夏 萍，倪 奔，王 珂

(上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司，上海 200082 )

1 前 言

隨著活性炭使用時間的延長，其凈水能力將逐漸下降，當(dāng)活性炭不能滿足自來水廠出廠水水質(zhì)要求時，凈水企業(yè)將面臨換新炭或?qū)σ咽褂玫幕钚蕴窟M(jìn)行再生后重復(fù)使用的選擇?；钚蕴吭偕杀据^低，國外自來水廠深度處理用活性炭再生成本通常是購置新炭成本的l/3。自來水廠使用四年左右的生物活性炭，再生損耗是10%～15%，加上補(bǔ)充新炭的成本，比全部更換新炭節(jié)約成本40%～60%[1-2]。以一個20萬t/d規(guī)模的中型水廠計算，以四年一個再生周期估算，通過再生更換話性炭，比完全使用新炭，每年節(jié)約活性炭使用成本100萬元。

活性炭在自來水水廠水處理中，存在使用量大，價格高的問題，其費用往往占整個運行成本的30%～45%[3]，因而有效、節(jié)約的再生使用活性炭，實現(xiàn)資源重復(fù)利用，節(jié)約不可再生資源的消耗，成為自來水廠控制運行成本的關(guān)鍵措施之一。本文通過對再生活性炭進(jìn)出水水質(zhì)一年的跟蹤檢測，研究再生炭對上海青草沙水源水中污染物的去除效果，為再生炭效能評估與再生炭應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置與材料

本次委托太倉市新星輕工助劑廠進(jìn)行活性炭再生，在2014年1月取了200kg的使用了5年的柱狀破碎炭(8*30)進(jìn)行熱再生。再生設(shè)備為活化轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐為一臥式轉(zhuǎn)筒，途徑干燥段、高溫活化段，冷卻段，活性炭在爐內(nèi)的停留時間靠傾斜度及爐體轉(zhuǎn)速來控制(停留時間約為2h)，用水蒸氣作為活化氣體，爐膛溫度為900℃。試驗選取的對比新炭為柱狀破碎炭(8*30目)，碘值在965mg/g左右。再生炭和新炭裝填在活性炭中試裝置中的其中2根有機(jī)玻璃柱內(nèi)(如圖1所示)?；钚蕴恐性囇b置的進(jìn)水為后臭氧出水，中試運行參數(shù)見表1。再生活性炭的水處理效果中試試驗連續(xù)運行一年，從2014年11月開始至2015年11月結(jié)束。

表1 運行參數(shù)Tab.1 Operation parameters

2.2 檢測項目及方法

CODMn測定采用GB/T5750.7-2006酸性高錳酸鉀滴定法；UV254采用Unicam UV300分光光度計測定；濁度采用美國HACH公司2100AN濁度儀直接測定；TOC用Element liqui TOCⅡ總有機(jī)炭測定儀測定；顆粒數(shù)用IBR Versa Count直接測定；碘吸附值用GB/.T 7702.7-1997煤質(zhì)顆?；钚蕴吭囼灧椒y定；亞甲基藍(lán)吸附值采用GB/.T 7702.6-1997測定。

圖1 活性炭運行中試裝置Fig.1 Pilot plant for activated carbon operation

2.3 試驗水質(zhì)

中試裝置的進(jìn)水水質(zhì)為臭氧氧化后的出水，主要水質(zhì)特征參數(shù)見表2。

表2 中試裝置的進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)Tab.2 Water quality of inlet water

3 結(jié)果與討論

3.1 再生炭性能指標(biāo)變化情況

如表3所示，再生炭的吸附性能恢復(fù)的較好，再生后碘值恢復(fù)到945mg/g，亞甲蘭值196mg/g，得率接近70%。強(qiáng)度和粒度再生完較老炭和新炭相比略有下降。強(qiáng)度直接影響到活性炭的使用壽命以及能否進(jìn)行再生，因此活性炭必須保證具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，沖洗時耐磨損[4]。再生前老炭的強(qiáng)度較高，為98%，因此滿足再生的基本要求。在高溫加熱再生過程中，活性炭的機(jī)械強(qiáng)度會下降，與原炭比較，強(qiáng)度有所下降，但仍能保持在95%的較高強(qiáng)度水平。再生前的老炭粒度較高，雖然再生炭粒度有所下降，但因為原炭粒度高，再生炭的粒度依然集中在8～20目的范圍內(nèi)。保證再生炭不會因為粒徑過小而出現(xiàn)反沖洗時易跑炭、夏季表層容易板結(jié)等問題。再生炭除了強(qiáng)度和粒度沒有新炭高以外，其他物化指標(biāo)都與新炭接近，綜合再生炭的各項性能指標(biāo)來看，完全滿足使用要求。

