去除率呈先下降后上升趋势, 至2018年去除率降至20%左右;S水厂活性炭池对COD_Mn去除率稳定两年后, 呈下降趋势, 至2018年去除率降至20%左右。

　　 根据国内活性炭使用经验, 把活性炭碘吸附值≤600 mg/g, 亚甲蓝吸附值≤85 mg/g作为判断活性炭失效标准^[1,2], 而对照图1和图2可以看出, 目前2个水厂活性炭池碘吸附值和亚甲蓝吸附值已远低于上述失效标准, 基本不存在吸附能力, 但对COD_Mn的去除率均保持在20%左右, 说明目前炭池对COD_Mn的去除不是依靠吸附作用, 而是生物降解作用。在目前水质情况下, 出水COD_Mn基本保持在1～1.5 mg/L, 可以满足国标限值要求。活性炭的使用寿命, 除了物理吸附指标外, 还应综合考虑对主要水质指标的去除率, 以及对于突发水源污染事故如藻类产生的臭味问题的抗冲击能力, 结合各地实际, 根据水源水质以及监控目标差异, 判断活性炭更换时间^[3,4]。

　　 B水厂和S水厂的活性炭池对氨氮的去除效果如图6所示。由图6可以看出, 运行第一年, 2个水厂活性炭池对氨氮的去除率均高于30%。B水厂活性炭池对氨氮的去除率呈现先小幅下降后大幅上升趋势, 2016年以后活性炭池对氨氮去除率开始逐步上升, 至2018年稳定在50%左右;S水厂对氨氮的去除率呈现先上升后下降趋势。2016年以后活性炭池对氨氮去除率开始大幅下降, 至2018年去除率降至20%。

　　 2015年水源更换为南水北调水后, 活性炭池进水氨氮均在0.05 mg/L以下, 出水可以达到国标限值要求。

　　 B水厂和S水厂的活性炭池对UV₂₅₄的去除效果如图7所示。运行初期, B水厂下向流活性炭池对UV₂₅₄的去除率优于S水厂上向流活性炭池。运行1年后, S水厂活性炭池对UV₂₅₄的去除率逐步上升最高达到50%, 随后逐渐下降至26%。而B水厂活性炭池对UV₂₅₄的去除率持续下降, 从2016年至今, 去除率稳定在30%左右。

　　 B水厂和S水厂的活性炭池运行均已达到5年, 对2个炭池连续5年的监测结果分析, 得出以下结论:

　　 (1) 上向流和下向流活性炭池在北方地区运行1～1.5年就可以形成较稳定的生物膜, 形成生物活性炭, 活性炭由吸附作用为主转为生物作用为主。生物量和微型动物数量可以作为监测生物膜成熟度的指示指标。

　　 (2) 下向流滤池相较于上向流滤池, 生物膜形成较为稳定, 微型动物的种类和数量均较高, 后续应密切关注出水微生物, 避免微生物泄漏风险。

　　 (3) B水厂和S水厂活性炭池运行5年后, 出现部分生物膜脱落现象, 需继续跟踪分析水质变化和活性炭池生物膜变化情况, 进一步判定活性炭更换时间。

　　 (4) 活性炭运行5年后, 碘吸附值和亚甲基蓝吸附值均衰减严重, 活性炭池吸附作用已不明显, 全部表现为生物降解作用。在现有水质条件下, 去除效果能满足国标限值要求, 后续需密切关注出水水质, 合理确定活性炭更换时间。