提要：概括介紹了國內(nèi)外活性炭水處理的發(fā)展和應(yīng)用情況、活性炭深度處理的機(jī)理及處理效果。針對(duì)當(dāng)前水源有機(jī)污染現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，論述了采用活性炭進(jìn)行飲用水深度處理的必要性，給出了顆�；钚蕴课匠卦O(shè)計(jì)的參數(shù)及要求。
1 活性炭在國內(nèi)外飲用水深度處理中的應(yīng)用
1.1 國外活性炭水處理發(fā)展概要
由于活性炭對(duì)水中微量有機(jī)污染物具有優(yōu)良的吸附特性，早在20世紀(jì)20年代末30年代初國外就開始用粉狀活性炭去除水中的臭和味，1930年第一個(gè)使用顆粒活性炭吸附池除臭的水廠建于美國費(fèi)城。在60年代末70年代初，由于煤質(zhì)顆粒炭的大生產(chǎn)和再生設(shè)備的問世，發(fā)達(dá)國家開展了利用活性炭吸附去除水中微量有機(jī)物的研究工作，對(duì)飲用水進(jìn)行深度處理。顆�；钚蕴績艋b置在美國、歐洲、日本等國陸續(xù)建成投產(chǎn)。國以地面水為水源的水廠已有90%以上采用了活性炭吸附工藝。目前世界上有成百座用顆粒炭吸附的水廠正在運(yùn)行。
國外目前在給水處理中常用的是降流式活性炭吸附池，據(jù)報(bào)道較大單池面積達(dá)180m2，單層炭層厚度為0.7~2.5m，空床接觸時(shí)間6~20min，大多數(shù)采用壓縮空氣和水聯(lián)合沖洗。
活性炭的使用方式有三種：
① 用顆�；钚蕴刻鎿Q部分砂濾料，成為炭砂雙層濾料濾池。采用這種方式凈化效果比單層好，可以減少反沖洗次數(shù)，降低反沖洗強(qiáng)度。目前在瑞士、日本、美國等都有采用。由于僅用活性炭替換部分砂層，可以迅速投產(chǎn)使用。但是這種方式換炭較困難一般只作為應(yīng)急措施采用。
瑞士的蘇黎世某水廠，有12個(gè)活性炭吸附池，每個(gè)池子面積為44m2，其池內(nèi)下層有粒徑為0.7~1.0mm的石英砂0.5m厚。上層為匹茲堡F400炭層1.2m厚，全年產(chǎn)水量4000萬m3。廠內(nèi)設(shè)有再生爐。
②用顆粒炭替換全部砂層，即活性炭吸附兼過濾。目前法國、美國、瑞典等國的水廠采用這種方式的活性炭吸附池也很多。
法國南希市水廠，處理能力10萬m3/d，采用0.9~1.0mm的顆�；钚蕴看嫔疤繉雍�1.5m，主要用于去除水中的臭和味。美國西弗吉尼亞洲尼特羅水廠，處理能力2.66萬m3/d，采用單池面積72.3m2的顆�；钚蕴课匠�2個(gè)，炭層厚1.5m，流速9~10m/h，在氯仿抽提物濃度較高時(shí)（約1000μg/L），去除率可達(dá)84%~89%。
③在砂濾之后建獨(dú)立的活性炭吸附池。先經(jīng)砂濾、再經(jīng)炭吸附池，可以延長活性炭對(duì)去除殺蟲劑、酚有機(jī)物產(chǎn)生的臭與味的使用周期，有效地利用活性炭的吸附性能。特別是在原水中含鐵和錳時(shí)效果更為明顯。目前美國荷蘭、日本有不少水廠采用這種形式。
當(dāng)水源受到生活水污染時(shí),，水中有機(jī)物及氨濃度增加采用折點(diǎn)加氯法可能使出水中形成顯著的氯氦味，用顆粒活性炭可以有效地去除氯氨味。
法國的一些水廠在混凝沉淀之前進(jìn)行折點(diǎn)加氯。采用顆�；钚蕴课匠�，既可除臭、除味和有機(jī)物，又可利用活性炭表面的微生物除氨，可以減少在水處理過程中形成新的有機(jī)氯化物。
采用顆粒活性炭吸附池處理水時(shí)，一定要考慮失效炭的再生。從美國許多活性炭凈化水廠的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，顆粒活性炭吸附床的一次使用壽命一般為2~3年，有的更長些。由于在水廠內(nèi)建造再生爐，基建費(fèi)用較高，利用率低，在經(jīng)濟(jì)上不合算，因此活性炭再生由制造廠出租給水廠使用。日本采用顆�；钚蕴课匠氐乃畯S，一般均設(shè)有再生爐。
國外顆�；钚蕴康膽�(yīng)用情況見表1。
表1 國外顆�；钚蕴繎�(yīng)用情況
| 水廠名稱 | 處理量/m3/d | 處理工藝流程 | 活性炭吸附池的個(gè)數(shù)與參數(shù) | 再生裝置情況 | 活性炭作用 |
| 美國/新英格蘭曼徹斯特市水廠 | 114000 | 高速混合、混凝沉淀、砂濾、活性炭吸附池 | 4池：4.9m×16.8m×2；炭層1.2m | 除味及有機(jī)物 | |
