粉末活性炭投加应用

粉末活性炭投加系统应用于给水厂的设计白玉华‘王南威‘刘百仓2李震声‘刘映祥

中国市政工程西南设计研究总院，成都610081; 2四川人学建筑与环境学院，成都610065)

摘要：在提高给水厂出水水质和水源突发性污染应急处理中，粉末活性炭吸附技术得到越来越广泛的应用。结合成都市水六厂五期工程粉末活性炭投加系统的设计，分析了如何确定粉末活性炭的投加方法、投加量、投加浓度以及投加点等设计内容。并简要介绍了粉末活性炭投加系统的组成，以及水六厂五期工程粉末活性炭投加系统设计实例。

关键词粉末活性炭投加系统设计应急处理

0前言

自20世纪20年代美国首次使用粉末活性炭去除氯酚产生的臭味以来，该技术在水处理行业中的应用越来越多。我国近年来也己有给水厂在预处理中采用粉末活性炭提高出水水质，并己在水源突发性污染应急处理中作为一种主要的应对技术。

本文结合成都供水六厂五期工程中粉末活性炭投加系统的设计工作，介绍设计的主要技术环节。

1投加方法的选择

粉末活性炭投加的方法有两种，即干式投加和湿式投加。干式投加采用水射器作为主要投加工具。湿式投加则要先将粉末活性炭配成一定浓度的炭浆，再用泵投加。干式投加法以变频螺旋送料机控制粉炭投加量，一般每台干投机(由料仓与送料机构为主组成)配置1台变频螺旋送料机，如果投加点较多目需要对每点较精确控制，则需要较多的干投机设备。此外，由于干投中粉末活性炭与水不宜混合，因此在设备设计中就要解决好投加水射器喉管的易堵塞问题。湿式投加法可采用1台或较少数量设备配置好一定浓度的炭浆，通过多台计量泵准确定量投加到多个投加点，在制备投加过程中炭粉不会随空气飞扬，操作环境较好，系统使用较为成熟稳定，因此目前给水处理中通常使用湿投法。水六厂五期工程粉末活性炭投加系统有5个投加口需要分别控制，经分析比较后最终选择湿式投加法。

2投加量及投加浓度的确定

粉末活性炭的投加量一般需根据水质污染状态确定。《室外给水设计规范》‘]中规定投加量“宜为5～30 mg/ L"。考虑将来水质污染暴发的可能性，并结合抗震救灾水处理应急方案，水六厂五期工程粉末活性炭最大投加量确定为30 mg/ L。

粉末活性炭炭浆质量分数一般为5%一10%。但在湿式投加中多采用5%，这样可使炭浆快速扩散，与水体充分混合，同时避免了投加管道易堵塞和其他机械故障。

3投加点的选择

为充分发挥粉末活性炭的吸附作用，需要使其与水充分混合，并保证足够的接触时间(一般接触时间30～60 min)和尽量避免吸附被干扰。故而，合适的粉末活性炭投加点非常重要。对于常规的混凝、沉淀、过滤水处理工艺，粉末活性炭的投加点可以有以下二种选择:原水吸水井投加、混凝前端投加、滤池前投加。

一般认为，在吸水井投加能较充分地发挥粉末活性炭的吸附作用，但存在着与后续混凝工艺竞争去除有机物的问题。如果吸附与混凝竞争严重，将降低活性炭的吸附作用，造成投加量增加，处理成本加大。

在混凝前端投加，理论上分析认为投加混凝剂后，在絮凝池中形成的微小絮体尺度发展到与粉末活性炭颗粒尺度相近的位置应作为最佳投加点。在该点投加既可在一定程度上避免竞争吸附，又可使絮体对粉末活性炭颗粒的包裹作用最小，可以充分发挥粉末活性炭的吸附效率。

滤前投加，不存在吸附与混凝竞争问题，但粉末活性炭进入滤池后，可能会堵塞滤料层使滤池的工作周期明显缩短。此外，粉末活性炭还有穿透滤层现象，而目吸附时间难以得到保证。

