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太湖原水自来水厂再生颗粒活性炭使用实例
来源: 发布时间:[2017-02-16]

陈健,陆辉,伏俊奕

(苏州市自来水有限公司,江苏苏州  215002)

摘要:太湖金墅原水耗氧量月均值在3.0-4.2mg/L左右波动,主要污染物为总磷、总氮,污染物随季节变化大,出厂水稳定在2.0mg/L以内,颗粒活性炭滤池使用三年多后对其中一格进行了再生(加热再生法),再生质量损失率约30%,再生后碘值和亚甲蓝值较新炭下降更快,加之臭氧对活性炭加热再生后强度的影响7,再生后的使用期不足3年(综合已有文献,以碘值小于500mg/g判断),6年内两次再生的成本已经可以重新换新炭。

关键词:太湖原水、再生、活性炭、生物量

       臭氧—生物活性炭的第一次联合使用是在1961的德国Amstaad水厂,它的成功引起了世界各地水处理工程界的重视。我国从80年代开始应用该项技术,随着改革开放经济的迅速发展,各地区水源陆续出现了富营养化和微污染的情况,O3-BAC这个被水处理专家预言为21世纪饮用水净化厂普遍采用的处理方法纷纷在许多自来水厂采用。

       O3-BAC的主要目的是去除水源中的消毒副产物前驱物、CODMn、氨氮、嗅味物质、藻毒素、内分泌干扰物、并能有效的杀灭隐孢子虫、贾第虫等加氯不易灭活的病原原生动物,有效的保障了生活饮用水的优质安全。

1.生物活性炭运行状况

       苏州市自来水有限公司是江苏省地区较早采用臭氧活性炭工艺的供水企业,相城水厂一期工程深度处理工艺设计规模30万m3/d,2008年3月相城水厂O3-BAC正式开始运行,活性炭面积121m2,炭层高2m,共有10格,采用12×40目煤质破碎活性炭。期间运行效果表面,其对氨氮、CODMn、色度、臭味等的去除效果明显。

         监测期内原水耗氧量月均值在3.0-4.2mg/L内波动,但出厂水稳定在1.6mg/L以内,很好的满足了饮用水卫生标准(GB5749-2006)中耗氧量小于3mg/L的规定。由于微生物对耗氧量和氨氮的降解效果较理想,相城出水厂中上述两个指标达标,从侧面反映生物活性炭(BAC)工艺运行效果良好。

       下面统计了2010年至2012年,1月和7月BAC工艺单元对氨氮、COD、TOC和UV254的去除情况,以直观考察低温和高温条件下BAC工艺的净水效果,如下图所示。

         由上图知从2010年至2012年,虽然活性炭的吸附性能总体逐渐降低,BAC对氨氮和有机物的去除率没有随时间增加而明显降低。由于原水水质变化,BAC进水中各项指标也有差异,各指标的去除率也未像预想中呈现高温去除率大,低温相对小的规律。一般说来,高温条件下BAC中微生物代谢更旺盛,净水效果也较好,下表统计了2010至2012年低温条件下炭滤池出水有机物的情况。

       由上表知,即使在低温条件下,BAC出水中有机物指标总体较低,其中COD基本在2mg/L以下。且随着运行时间的增加,其出水水质仍较稳定。表明目前炭滤池运行情况较好,在低温不利条件下仍可发挥部分去除有机物的作用。COD和氨氮的变化如下图所示。

       由上图可知,在进厂水氨氮≤0.30mg/L,COD≤3.80mg/L时,炭滤池出水指标可分别控制在0.10mg/L和2.00mg/L以内,且投加的后道氯除了发挥消毒作用,也能起到部分氧化有机物的效果,使得出厂水中COD进一步降低。

