李 露，蔡世颜，邹 磊，程 珊，贾旭超，万年红

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

某水厂以汉江为主要取水水源，其水源水质优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准限值。但近些年来，不时出现水源水污染事件，2012年及2014年先后两次取水口氨氮超标，且每年7月—8月水源有高藻、嗅味水质问题，给水厂安全稳定运行带来一定风险。为应对突发污染和季节性水质问题，该水厂在常规处理工艺后增加了臭氧-活性炭深度处理工艺，水厂工艺流程为“预氧化-混凝-沉淀-过滤-臭氧-活性炭-消毒”，设计规模为25万m3/d，于2019年6月开始运行。

臭氧-活性炭工艺可以通过氧化分解、吸附、微生物降解等作用去除有机物、氨氮、消毒副产物等物质[1]，保障供水水质安全。目前该水厂已稳定运行一段时间，本文主要对活性炭池的工艺设计、活性炭性能、活性炭表面微生物生长情况和净水效果进行分析探讨，其结果为活性炭池运行管理及该地区其他水厂常规工艺技术改造提供参考。

1 原水水质及检测方法

1.1 原水水质

对该水厂在2020年1月—6月原水水质的检测分析结果表明，原水中高锰酸盐指数质量浓度为1.41～4.04 mg/L，氨氮质量浓度为0.01～0.17 mg/L，浑浊度为4.04～26.9 NTU，藻类为5.4万～153万个/L。总体上，水源水质优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准限值。但7月—8月，该水厂原水存在季节性高藻及嗅味问题，原水藻类为278.3万～1 624万个/L，土臭素质量浓度为4～40 ng/L，2-甲基异莰醇质量浓度为3～14 ng/L，高锰酸盐指数质量浓度为1.47～5.29 mg/L，氨氮质量浓度为0.11～0.29 mg/L，浑浊度为27.3～147 NTU，臭和味达到3级。

1.2 取样方法及检测方法

1.2.1 取样方法

先对活性炭池进出水进行取样，进水取样位置为活性炭池配水廊道，出水取样点为炭池出水井。取完水样后，选取某格活性炭池，关闭进水阀门，放空滤池，于池中用取样装置钻入滤料层，分散选取池中3～5处点位进行不同深度取样，并将其混合，制成代表性样品，总质量不低于4 kg。并于表层20 cm以上采取表层活性炭，总质量不低于4 kg。用于微生物指标检测的活性炭采回实验室需要冷冻保存。活性炭取样采用自制的滤池滤料分层采样装置，该采样装置直径为8 cm，长度为2.5 m，具有螺旋式取样结构，可把不同深度滤料一次性取出。

1.2.2 检测方法

对活性炭池进出水高锰酸盐指数、氨氮、UV254、浑浊度进行检测，分析活性炭池净水效果，高藻期增加藻类、土臭素、2-甲基异莰醇及臭和味指标的检测，考察活性炭池对藻类及臭和味的去除情况。活性炭性能指标主要检测强度、比表面积、碘吸附值、亚甲蓝吸附值、酚值、粒度、有效粒径和均匀系数指标。活性炭上生长的微生物主要检测生物量、异养菌、脱氢酶活性、硝化细菌及亚硝化细菌指标，此外还对活性炭表面进行电镜扫描观察生物膜覆盖情况，相关检测方法如表1所示。

2 活性炭池工艺设计

该厂的深度处理工艺为：在常规工艺后增加深度处理单元，深度处理单元主要处理污染物包含氨氮、有机物、藻类、臭和味等。陈皓珅等[2]调研显示，后置式臭氧活性炭工艺中活性炭池多采用下向流。下向流活性炭池同时具有生物作用和过滤作用，有较好地去除有机物及氨氮效果，但要求进水浑浊度不宜超过1 NTU。水厂水源水总体上有机物含量不高，优于Ⅲ类水标准，且水厂常规工艺出水浑浊度低于0.5 NTU，所以深度处理工艺采用臭氧-下向流活性炭后置工艺较适宜。

表1 检测方法Tab.1 Detection Methods

活性炭池设计参数如表2所示。

活性炭池池型一般包含普通快滤池、翻板滤池和V型滤池[3]。普通快滤池有较为成熟的管理运行经验，与常规工艺中砂滤池可共用反冲洗系统。但需严格控制反冲洗强度，反冲洗强度过小，容易导致反冲洗效果差，出水浑浊度增加；若反冲洗强度过大，则容易跑炭；其次，反冲洗水量较翻板滤池大。翻板滤池优点[4]包括反冲洗强度大，反冲洗效果好；能最大限度地避免跑炭，节约运行成本；运行周期长，纳污能力强；反冲洗水量较其他池型节约；进水量波动对气水反冲洗强度的精度要求不高。但翻板滤池反冲洗后因需要静置一段时间，导致废水排放时间较长，污泥会沉积在活性炭表面，翻板滤池构造复杂且造价略高。从管理便捷和经济性角度考虑，该厂活性炭池采用气水反冲洗普通快滤池。

