水处理工厂中颗粒活性炭的管理.doc

水处理工厂中颗粒活性炭的管理（硕士论文译稿节选01）(2010-08-19 08:45:59) 标签： 杂谈分类： 活性炭技术类文章 报告摘要 （南非的）Rietvlei水处理厂的颗粒活性炭（GAC）吸附过滤系统扩建工程在经过了一系列详尽的测试之后，于1994年投入运营。运行到1999年中时，对颗粒活性炭的性能进行了为期一年的全流程封闭监测。确认了GAC的确是一种在各种操作条件下都具有高性能的产品之后，该工厂将工作重点转移到GAC处理工艺和再生系统的优化方面。经常性地将活性炭从滤器用原料的贮存库转移到厂外的再生工厂、再从再生工厂将再生之后的活性炭运回处理厂，会显著地增加操作人员的工作量并构成总体GAC系统运行成本的主要组成部分。针对Rietvlei水处理厂在生产实践中暴露出的一系列问题，进行了大量的系统性调查研究工作。 本论文的第一部分内容系对GAC的使用和停用（离厂再生）情况进行定向跟踪并进行定量化评估。发现GAC在吸附器中的损失率为10.0%，其中因反冲洗操作造成的炭损失为0.3%，为进行再生处理而从吸附器中取出活性炭的操作过程造成的损失率为9.7%；这些损失的活性炭用集水池并不能全部拦截，有占活性炭全部投入量2.3%比例的活性炭最终被排入了河水中，在集水池的出口处加设一组滤网则可以消除这一损失量。吸附器中装填的全部炭量的其余80.3%（除去损失量之外的剩余炭量）的活性炭进行再生处理，而再生过程中又会损失18.7%的炭；只能通过对再生工艺的优化来使这一损失量降至最低，但这项工作需由再生承包商来具体进行。 报告的第二部分目的是考察GAC在吸附床层内的行为。通过实验室检测及相关计算确定活性炭的孔隙度和球形度；发现粒度为1240目和830目的活性炭，其孔隙度分别为0.69和0.66；其球形度则分别为0.67和0.66。采用经过校准的床层膨胀模型，计算出活性炭在Rietvlei水处理工厂实际使用过程中两个温度极端值9和23对应的床层膨胀度；对分别采用粒度为1240目和830目活性炭的吸附床，确定了床层的平均可利用自由空间高度，分别为650mm和430mm；当床层上部的自由空间高度大于这一限值时，在反冲洗操作期间不会出现GAC越过溢流堰坝结构而损失的现象。 在报告的第三部分我们测定了在GAC循环使用过程中不同位置的GAC的物理性变化情况，主要的发现是在反冲洗及取出操作过程中有少量GAC颗粒会破碎为更小的颗粒，在循环再用时会被洗出床层，与床层中的绝大多数GAC相比，这些颗粒的表观比重较大、吸附能力较低。在从吸附床中取出炭及将其运送到再生厂的过程中并未发生显著的炭磨损、也未产生碎裂的炭颗粒。与再生之前相比，再生完成后的活性炭表观密度降低了7%、吸附性能增加了30%。 在报告的最后一个部分，将GAC的吸附性能与炭的使用期以及滤出水的UV254去除率相关联。活性炭再生之后，出水的UV254去除率大约为20%，使用400天后下降到14%，使用600天后再降至10%的水平；刚再生完成的活性炭碘值约为800mg/g，投入使用400天后降低为600mg/g，600天之后再降至500mg/g。 报告中采用的符号一览表（略）1、简介1.1 研究背景 从1934年始Rietvlei水库向Pretoria城供应饮用水。随着近年来Hennops河流域人口数量的持续增长，水库的水质已开始劣化，该水处理厂被迫于1988年进行了技术改造，使出水水质好转了几个年头。但因为这一流域内农业活动的广泛开展，造成进入水库的氮和磷的浓度连续增加，促进了藻类的繁殖（特别是在夏季时更是如此）。 1996年Van Staden在Rietvlei水处理厂进行了为期192天的中试研究工作，对各种可能的辅助性水处理技术进行了相关的试验。对颗粒活性炭（GAC）加臭氧处理技术的研究结果表明，当兼顾运营成本和水质两方面因素时，采用附加GAC水处理装置可能是最佳选择方案。为提高供水水质，特别是去除因藻类造成的异嗅和异味，该工厂于1999年建设了GAC水处理工序，并于1999年11月22日投入运行。 试运行开始后，在2000年由De Kloe负责组织了为期一年的封闭式监控工作，以检测在全运行规模状态下GAC的使用性能。在确认了GAC在所有运行工况下均能够提供高质量的水产品之后，目前该工作组的工作重点已转向了GAC水处理工艺的优化以及活性炭再生系统研究方面。1.2 存在的问题 首先暴露出的问题是GAC的损失率高于设计预期值，且损失主要发生于再生处理过程。如果能采取更加严格的检测及全程监控使这一初步发现的问题得以证实并定量化，则可以在新制活性炭产品采购合同中对炭的性能规格加入相关性约定条款，且在今后的GAC再生处理委托加工合同条款中也加入相关约定。 发现的另一个问题是活性炭水处理装置的运行费用较高，这是由两个方面的原因造成的。第一，活性炭是一种昂贵的水处理材料，其在使用过程中不可避免的损失量造成运行成本较高（应想方设法使损失量最小化）；第二，该水处理厂所用活性炭必须周期性地从过滤器中取出、通过商业化方式运输到厂外进行热再生处理，再生后的炭重新运回并加装到过滤器中重新使用，由此引起的运行费用也是非常高的。