表3 活性炭性能指標(biāo)Tab.3 Performance index of activated carbon

3.2 再生炭應(yīng)用效果研究

3.2.1 對CODMn的去除效果

由圖2可知，再生炭可以有效去除水中有機(jī)物，投入運行前3個月(2014年11月～2015年1月)，炭柱平均進(jìn)水CODMn為1.24mg/L，再生炭平均出水CODMn僅為0.44 mg/L，去除率高達(dá)64%；新炭平均出水CODMn為0.39 mg/L，去除率比再生炭略高，為68%。

圖2 各工藝出水對CODMn去除效果Fig.2 Removal efficiency of CODMn from effluent of various processes

當(dāng)活性炭運行三個月后，即當(dāng)活性炭慢慢以生物作用為主，活性炭吸附作用為輔時，此時再生炭出水CODMn值比新炭出水值低，再生炭平均出水CODMn為0.73 mg/L，新炭平均出水CODMn為0.93 mg/L。這可能是由于老炭在再生過程中，活性炭粒徑比新炭變小，與新炭相比，更易于截留污染物。

運行一年的炭柱進(jìn)水CODMn均值為1.21mg/L，再生炭出水CODMn均值為0.69mg/L，新炭出水CODMn均值為0.82mg/L。再生炭顯示出高效穩(wěn)定的處理效果以及良好的運行效能，對CODMn的去除效果優(yōu)于新炭對CODMn的去除效果，再生炭和新炭對CODMn去除率分別約為43%和32%。

3.2.2 對UV254的去除效果

由圖3可知，活性炭在吸附初期對進(jìn)水中的UV254有較好的去除。運行3個月后，再生炭和新炭的去除率明顯下降且去除效果差異顯現(xiàn)，再生炭對UV254的去除效果明顯優(yōu)于新炭對UV254的去除效果。在炭柱運行期間，炭柱進(jìn)水UV254均值為0.022 cm-1，再生炭出水UV254均值為0.007 cm-1，新炭出水UV254均值為0.01 cm-1。再生炭和新炭對UV254平均去除率分別約為68%和55%。

圖3 各工藝出水對UV254去除效果Fig.3 Removal efficiency of UV254 from effluent of various processes

3.2.3 對TOC的去除效果

由圖4可知，炭柱進(jìn)水TOC為2.90mg/L，再生炭出水TOC為1.98mg/L，新炭出水TOC為2.37mg/L。試驗期間再生炭對TOC的去除效果優(yōu)于新炭對TOC的去除效果，再生炭和新炭對TOC去除率分別約為32%和18%?；钚蕴繉OC去除效果與UV254和CODMn有著相似的規(guī)律，即吸附初期活性炭對TOC去除率都較高，且相近，隨著吸附過程的進(jìn)行，去除率大幅度下降。繼續(xù)運行過程中，去除率逐步穩(wěn)定，并緩慢地波動下降。

圖4 各工藝出水對TOC去除效果Fig.4 Removal efficiency of TOC from effluent of various processes

3.2.4 溶解氧

水中有機(jī)物是在好氧情況下由微生物降解去除，活性炭吸附后的溶解氧下降量(ΔDO)與水中有機(jī)污染物的總生化需氧量成正比，因而ΔDO反映了活性炭柱中好氧微生物對水中有機(jī)污染物的降解去除量。從圖5中可以看出，活性炭吸附初期，溶解氧下降量較大，對有機(jī)物的去除率都較高，到了掛膜后期，微生物對DO的削減較為穩(wěn)定，說明活性炭上已經(jīng)形成了較為穩(wěn)定的生物膜，對有機(jī)物的去除率也大幅度下降。再生炭對有機(jī)物的去除效果略優(yōu)于新炭，這與再生炭溶解氧下降量略高于新炭的溶解氧下降量變化規(guī)律一致。這可能是由于再生時活性炭孔隙得到擴(kuò)張，使炭的活性得以充分恢復(fù)，更易于吸附污染物，炭粒上也更易形成生物膜。

