提要：概括介紹了國內外活性炭水處理的發(fā)展和應用情況、活性炭深度處理的機理及處理效果。針對當前水源有機污染現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，論述了采用活性炭進行飲用水深度處理的必要性，給出了顆粒活性炭吸附池設計的參數(shù)及要求。
1 活性炭在國內外飲用水深度處理中的應用
1.1 國外活性炭水處理發(fā)展概要
由于活性炭對水中微量有機污染物具有優(yōu)良的吸附特性，早在20世紀20年代末30年代初國外就開始用粉狀活性炭去除水中的臭和味，1930年第一個使用顆粒活性炭吸附池除臭的水廠建于美國費城。在60年代末70年代初，由于煤質顆粒炭的大生產和再生設備的問世，發(fā)達國家開展了利用活性炭吸附去除水中微量有機物的研究工作，對飲用水進行深度處理。顆粒活性炭凈化裝置在美國、歐洲、日本等國陸續(xù)建成投產。國以地面水為水源的水廠已有90%以上采用了活性炭吸附工藝。目前世界上有成百座用顆粒炭吸附的水廠正在運行。
國外目前在給水處理中常用的是降流式活性炭吸附池，據(jù)報道較大單池面積達180m2，單層炭層厚度為0.7~2.5m，空床接觸時間6~20min，大多數(shù)采用壓縮空氣和水聯(lián)合沖洗。
活性炭的使用方式有三種：
① 用顆粒活性炭替換部分砂濾料，成為炭砂雙層濾料濾池。采用這種方式凈化效果比單層好，可以減少反沖洗次數(shù)，降低反沖洗強度。目前在瑞士、日本、美國等都有采用。由于僅用活性炭替換部分砂層，可以迅速投產使用。但是這種方式換炭較困難一般只作為應急措施采用。
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，全年產水量4000萬m3。廠內設有再生爐。
②用顆粒炭替換全部砂層，即活性炭吸附兼過濾。目前法國、美國、瑞典等國的水廠采用這種方式的活性炭吸附池也很多。
法國南希市水廠，處理能力10萬m3/d，采用0.9~1.0mm的顆粒活性炭代替砂炭層厚1.5m，主要用于去除水中的臭和味。美國西弗吉尼亞洲尼特羅水廠，處理能力2.66萬m3/d，采用單池面積72.3m2的顆粒活性炭吸附池2個，炭層厚1.5m，流速9~10m/h，在氯仿抽提物濃度較高時（約1000μg/L），去除率可達84%~89%。
③在砂濾之后建獨立的活性炭吸附池。先經砂濾、再經炭吸附池，可以延長活性炭對去除殺蟲劑、酚有機物產生的臭與味的使用周期，有效地利用活性炭的吸附性能。特別是在原水中含鐵和錳時效果更為明顯。目前美國荷蘭、日本有不少水廠采用這種形式。
當水源受到生活水污染時,，水中有機物及氨濃度增加采用折點加氯法可能使出水中形成顯著的氯氦味，用顆粒活性炭可以有效地去除氯氨味。
法國的一些水廠在混凝沉淀之前進行折點加氯。采用顆粒活性炭吸附池，既可除臭、除味和有機物，又可利用活性炭表面的微生物除氨，可以減少在水處理過程中形成新的有機氯化物。
采用顆粒活性炭吸附池處理水時，一定要考慮失效炭的再生。從美國許多活性炭凈化水廠的運轉經驗可知，顆粒活性炭吸附床的一次使用壽命一般為2~3年，有的更長些。由于在水廠內建造再生爐，基建費用較高，利用率低，在經濟上不合算，因此活性炭再生由制造廠出租給水廠使用。日本采用顆粒活性炭吸附池的水廠，一般均設有再生爐。
國外顆粒活性炭的應用情況見表1。
表1 國外顆粒活性炭應用情況
| 水廠名稱 | 處理量/m3/d | 處理工藝流程 | 活性炭吸附池的個數(shù)與參數(shù) | 再生裝置情況 | 活性炭作用 |