若选择达到UV穿透点之后再对活性炭再生处理，则运行费用将会大幅降低。 解决上述问题的方法是寻求一个最具经济效益性的途径来运行及维持工艺装置，即：通过进一步的探索研究来寻求一种与世界其它地方不同的工艺操作方式，形成具有当地特色的技术解决方案。由于Rietvlei的GAC水处理装置是南非迄今唯一已投入运行的同类装置，故尚无可资利用的、具当地特点的、与GAC装置运营、GAC处置和再生、以及与GAC运输相关的过程损失量的数据。1.3 研究的目标及宗旨 本论文通过系统性调查研究工作，就Rietvlei水处理厂在运行过程中暴露出来的下述实践性问题做出回答及专题报告： （1）如何对活性炭的性能进行规定，以及如何对活性炭的选择标准进行权衡？ （2）由于厂内冲刷操作造成的GAC损失量有多大？如何对反冲洗循环工艺进行修改从而避免这一损失率过高？ （3）GAC的处置操作过程中损失量有多大？以及如何能使这一损失率降至最低？ （4）在再生过程中GAC的损失量有多少？如何降低再生损失？ （5）哪些性能参数可用来对GAC的再生处理效果进行相应规定？ （6）如何选择停止GAC吸附操作的时机，以取出活性炭并进行再生处理？应该选择对出水质量进行连续监测方案，还是应该选择周期性检测GAC的残留吸附能力的监测方案？2、关于GAC的文献调研结果2.1 颗粒活性炭简介 很久之前人们就将活性炭作为一种可从液相中有效脱除某些低浓度成分的、具有多功能的吸附剂材料加以应用。木炭作为现代活性炭产品的先驱早在公元前2000年就被古埃及人用作医疗目的以及用于水的净化处理（资料来源：Faust & Aly, 1983）。迄今为止，活性炭是已知的有吸附能力的材料中物理吸附力最强、有效吸附孔容积最高的吸附剂。 颗粒活性炭被用于各种各样的水处理系统，目的是从原水中去除氯、浊度、可溶性有机物、异嗅、异味、色度、以及合成有机化学品污染物等。活性炭获得如此广泛应用的主要原因是它具有高吸附能力，这种能力应归因于它的高孔隙率，以及由此产生的巨大的比表面积（高达1500m2/g）。（资料来源：Faust & Aly, 1983; Kienle, & Baeder, 1980）。 活性炭的这种应用优势使得它成为一种适合于饮用水净化处理过程的吸附剂，特别是在南非，由于水质一直在持续劣化，所以活性炭的应用前景日益广泛。2.2 活性炭的制造及其活化工艺 可采用多种具高含碳量的材料来制造活性炭，如：烟煤、木材、坚果壳、褐煤、泥炭、锯末、骨头和石油焦等。与任一产品的制造过程相同之处在于，活性炭原料的质量对最终产品的品质也有决定性作用。在历史上用于工业应用领域的活性炭产品通常是采用木材、泥炭和其它植物性材料的派生物为原料来制造的；发展至今，由于褐煤、其它原煤以及焦炭的来源广泛、价格低廉，已成为最大宗的活性炭制造原料。 活性炭的制造涉及一系列的工序环节。首先是将原材料加工成尺寸均匀的颗粒，可采用的技术包括高压挤出、造粒或压块成型等，该工序对最终产品的物理性能（如产品的粒度、粒度分布、外形、粗糙度及硬度等）有影响；与采用的原材料是含碳水化合物还是含纤维素（例如木材）的原料相对应，活性炭制造的第二步骤被称为炭化或热解，在该工序原料在隔绝空气的前提下被缓慢地加热到低于600，使热解产物从原料中挥发去除；最后进行活化加工，在活化过程中通过碳结构的微观撕裂、龟裂以及部分孔洞选择性崩塌等作用形成微孔结构，从而获得巨大的比表面积。 可选择造粒后再炭活化、或者直接炭活化制造工艺，当选用后者时，将跳过上述第一道工序环节而直接进入破碎、筛选、焙烧（炭化）和活化等加工环节。由于较大颗粒物料的活化过程必须从颗粒的外表逐渐向内部进行，所以当采用直接炭活化工艺时，所制成的产品近外层部分会具有高表面活化度，而颗粒的内部表面积则很小。 采取这两种工艺制造的颗粒活性炭具备不同的性能特点，先经过压块成型的工艺过程制造的活性炭产品密实度更高、抗磨损能力更好，而且可通过添加人工合成的成孔剂而使压块成型颗粒的活化度提高、同时调整产品的特定吸附能力和特殊的应用性能（资料来源：Van Stone, Brooks, & Neulight, 1999）。 有两类有很大差别的活化工艺方式。其一是化学活化法，适用于非碳化性（即非热解性）原材料如锯末和泥炭等，采用脱水剂如氯化锌或磷酸在高温条件下对这些原材料进行处理，以获得大量的微孔结构体系；其二是气体活化工艺，适用于可碳化性原料如木炭、泥炭焦化料及坚果壳等，采用水蒸气或二氧化碳等氧化性气体于特殊的活化炉（如最常用的多段炉）中、在温度约800至1000范围内，氧化剂气体选择性与炭化料发生部分反应使炭化料发生气化而转化为气相产物，从而在炭结构中形成有一定排列的、大量存在的空心状孔隙系统（资料来源：Zolf, Steenkamp, & Breet,2000）。最终的活性炭产品经过粉碎可获得粉状炭产品。 原料种类及活化工艺对活性炭产品的特点和性能具有巨大的影响作用（资料来源：Chemviron Carbon, n.d）。