针对汉江水源水质情况，深度处理工艺主要解决藻类、臭和味、氨氮等污染问题，活性炭池停留时间设计为14 min，设计滤速为10 m/h，根据实际运行规模，停留时间实为15.8 min，运行滤速实为7.6 m/h。活性炭池滤料采用炭砂构造，上层为2 m厚的8×30目活性炭，下层为0.4 m厚均质石英砂滤料，众多研究[5]表明底部铺设0.3～0.5 m的石英砂滤料可以有效降低出水浑浊度及防止微型生物泄露。水厂用活性炭一般有煤质压块破碎炭、煤质柱状炭、煤质柱状破碎炭及原煤破碎炭4种炭，在强度方面，煤质柱状炭较高；挂膜性能方面，压块炭较好；价格方面，原煤破碎炭最低。该厂采用的是应用较为普遍的煤质压块破碎活性炭，具备丰富的孔隙结构和不规则的形状，有利于微生物挂膜发挥生物降解作用。

表2 活性炭池设计参数Tab.2 Designed Parameters of Activated Carbon Filter

活性炭池冲洗方式一般有单独水反冲洗及气、水两阶段反冲洗方式，也有少数滤池采用气冲-气水联合冲-水冲三阶段冲洗模式。研究[5]表明，单独水反冲洗方式不利于去除老化的生物膜，炭床间容易形成泥球；而气、水两阶段反冲洗，先采用较高强度的气冲，可以松动和摩擦炭床，使附着的生物絮体剥落并促成吸附杂质的脱附，再采用水冲可将脱附的杂质和脱落的老化生物膜排出，有利于炭滤池出水浑浊度的控制。该厂采用气、水两阶段反冲洗方式，日常冲洗周期为7 d，仅水冲，水冲强度为7 L/(m2·s)。每5周采用气、水两阶段反冲洗，气冲强度为15 L/(m2·s)，气冲时间为5 min，水冲强度为7 L/(m2·s)，水冲时间为10 min。

3 运行效果分析

3.1 活性炭性能指标分析

活性炭池已连续运行11个月，采取活性炭池表层炭及混合炭测定性能指标，数据如表3所示。表层炭强度为94%，相比混合炭强度97%略有下降。表层炭在粒度上30目以下含量为17.5%，比混合炭3.5%高出14.0%，有效粒径为0.55 mm，也明显低于混合炭有效粒径(0.73 mm)，说明活性炭在运行过程中存在破碎磨损现象，这主要是该厂使用的为压块破碎炭，压块破碎炭在生产工艺环节不需要添加黏结剂，通常通过配煤调节活性炭产品的孔结构和强度，其强度比柱状活性炭低[6]，但强度及有效粒径均符合《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》(CJ/T 345—2010)指标要求。碘吸附值和亚甲蓝吸附值一般用于表征活性炭微孔和中孔的多少，表层炭碘吸附值和亚甲蓝吸附值分别为593 mg/g和137 mg/g，混合炭为627 mg/g和142 mg/g，高于表层炭，混合炭酚值也优于表层炭，说明活性炭发挥吸附作用的微孔和中孔数量随着运行时间的增加逐渐变少，表层粒径较小的活性炭吸附性能下降更快。另外，从比表面积看，表层炭比表面积更高，说明比表面积与碘吸附值和亚甲蓝吸附值并非是完全正相关关系。

表3 活性炭性能指标检测结果Tab.3 Detection Results of Activated Carbon Performance Indices

3.2 微生物分析

董秉直等[7]研究表明，随着运行时间的增加，活性炭后期去除污染物主要依靠表面附着生长微生物的降解作用。分析该厂活性炭微生物生长情况，数据如表4所示，微生物生长主要分布在表层活性炭，异养菌生长数量级参考值为105～106，本次检测结果达到了106～107，说明异养菌在活性炭表面生长效果较好，能有效发挥生物降解作用去除有机物。硝化细菌及亚硝化细菌的参考值为104～105[8]，根据检测结果，数量较少，仅为102数量级，可能是进水中氨氮含量较低，不利于硝化细菌和亚硝化细菌生长繁殖。

取表层炭及混合炭进行电镜扫描，同时放大25 000倍进行观察，如图1所示。图1(a)中表层炭生物膜呈片状，覆盖较完整，挂膜成熟度较好；图1(b)中混合炭膜成块状，挂膜成熟度良好，这与微生物检测数据基本吻合。同时说明，该厂活性炭池冲洗方式较适宜，日常采用水冲洗模式，定期采用气冲-水冲两阶段冲洗模式，不仅可以冲洗脱落老化生物膜和表面沉积的悬浮物，也可以保护新生成的生物膜，更有利于发挥活性炭池吸附和生物降解功能。