| 美國/丘吉威林水廠 | 9120 | 澄清反應(yīng)池、快濾池、活性炭吸附池 | 12池 | 水廠內(nèi)設(shè)有再生爐（2-3t/d） | 除味及有機(jī)物 |
| 日本/柏井凈水廠 | 750000 | 流化床活性炭吸附裝置 | 8池 | 設(shè)流化床再生爐 | 除味及有機(jī)物 |
| 蘇聯(lián)/秋明市水廠 | 混凝沉淀、雙層濾料濾池、活性炭吸附池 | 炭層厚1.2m | 除味及有機(jī)物 | ||
| 法國/梅利水廠 | 100000 | 預(yù)氯化、混凝沉淀、顆粒活性炭吸附、臭氧消毒、后氯化 | 6池；接觸時(shí)間15min | 再生周期12個(gè)月 | 除味、氯及有機(jī)物 |
| 法國/巴黎阿那納水廠 | 25000 | 混凝沉淀、活性炭吸附、臭氧氧化、后氧化 | 2池；接觸時(shí)間13min | 36個(gè)月再生一次 | 除味及有機(jī)物 |
| 美國/薩默塞物某水廠 | 190000 | 砂濾后活性炭二次吸附 | 除色、臭、味 | ||
| 日本/渡利水廠 | 59000 | 混凝、沉淀、砂濾、炭吸附 | 空間流速15m/h；炭層2.5m | 嗅閾值20降至0-3 | |
| 美國/辛辛那提市加利福尼亞水廠 | 620000 | 12池；9.1m×19.8m；炭層3.5m；接觸時(shí)間15min | 2個(gè)流化床再生爐，再生能力每個(gè)爐22700kg/d | 去除水中有機(jī)污染物 |
1.2國內(nèi)活性炭水處理的應(yīng)用
我國在20世紀(jì)60年代末期，開始利用活性炭去除受污染水源中的臭和味。1967年沈陽自來水公司用活性炭吸附去除由于工業(yè)廢水污染引起的地下水的臭味，取得了較好的效果。白銀地區(qū)把活性炭用于給水處理，規(guī)模為3萬m3/d，由蘭州市政工程設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，于1975年9月建成投產(chǎn)。該工程以黃河為水源，位于蘭州下游100km處，水源處于白銀地區(qū)的礦山、冶金、化工企業(yè)廢水排放口下游500m處，水源污染嚴(yán)重，石油汞、酚、硝基化合物等方面都超過了國家規(guī)定的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，這套活性炭裝置投產(chǎn)后水質(zhì)大有改善。
為了去除水庫水源的色、臭、味，80年代初北京市市政工程設(shè)計(jì)院在北京市第一座帶有深度處理的地面水水廠——田村山水廠進(jìn)行了炭吸附試驗(yàn)，而后又在城子水廠進(jìn)行輸炭試驗(yàn)及試驗(yàn)參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。以驗(yàn)證參數(shù)為依據(jù)先后在北京建成規(guī)模為17萬m3/d的田村水廠炭吸附池，規(guī)模為50萬m3/d的北京市第九水廠一期工程炭吸附池，規(guī)模為4.32萬m3/d的城子水廠升流式炭吸附池和規(guī)模為5萬m3/d的長辛店水廠炭吸附池，規(guī)模為100萬m3/d的九廠二期、三期工程炭吸附池。實(shí)踐證明炭吸附對(duì)去除微污染原水中有機(jī)物質(zhì)、有毒物質(zhì)是有效的，與其它處理方法相比，工藝比較簡單，易上馬，經(jīng)濟(jì)可靠。在常規(guī)處理不能滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要通過對(duì)深度處理工藝方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定是否采用活性炭吸附工藝，并針對(duì)原水水質(zhì)做現(xiàn)場炭柱試驗(yàn)，確定所采用的設(shè)計(jì)參數(shù)。1996年10月，北京市政設(shè)計(jì)院編制了院定標(biāo)準(zhǔn)《活性炭水處理技術(shù)規(guī)定》，現(xiàn)正編制顆�；钚蕴课匠厮幚碓O(shè)計(jì)規(guī)范。
國內(nèi)活性炭使用的規(guī)模、性能見表2。
表2 國內(nèi)用于水處理的顆�；钚蕴康男阅芗耙�(guī)格
| 廠名性能 | 山西太原新華廠（8#炭） | 北京光華廠GH-16炭 | 寧夏華輝PAC616 | 寧夏核工217活性炭廠H-15 |