2.3 活性炭的结构 按照规律，活性炭通常被归类于具有“三分散型”结构的吸附剂，即：它们同时包含有微孔、过渡孔（中孔）和大孔结构。依据Dubinin(1966)的观点，仅有极少数的微孔可以直接通向炭颗粒的外部表面，而绝大多数的孔隙结构以下述模式分布于颗粒内部：大孔直接开口于炭颗粒的外部表面；过渡孔则象树枝一样从大孔的孔道中“生长”出来；而微孔随后也象树枝一样从过渡孔的孔道中“生长”出来。活性炭总比表面积值的90%以上是由微孔贡献的（资料来源：U.S. Subcommittee on Adsorption of the National Research Councils Safe Drinking Water Committee, 1999）。在活性炭颗粒中存在的上述各种孔隙对吸附作用的发挥均很重要，比如：不同尺寸的吸附质分子可充填到不同尺寸的孔隙空间内；对于生活用水的处理产业来说，微孔十分重要，原因是从原水中被吸附脱除掉的污染物分子绝大多数可在活性炭的微孔结构中被找到。2.4 活性炭产品的标准规格和性能 选择适用的活性炭类型是进行活性炭处理装置整体设计的重要组成部分。虽然能够找到众多颗粒活性炭制造商的公开信息，但其可提供的产品却不一定都能适用于生活用水的处理。另外，某些炭产品具有比其它同类产品更优良的吸附能力、使用寿命、可操作特色、甚至售价等。应该采取几项标准方法对所有候选炭产品进行公开公正的检测，毕竟原水处理过程的运行成本很大程度上取决于吸附剂的应用成本。当然，活性炭的质量也非常重要，且在某些情况下可能是首先要考虑的因素（成本因素则位于其次）。 活性炭产品的第一种规格表示方法，是按照它的原料名称，如ARCE公司按下列排列方式贮存活性炭产品：830BC系指粒度为830目的烟煤基炭；1240CS系指粒度为1240目的椰壳基炭产品。 另一种规格表示方法系按照活性炭的吸附能力和物理性能来进行的，表2.4.1列出了颗粒活性炭的一系列规格标准，这些规格项目均与其吸附性能及使用方法有关，数据来源于知名GAC供应商的报价文件。表中所列产品数据当然不全面，这些数据仅用于对活性炭的某些物理性质有产品规格进行概括性描述（资料来源：Van der Walt, 2001）。表2.4.1 几种商用活性炭产品的规格UDECChemimpoMontanAquasorb1000Aquasorb2000Norit1240Norinco（一）吸附能力碘值，mg/g90010201020950糖蜜值不规定不规定230不规定亚甲基蓝值，mg/g220260200230苯酚值，mg/g455520不规定（二）表观密度，kg/m3450450440490（三）粒度分布1240124012401240或830（四）水分（最高），%2225（五）硬度（最小），%96959790（六）灰分（最高），%1212714（七）采用16m3规格集装箱运输方式时活性炭的采购费用（2001年1月）*每kg活性炭采购费用R7.82R8.72R14.58R8.72每m3活性炭采购费用R3519R3575R6417R4273（八）采用160m3规格集装箱运输方式时活性炭的采购费用（2001年4月30日）每kg活性炭采购费用R7.82R8.72R13.68R8.95每m3活性炭采购费用R3519R3575R6022R4386报价有效期3个月3个月30天（续表）VivendiChemquestMarlynBHTFiltrasorb200Filtrasorb400Diahope CQ106208EAPAU2（一）吸附能力碘值，mg/g850105010509501100糖蜜值177243280250不规定亚甲基蓝值，mg/g200260190250不规定苯酚值，mg/g616856不规定不规定（二）表观密度，kg/m3500425475450460（三）粒度分布124012408301240830（四）水分（最高），%22253（五）硬度（最小），%7575949599（六）灰分（最高），%10105154（七）采用16m3规格集装箱运输方式时活性炭的采购费用（2001年1月）*每kg活性炭采购费用R12.76R11.30R12.93每m3活性炭采购费用R6380R5137R5952（八）采用160m3规格集装箱运输方式时活性炭的采购费用（2001年4月30日）每kg活性炭采购费用R13.86R12.57R11.30R13.68每m3活性炭采购费用R 6009R5973R5137R6293报价有效期30天30天3个月30天2月底2.4.1 吸附作用 如前文所述，活性炭具有大量的非常细小的孔隙，这些孔隙赋予了活性炭产品巨大的表面积。吸附作用是一个污染成分从待处理的液相流体中脱离、并在活性炭的内表面上以分子或原子形态堆积、进而被化学作用力或静电作用（物理性作用力，既可能占有优先地位，也可能与化学力同时发挥作用）吸持在活性炭的内表面的过程。