摘要：隨著水體污染的日趨嚴(yán)重和生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的提高，自來水廠亟需提標(biāo)改造。活性炭/石英砂活性濾池技術(shù)可在傳統(tǒng)普通快濾池的基礎(chǔ)上實(shí)施改造，保證對氨氮和有機(jī)物等污染物的有效去除，節(jié)約基建投資和運(yùn)行費(fèi)用，適于自來水廠應(yīng)對微污染水源工藝改造。活性炭/石英砂活性濾池的運(yùn)行受溫度、反沖洗、預(yù)氧化等因素的影響較大，濾料級配、工藝組合和出水健康性等方面還需深化研究。
引言
近年來，飲用水源環(huán)境污染日益增多，污染物成分和含量復(fù)雜多變。全國地表水國控斷面總體處于輕度污染狀態(tài)，耗氧量、氨氮、藻和嗅味物質(zhì)等微污染特征污染物為影響水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)的主要因素。
我國目前95%以上的自來水廠仍采用“混凝-沉淀-過濾-消毒”常規(guī)處理工藝，出廠水水質(zhì)難以達(dá)到新頒布的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，突出現(xiàn)狀問題表現(xiàn)為：濾池對濁度去除不穩(wěn)定，水頭損失增長過快；對有機(jī)物污染物處理效果不明顯；應(yīng)對藻污染能力不強(qiáng)，藻、藻毒素及嗅味物質(zhì)去除有限等。因此，對常規(guī)工藝水廠的提標(biāo)改造勢在必行。
常規(guī)工藝強(qiáng)化技術(shù)是利用原有工藝構(gòu)筑物，設(shè)施改造不多，投資少，見效快，適用性強(qiáng)，是適合目前國內(nèi)水廠提標(biāo)改造發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方向。常規(guī)工藝濾池?fù)?dān)負(fù)著對絕大多數(shù)污染物的截留去除，因此濾池改造和優(yōu)化管理尤為重要。活性炭/石英砂活性濾池（以下簡稱活性濾池）是在普通快濾池的基礎(chǔ)上，將其濾料換成活性炭和石英砂雙層濾料，它不僅能夠滿足濁度的有效去除，同時對有機(jī)物和氨氮也能有較好的凈化效能，這種濾池形式無需增添新的處理構(gòu)筑物，基建和運(yùn)行費(fèi)用低廉，因此活性濾池在國內(nèi)有很好的應(yīng)用前景。
1、活性濾池技術(shù)研究現(xiàn)狀
活性濾池是1988年由Bablon研究發(fā)明的，其濾料為活性炭和石英砂，一般活性炭濾料厚0.6m~1.0m，粒徑1.0mm~2.0mm，石英砂濾料厚0.3m~0.6m，粒徑在0.5~1.2mm之間。該濾池一方面能夠利用活性炭吸附作用和石英砂物理攔截作用，去除水中的有機(jī)物和膠體顆粒物，有效改善出水水質(zhì)；另一方面上層活性炭可看做生物濾池，可以通過生化作用去除部分難降解有機(jī)物，同時下層砂可以控制出水濁度和細(xì)菌數(shù)。
1.1國內(nèi)現(xiàn)狀
國內(nèi)針對活性濾池的研究起步較晚。就目前研究結(jié)果表明，活性濾池能有效提高對污染物的去除效果，尤其是氨氮和有機(jī)物的去除。波濤活性炭廠家通過活性濾池和普通快濾池，對穩(wěn)定性微污染地表水去除效果的對比發(fā)現(xiàn)：活性濾池對濁度去除比普通快濾池效果穩(wěn)定，對化學(xué)耗氧量（CODMm）、氨氮和亞硝酸鹽氮的去除效果分別比普通快濾池高9.9%、13.3%和30.8%。通過考察活性濾池對松花江水源水的處理效能，結(jié)果表明炭砂濾池不僅可以去除膠體顆粒和各種有機(jī)物，還能有效去除水中硝基苯等微污染有機(jī)物。另一方面，針對活性濾池運(yùn)行特性方面的研究也有了一定進(jìn)展。