       对于高氨氮和高COD等水质突变情况,由于高氨氮原水一般发生在1到3月,此时水温较低,微生物作用不明显,需采用预氯化等工艺措施;高COD的情况则需加强预氧化和常规工艺的处理效果,降低炭滤池的进水负荷。臭氧氧化副产物方面。由于其容易被BAC上微生物降解且相城臭氧投量较低,出厂水中甲醛基本无检出。而太湖原水中溴化物浓度总体在100至200ng/L之间,存在溴酸盐风险,监测数据表明,相城出厂水中溴酸盐浓度符合水质标准,这与原水水质、臭氧投加量、投加方式(厂内采用三点投加)和BAC的作用(将溴酸盐转化为溴离子)等有关。BAC的生物安全方面,通过定期清洗炭滤池、根据季节变化调整冲洗强度和冲洗周期、初滤水管理和在出水口加装200目不锈钢滤网等措施,加强BAC的运行管理,降低生物风险。 但是随着时间的延长,活性炭本身吸附容量的限制,其亚甲蓝值和碘值都在不断地下降,指标弱化,处理效果也有所下降。在这种情况下,2011年7月对其中一格活性炭进行了加热再生。

2.活性炭再生

    2.1再生周期

       研究表明,在有氯水处理后的工艺中,三卤甲烷20天后就会在活性炭氯床开始穿透,NVDOC(不挥发可溶性有机碳)50天后开始穿透,去除率下降。因此在用颗粒活性炭吸附氯处理水的场合,需要频繁地再生,建议一年1~4次[5]

       在不含氯水流流入活性炭滤床时,微生物在活性炭层中繁殖,这样大大延长了活性炭的寿命,有关实践证明,生物活性炭经过大约6年的持续运行,仍能够稳定的去除原水中60~80%的卤甲烷前驱物[4]。可以认为即使活性炭的物理吸附能力降低或到达稳定饱和,一般在3~6个月,由于微生物的存在也可以使得活性炭能够长期的有效使用。据报道,生物活性炭去除农药类、致畸致突变有机物方面有长期连续的去除效果[4]。目前结合国内外O3-BAC运行状况,活性炭大约在3~4年再生一次的较多。

       活性炭再生周期和水厂处理工艺、原水水质、吸附有机物类型浓度等有关,国内尚无再生的标准。具体的再生标准主要是从出厂水水质和活性炭自身物理性能两方面考虑。

       对于出厂水水质,根据《城市供水水质标准CJ/T206-2005》的要求,水厂出水水质检验项目(如浊度、色度、氨氮、CODMn等)单项水质指标合格率要≥95%,如果出厂水水质指标的合格率达不到规定要求,应查明原因,调整水处理的工艺参数,或考虑活性炭的再生。

       另外,自来水厂对活性炭的物理参数指标也也有相应要求,如相城水厂对活性炭厂招标时明确规定碘值大于950mg/g,亚甲蓝值大于180mg/g,当活性炭系统运行很长一段时间,这个两个数值会有一定程度的降低。张捷根据果园桥水厂生物活性炭的运行实践,活性炭再生时候参考的指标为碘吸附值为500mg/g,亚甲蓝值为100mg/g左右[5]。北京第九水厂认为当碘吸附值小于600mg/g,亚甲蓝值小于为85mg/g时会对水的处理效果产生影响,并且其还规定了再生炭碘吸附值需大于750mg/g,亚甲蓝值大于100mg/g。

       相城水厂认为碘吸附值600mg/g,亚甲蓝值为85mg/g是一个临界值,此时再生无论从经济成本还是活性炭本身吸附情况都是一个比较好的判断标准,活性炭的物理参数如果在临界值附近,进行再生后它的参数可以恢复到出厂时候的85~90%左右,如果不及时进行再生可能之后恢复率会有所降低,其次如果继续使用的话对今后出厂水水质需要严格监督。

    2.2再生方法

       活性炭的再生方法有很多,根据不同的现场条件,国内外活性炭的再生方法主要如:加热再生、生物再生、光再生、微波再生、超临界流体再生等,种类繁多,但是真正适用于水厂的再生并且在工业上应用比较广泛的是热再生法,主要依靠再生炉,分为多层炉、流动层炉、回转炉、移动层炉,再生能力从几吨每天到几百吨每天不等。