因此，实际工程设计中，投加点的选择需要结合以上特征，再根据原水水质和水厂处理工艺特点、水力条件综合考虑决定。

水六厂五期工程的投加点选在取水口，主要基于以下考虑: ( 1)原水的取水日距给水厂约2 km，投加粉末活性炭后，大概需要30 min重力自流进入厂内分配井。可以有效利用原有管渠，使粉末活性炭的吸附作用得到充分发挥。

( 2)水处理工艺流程中在混凝前设有斜管预沉池，于是达到充分吸附能力的粉

末活性炭在这一环节中被沉淀排出。这样，不仅使进入机械絮凝平流沉淀池的进水水质得到很大改善，减轻后续构筑物的处理负荷，也避免了吸附与混凝竞争的问题。

4粉末活性炭投加系统的设计

粉末活性炭投加系统通常由以下几部分组成:拆包系统(适合于袋装炭)、储料系统、精密投配系统炭浆制备系统、炭浆投送系统、反冲洗系统。水六厂五期工程采用了某进日品牌厂家的成套设备，力求在现有条件下使劳动强度最小，操作环境最好，粉末活性炭利用率最高。

拆包系统与储料系统:对于散料，可以采用罐车上料，即由粉末活性炭运输车直接将粉末活性炭泵入料仓储存。这种方式，自动化程度高，工人操作量少，目无破包动作，车间环境好。但此种方式，需要水厂所在地附近有粉末活性炭生产厂家。袋装粉末活性炭分为25 kg包装(小袋)和500 kg包装(大袋)两种。对于小袋装，工人将小袋粉末活性炭放入输送带，输送带将小袋粉末活性炭运入切包机拆包后，粉末活性炭由螺旋输送器泵入料仓储存，废袋通过压榨机由出袋口排出。这种拆包工作处于全自动封闭状态，车间环境较好，但对于大型水厂，工人投放小袋粉末活性炭的频率高，劳动强度大。对于大袋装，工人将大袋粉末活性炭取量放入料仓顶部的破包机内，破包机内设橡胶密封紧密裹在料袋周围，避免粉尘泄漏。破包机自动破包的同时，开启负压除尘器。为了防止卸料结束后粉尘外溢，在破包机周围设有一圈挡板。这种方式，工人操作强度较小，车间环境也较好，适合大型水厂粉末活性炭投加。

由于成都水六厂五期工程所在地附近无粉末活性炭生产厂家及粉末活性炭投加量大，故选用大袋装拆包方式。

精密投配系统与炭浆制备系统:两个系统的关键在于粉末活性炭给料机的流量能稳定、连续。给料机的流量与转速有线性关系，具有计量功能，同时计量能力可通过电控柜里的变频器变频可调。给料机螺旋具有自洁功能，正'常工况下均不会发生堵塞。粉末活性炭通过给料机精确计量后，由螺旋输送器输送到溶解罐中，溶解水同时以一定比例注入，经搅拌，形成一定浓度的活性炭炭浆。

炭浆投送系统与反冲洗系统:投送方式可选用重力投送或压力投送，以压力投送为主。压力投送时需采用耐磨损、不易堵塞的投送泵，如螺杆泵、膜片泵等。

水六厂五期工程炭浆投送泵选用螺杆泵，泵的流量通过变频器调节，实现精确连续投加。粉末活性炭投加一般用于应急处理，在需要时才投入运行，每次工作完成后应立即冲洗管路，防止粉末活性炭沉积堵塞管路影响系统的正常工作。故投送泵又可作为冲洗泵，需要时用于加药管路的冲洗，冲洗可自动进行，也可人为干预。

5工程设计

成都市自来水六厂工程规模为140万m3/ d，其中一期一二期工程(己建)设计规模为60万m 3 / d,四期(BOT)设计规模为40万m3/ d，水六厂五期工程规模为40万m3/ d。水六厂五期工程在设计中采用了粉末活性炭工艺，水处理工艺流程如图1所示。