1.2國外現(xiàn)狀
國外在對活性濾池的研究方面起步早，研究內(nèi)容也更深人，表1為部分國外對活性炭/石英砂活性濾池研究應(yīng)用方面的報道。
表1 國內(nèi)外活性炭/石英砂活性濾池研究應(yīng)用案例
| 研究者 | 規(guī)模 | 水源水 | 工藝 | 效果評價 |
| Coffey（1995） | 示范性小試 | SPW河水 | GAC+砂 | GAC+砂工藝對甲醛、乙二醛的去除略優(yōu)于其他濾池工藝，特別是在低溫下。 |
| Elhadi（2006） | 中試 | 配水 | GAC+砂 | GAC+砂工藝對GSM和MIB的去除效果略優(yōu)于其他濾池工藝，當(dāng)BOM濃度低時表現(xiàn)更為明顯。 |
| Hozalski（2001） | 生產(chǎn)性試驗 | 河水 | GAC+砂 | GAC+砂在反沖洗對BOM的去除影響很小。 |
通過對SPW河水進(jìn)行的示范性小試研究表明：活性濾池甲醛、乙二醛的去除效果略好于無煙煤-砂濾等其他濾池工藝。用配水進(jìn)行中試試驗結(jié)果表明，當(dāng)可生化降解有機(jī)物（BOM）濃度低時，活性濾池工藝對藻類代謝產(chǎn)物土臭素（GSM）和二甲基異莰醇（MIB）的去除明顯優(yōu)于無煙煤/砂濾池。通過對河水的生產(chǎn)性試驗，研究得出反沖洗對活性濾池、對BOM的去除無明顯影響。
2、活性濾池工藝出水特性
活性濾池作為替代普通快濾池的一種提標(biāo)改造工藝，對微污染水源水的濁度、有機(jī)物、氨氮、藻類嗅味物質(zhì)有不錯的去除效果，也能較好地控制殘余鋁和微生物泄露。
2.1良好的除濁能力
活性濾池替代普通快濾池，首先要滿足其對濁度的去除效果。活性濾池對濁度的去除是傳統(tǒng)吸附截留和生物吸附共同作用的結(jié)果，兩種作用的相對大小，取決于濾料介質(zhì)表面生物膜覆蓋面積與空隙的大小及吸附物與被吸附物之間的界面特性。研究表明：活性濾池出水顆粒數(shù)基本在50~ 100CNT/mL之間，其出水濁度為0.066~0.140NTU，出水平均值為0.094NTU。國內(nèi)其他試驗研究表明：當(dāng)沉淀出水小于3.0NTU時，活性濾池出水濁度低于0.5NUT。
2.2有效的有機(jī)物去除效果
目前，傳統(tǒng)砂濾池在面對含高有機(jī)物的微污染水源，已經(jīng)無法滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。波濤凈水通過活性濾池和普通快濾池對穩(wěn)定性微污染地表水去除效果的對比，得出活性濾池對CODMn的去除率比普通快濾池高10%左右。活性濾池對有機(jī)物的去除在運(yùn)行初期主要依靠活性炭的吸附作用，后期則主要依靠濾池內(nèi)微生物的降解作用。一般來說常規(guī)處理去除的有機(jī)物主要是分子量>10KDa有機(jī)物，對小分子有機(jī)物的去除作用較小，而活性炭主要吸附中小分子有機(jī)物，生物作用則對小分子有機(jī)物有良好的去除作用。
2.3高效去除氨氮和亞硝酸鹽氮
目前國內(nèi)地表飲用水水源中氨氮超標(biāo)情況比較普遍，出廠水中過多氨氮會引起飲用水生物穩(wěn)定性差、亞硝酸鹽偏高、耗氯量大和嗅味等問題。活性濾池由于濾料生物膜中的亞硝酸菌、硝化菌作用，可有效去除原水中的氨氮和亞硝酸鹽氮，提高了出水健康性。對比試驗研究表明：濾池進(jìn)水氨氮高達(dá)2.00mg/L時，活性濾池去除率為67%，砂濾池僅為40%。因此活性濾池在對于氨氮和亞硝酸鹽氮的去除方面明顯優(yōu)于其它濾池工藝。