| 原料與形狀 | 煤質(zhì)、柱狀 | 杏核、無定形 | 無煙煤、無定形 | -- |
| 粒徑/mm | 1.5 | -- | -- | 1.5 |
| 粒度/篩目 | 10-20 | 10-28 | -- | -- |
| 充填密度g/L | 450-530 | 340-440 | 380-450 | ~530 |
| 真密度g/L | 2.2 | 2.0 | -- | -- |
| 比表面積m3/g | 900 | 1000 | 1000-1100 | -- |
| 總孔容積mL/g | 0.8 | 0.9 | -- | -- |
| 機(jī)械強(qiáng)度% | ＞75 | ≥90 | 90 | 90 |
| 水分% | ＜10 | ＜10 | -- | -- |
| 灰分% | ＜30 | ＜4 | ＜12 | ≤12 |
| 碘值mg/g | ≥800 | ≥1000 | ≥950 | ≥900 |
| 亞甲藍(lán)值mg/g | -- | -- | ≥150 | ≥150 |
國內(nèi)失效炭再生方面，在白銀地區(qū)飲用水深度處理工程中采用直接電流加熱再生爐構(gòu)造簡單操作方便、體積小、熱效率高，對(duì)于大型水廠的炭再生，因再生設(shè)施的基本建設(shè)費(fèi)用高用水、燃料耗電的經(jīng)常費(fèi)用也高，1t炭在廠內(nèi)自己再生比到廠外再生費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)上不合算，目前多數(shù)到再生專業(yè)廠再生。國內(nèi)活性炭的應(yīng)用情況見表3。
表3 國內(nèi)顆粒活性炭應(yīng)用情況
| 水廠名稱 | 投產(chǎn)車 | 處理量/m3/d | 處理工藝流程 | 活性炭濾池的個(gè)數(shù)與參數(shù) | 再生裝置情況 | 活性炭的作用 |
| 白銀有色金屬公司動(dòng)力廠水廠 | 1975 | 30000 | 砂濾池、活性炭吸附塔 | 6個(gè)吸附塔、直徑4.5m，高7.5m，1kg炭處理11-14m3水 | 直接電流法再生 | 除味及有機(jī)物 |
| 北京城子水廠 | 1986，1990 | 50000 | 混合、機(jī)械加速澄清池砂濾池、升流式炭吸附池 | 6池，單池面積32m2，炭層1.5m | 無再生裝置 | 除臭、除味及有機(jī)物 |
| 北京田村出水廠 | 1985 | 170000 | 預(yù)臭氯、常規(guī)處理、活性炭吸附池 | 24池，單池面積33m2，炭層1.5m | 無再生裝置 | 除味及有機(jī)物 |
| 北京第九廠（1）期 | 1987 | 500000 | 混合、機(jī)械加速澄清池、雙層濾料過濾、炭吸附池 | 24池，單池面積96m2，炭層1.5m | 無再生裝置 | 除臭、除味及有機(jī)物 |
| 北京第九水廠（2-3期） | 1998，1999 | 1000000 | 快速混合，水力絮凝、側(cè)向流波形斜板沉淀池、均質(zhì)煤濾池、炭吸附池 | 48池，單池面積97m2，炭層1.5m | 無再生裝置 | 除臭、除味及有機(jī)物 |
2 活性炭深度水處理機(jī)理及處理效果
活性炭是水處理中常用的一種吸附劑。在制造活性炭的活化階段，炭粒晶格間生成的空隙形成了各種形狀和大小不同的細(xì)孔其中大孔孔隙半徑100~10000nm，中孔孔隙半徑為2~100nm，小孔孔隙半徑＜2nm，大、中、小孔孔壁的總面積就是活性炭的總表面積，活性炭的強(qiáng)吸附性能主要就發(fā)生在這些孔的表面上。活性炭的吸附量除與表面積有關(guān)外，還與細(xì)孔的形狀、分布及表面的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。一般情況，用于水處理的活性炭應(yīng)具有適當(dāng)比例的孔以去除水中分子量（或分子直徑）較大的吸附質(zhì)。活性炭表面具有微弱的極性，不僅可以去除水中的非極性吸附質(zhì)還可以去除極性吸附質(zhì)，甚至某些微量的金屬離子及其化合物。
天然水源所受到的污染，嚴(yán)重時(shí)造成水源的富營養(yǎng)化藻類的大量繁殖，使水源帶有色、臭、味�；� 性炭吸附是除色、臭、味有效的方法之一。
此外，活性炭用于由鐵、錳及植物分解產(chǎn)物或由于有機(jī)污染而使水體帶有的顏色的去除也是十分有效的。此外，用活性炭去除水中微量有機(jī)氯及其產(chǎn)生的異臭味也是較為有效的方法之一。