粉末活性炭投加点为取水口，距水厂约2 km，采用湿式投加，投加量≤30 mg/ L，炭浆质量分数为5%。

投加系统采用大袋装(500 k}/袋)拆包方式上料，除尘器风量300~ 500 m3/h,螺杆泵分别对应一期一五期工程投送，即有5台工作泵。大泵工作流量为11 m3/h，小泵工作流量为6 m;3/ h。粉末活

性炭投加间的平面布置如图2所示。

采用粉末全自动活性炭投加系统，粉末活性炭大袋包装，由大包装自动破包机拆包后落入料仓内储存，为了保证粉末活性炭下料通畅，设有粉料堆积消除系统，如空气振打或机械方式，为了防止粉尘弥漫，破包机上带有挡板，料仓带有吸尘装置，粉末活性炭经给料机精确计量后由螺旋输送器输送到溶解罐中，溶解水同时以一定比例注入，形成一定浓度的粉末活性炭浆液。制备好的粉末活性炭浆由5台螺杆泵通过5个投加点投加。螺旋输送器的流量可以通过变频器根据进水量线性调节，形成一定浓度的炭浆，同时投加浓度可以根据需要在PLC上进行设定。粉末活性炭投加系统按自控信号实现自动投加。

给水处理过程中粉末活性炭投加点选择的研究进展

车腾腾‘孔静2

(1.贡庆大学城市建设与环境工程学院二峡库区生态环境教育部贡点实验室，贡庆，400045;

2.贡庆市自来水有限公司水质监测站，贡庆，400013)

摘要：粉末活性炭对去除水中的色、嗅、味及有机物具有较好的效果，给水处理过程中粉末活性炭的投加点不同处理效果差别较大。就目前常规水处理工艺中选择粉末活性炭投加点的一般规律进行说明，总结出活性炭最佳投加点选择的研究进展情况。

关键词:给水处理粉末活性炭投加点

净水处理中所使用的活性炭中，有粉末活性炭和颗粒活性炭两种。作为日前国内外最常用的吸附剂，粉末活性炭去除水源水中的色、嗅、味等物质取得了成功的经验和较好的去除效果。近年来，由于水源污染日趋严重，粉末活性炭在水处理中的使用量逐年增多，特别是水源水质受到季节变化或突发性污染时，投加粉末活性炭也是一种灵活、简便的去除有机物的有效措施。

粉末活性炭的使用过程中，活性炭与水的接触时间要达到30分钟才能有较好的吸附效果。如何使粉末活性炭能快速与处理水有良好的混合接触，尽量延长与水体的接触时间，充分发挥活性炭的吸附作用从而提高粉末活性炭使用效率是活性炭应用中需要解决的重要问题;同时絮凝体的十扰和粉末活性炭与絮凝过程中存在的竞争吸附以及投加粉末活性炭对后续过滤工艺的影响等问题也不容忽视。2粉末活性炭最佳投加点选择的研究

常规的净水处理工艺包括混凝、沉淀、过滤等儿个流程，原则上粉末活性炭投加点有二个:原水吸水井投加、混凝过程投加滤池前端投加。对于不同处理工艺及水质情况，活性炭的投加点不同，处理效果差别较大。

2. 1原水吸水井投加

原水吸水井投加粉末活性炭是日前常采用的工艺，该方法的卞要优势是能保证活性炭与水有较长的接触时间从而较充分地发挥粉末活性炭的吸附作用。戴爱丽等就认为随着活性炭与原水混合吸附时间的增加，其对CODMn、色度、嗅及味的去除率能明显提高，活性炭投加点设置在投加混凝剂之前30min以上的位

