深度处理技术

自来水深度处理技术
周良法，沈亚辉
（江河港武水务（常州）有限公司，江苏省213159）
摘要：水中溶解的有机物大致可以分成四类：（1）可吸附与可生物降解的；（2）可吸附但非生物降解的；（3）非吸附但可生物降解的；（4）非吸附与非生物降解的。

当进入活性炭滤池水中的有机物可以生物降解的，或者经预臭氧氧化后变成可生物降解的，都起到了减少活性炭的吸附负载，从而延长了活性炭使用寿命的作用。

关键词：活性炭、臭氧、有机物。

在水源水质不断恶化的条件下，要使自来水达到新的水质标准要求，视水源水质的不同，有些是可以强化常规处理即可达到标准；有些必须将常规处理工艺改造成深度处理工艺，增加去除溶解性有机污染物、臭味与氨氮才能达到标准的要求。

深度处理是在强化常规处理的条件下，增加活性炭吸附、生物预处理等构筑物。

1、深度处理技术可以分为以下几种：
1.1、投加氧化剂
投加高锰酸钾、臭氧、过氧化氢、二氧化氯等氧化剂取代氯，使氯的消毒副产物减少，可以改善水的混凝条件，将粘附在胶体表面的有机物氧化，使胶体容易凝聚下沉。

1.2、活性炭吸附（下节内容讨论）
1.3、生物预处理
如原水中氨氮高，则采用生物预处理去除。

1.4、膜技术
微滤（孔径约0.1μm）和超滤（孔径约0.01μm），在给水厂可取代砂滤，超滤可去除细菌、病毒等颗粒污染物，但对溶解性小分子有机污染物和臭味物质不能去除，可去除COD Mn约10%（主要去除1万以上分子量）。

2、活性炭的吸附性能：
任何碳质原材料几乎都可以用来制造活性炭。

植物类原料有木材、锯末、果壳、蔗渣、纸浆、废液等。

无机类原料有褐煤、烟煤、无烟煤、泥炭、石油脚、石油焦炭、石油沥清等。

活性炭的制造主要分成碳化及活化两步。

碳化有多种作用，一是使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢等气体，二是使原材料分解成碎片，并重新集合成稳定结构。

原材料碳化后成为一种由碳原子微晶体构成的孔隙结构，其表面积达200~400m2/g。

活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以产生活性炭。

活化过程大致所起的3个作用：（1）生成新的微孔或将原来闭塞的微孔打通；（2）扩大原有的细孔尺寸；（3）将相邻细孔合并成更大的孔。

经活化后就产生更完善的孔隙结构，并使比表面积可达1000~1300m2/g。

活化过程同时把活性炭表面的化学结构固定下来。

活性炭的孔隙大小可分成微孔、中孔和大孔三级，其孔径分别为＜2nm、2~6nm和60nm~10μm。

活性炭以粉状（粉状活性炭PAC）和粒状（粒状活性炭GAC）两种形式应用。

粉炭的粒度为10~50μm，直接投入水中，一般与混凝剂一起联合使用，很难回收重复利用，粉炭只用于投量少或间歇处理的情况。

颗粒活性炭包括柱状炭和破碎炭二种，前者是制备好的粉末活性炭通过煤焦油等粘接材料通过粘接、成型工艺制成一定大小园柱颗粒，直径一般为1.5~2mm，长度3~5mm。

后者是将原来烧制好进行破碎，筛分得到的不规则颗粒，粒径一般为2~4mm。

破碎炭的吸附性能优于柱状炭。

武进水厂粒炭为煤质柱状炭，粒径1.5mm。

粒炭都以吸附床的形式应用。

当吸附能力丧失后，可通过再生方法恢复炭的吸附能力。

用于废水处理的活性炭，所吸附的有机物量可达40%的炭重；但用于给水处理的活性炭，吸附有机物量只有炭重的7.6~8.2%。

与活性炭吸附能力最直接有关的因素是表面的氧化物复合体的性能。

一般把表面氧化物可分成酸性的碱性两大类，并按这一概念来解释活性炭的吸附作用。

活性炭表面氧化物的成分主要受活化过程的影响，一般在300~500℃以下用湿空气制造的活性炭中，酸性氧化物占优势；而在800~900℃，用空气、蒸气或二氧化碳为活化氧化剂所制造的活性炭中，则碱性氧化物占优势；在500~800℃之间活化的活性炭，则具有两性性质。

活性炭是一种多孔隙、非极性的吸附剂，具有巨大的表面积800~1300m2/g，其吸附作用主要来源于物理表面吸附作用，活性炭对于非极性和弱极性、水溶性差的有机物有较好的吸附能力，例如芳香族、脂肪族有机物等；但是对于醇类、糖类等较强极性、水溶性较好的有机物，吸附性差，基本上无法有效去除。

