臭氧-生物活性炭深度处理工艺能进一步去除有机物和消毒副产物前体物, 在国内自来水厂得到越来越广泛的应用^[1,2]。生物活性炭主要是通过附着的生物膜降解去除有机物, 电子显微镜观察结果表明, 微生物主要聚集在活性炭表面的缝隙和凹陷处^[3]。微生物尺寸一般在200~2 000nm, 因此无法进入活性炭的微孔 (D<2nm) 和中孔 (D=2~50nm) ^[4], 有研究推测, 活性炭适合微生物生长的孔径范围为2~5μm^[5], 而国内臭氧-生物活性炭深度处理工艺选择活性炭, 往往把碘吸附值与亚甲蓝吸附值作为重要的性能指标, 这两个指标分别表征的是活性炭微孔和中孔的多少^[6], 可能与生物活性炭去除有机物的效果并不一定完全相关, 并且这两个指标的高低与活性炭采购价格往往呈正相关。

　　 本文选用国内自来水厂有应用的4种活性炭, 在南方地区进行平行滤柱试验, 比较不同种类活性炭对有机物和消毒副产物前体物的去除效果, 并进行活性炭采购价格对比, 为国内自来水厂臭氧-活性炭深度处理工艺炭料选择提供参考。

　　 试验原水取自D江, 经过规模为5 m³/h的中试装置混凝、斜管沉淀、石英砂过滤、臭氧氧化后, 引入装有活性炭料的4根滤柱, 活性炭层高度2m, 承托层高度40cm, 滤速为12m/h, 试验运行约一年时间, 定期取样测定有机物、消毒副产物生成势、浊度等指标。首先对4种活性炭的基本性质进行了测定, 结果如表1所示。

　　 (1) 活性炭指标:碘吸附值、亚甲蓝吸附值、焦糖脱色率强度、粒度参考《煤质颗粒活性炭试验方法》进行测定, 用扫描电镜FEI Quanta 200观察活性炭颗粒表面。

　　 (2) 常规水质指标:耗氧量采用酸性高锰酸钾滴定法, TOC采用岛津TOC-VCPH总有机碳分析仪测定, 浊度采用HACH 2100N型浊度仪测定, UV₂₅₄采用紫外分光光度计测定 (经0.45μm滤膜过滤后测定) 。

　　 (3) 消毒副产物生成势:消毒副产物采用吹扫捕集/气相色谱-质谱仪 (Agilent 7890A-5975C) 测定, 生成势试验条件为水样中加入2 mL磷酸缓冲溶液, 加入20 mg/LNaClO溶液 (以有效氯计) , 密封、常温并暗处放置72h后, 测定消毒副产物浓度。

　　 自活性炭柱进水运行开始, 以两个星期为一次取样周期, 测定滤柱进水及出水的有机物指标, 为期大约一年时间, 从图1、图2、图3及表2可以看出, 本试验用的活性炭, 无论碘吸附值和亚甲蓝吸附值的高低, 对有机物的去除效果都比较显著, 均大于30%, 并且这两个吸附值相对较低的原煤破碎炭, 对有机物的去除效果反倒明显高于其他3种活性炭, 这可能是在南方地区水温常年较高, 深度处理工艺的活性炭主要靠生物降解作用去除有机物, 微生物尺寸均明显大于碘吸附值表征的微孔与亚甲蓝吸附值表征的中孔, 不能在微孔和中孔形成生物膜, 而焦糖脱色率表征的大孔可能更有利于生物膜的附着与生长, 本试验用的原煤破碎炭的焦糖脱色率明显高于其他3种活性炭。从图表中还可以看出, 1.5mm柱状炭对有机物的去除效果最低, 这可能是由于柱状炭表面比较规整, 而其他3种破碎炭表面均有大量不规则的棱角, 更有利于生物膜的附着与生长。但这些棱角在实际运行过程中因冲洗摩擦可能会脱落, 引起滤料粒径变小、水头损失增加、炭层降低、强度减少等负面影响^[7]。