置，可有效发挥活性炭的吸附能力。

但是原水吸水井投加活性炭存在与后续混凝工艺竞争去除有机物的问题，并目如果吸附与混凝的竞争严重，则将严重削弱粉末活性炭的吸附作用，造成投加量增加;并目大量的粉末活性炭的加入又将进一步的增加后续的混凝及过滤工艺的负荷，造成处理成本加大，此外，在吸水井中投加粉末活性炭还存在大分了有机物堵塞活性炭的大孔、中孔，限制了较小分了在孔隙内的扩散迁移，使处理效果不够理想的缺点。

通常只有在原水浊度较低的情况下，吸水井投加的优势才能体现出来。最后，吸水井投加粉末活性炭可能会对水泵的叶轮、水封部件等产生不良影响，这也是需要考虑的一个重要问题。

2. 2混凝过程投加

在混凝过程中投加粉末活性炭时如何处理与活性炭与混凝剂投加顺序非常关键，就这个问题日前业内学者尚存在一些争议。刘恒等的试验说明先投加活性炭15分钟以后再加混凝剂，增加了活性炭与原水的接触时间，对水中污染物的综合去除效率较高，处理效果较好。

李智等研究发现粉末活性炭的投加时间大约为投加精制硫酸铝后40秒后对低温低浊时期的湘江原水有较好的处理效果。杨华等通过试验研究认为在投加混凝剂30秒后投加粉末活性炭对微污染水源水的处理效果要明显好于其他的投加点.李大鹏等也认为在混凝中段投加粉末活性炭的除嗅、除味效果明显好于投加在混凝前。指出造成这种现象的原因是:原水中存在着一部分既可以被混凝去除，又可以被活性炭吸附去除有机物，将粉末活性炭直接投加在原水中，活性炭自然会吸附部分可以混凝去除的有机物，这些有机物不但与致嗅物质竞争并占有了吸附位，而目限制了小分了有机物在孔隙内的迁移。将活性炭投加在混凝后可避免这一问题。不过，随着活性炭投加量的增加这些有机物对活性炭除嗅效率的影响逐渐减少，主要是因为增加的粉末活性炭补充了吸附其他有机物所耗费的炭量。实验结果说明混凝中段投加与混凝前投加相比，在达到同样的效果时平均可节省约10 mg/ L的粉末活性炭。

张小满等通过试验研究得出在常规水处理工艺中，应以絮凝池中絮体尺度发展到与分散的粉末活性炭颗粒尺度相近时(即刚刚形成微小絮体)的位置作为粉

末活性炭最理想投加点。在该点投加活性炭既可避免竞争吸附，又能保证絮体对粉末活性炭颗粒的包裹作用最小，可充分发挥粉末活性炭的吸附作用。蒋峰等人的研究也证实了这一点，但同时指出粉末活性炭投加对混凝有负影响，对淮河原水来说当粉末活性炭投加量为20mg/ L时，负影响极其显著。

2. 3滤池前端投加

滤池前端投加该是粉末活性炭发挥作用的最佳位置，一方面，这可以最大限度的消除吸附与混凝之间的竞争，减小混凝过程的负荷;另一方面，如果能使活性炭截留在滤池中，形成活性炭吸附层，活性炭与水的接触时间将远远超过30分钟，活性炭的利用率高，吸附作用充分;最后，对于混凝过程中不能有效去除的小分了物质，粉末活性炭将有较好的吸附效果，使出水水质更好，也就是说滤池前端应该是粉末活性炭发挥作用的较佳投加位置。查人光等在均质滤料滤池前端投加大粒径的粉末活性炭处理微污染水，对有机物的去除有一定的效果;唐铭等在滤池前端投加小剂量的粉末活性炭，并且缩短滤池过滤周期的前提下处理太湖高藻水，解决了出厂水浊度超标、臭与味不良的情况。