3、活性炭滤池的处理性能：
活性炭滤池的构造类似于快滤池、V形滤池、翻板滤池等几种形式；以水流方向分：下向流（降流式）和上向流（升流式）。

当采用升流式炭吸附池时，应采取防止二次污染措施。

活性炭滤池一般设在砂滤池后面（也有在砂滤池前的），以防水中悬浮固体物堵塞炭的孔隙结构，影响吸附功能。

活性炭滤池的出水需要经过消毒处理，以确保水中微生物的安全性。

活性炭滤池一般是用来去除溶解有机物。

活性炭滤池的滤层厚与接触时间的综合关系通常用参数空床接触时间（EBCT）来表示，例如当水通过滤层的速度为6m/h，滤层厚度1m时，EBCT=1/6*60=10分钟。

《室外给水设计规范》建议空床接触时间宜采用6~20分钟，空床速度8~20m/h，炭层厚度1.0~2.5m。

武进水厂炭层厚度2.0m，滤速10m/h，空床时间12分钟。

炭滤池虽然在砂滤池后，但仍然像砂滤池一样，当炭滤层由于截留过多的悬浮固体引起水头损失过高时，要进行反冲洗，在进水浊度极低的条件下，两次炭滤池反冲洗时间间隔，即吸附的工作周期可达数周。

《室外给水设计规范》建议冲洗周期宜采用3~6天。

至于炭滤料从工作起需要再生的时间，即其有用寿命，主要取决于水中有机物的成分和含量，可从4~6个月到2~3年不等，有臭氧氧化的炭滤池寿命要长些。

活性炭的处理能力不仅有活性炭的吸附作用，还有炭滤层内的生物活动（生物活动包括细菌、微生物），对可生物降解的有机物同时起去除作用。

对可吸附而又可降解的有机物来说，吸附与生物降解将是竞争的相互作用。

生物活动以活性炭表面形成的生物膜来体现，每毫升活性炭的表面约含有能形成105~108个菌落单位的细菌。

这些附着在活性炭表面的细菌形成一薄层厚度不均匀的生物膜，平均只是在每40μm2的表面上有一个细菌，细菌的浓度以在活性炭大孔区最高。

生物膜的形成是水中原有的细菌以水中的天然有机物为营养物增殖的结果。

活性炭滤池虽然同时具有吸附与降解两种功能，但这些功能是否得到充分利用，则取决于有机物的可吸附性与可生物降解性。

水中溶解的有机物大致可以分成四类：（1）可吸附与可生物降解的；（2）可吸附但非生物降解的；（3）非吸附但可生物降解的；（4）非吸附与非生物降解的。

对第四类有机物，活性炭滤池的吸附与生物降解都不起作用。

第二类有机物只能靠吸附去除，因此与生物活动的强弱无关。

第三类有机物只能靠生物活动来去除，加强炭滤池中的生物活动虽然能增加去除率，活性炭的寿命与之无关。

对第一类有机物来说，加强生物活动可以减少活性炭的吸附量，可以延长活性炭的寿命。

由此可以看出，当进入活性炭滤池水中的有机物原来可以生物降解的，或者经预臭氧氧化后变成可生物降解的，都起到了减少活性炭的吸附负载，从而延长了活性炭使用寿命的作用。

一般来说，饮用水的生物过滤解决微污染所产生的问题，有机物经臭氧化的副产物醛、羧酸、醛酸和酮酸等都是容易生物降解的，在生物滤池中的去除率＞75%。

臭氧化的这些副产物如果不经后续的生物过滤去除，必然会在管网中引起再生长，这可以说是采用臭氧化的条件，也是采用生物过滤的条件。

4、臭氧—活性炭存在的问题及解决方法
活性炭滤池处理有机物主要作用是吸附及生物降解，在生物降解的同时也会产生细菌、微生物、微型动物等。

如浙江南星水厂，在原水中只投加臭氧时，在砂滤池中生长长度3~15cm不等的虫子（沙蚕），投加0.6~1.0mg/l的臭氧接触时间3min对沙蚕无任何效果，但2.2mg/l的氯接触2小时对沙蚕的杀灭效果良好。

在生物炭滤池出水中，有产生微型动物泄漏的风险，国内其他水司在炭滤后的水中检测出轮虫、线虫、猛水蚤、剑水蚤、无节幼体、枝角类等。

解决的方法是在炭滤池下部增加砂滤功能及炭滤后水再投加氯消毒。

武进水厂在炭滤池的下部增加锰砂，以阻档生物的泄漏；在炭滤池后再投加氯消毒，以杀死细菌、病毒、微生物等。

参考材料：
[1[、作者：许保玖，给水处理理论中国建筑工业出版社，2000，408-457
[2]、城市供水系统应急净水技术指导手册，中国建筑工业出版社，12-24
[3]、作者：代荣、赵安瑜、董民强等，杭州南星水厂O3/BAC深度处理工艺生产运行跟踪研究，乐林生主编，江浙沪给水处理工艺与技术及其应用研讨会论文集。