GAC的吸附表面系指孔隙的孔壁结构，它们是在活化过程中、在活性炭颗粒的内部形成的结构。 GAC吸附作用是一个与时间有关联的过程，含有三个步骤：首先是在液相物质穿越GAC床层的过程中，液体中的污染物分子因碰撞作用而进入到炭颗粒的外层表面结构中；接着，污染物分子或称吸附质因扩散作用而进入炭颗粒的孔隙中，扩散是吸附速率的控制性步骤；最终，吸附质被吸引到孔壁结构上并通过静电作用或化学作用力而被吸着在孔壁上。吸附过程由浓度差驱动、并受到时间控制，因此某种吸附质在GAC中的最高载持率（以重量百分数表示）仅代表在高吸附质浓度和足够长的接触时间前提下，达到吸附平衡时的GAC的特定吸附能力。 在活性炭床层中吸附作用的发生区域称为传质区（MTZ），也被通称为“吸附波带”，原因是随着床层中活性炭的“逐层式”达到饱和，饱和带的上缘线（波形轮廓线）会逐渐地、定向地发生移动而形成吸附波的定向推移。在理想的单一污染物工况下，只要保持流速、污染物组成及浓度稳定，在MTZ穿越GAC床层的过程中其长度也将保持固定。MTZ的最前端污染物的浓度最低，当该端点离开GAC床层和吸附器时，即发生“穿透”（资料来源：Naylor & Rester,1995）。但实践中的真实工况条件却远非如此简单。 活性炭的性能如颗粒尺寸、孔隙尺寸、表面积、表面化学性质、密度以及硬度等，均会对吸附效率产生影响。而化学污染物质的特性如憎水性程度等也对吸附效率有重要影响，具有疏水性（在水中溶解度很低）的化合物更易于被固体物质所吸附，污染物质与活性炭表面的亲和性能对吸附作用的影响位列其次。若有几种化合物同时存在于水中时，可在活性炭中强力吸附的物质其被吸附的量要高于吸附能力较弱的物质。通过上述几种因素的组合及共同作用，活性炭起到将某些物质从不中分离、脱除的目标（资料来源：Wagnet & Lemley, 1995）。2.4.1.1 吸附过程的干扰因素（1）总有机碳 总有机碳（TOC）是有机化合物的非均相混合物，包括腐殖质如腐殖酸和富里酸等。这些化合物大都可采用活性炭来吸附并削减其在水中的含量，但也有少数组成TOC的成分不具有可吸附性，经过活性炭过滤床层后会立即出现在出水流中（即：立刻发生了“穿透”）。（2）铁和锰 众所周知，铁和锰是引起过滤系统积垢现象的主要原因，它们均可被水中的溶解氧氧化并形成沉淀物从而堵塞活性炭的孔隙结构，最终使GAC失去吸附能力。 如果这些无机化合物在再生处理时不能从炭结构中去除，则会加速活性炭的报废速度，在相继进行的GAC吸附-再生循环操作过程中，这种加速作用会引起的活性炭灰分含量增加、同时碘吸附值和对糖蜜吸附能力的下降。另外，由于Fe2O3、CaO和NaO这些无机类化合物对碳的氧化反应具有催化作用，故炭结构中无机物含量的增多可能会影响到活性炭使用过程中被氧化消耗的速度。（3）碳酸钙 采用石灰作水的软化剂、或采用碳酸钙使水达到过饱和状态这种软化水工艺时，可能会引起碳酸钙沉淀于颗粒活性炭的表面，进而使部分颗粒相互发生粘结、炭颗粒尺寸增大，导致出水水质劣化、或导致GAC吸附效率的下降。（4）微生物在活性炭中的生长 活性炭滤器中可能会有微生物的生长繁殖现象，久而久之，会堵塞滤器并引起操作阻力增大、反冲洗频率加快。但微生物的活性可能会延长滤床对生物可降解性化合物的使用寿命，另外在活性炭表面生长的微生物可降解的有机物中可能还包括TOC和苯类化合物。（5）脱附作用 吸附是一个动态的、可逆的工艺过程，也就是说在吸附发生的同时脱附过程也在进行。脱附行为发生的原因有： 有吸附力更强的物质与已吸附物发生竞争吸附； 入水中污染物浓度降低，之前已吸附的污染物发生部分脱附以重新建立一个吸附平衡； 由于滤床中GAC发生颗粒的“返混”现象（一些已吸附了可观量污染物的炭粒被冲到床层靠近出水端的位置），导致之前在较高污染物浓度条件下建立的吸附平衡被打破，重新建立新的、在较低浓度条件下的吸附平衡过程中发生脱附作用； 进水水质发生了改变，例如pH值的改变等； 床层操作温度的升高引起脱附。 脱附作用的发生会引起周期性出水污染物浓度的升高，要求在系统设计时充分考虑这一影响因素，设置应急性装置来确保出水水质（资料来源：ARCE Systems Inc., 2000）。2.4.2 吸附性能的检测方法2.4.2.1 背景介绍 可采用几种技术方法来检测活性炭孔结构中对吸附作用有效的表面积。采取“称重法”可检测活性炭中某一区域内孔隙的可利用表面积，可选用的已知尺寸的吸附质有氮气分子、碘分子、糖蜜分子、苯酚分子或亚甲基蓝分子等。氮吸附技术和Brunauer-Emmett-Teller (BET)法被用来检测炭颗粒的总表面积，该方法被用作活性炭活化度的主要指示指标，有以下规律可供借鉴：表面积越大，则可利用的吸附活性位也就越多。 其它的标准吸附质可用来检测与给定尺寸的孔隙相关联的表面积的检测分析。由于碘吸附方法比BET法易于实施，故通常被用来检测活性炭的再生效率；由于碘分子可被吸附于相当细小的孔隙中，故有时也将其做为总表面积的粗略检测方法；碘值数据大致与BET检测获得的数据结果（表示为每克活性炭中含有多少平方米的表面积）相当（资料来源：Swindell-Dressler Company, 1971）。 