       水厂活性炭热再生的过程如下:100℃干燥,此时孔隙中的水分就会蒸发;350~800℃炭化,此时低沸点有机物脱离,部分高沸点有机物被热分解;800~1000℃活化,此时去除炭化残留物并防止氧气混入,恢复活性炭的初始吸附性能,具有关试验证实活化过程中的水蒸气能显著恢复活性炭的微孔容积[1]

       水厂中吸附的物质通常包含嗅味物质、腐殖质、三卤甲烷、卤乙酸、藻毒素、内分泌干扰物等,因此采用热再生是恢复水厂活性炭的有效方法之一。并且在上述再生方法中曾提到的微生物再生法在挂膜成功后,时时刻刻在活性炭和表面吸附的生物群中进行着微生物再生,这也是活性炭和微生物共同作用后,能够给显著延长活性炭吸附周期的原因之一。虽然活性炭表面生长微生物,分解活性炭所吸附的有机物,延长了活性炭使用期限,但是难以恢复已吸附难分解有机物质的活性炭的吸附性能,因此热再生不可避免。

    2.3 再生指标

       再生后的吸附性能、再生活性炭耗损率和颗粒强度是活性炭再生评价体系中的重要参考指标。 从水厂角度说,当然希望饱和后的活性炭能够在各个参数都恢复到和出厂时候的一样,但是一旦强化再生条件,往往会使得活性炭强度粒径下降,耗损率上升。因此再生后的目标应该是控制吸附性能的恢复率在一定的范围内,充分考虑强度、颗粒变化与吸附性能的得失,做出一个经济上最优的选择。

       活性炭常见的吸附性能指标,如亚甲基蓝吸附值、碘吸附值等。AWWA美国水工业协会采用多种测试方法来表征活性的性。如在相城水厂主要考察了活性炭的亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、脱氢酶活性和生物量。亚甲基蓝吸附值反映了活性炭吸附中小分子的物质的能力;碘值反映了活性炭的表面积,是微孔指示器。相对水厂来说可以加入丙酮肟和单宁酸吸附值,丙酮肟吸附值表征了活性炭去除VOC等小分子的能力;单宁酸吸附值表征了去除消毒副产物前驱物等大分子有机物的能力。因为尽管碘吸附性能可能通过再生恢复过来,但是吸附性能仍然可能会大幅下降的,因此对再生后的活性炭必须严格控制,再生指标可以适当增加并且规定一定的范围。

3相城水厂再生前后

    3.1再生前各项指标和运行情况

相城水厂生物活性炭滤池自2008年3月投运至2011年三年期间,有效提高了水厂的出厂水水质,期间水厂定期委托公司水检中心和北京煤科总院对活性炭的各项主要参数进行检测跟踪,以便及时掌握活性炭各项技术指标的衰减情况。具体数据见表一:

表一

       参考《给水排水设计手册》可知,碘值小于600mg/g或亚甲蓝值小于85mg/g时,活性炭需考虑再生;行业内部经验是,当碘值和亚甲蓝值分别低于600mg/g和60mg/g时,活性炭需考虑再生;但作为生物活性炭,可适当延长使用寿命,减小吸附性能减弱带来的影响,再生条件可以放宽。

表二

       从表二可以看出,炭滤工艺对NH3—N和COD指标的平均去除效率由开始时下降趋势至目前达到平稳状态,且出厂水质指标均符合要求,比较稳定。

       根据上述情况,活性炭指标基本达到再生要求,如继续使用,可能会失去活性炭再生的最佳时机,但又考虑到出水水质均符合要求,因此选择一组炭滤池作为再生的试点滤池。

    3.2再生后各项指标和运行情况

       再生后委托北京煤科总院对活性炭的各项主要参数进行检测跟踪。

       再生前共计取出活性炭230m3,再生炭装填量约162m3,剩余约68m3的活性炭缺口另用新炭补充。再生损耗率29.6%。再生总价26万元左右。

       水检中心监测相城9#与10#炭滤池吸附性能如下图所示。

       由图可知,未再生的10#炭滤池碘值和亚甲蓝值分别稳定在430mg/g和85mg/g左右,而再生炭的碘值和亚甲蓝值分别为540mg/g和150mg/g。再生炭与新炭投运12个月时的数据相比,碘值下降速度快,亚甲蓝值衰减速度较慢。由于当年相城供水量明显增加,且原水水质与新炭投运时不同,故无法断言再生炭与新炭吸附性能变化的差异是由再生工艺引起。