圖5 ΔDO隨時間的變化情況Fig.5 ΔDO changes over time

3.2.5 顆粒數(shù)

由圖6可知，再生炭和新炭的出水顆粒數(shù)基本一致，新炭出水顆粒數(shù)略比再生炭低，顆粒數(shù)大多都在300個/mL以下。

圖6 活性炭出水顆粒數(shù)情況Fig.6 Particle size of activated carbon effluent

3.2.6 濁度

由圖7可知，炭柱進(jìn)水濁度均值為0.23NTU，再生炭出水濁度為0.15NTU，比新炭出水0.13NTU的濁度值略高。在活性炭運行初期(2014年11月～2015年1月)，再生炭和新炭吸附性能均較好，對濁度均有一定的去除。當(dāng)活性炭運行了幾個月后，活性炭的去除效果就不十分明顯了。此外，當(dāng)活性炭運行一段時間后，活性炭已吸附了部分有機(jī)物，水經(jīng)過活性炭層，活性炭截留吸附的污染物或者部分炭渣炭灰容易脫落下來，進(jìn)入水體，隨出水排出，造成濁度的去除率不高，甚至出現(xiàn)出水濁度增高的現(xiàn)象(2015年3月，5月，6月均出現(xiàn)過活性炭出水濁度增高現(xiàn)象)。

3.2.7 藻類

在2015年3月原水藻類較多的時間段對中試基地臭氧活性炭工藝段進(jìn)行了藻類的取樣分析，由表4可知，當(dāng)原水總藻密度在107個數(shù)量級時，經(jīng)過砂濾工藝段后降到了105個數(shù)量級，經(jīng)過再生炭后，出水總藻降到104個數(shù)量級，比新炭對藻類的去除效果略好。

圖7 各工藝出水對濁度的影響Fig.7 Removal efficiency of turbidity from effluent of various processes

表4 各工藝出水對藻類的影響Tab.4 Removal efficiency of algae from effluent of various processes (cell/L)

4 結(jié)論與建議

4.1 對使用5年的柱破炭(8*30)進(jìn)行熱再生后，再生炭的吸附性能恢復(fù)的較好，再生炭碘值在946mg/g，亞甲蘭值為196mg/g，得率接近70%。強(qiáng)度和粒度再生完略有下降，但依然較高，滿足活性炭各項指標(biāo)要求，滿足使用要求。

4.2 試驗期間再生炭對有機(jī)物的去除效果優(yōu)于新炭對有機(jī)物的去除效果，這有可能是由于老炭再生后孔徑發(fā)生了變化，更易于吸附有機(jī)物質(zhì)。再生炭對CODMn去除率約為43%，對UV254去除率約為68%，對TOC去除率約為32%。

4.3 再生炭和新炭的出水顆粒數(shù)基本一致，新炭出水顆粒數(shù)略比再生炭低一點，顆粒數(shù)大多都在300個/mL以下。再生炭出水濁度為0.15NTU，比新炭出水0.13NTU的濁度值略高一點。再生炭出水總藻降到104個數(shù)量級，比新炭對藻類的去除效果略好。

4.4 使用數(shù)年的柱狀活性炭(8*30)經(jīng)過熱再生后性能可達(dá)到新炭的性能，且去除有機(jī)污染物的能力有所提高，深度處理的水廠可以將使用多年的老炭經(jīng)過熱再生后繼續(xù)使用，或者與新炭混合使用。但不宜選用原煤破碎炭或12*40目的顆粒炭進(jìn)行再生，易造成再生完的炭粒度和強(qiáng)度過小，從而導(dǎo)致運行過程中跑炭和堵塞濾池現(xiàn)象的發(fā)生。

4.5 當(dāng)活性炭失效后，應(yīng)根據(jù)活性炭新炭采購價格、舊炭再生工程費用和活性炭更新周期，結(jié)合目標(biāo)水質(zhì)，確定采取全部更換新炭或全部再生恢復(fù)吸附效能的方案。也可以考慮部分再生或部分更換新炭的可行性。