国际纯化学及应用化学联合会（IUPAC）对孔隙尺寸分类的规定如下：微孔r25nm。 大孔是通往活性炭内部的入口，中孔则是通道，而微孔则用于吸附。2.4.2.2 碘值 关于活性炭碘吸附能力的通用性规格（单位mg/g；最低值规定）：500、600、800、900及1000。 通过碘值可反映活性炭中微孔数量含量情况。碘值被定义为：每克活性炭从体积饱和浓度（Ceq）为0.02N的碘溶液中吸附I2达平衡状态时的I2的毫克数。碘值也被用来评估活性炭中直径低于1nm的孔隙的表面积。由于碘是小分子物质，故碘值可用于表示活性炭对较小分子的特定吸附能力，碘值是一个评价活性炭净水能力的有效指标。 这一指标被选择做为我们本次调查研究的、首要的炭吸附能力检测项目。Rietvlei水处理厂的实验室以及再生承包商都建立了碘值的检测方法及设施。2.4.2.3 糖蜜值 关于活性炭糖蜜值的通用性规格（单位mg/g；最低值规定）：170、200、220、230、250及280。 选用糖蜜值来表述活性炭中较大尺寸孔隙的数量，它是采用标准活性炭试样与待定活性炭试样处理糖蜜溶液获得的滤液的光密度比率，通过一定方法计算出来的结果。糖蜜值可用来描述活性炭中直径大于1nm孔隙的表面积。由于糖蜜中的色素分子较大，故糖蜜值可用来评估活性炭对较大分子的特定吸附能力，特别是用于糖产业脱色炭的性能评价。2.4.2.4 亚甲基蓝 关于活性炭亚甲基蓝值的通用性规格（单位mg/g；最低值规定）：190、200、220、230、250及260。 基于分子筛效应机理，亚甲基蓝（MW 394）被限制性地吸附于活性炭中较大的微孔和中孔结构之中，实践结果显示：似乎狭缝形的微孔更容易被存在于天然水体中的有机物所占据，而更大尺寸的孔隙仍可用来对其进行吸附（即使在被认为已达吸附饱和、需进行再生的活性炭中也大量存在这些可资利用的孔），所以，我们在调查研究时未选用这项指标，仅在再生工厂对其有所关注（资料来源：San Miguel,Lambert & Graham, 2001）。2.4.2.5 苯酚值 关于活性炭苯酚值的通用性规格（单位mg/g；最低值规定）：110、120、150、160及180。 至少有三种相近的苯酚值检测方法，一种是德国标准DIN 19603，其它两种则是美国分别针对粉状及粒状活性炭的苯酚值AWWA检测标准方法。但实践过程中发现这些苯酚值检测方法对实践的指导性都不太好，原因是苯酚值会受到实际原水pH值的较大影响，与中性或碱性原水相比，当原水的pH值较低时活性炭对苯酚的吸附量要高许多。2.4.3 表观密度 关于活性炭表观密度的通用性规格（单位kg/m3）：425、450、475及500。 有几种表示活性炭密度的不同方法，表观密度是指每单位体积活性炭的质量数，用于指导空容器的装填操作或设计；表观密度有时也采取一些术语如湿基床层密度、反冲洗基床层密度及排净水基床层密度等来表达。真密度仅用来表示活性炭颗粒的特定重量而已。颗粒密度则指包括了颗粒间空隙体积的、单位体积炭的质量数。 在应用时优先选用较高密度的GAC，其原因有几个。首先，高密度GAC产品具有更多的碳质成分；其次，选择高密度炭产品，可在每立方米容器中装填更多的GAC，且致密性炭产品强度均较高，可更好地耐受频繁的反冲洗操作。对于原来设计为砂滤水处理的、滤器容积较小的过滤装置，当用活性炭来替代砂子时，选用高密度炭产品就显得非常重要。与褐煤基和次烟煤基活性炭产品相比，烟煤基颗粒活性炭的致密性要高（资料来源：Van Stone, Brooks, & Neulight, 1999）。 已经发现GAC在再生处理过程中表观密度有显著变化，为此我们决定在调查研究时对这个过程进行封闭式全程监控。2.4.4 粒度分布 活性炭的粒度有好几种不同参数的表达方式，在本文中我们采取用于描述活性炭的、美国标准分样筛序列（U.S. Standard Sieve Series mesh numbers）规定的筛目规格如1240、830来表示GAC的粒度分布。采取标准筛筛分法（将GAC试样通过一系列筛子规格连续降低的分析筛）进行粒度检测，分别称重留在每只分析筛上的炭样重量，在半对数座标图上将给定分析筛的炭样累计通过率对标准筛目做图；用两个分别指定的产品最大和最小颗粒尺寸的对应筛目来表示产品粒度范围，如1240目的GAC表示该批次的活性炭产品应该能全部通过12目分析筛、但应全部被保留在40目分析筛之上。从上述半对数图中读取有10%的炭样可通过的对应筛目，作为活性炭的有效粒径尺寸；同样地，读取有60%炭样可通过的对应筛目尺寸，除以活性炭的有效粒径尺寸，作为活性炭的均匀系数；而50%通过率的对应筛目尺寸与平均粒径相当（虽然平均粒径确认方法另有规定）。 均匀系数是一个无因次参数，它表示的是GAC的尺寸均匀程度；当该参数值为1时，表示所有颗粒的尺寸都相同；该数值越大表示颗粒尺寸的变化范围更大（资料来源：Van Stone, Brooks & Neulight, 1999）。 