       为全面了解活性炭的性能,另取两个炭池的炭样送至北京煤科总院检测。数据表明,未再生炭样强度值与2011年同期相比没有明显变化,装填密度和比表面值均较稳定。表明厂内BAC反冲洗强度较合适,未造成炭料之间的磨损。 而经过再生的活性炭粒径变细,但滤料强度值并未因反复冲洗而出现降低,表明目前冲洗未对再生炭造成进一步磨损,但还需持续关注冲洗对再生炭强度的影响。

       从经济性来说,活性炭再生成本大约是新炭50%,一般推荐3年或碘值小于600mg/g时进行再生。相城9#炭滤池再生后碘值和亚甲蓝值较新炭下降更快(除了再生工艺,也受原水水质变化和供水量增加的影响),再生后的使用期不一定能满3年(综合已有文献,以碘值小于500mg/g判断),从这方面考虑,6年内两次再生的成本已可以重新换新炭,且活性炭经过两次再生后,强度是否满足使用要求也存在疑问。而从前文分析知,目前炭滤池出水较稳定,且已经过了再生的临界点(使用超过3年),此时进行再生损耗率较高,增加了再生成本。因此建议密切观察活性炭滤池出水水质的变化,同时加强炭滤池的日常管理,确保出厂水水质。

       另外,从图上还可看出,无论是再生或是未再生的炭池,均在5月出现了吸附性能明显下降的现象。这段时间原水水质和活性炭中的生物情况如下图所示。

       出现上述现象,除了检测方面可能存在的误差,可从原水水质和厂内工艺方面分析。原水水质方面由左图知,期间原水中有机物总体较高,在3.5mg/L以上,3到5月间原水中2-MIB和GSM的浓度也较高,从吸附指标看,主要是碘值下降,而亚甲基蓝下降不明显,而碘值表征的是微孔的吸附性能,GSM和2-MIB这类小分子均吸附在微孔上。不过二者是否会造成活性炭吸附性能下降,文献中尚无相关报道。在5月关于工艺流程对2-MIB去除的取样分析中发现主臭氧出水中2-MIB浓度已降至12ng/L,此时显然不会对活性炭吸附性能造成影响,但嗅味产生因素较复杂,加上期间有机物浓度较高,也不排除原水水质变化,进而影响活性炭吸附性能的可能。

         厂内工艺调整方面,由右图可知,3月后脱氢酶活性呈现直线上升的趋势,这主要与水温升高,微生物代谢作用加强有关;生物量却呈现先减少后增加的趋势,可能因为期间原水2-MIB和GSM的浓度较高,厂内加强了对BAC的冲洗,5月后采用小冲程序,生物量明显增加,生物膜粘附在部分微孔上,使得碘值下降。

       另外5月开始,相城供水量明显增加,5月平均日供水量为25.4万m3,达到去年除了太东路冲洗时的最高日供水量,由于工艺负荷加重,不可避免会影响到炭滤池的吸附性能

4. 结论

1.针对于太湖原水微污染原水的臭氧-生物活性炭工艺的活性炭再生周期建议根据出厂水质情况确定。

2. 活性炭再生后碘值比同期新炭低,亚甲蓝值高,粒径也变细,但满足目前厂内冲洗强度的要求。未再生炭与2011年同期比,物理性能指标较稳定,表明目前厂内冲洗强度较合适。

3.如果仅以碘值作为再生标准,从现有数据推断,不到3年可能需要再次再生。而6年内再生两次成本已与全部换新接近,且两次再生后活性炭强度是否满足需要存在疑问。

参考文献

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