表4 活性炭微生物检测数据Tab.4 Microbial Detection Data of Activated Carbon

图1 活性炭电镜扫描图Fig.1 Scanning Image of Activated Carbon under Electron Microscope

3.3 净水效果分析

自活性炭池运行以来，汉江水源未出现突发氨氮污染事件，但每年高藻期部分时段有嗅味问题，本文主要从低藻期水质较好和高藻期水质较差两个时期研究活性炭池净水效果。

3.3.1 低藻期

对2020年6月低藻期炭滤池进出水进行检测分析，数据如表5所示。活性炭池进出水CODMn平均值分别为1.86 mg/L和1.59 mg/L，平均去除率为14.52%。UV254平均去除率为30.00%，说明活性炭池对水中的天然有机物有一定的去除效果[9]。结合活性炭性能指标和微生物检测数据及运行时间分析，活性炭池的对有机物的去除效果较好，原因是活性炭池运行时间尚不足1年，部分活性炭仍具有较好的吸附性能，活性炭上异养菌数量和脱氢酶活性均较高，说明活性炭除了具有吸附作用还具有生物降解作用。

表5 低藻期活性炭池进出水水质Tab.5 Inflow and Treated Water Quality of Activated Carbon Filter in Low Alge Period

由于活性炭池进水氨氮平均质量浓度仅0.03 mg/L，经过活性炭池处理后数值低于检出限，说明尽管活性炭附着硝化细菌和亚硝化细菌数量相对较低，仍能够将较低浓度的氨氮进一步降解。梁心怡等[10]研究发现，当原水的氨氮较低时，活性炭表面生物膜中的硝化菌和亚硝化菌能将氨氮去除率稳定在88.93%左右，几乎能去除全部氨氮，与本文研究结果一致。

活性炭池出水平均浑浊度为0.104 NTU，平均去除率为16.80%，远优于生活饮用水标准规定的1 NTU。活性炭层生物量丰富，随着炭池的运行，会有少量微型生物从活性炭层随过滤水流向下进入下层石英砂滤层，下层铺设一定厚度的石英砂滤层，可防止微型水生生物穿透，对浑浊度的去除有一定效果[11-12]。

3.3.2 季节性高藻期

7月—8月为高藻期，原水藻个数为278.3万～1 624万个/L，有明显的土霉嗅味。对高藻期活性炭池进出水进行检测分析，数据如表6所示。原水藻类、土臭素、2-甲基异莰醇、臭和味以及高锰酸盐指数平均值分别为643万个/L、22 ng/L、9 ng/L、3级以及4.15 mg/L，原水存在高藻、高有机物和嗅味问题[13]。

活性炭池对CODMn平均去除率为29.26%，约是低藻期去除率的2倍，应是由于进水有机物含量高，异养菌微生物生长更为丰富，UV254去除率30.14%和低藻期相当。氨氮平均质量浓度由0.09 mg/L降低至0.05 mg/L，出水氨氮浓度与低藻期相差不大，均较低。活性炭池出水浑浊度平均值为0.30 NTU，明显高于低藻期，但经过消毒环节可达到企业内控要求0.3 NTU以下。藻类经过活性炭池降低为1.37万个/L，平均去除率达到96.69%；土臭素和2-甲基异莰醇经过活性炭池处理后均低于检出限，臭和味降为0级。综上，活性炭池在高藻期可通过吸附和生物降解作用有效去除有机物、藻类、氨氮、土臭素和2-甲基异莰醇[14]，消除臭和味，但出水浑浊度比低藻期高，可能原因一方面是炭滤池进水浑浊度较高，另一方面炭滤池冲洗周期和冲洗强度仍然为低藻期时的冲洗参数，建议高藻期根据水质情况可缩短冲洗周期，延长冲洗时间，有助于降低出水浑浊度。

表6 高藻期活性炭池进出水水质Tab.6 Inflow and Treated Water Quality of Activated Carbon Filter in High Alge Period

4 结论及建议

(1)活性炭池工艺设计上，推荐采用气水反冲洗普通快滤池，活性炭池停留时间为15～16 min，滤速为7～8 m/h，活性炭厚度为2.0 m，活性炭可采用挂膜性能较好的煤质压块破碎炭。推荐采用气、水两阶段反冲洗方式，在水质较好时，冲洗周期宜为7 d，仅水冲，水冲强度为7 L/(m2·s)；每5周采用气-水两阶段反冲洗，气冲强度为15 L/(m2·s)，气冲时间为5 min，水冲强度为7 L/(m2·s)，水冲时间为10 min。

(2)对于该汉江水源水厂，在活性炭池运行的第11个月，活性炭兼具吸附和生物降解功能，相较混合炭，表面炭微生物生长量高，挂膜完整性好，但吸附值和强度相对下降更快。

(3)低藻期活性炭池对CODMn和UV254平均去除率分别为14.52%和30.00%，出水氨氮低于检出限，浑浊度平均为0.104 NTU；高藻期活性炭池对CODMn、UV254和藻类平均去除率分别为29.26%、30.14%和96.69%，出水氨氮浓度与低藻期相差不大，土臭素和2-甲基异莰醇均低于检出限，臭和味降低为0级，出水浑浊度平均值为0.30 NTU。在不同水质时期，活性炭池均可通过吸附和生物降解作用去除有机物、藻类、氨氮、土臭素和2-甲基异莰醇，消除臭和味。

(4)高藻期活性炭池出水浑浊度有所提升，建议下一步开展活性炭池在不同水质条件下冲洗参数相关研究，进一步指导水厂安全稳定运行。