最早是将1240目的GAC做为标准的水处理炭产品，原因是它与砂砾的有效尺寸最为接近，后来因为考虑到关于最大程度地保留过滤性能且同时最大可能地减小阻力等使用方面的要求，才开始采用粒度为830目的颗粒活性炭产品。在生活用水处理领域，确实需要兼顾考虑高过滤速率及产品的通用性能。这种产品粒度方面的变迁甚至促进了更大粒度尺寸活性炭产品的开发工作，一些更大尺寸的GAC水处理炭产品如816和820目活性炭已在生活水处理中得以应用了，采用直接过滤工艺的水处理工厂是将这些产品用在深床及高滤速、且控制阻力在可接受范围的工序环节中。 粒度较小的水处理用活性炭产品具有更高的吸附速率，但与此同时，每单位床层深度的阻力也会更高一些；而且由于其组成的床层空隙率较低，易于被水中存在的胶质体物质“弄脏”。与之相反，830目的GAC吸附速率较低，但单位床层深度的阻力也较低，且在再生过程中的损失率非常小（资料来源：U.S. Army Corps of Engineers, 1986）；它可以在牺牲很小一部分吸附效率的前提下实现使再生过程损失最小化、炭吸附器操作最简单化的目标（资料来源：Manangoly, 1994）。 水过滤器中的GAC在首次反冲洗操作时会发生颗粒的“分级分离”现象，反冲洗操作之后最小的颗粒将位于过滤器的顶部区域，而最大的颗粒则会沉积在滤器的底部区域。从流体力学观点分析，位于滤器顶部区域的GAC的具体尺寸与压力降及过滤效率直接相关；颗粒的尺寸越小，则压力降越高、过滤效率也越高。2.4.5 水分含量 关于活性炭水分含量的通用性规格（单位%；最高值规定）：2、3或5（包括新制活性炭和再生后的活性炭）；在再生之前活性炭的水分含量规定（最大值，%）：50。 水分含量是以每单位质量的活性炭吸附水的质量比率来表示的。一些活性炭可能会比其它的活性炭吸持更多的水分；在再生合同中规定以湿基活性炭为计量单位（而不是以干基活性炭为计量单位）计收加工费用，对于再生工厂是非常值得注意的。2.4.6 硬度 关于活性炭硬度的通用性规格（单位%；最低值规定）：75、85、95甚至高达99。 硬度是颗粒炭抵抗在回转-拍击试验机中钢球的破碎作用力的能力指标，是通过测定GAC在钢球破碎作用前后某一特定筛目之上的颗粒质量数，经计算而获得的比率结果。 目前用于水处理的质量最好的活性炭产品均是采用特定级别的煤炭为原料制造的，它们具备足够的硬度和致密度，当以炭-水浆液形态进行输送时几乎不产生可测出的粒度劣化现象。水处理使用的活性炭产品必须具备充分的物理强度，以达到在再生处理过程中对炭反复输送、搬运的操作要求（资料来源：Manangoly, 1994）。2.4.7 灰分含量 关于活性炭灰分含量的通用性规格（单位%；最高值规定）：5、10和15。 灰分系指存在于活性炭组成中的矿物质的氧化物，通常被定义为对指定的试样进行彻底氧化之后残留物占试样重量的百分数。其检测方法为：将试样于800温度下煅烧至恒重，称量取得煅烧前后重量的变2.4.8 磨损值 对活性炭磨损值的一般性规定为：78。 磨损值是用于评价活性炭在过滤操作过程中的物理性能的一项参数指标，其检测方法与硬度检测方法相同。将GAC与钢球加入回转-拍击检测仪中相互作用一段时间，再测定GAC的平均颗粒直径值，检测结果与原始炭样平均颗粒直径的百分比计算结果即为GAC的磨损值。 磨损值用于评估GAC对摩擦力的抵抗性能、以及对颗粒碎裂和细碎化的抵抗能力，磨损值越高说明这种抵抗能力越强、活性炭的性能越好。由于在生活饮用水处理中活性炭需要经受严酷条件下的例行反冲洗操作，若GAC质地较软、就会迅速变成细小的颗粒甚至细粉状，故活性炭的磨损值对饮用水处理应用领域是非常重要的一项指标参数。当GAC被同时用作过滤、吸附作用的媒介及微生物载体时，对磨损值的要求将更为严格，原因是这种工况需要进行更加频繁的反冲洗操作。 按照规定的磨损值检测方法获得的结果，烟煤基颗粒活性炭是目前磨损值最优的产品（资料来源：Van Stone, Brooks, & Neulight, 1999）。2.5 反冲洗操作 反冲洗的目的是通过去除被吸附床层阻截并镶嵌在床层内的固体物，从而减小流体的阻力。反冲洗的速率和频率取决于流体的压头、入水中悬浮固体颗粒的性质及浓度、活性炭颗粒尺寸、以及固液相接触的方式（如上向流、下向流等）。 反冲洗的频率可由以下几种方法选择其一来进行确定：水头损失数据的长期累积、入水浊度的变化规律数据积累、或者根据既有经验来确定（资料来源：Swindell-Dressler Company, 1971）。 在Rietvlei水处理厂，采取的是电子式监控及数据收集（supervisory-control-and-data-acquisition，简称为SCADA）系统来对工艺进行控制。该系统采用多个阀门来保证下向流速率恒定、并测定水头损失的方法来确定反冲洗操作的频率；当需要将阀门全部打开才能维持流速稳定时，系统将提示进行反冲洗操作。 