2.4消除藻及嗅味物質(zhì)
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原水藻量較大時，藍(lán)藻中的梭線藻、膠鞘藻、魚腥藻、顫藻、籃纖維藻等是主要的致嗅藻種。藻類致嗅物質(zhì)濃度較低，一般小于10ng/L，雖對人畜的健康危害不大，但氣味強(qiáng)烈，僅需很少數(shù)量即可改變水的正常氣味。傳統(tǒng)的去除工藝對藻類和嗅味基本沒有去除效果。研究表明，活性濾池處理高藻原水效果比較理想，出水藻總數(shù)為4.30×105個/L，總?cè)コ蕿?5.1%，出水葉綠素a為0.88μg/L，總?cè)コ蕿?2.2%。
2.5有效控制殘余鋁
飲用水處理常用鋁鹽混凝劑，出水中一般都有一定量的殘留鋁存在。鋁是一種導(dǎo)致神經(jīng)中毒的物質(zhì)，鋁在血液中的長期積累會導(dǎo)致嚴(yán)重腦部疾病，使人癡呆、神經(jīng)錯亂。研究表明飲用水中的殘余鋁對人體血液中的鋁的貢獻(xiàn)大。活性濾池一方面通過去除水中微絮體來去除水中不溶性殘留鋁，另一方面通過活性炭吸附作用可以去除一部分溶解性殘留鋁，據(jù)報道活性濾池對殘余鋁的去除率高達(dá)90%。
2.6可靠的微生物健康性
活性炭生物濾池在運(yùn)行時會出現(xiàn)微生物泄漏問題，而且當(dāng)微生物與破碎的活性炭顆粒一起泄漏時可能會對后續(xù)的消毒產(chǎn)生很大的抗性，從而導(dǎo)致其出水的生物健康受到威脅。生物活性炭濾池的出水中大腸桿菌的含量很高，甚至高達(dá)7300個/L。但是國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，活性濾池對微生物有很好的去除效果，其出水未出現(xiàn)細(xì)菌放大現(xiàn)象。這可能是因為活性濾池中石英砂濾料對微生物的截留效果。
3、活性濾池運(yùn)行影響因素分析
當(dāng)活性濾池調(diào)試運(yùn)行穩(wěn)定以后，主要通過其中微生物的生物降解作用來去除水中污物，因此影響微生物量和微生物活性的因素就會成為濾池穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，具體情況分析如下。
3.1溫度
由于炭砂濾池對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除主要是通過微生物作用實(shí)現(xiàn)，根據(jù)微生物的酶促反應(yīng)原理，溫度會影響微生物的活性和新陳代謝能力，溫度越低則活性越小、代謝越慢；而水溫的變化會引起水粘性系數(shù)的變化從而改變基質(zhì)的傳質(zhì)速率，處理效果也會受到影響，因此活性炭/石英砂濾池對有機(jī)物和氨氮的去除效果也會降低。
3.2反沖洗
反沖洗時不可避免的會對活性炭層中活性炭上的生物膜造成破壞，會影響生物的總量。但損傷的主要是活性較弱的表層懸浮菌，對濾池的運(yùn)行不會產(chǎn)生太大的影響，且這些生物量會在一定時間內(nèi)得到恢復(fù)。
3.3預(yù)氧化
研究表明顆粒性活性炭可以在其表面與前端預(yù)氧化殘留的游離氯二氧化氯、臭氧等氧化劑發(fā)生反應(yīng)。這就造成了在活性濾池中表層活性炭中生物量少但卻消除了預(yù)氧化后產(chǎn)生的殘留預(yù)氧化劑對下層微生物的滅活作用。但是如果長期有殘留的預(yù)氧化劑進(jìn)人活性炭/石英砂濾池中就會使表層活性炭的結(jié)構(gòu)發(fā)生惡化，不利于濾池的長期運(yùn)行，因此應(yīng)該盡量控制預(yù)氧化劑的投加量，避免殘留預(yù)氧化劑進(jìn)人后續(xù)濾池。
