臭氧-生物活性炭滤池是较新型的净水工艺, 活性炭滤料长期运行管理的研究数据较少。本文以南方某水厂生产运行为例作探讨, 讨论炭滤池的日常管理维护。该水厂炭滤池组投产至今已超过10年, 近年来陆续出现炭滤料吸附值指标和强度下降的现象, 并开始更换炭滤料及垫层。本文结合活性炭滤料的长期跟踪检测数据和多年运行经验, 分析其损耗情况, 提出建议更换周期, 完善炭滤池的长期运行管理模式。

　　 该水厂水源水质较稳定, 受咸潮影响较小, 氨氮、耗氧量等指标较低, 达到地表水水质标准 (GB3838-2002) Ⅱ类;出厂水水质长期稳定达到饮用水国标 (GB 5749-2006) 要求。水厂的净水工艺包括常规处理和深度处理, 主要流程:前臭氧接触-聚合反应-平流沉淀-V型砂滤池过滤-后臭氧接触-生物活性炭滤池过滤。

　　 与常规处理的反应沉降过滤方式不同, 臭氧-生物活性炭滤池深度处理工艺主要目标是降低和吸附有机化合物, 包括臭氧氧化、物理吸附和生物降解。炭滤池单池滤面为91 m², 设计正常平均滤速为8.8m/h。滤料层由上至下为:2 m颗粒活性炭炭层, 设计粒径1.5 mm, 体积182 m³;0.4 m石英砂垫层, 设计粒径0.95~1.35 mm, 体积40 m³;0.1m砾石承托层, 设计粒径4~8mm, 体积12m³。颗粒活性炭装填时的部分设计技术参数, 见表1。

　　 水厂投产至今, 大部分生物活性炭滤池运行周期已超过10年。炭滤池活性炭层出现高度下降, 活性炭滤料呈现不同程度的粉末化, 正常反冲洗时出现炭粒磨损加重和破碎现象, 炭粉增多。发现部分炭滤池出水拦网有微量炭粉, 存在炭粉穿透砂滤层的可能性。

　　 本文跟踪炭滤池的长期运行情况和滤料主要技术参数进行分析研究^[1]。主要检测指标包括:亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、强度、滤池炭层高度、粒径。

　　 (1) 分别根据标准检测方法, GB/T 7702.6-2008检验亚甲蓝吸附值指标;GB/T 7702.7-2008检验碘吸附值指标;GB/T 7702.3-2008检验强度指标。不同时期各滤池活性炭滤料吸附值指标均值, 见图1。使用期为10年的A炭滤池更换滤料前后的滤料吸附值指标, 见图2。

　　 活性炭滤料随着使用时间增加, 亚甲基蓝吸附值和碘吸附值指标明显下降。其中, 亚甲基蓝吸附值平均下降71%, 碘吸附值平均下降88%, 远低于新炭设计标准。更换活性炭滤料后, 吸附值指标大幅提升, 达到或优于初始设计标准。由上述两组数据可得, 使用期为3~4年, 活性炭滤料性能指标数值呈现急剧下降趋势, 并在使用6~7年, 性能指标数值趋于稳定。

　　 (2) 根据标准检测方法GB/T 7702.3-2008, 随机选取各滤池中0.5~1.0m滤层的活性炭滤料进行检测, 分析不同时期活性炭滤料的强度指标, 见表2。颗粒活性炭的强度呈逐年递减趋势, 使用期超过10年的旧炭滤料强度较低。

　　 (3) 根据标准检测方法GB/T 7702.6-2008、GB/T 7702.7-2008、GB/T 7702.3-2008, 检测使用期为8年的B炭滤池不同滤层深度中, 活性炭滤料的吸附值、强度指标, 见表3。不同深度活性炭滤料的吸附值、强度等指标呈整体下降趋势, 远低于新炭设计标准。

　　 (4) 根据标准检测方法GB/T 7702.2-1997, 跟踪检测炭滤池多年运行的活性炭滤料损失情况。运行时间为3年内的滤池滤料面高度变化并不明显, 随着运行时间增加, 滤料面高度明显下降, 运行8~10年的滤池活性炭滤料面下降15~35cm。同时, 活性炭滤料的粒径也降低近33%。

　　 (5) 根据《生活饮用水标准检验方法》 (GB 5750-2006) , 检测活性炭滤池过滤前后水质指标, 包括浊度、pH、耗氧量、氨氮、亚硝酸盐氮指标, 取近两年指标均值见表4。水体经过炭滤池后, 浊度降低约17%, pH降低约1%, 耗氧量降低约25%。由于原水水质较好, 炭滤池滤前水的氨氮、亚硝酸盐氮常年小于检测限。在枯水期, 炭滤池滤前水曾经出现氨氮0.3mg/L、亚硝酸盐氮0.2mg/L, 但炭滤池滤后水两者的检测值均基本低于检测限。可见, 经长时间使用后, 炭滤料表面生物膜对有机物还是有一定去除作用^[2]。