炭滤器本身与通用的砂滤器没有原则上的不同，而阀门、管道及附属设备设施则是设计及运行的重点关注对象。二者的反冲洗操作方式有极大的差异，炭滤器的反冲洗需特殊设备用来补充或去除GAC。一般采用空气和水的混合流体作为砂滤器的反冲洗介质，但这一方法对GAC滤器不适用，会引起炭颗粒的漂浮和导致较高的炭损失；因此通常只采用水作为炭滤器的反冲洗介质。 对大多数水处理用活性炭来说，必要的反冲洗速度一般在25到35m/hr范围内取值；具体数值的确定依赖于所选用的活性炭的颗粒直径及其致密度。由于活性炭的粒径及密度在再生过程中会发生一定程度的变化，并且新制活性炭各个批次间也必然存在一定的差异，故要求在反冲洗速度的设计选择时应保持必要的操作弹性空间。 反冲洗操作会引起炭滤器床层“层理性破坏”，这将影响到滤器的内传质区，并削减活性炭滤器的工作效率，所以应尽可能减少反冲洗的次数。至于在必须进行反冲洗操作之前，在滤器的传质区内GAC的粒度分布仍能保持一定程度完整的初始状态的原因，则是由于在首次反冲洗过程中炭床层中按不同级别形成的层理性结构会随着反冲洗速度的逐渐减慢而保持相当长的时间，并且在使用过程中活性炭的吸附作用及微生物生长均不会对炭粒的尺寸及密度造成影响。 若能科学地实施反冲洗操作工艺，可以去除在活化过程中产生的、细小的活性炭颗粒；另外，实际经验表明：在水处理装置中设计一个活性炭的回收池是有必要的，可用于回收因反冲洗操作速度太快而脱离滤器的活性炭以及明显减少炭的损失量。也可采取在冲洗水槽上设置一块大筛孔尺寸的筛网的办法来防止反冲洗过程中活性炭颗粒的流失（资料来源：Sontheimer,Crittenden & Summers, 1988）。 应当指出的是，由于温度会对水的粘度产生影响，故反冲洗速率须根据温度差值进行相应的调节。例如：若水温为2时，反冲洗速率取值24.5m/hr可使由830目炭颗粒构成的滤床膨胀率达到22%；当水温提高至24时，同样的反冲洗速率则只能使床层膨胀率达到10%。在夏季的几个月里，随着水温的提高，应适当地提高反冲洗速率以抵偿这一粘度方面的影响（资料来源：Van Stone, Brooks & Neulight, 1999）。 Rietvlei水处理厂的操作经验温度区域为9到23，通常采取的反冲洗工艺条件为：在不加入冲刷用空气流的前提下，以约20m/hr的反洗速率，累计冲洗床层10分钟。迄今为止，该工厂还没有发生过因反冲洗引起的滤床“层理性破坏”现象，也没有因季节性原因而调整过反冲洗速率。2.6 再生的频率 乍一看，再生频率的确定似乎是件很简单的事情，比如：根据相关的规定，当GAC吸附器或吸附床的出水中污染物浓度达到或超过入水污染物浓度的95%时，就可以确认开始再生处理了（资料来源：U.S. Army Corps of Engineers, 1986），但是依据全程调研结果，在确定再生频率的方面，仍存在极多的影响因素。2.6.1 活性炭床层的穿透 传质区系指活性炭床层中可发生吸附行为的区域，也被称为吸附波带，随着炭的逐层饱和，该波线在活性炭床层中与水流方向同向移动并穿越床层。若液体流动速率、杂质的组成及浓度保持恒定，当吸附波带在GAC床层中移动时其长度即可保持某一固定值。 穿透行为发生于传质区的前导边缘线（此处的污染物浓度最低）移动到GAC床层和吸附容器的尾端之上时（资料来源：U.S. Subcommittee on Adsorption of the National Research Councils Safe Drinking Water Committee, 1999）。 典型的DOC特征穿透曲线可划分成五个区域。可根据经验来估计吸附正进行的区段范围，但经常会有异常，故在做最终的决定之前应该记住这一点并加以相应的验证。下文将探讨的结论是由Roberts和Summers于1982年提出来的，他们依据近50组数据对穿透行为做出了定量化描述（资料来源：Roberts, Summers & Regli, 1984）。 特征穿透曲线区域A：即刻穿透区域 过滤开始之后立即发生穿透的出水浓度取决于不可吸附有机物的浓度及工艺条件。空床接触时间（EBCT）、或床层深度、以及具有弱吸附力的化合物的扩散动力学等因素均会对出口浓度产生影响。在正常操作条件下，吸附器床层深度大于1.5米、过滤速度在5至12m/h范围内时，发生立刻穿透的物质主要由不可吸附化合物组成。 特征穿透曲线区域B：高效吸附区域 即刻穿透区域之后，在较长时间跨度范围内出水浓度则趋于恒定，这一有利的过滤行为延续时间主要由吸附器的空床接触时间和活性炭对水中弱吸附力化合物的吸附能力来决定。当吸附器的空床接触时间较短、或者水中含有高百分比的弱吸附力化合物时，出水浓度将会迅速增大。即刻穿透行为完成之后，在空床接触时间的影响之下出水浓度渐渐趋于稳定值，达到“高效吸附区域”；这种高效吸附作用的持续时间则取决于空床接触时间，当空床接触时间值较大时，高效吸附过程可持续较长时间、污染物的去除效率也会相应提高。 特征穿透曲线区域C：吸附效率下降区域 穿透曲线的这个区域对应于当吸附波带的主体部分已穿透吸附器的尾端、出水浓度发生最大变化的工况条件。