　　 选取运行前和运行了一年后的原煤破碎炭进行扫描电镜观察, 结果如图4所示。由此可以看出, 运行前的活性炭表面有许多的缝隙和凹槽, 而运行一年后的活性炭表面凹陷处生长了生物膜, 活性炭表面大部分覆盖了生物膜。该试验进水的有机物和氨氮含量均比较低, 如果进水中的营养物质含量高, 活性炭表面的生物膜可能会生长得更加致密, 水中的有机物和微生物不容易扩散到活性炭内部, 更难进入活性炭的微孔与中孔, 这也可能是生物活性炭去除有机物的效果与碘吸附值、亚甲蓝吸附值关系不密切的原因。

　　 取进水和4种活性炭出水进行消毒副产物生成势模拟试验, 测定三卤甲烷 (三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷) 总量, 一年中进行6次试验后计算平均值, 结果如图5所示。从图5可以看出, 4种活性炭去除消毒副产物前体物的效果均比较显著, 其中本试验用的原煤破碎炭效果最好, 去除率达到63.1%, 而1.5 mm柱状炭最低, 为44.2%, 这与4种活性炭去除有机物的效果一致。

　　 4种活性炭的粒度分布测试结果如表3所示, 滤柱出水浊度如图6所示。从图6可以看出, 活性炭柱出水浊度均小于0.3NTU, 这可能是因为本试验用的4种活性炭粒度分布比较均匀且颗粒较小, 大部分炭料颗粒在1.0~1.7mm的原因, 由于1.5mm柱状炭的d10和K80均最小, 出水浊度平均值也比其他几种活性炭柱小。

　　 采用市场询价的方式, 由国内几家大型活性炭生产厂家根据技术指标报价, 计取平均值, 结果见表7。由此可以看出, 如果采购碘吸附值和亚甲蓝吸附值较小, 但其他技术参数相同的原煤破碎炭, 比其他3种活性炭少1 100~1 400元/m³。一个设计规模为10万m³/d的臭氧-生物活性炭深度处理自来水厂, 按照活性炭滤料厚度2.0m、滤速12m/h设计, 需要的活性炭约为750m³, 若采购原煤破碎炭, 可节约的成本约为100万元人民币。但原煤破碎活性炭颗粒的棱角较多, 耐磨性低, 如果考虑再生, 其损耗也比较多, 而压块破碎活性炭及1.5mm柱状炭强度高、耐磨性好, 更加适合再生。

　　 (1) 本试验采用的4种活性炭, 无论碘吸附值和亚甲蓝吸附值的高低, 对有机物的去除效果均大于30%, 并且这两个吸附值相对较低的原煤破碎炭, 对有机物的去除效果反倒明显高于其他3种活性炭, 这可能是原煤破碎炭有利于生物挂膜与生长的大孔相对较多的原因。

　　 (2) 从活性炭扫描电镜观察可以看出, 运行前的活性炭表面有许多的缝隙和凹槽, 而运行一年后的活性炭凹陷处生长了生物膜, 且表面大部分覆盖了生物膜, 由此推测水中的有机物和微生物不容易扩散到生物活性炭内部, 更难进入活性炭的微孔与中孔。

　　 (3) 4种活性炭去除消毒副产物前体物的效果均比较显著, 原煤破碎炭最好, 去除率达到63.1%, 1.5mm柱状炭最低, 为44.2%, 这与去除有机物的效果及机理一致。

　　 (4) 4种活性炭柱出水浊度均小于0.3NTU, 这可能是因为本试验用的4种活性炭粒度分布比较均匀且颗粒较小, 大部分炭料颗粒在1.0~1.7mm的原因。

　　 (5) 如果采购碘吸附值和亚甲蓝吸附值较小, 但其他技术参数均相同的原煤破碎炭, 与采购其他3种活性炭相比, 一个设计规模为10万m³/d的臭氧-生物活性炭深度处理自来水厂, 可节约的活性炭采购成本约为人民币100万元, 但原煤破碎炭强度相对较低、耐磨性差, 再生的损失高, 所以臭氧-生物活性炭深度处理自来水厂选用活性炭料, 应综合水质、成本、再生等多方面因素进行考虑。