同时，研究发现滤池前端投加粉末活性炭工艺通常存在投加的活性炭堵塞滤料层，使滤池过滤周期缩短以及部分活性炭穿透滤料层，滤池出水水质不理想的问题。梁存珍等指出滤前投加活性炭工艺中粉末活性炭投量过高将大大增加滤池的反冲洗次数，影响水厂的运行。戴爱丽等人研究粉末活性炭投加在澄清池出水中，发现滤池出水浊度明显升高，并目观察到炭粒的存在，说明活性炭穿透滤层，认为滤池前端不适合投加活性炭。

3结论

(1)给水处理流程中投加粉末活性炭时，充分发挥其吸附作用同时保证活性炭的投加不对其他处理流程造成不利影响是一种最为理想的状态。

( 2)当前，对于活性炭的最佳投加位置不同学者意见不一，通常认为原水吸水井及混凝过程投加粉末活性炭能够保证活性炭与水有较长的接触时间，但是同时存在活性炭与混凝竞争去除有机物，限制了较小分了在孔隙内的扩散迁移以及增加后续处理工艺负荷的问题。

( 3)滤池前端投加粉末活性炭是较为理想的位置，解决此时滤池过滤周期短及活性炭穿透滤池的问题是该工艺推广应用的关键。

( 4)对于选择粉末活性炭的最佳投加点需要在实际工程中预先做静态模拟吸附试验，模拟实际工艺过程的原水水质、工艺特点、水力条件并对试验结果进行技术、经济比较后再确定投加点。

针对不同的处理工艺流程及水质情况，选择合理的投加点是至关重要的。因此在粉末活性炭的应用中，必须引起足够的重视，更为经济、有效地发挥粉末活性炭去除污染物质的作用。

粉未活性炭的表观密度为0.36～0.74g/cm3，根据原材料和生产过程而异，常为极细粉未。粉未活性炭的粒径为10～50um，粒径小可以增加吸附速率，从而减小投加量。粉未活性炭密度1.4g/cm3。粉未活性炭可以吸附由藻类、酚和石油引起的异常臭味，由铁、锰和有机物产生的色度去除消毒副产物的母体、洗净剂、可溶性染料、氯化烃、农药、杀虫剂，去除汞等重金属，去除放射性物质等。活性炭通常分为粉未活性炭（PAC）和颗粒活性炭（GAC）两大类。活性炭是具有弱极性的多孔性吸附剂，具有发达的细孔结构和巨大的表面积，是目前微污染水源水深度处理最有效的手段，尤其去除水中农药杀虫剂，除草剂等微污染物质和臭味，消毒副产物等，是其它水处理单元工艺难以取代的。但活性炭对有机物的去除也受到有机物特性的影响，主要是有机物的极性和分子大小的影响，同样大小的有机物，溶解度愈大，亲水性愈强，活性炭对其吸附性愈差，反之对溶解度小，亲水性差极性弱的有机物如苯类化合物、酚类化合物、石油和石油产品等具有较强的吸附能力，对生化法和其它化学法难于去除的有机物，如形成色度和异嗅的物质，有较好的去除效果。活性炭的孔径特点决定了活性炭对不同分子大小的有机物的去除效果。活性炭的孔隙按大小一般分成微孔、过渡孔和大孔，但微孔占绝对数量。活性炭中大孔主要分布在炭表面对有机物的吸附作用小，过渡孔是水中大分子有机物的吸附场所和小分子有机物进入微孔的通道，而占95%的微孔则是活性炭吸附有机物的主要区域。按照立体效应，活性炭所能吸附的分子直径大约是孔道直径的1/2到1/10。也有人认为活性炭起吸附作用的孔道直径（D）是吸附质分子直径（d）的1.7～21倍,最佳范围是D/ d=1.7～6。所以，活性炭对500～3000的有机物有十分好的去除效果，对于大于3000和小于500的有机物没有去除。对于小于500的有机物没有去除甚至增加原因，是由于小于500的有机物亲水性较强，易被分子量比其更大而憎水性强的能进入活性炭微孔