4、活性濾池研究發(fā)展前景
活性濾池的凈化效果比單層濾料好，可減少反沖洗次數(shù)，降低反沖洗強(qiáng)度。目前在瑞士、日本、美國等國家，都有活性炭/石英砂濾池這種過濾方式。如瑞士的蘇黎世某水廠，有12個活性炭吸附池，每個池子面積為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；蘇聯(lián)秋明水廠用上層為1.2m厚活性炭的活性濾池去除嗅味及有機(jī)物。
目前在國內(nèi)針對活性炭/石英砂濾池去除污物的機(jī)理研究較少，并大多停留在運(yùn)行影響因素和效果等方面，應(yīng)用案例也很少見，現(xiàn)階段大面積推廣困難不少，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。
4.1微生物特性研究
在活性炭/石英砂濾池中微生物的作用尤為重要，它直接關(guān)系到濾池對氨氮和有機(jī)物的去除效果，同時還與濾池出水健康性有很大關(guān)系。有研究指出，生物活性炭表面的微生物活動對活性炭起到了生物再生作用，其比例達(dá)到20~24%。這就要借助電子顯微鏡技術(shù)和分子生物學(xué)手段對活性濾池中的微生物的特性進(jìn)行更加細(xì)微的研究，以探究活性濾池去除氨氮和有機(jī)物等污物的機(jī)理，更好地利用微生物去除污染物，同時控制好微生物的毒害作用，減少微生物引起的出水健康問題。
4.2濾料研究
在活性濾池中濾料的級配也是很關(guān)鍵的一個因素，活性濾池在反沖洗時會出現(xiàn)上層活性炭因為反沖洗跑掉的現(xiàn)象，這就要對活性濾池中兩種濾料的粒徑進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以確定較佳的粒徑級配從而減少跑炭現(xiàn)象，提高濾池對污物的去除效果。
4.3組合工藝應(yīng)用研究
隨著水體污染的日趨嚴(yán)重，單純的改變其中一個單體工藝已經(jīng)無法滿足新的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因為活性濾池是在傳統(tǒng)普快濾池的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，這就對其濾層的厚度有了很大的限制，同時由于濾料的特性使得活性濾池對污染物的去除能力有限。在突發(fā)性水源水污染出現(xiàn)時，這個問題尤為突出。這就需要活性濾池與別的新型工藝進(jìn)行組合來更好地去除水中污物以達(dá)到新國標(biāo)的要求，如針對高濃度易吸附有機(jī)物的污染，宜采用粉狀活性炭和炭砂濾池組合工藝；針對高濃度氨氮污染，可采用曝氣和炭砂濾池組合工藝。
5、結(jié)束語
活性濾池是一種將常規(guī)過濾、顆粒活性炭吸附與生物膜氧化技術(shù)相結(jié)合的新型過濾工藝。它不僅和傳統(tǒng)濾池工藝一樣對濁度有很好去除效果，而且對我國現(xiàn)階段微污染水源水中有機(jī)物、氨氮的去除效果也很明顯，與其它新型工藝組合還可以提高濾池的適用范圍。活性濾池是在傳統(tǒng)普通快濾池的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，基建投入和運(yùn)行成本低廉，非常適合現(xiàn)有常規(guī)工藝水廠的提標(biāo)改造。