吸附效率的下降比率受到吸附平衡、传质动力学、以及空床接触时间的影响。 采用吸附等温线的形状可以确定这一区域的长度（或深度），虽然对天然有机物的吸附作用可采用DOC方法来测定，但等温线形状对穿透行为的影响原因仍然很难得以明确地解释。一般地，从区域B过渡到区域C系由弱吸附力的物质来决定的，而区域C的长度则是由较强吸附力的化合物所确定的。 特征穿透曲线区域D：低效率吸附区域 在穿透曲线的这个部分仅有很少量的溶解性有机质被吸附脱除，随时间的延长出水浓度缓慢增大，但与由原水水质及浓度变化而引起的出水浓度大幅波动情况相比，则变化率要小得多。已提出了几种发生在这一区域内的污染物脱除机理，包括：随时间延长而缓慢增强的生物降解作用；吸附质向微孔深部的缓慢迁移作用；以及当时间足够长时发生的弱吸附力吸附质被强吸附力吸附质所逐渐替代等。要想证明究竟哪种机理起到了主要作用是非常困难的事，但看来极有可能是上述三种机理在环境因素下同时发生了相应的作用。从实用性观点来看，这并非那么重要，原因是在实践生产中，由于该区域内发生的污染物被吸附脱除率很低，通常在操作未到达这一区域之前即停止了吸附器的运行。 特征穿透曲线区域E：吸附效率恒定区域 这一区域的污染物脱除作用被认为是得益于微生物的降解结果，而吸附作用则不是直接的污染物脱除原因。与原水性质及预处理工序相关，这一稳定效率区域的污染物脱除率在10%至35%范围内（资料来源：Roberts & Summers, 1982）。已发现预先臭氧化处理可显著提高这一生物降解的过程效率。 针对GAC吸附器的穿透曲线各典型功能区域的调查研究结果，一般都是定性化的、概要性的、非严格的（也不应该严格要求的）。由于入水水质的复杂性和波动性，即使要想获得这种概要性的研究结果也是十分困难的。作为吸附技术领域的著名研究学者，Helfferich于1962年总结出以下几个结论： 要想对穿透曲线做出正确的解释，需要具备充分的经验。经常性地，学者们提出的研究结论可能能够很好地解释为描述这些曲线而选用的理论模型，但对于实际发生的吸附过程则无法获得令人信服的解释。 定性化地说，可最终形成总三卤甲烷化合物（TTHMFP）形式的前驱体物质，其可检测出的穿透行为与可溶解性有机碳（DOC）及化学耗氧量（COD）类化合物的穿透行为非常类似（资料来源：Sontheimer, Crittenden & Summers, 1988）。2.6.2 取代效应 活性炭对水中的多种有机物质均具有吸附作用，且存在各种各样的吸附行为特点，因此，各种吸附质分子对吸附活性位的竞争必然会发生。由于竞争吸附的发生，可以想见对于那些以较弱的吸附力被吸持到活性炭中的化合物成分，其在GAC床层出口处的浓度可能会大于进口处的浓度。中试规模研究已证明，GAC床层出水中三氯甲烷的浓度会高于进水浓度、而且出水中的1,1-二氯乙烷和三氯乙烯的浓度很可能也比进水浓度高；但从现有的数据来看，要想鉴别出因竞争吸附而引起的替代效应则没有可能性，原因是当进水浓度发生改变时会迅速形成新的固液相平衡状态。GAC床层进水中有机质浓度和组成的变化将引发二次平衡态的形成，这一规律可能与竞争吸附会即刻影响到出水浓度规律同样重要。因为水中存在多种多样的有机组分，对每种组分的吸附处理效果进行数理性预测即便具有可行性，也没有多少实际意义。 如此一来，水中的有机化合物及其相互间的竞争吸附作用，对GAC的再生频率也会产生影响。而有机化合物的种类和浓度则会随着不同水源地、以及每年中的不同季节而发生很大的改变。竞争吸附作用机理非常复杂，若没有来自研究室和/或中试水处理试验装置的数据支持，目前尚无法进行预测（资料来源：U.S. Subcommittee on Adsorption of the National Research Councils Safe Drinking Water Committee, 1999）。2.6.3 UV254的脱除 在水处理厂生产线上采取在线式、连续式DOC分析来监控水中的有机质含量是费时费力又不具有可行性的方法。在生产实践过程中，要求尽可能快地进行检测并依据检测结果来调整处理工艺，因此已开发出了相应的测定水中有机物含量的替代性方法，称为“紫外线分光光度测定法（ultra-violet spectrophotometry）”。 许多存在于原水中的有机物表现出独特的吸收紫外光及可见光区（分别对应于波长10至400nm和400至800nm的光波长区域）光线的性能，吸光作用主要发生于波长在200到400nm的近紫外光区域，这种紫外吸光现象主要是由于电子激发作用引起的，而电子则是含有碳-碳双键及碳-氧双键的物质特有的。天然存在的物质其紫外吸光范围没有特征性光谱，原因是随着光波长的增加，会发生各种物质间随机性相互作用、以及引起光谱的单调性缩减。因为不存在特征性光谱，且为了方便起见，通常将波长254nm的紫外光指定为有机物的紫外吸光率检测用光源。 采用现有的可利用的分光光度计，十进制光谱的