内的有机物所取代。

综上所述，活性炭主要吸附小分子量有机物特别是分子量在500～3000的有机物。因此如果常规处理后这一分子量区间的有机物含量相对较多则可以选择活性炭处理，否则采用活性炭处理技术不能达到有效去除有机物的效果。

一、投加活性炭粉末的注意事项：

投加活性炭粉末应注意粉末活性炭与水处理药剂之间的相互作用问题。活性炭是有效的化学还原剂，可以还原游离氯和化合氯、二氧化氯、臭氧和高锰酸钾，以致增加了这些药剂的使用量和制水成本。活性碳与氯发生反应将减少其吸附容量，当12mg-1/lPAC和3mg/l游离氯反应时，将失去50%对2—甲基异冰片（MIB）的吸附容量，同时，氯被粉末活性炭破坏后，为了达到消毒目的必须增加氯的用量。

二、在选择粉末活性炭投加点时，一般按照如下原则：

1、具有良好的炭水混合条件。

2、保持充分的炭水接触时间以吸附污染物。

3、水处理药剂对粉末活性炭的吸附性能干扰最少。

4、不损害处理后的水质。

5、尽量避免吸附与混凝竞争。

6、能有效去除水中残余的细小炭粒。

三、活性炭管理：

1、炭尘有潜在的爆炸性，在可能和粉尘接触的情况下需用防暴电机，凡与湿活性炭接触的金属部件都需用不锈钢。

2、湿活性炭能吸附空气中的氧，因此，炭浆池附近或其它封闭处含氧量可能较低，凡进入这些地方的工作人员应带氧气表，以检查氧的浓度，并佩带安全带，如发生危险时可将其拉到安全地带。

粉末活性炭吸附技术在水厂的应用

王建平，黄长均 (广州市自来水公司，广东广州510600) 摘要：作为一种提高出水水质和应对源水突发性污染的有效措施，粉末活性炭吸附技术在国内水厂中得到越来越多的应用。为此详细介绍了粉末活性炭种类的选择、投加量、投加点的确定、吸附效果等，并结合广州市石门水厂的实际应用对工艺的操作过程及实施效果进行了介绍。

关键词：粉末活性炭；吸附；投加量

中图分类号：TU991． 2 文献标识码： B 文章编号：1000—4602(2006)10—0017—04

1 粉末活性炭的投加

1．1 投加方法

投加方法主要有干式投加和湿式投加两种，目前给水行业中常用的是湿式投加法，该方法是将粉末活性炭配制成悬乳液定量投加。悬乳液的质量分数宜采用5％左右，浓度太大容易造成投加管道的堵塞和其他机械故障。

1．2 炭种、炭粉粒径的确定

目前国内评价活性炭大多采用碘值、亚甲蓝值等指标，但在工程实践上，不仅需要考虑粉末活性炭的总吸附比表面积，还要判断粉末活性炭颗粒内部的孔径分布是否容易达到快速吸附、使用过程中粉末活性炭是否达到吸附平衡，另外还需考虑炭粉粒径的大小，目数小的粉末活性炭的吸附比表面积小，吸附效果差一些，目数大的比表面积大，吸附效果将好一些，但目数太大有可能穿透滤池。一般认为粉末活性炭的中等孔隙越发达越有利于吸附动力学平衡。根据经验，可以采用一些分子质量较大的吸附质来衡量孔径分布。广州市自来水公司曾采用刚果红(分子质量为697 U)试剂和富里酸(分子质量约1000U)试剂作为吸附质进行试验，结果表明：木质炭对这两种物质的吸附效果比煤质炭好，目数大的炭粉比目数小的吸附效果好。

1．3 吸附时间的确定

受工艺流程和场地的限制，国内多数水厂粉末活性炭的吸附时问<0．5 h，达不到吸附平衡所需要的时问，从而造成吸附能力的浪费。另外，吸附时间不够长或水流混合强度不够还会造成粉末活性炭的沉淀，也会浪费部分吸附能力。为了确