　　 由上述数据可知, 经过长期使用的活性炭滤料各项性能指标均明显下降, 亚甲基蓝吸附值平均下降71%, 碘吸附值平均下降88%, 强度指标下降80%以上。滤料吸附值指标下降, 净化作用减弱, 利用吸附作用去除有机物效果降低。据活性炭行业关于颗粒活性炭再生的一般情况, 当碘吸附值低于600mg/g时, 旧炭再生得率明显下降;当碘吸附值低于400mg/g时, 一般不建议进行再生。由此, 使用4年以上的活性炭滤料基本失去了再生能力, 一般考虑进行更换。

　　 同时, 活性炭微量粉化现象属于生产运行的正常损耗, 但活性炭长期使用后可能出现大量粉化和易碎现象, 反冲洗时造成滤料层高度损失, 降低净化作用。滤池炭粉增多, 滤料间粘度和阻力增大, 水头损失增加。此外, 还可能造成炭粉穿透砂滤层的风险, 影响出水浊度。而正在运行的活性炭滤池虽然滤料强度下降, 暂时未发现大量炭粉穿透现象, 但一定要加强监测, 注意可能出现的水质风险。

　　 另外, 由于生物膜作用, 长期使用的活性炭滤料对水体中耗氧量、氨氮、亚硝酸盐氮还是有一定的降解作用。虽然使用6~7年的活性炭滤料吸附值较低, 但强度指标基本满足生产要求, 因此炭滤池还可以继续运行一段时间。根据运行管理经验, 使用期超过10年的滤池开始进行滤料整体更换计划, 防止已粉化的活性炭留在垫层中, 排除滤板和滤头的故障隐患, 确保出水水质。

　　 因此, 设置合理的监测点和监测频率, 设定相应的检测指标和警戒值, 进行数据库分析, 密切关注滤池和滤料的状态十分必要。以炭粉是否穿透砂滤层及各项吸附值、强度等项目为综合评价指标, 达到建议生产使用年限时, 及时更换滤料。

　　 根据分析数据, 在使用周期4年左右, 活性炭滤料吸附值指标呈快速下降趋势, 4年后吸附值指标低于再生条件;在使用周期8年左右, 活性炭滤料的吸附值指标已基本稳定, 同时强度指标也偏低, 滤料磨损加重, 一般考虑整体更换, 排除故障隐患。由此, 分别对4年再生周期和8年建议整体更换周期的维护方案进行初步经济对比分析。

　　 方案A:4年活性炭再生方案。炭滤池运行4年后, 通过再生技术重新煅烧活性炭, 令其指标重新达到相关标准参数, 砂垫层滤料可考虑不更换。方案费用包括活性炭再生、运输和施工。方案B:8年活性炭及垫层整体更换方案。方案费用包括滤料的购置和施工。

　　 本经济分析基于南方地表水Ⅱ类水源水质处理运行情况及以人工装卸滤料方式为主, 按一组炭滤池8年的使用周期计算, 通过对两份滤池滤料维护方案的初步经济对比分析, 见表5。结合水厂实际生产情况, 建议考虑方案B, 对活性炭滤料及垫层作整体更换的经济价值更高。

　　 根据臭氧-生物活性炭滤池的运行特点, 结合水源水质情况和活性炭滤料随使用时间增加的性能变化, 分析滤料损耗情况, 提出较合理的活性炭滤料及垫层更换周期。

　　 (1) 南方地区水厂使用期超过10年的活性炭滤料, 各项性能指标均明显下降, 其中亚甲基蓝吸附值平均下降71%, 碘吸附值平均下降88%, 强度指标下降80%以上。

　　 (2) 生物活性炭滤料各项性能指标总体呈逐年下降趋势, 使用4年以上的炭滤料基本失去再生能力。根据活性炭滤料性能指标变化, 就南方地区处理地表Ⅱ类原水的运行管理经验, 结合具体供水生产情况与初步经济对比分析, 一般考虑8~10年整体更换活性炭滤料及垫层, 确保水质安全。

　　 (3) 生物活性炭滤池的长期运行应建立全面监测系统, 结合数据库汇总分析, 动态跟踪炭滤池滤后水的水质及活性炭滤料的指标变化, 维护正常运行和及时作出生产调整。