| 美國/新英格蘭曼徹斯特市水廠 | 114000 | 高速混合、混凝沉淀、砂濾、活性炭吸附池 | 4池：4.9m×16.8m×2；炭層1.2m | 除味及有機物 | |
| 美國/丘吉威林水廠 | 9120 | 澄清反應池、快濾池、活性炭吸附池 | 12池 | 水廠內設有再生爐（2-3t/d） | 除味及有機物 |
| 日本/柏井凈水廠 | 750000 | 流化床活性炭吸附裝置 | 8池 | 設流化床再生爐 | 除味及有機物 |
| 蘇聯(lián)/秋明市水廠 | 混凝沉淀、雙層濾料濾池、活性炭吸附池 | 炭層厚1.2m | 除味及有機物 | ||
| 法國/梅利水廠 | 100000 | 預氯化、混凝沉淀、顆粒活性炭吸附、臭氧消毒、后氯化 | 6池；接觸時間15min | 再生周期12個月 | 除味、氯及有機物 |
| 法國/巴黎阿那納水廠 | 25000 | 混凝沉淀、活性炭吸附、臭氧氧化、后氧化 | 2池；接觸時間13min | 36個月再生一次 | 除味及有機物 |
| 美國/薩默塞物某水廠 | 190000 | 砂濾后活性炭二次吸附 | 除色、臭、味 | ||
| 日本/渡利水廠 | 59000 | 混凝、沉淀、砂濾、炭吸附 | 空間流速15m/h；炭層2.5m | 嗅閾值20降至0-3 | |
| 美國/辛辛那提市加利福尼亞水廠 | 620000 | 12池；9.1m×19.8m；炭層3.5m；接觸時間15min | 2個流化床再生爐，再生能力每個爐22700kg/d | 去除水中有機污染物 |
1.2國內活性炭水處理的應用
我國在20世紀60年代末期，開始利用活性炭去除受污染水源中的臭和味。1967年沈陽自來水公司用活性炭吸附去除由于工業(yè)廢水污染引起的地下水的臭味，取得了較好的效果。白銀地區(qū)把活性炭用于給水處理，規(guī)模為3萬m3/d，由蘭州市政工程設計院設計，于1975年9月建成投產。該工程以黃河為水源，位于蘭州下游100km處，水源處于白銀地區(qū)的礦山、冶金、化工企業(yè)廢水排放口下游500m處，水源污染嚴重，石油汞、酚、硝基化合物等方面都超過了國家規(guī)定的衛(wèi)生標準，這套活性炭裝置投產后水質大有改善。
為了去除水庫水源的色、臭、味，80年代初北京市市政工程設計院在北京市第一座帶有深度處理的地面水水廠——田村山水廠進行了炭吸附試驗，而后又在城子水廠進行輸炭試驗及試驗參數(shù)驗證試驗。以驗證參數(shù)為依據(jù)先后在北京建成規(guī)模為17萬m3/d的田村水廠炭吸附池，規(guī)模為50萬m3/d的北京市第九水廠一期工程炭吸附池，規(guī)模為4.32萬m3/d的城子水廠升流式炭吸附池和規(guī)模為5萬m3/d的長辛店水廠炭吸附池，規(guī)模為100萬m3/d的九廠二期、三期工程炭吸附池。實踐證明炭吸附對去除微污染原水中有機物質、有毒物質是有效的，與其它處理方法相比，工藝比較簡單，易上馬，經濟可靠。在常規(guī)處理不能滿足飲用水水質標準時，需要通過對深度處理工藝方案進行技術經濟比較，確定是否采用活性炭吸附工藝，并針對原水水質做現(xiàn)場炭柱試驗，確定所采用的設計參數(shù)。1996年10月，北京市政設計院編制了院定標準《活性炭水處理技術規(guī)定》，現(xiàn)正編制顆粒活性炭吸附池水處理設計規(guī)范。
國內活性炭使用的規(guī)模、性能見表2。
表2 國內用于水處理的顆粒活性炭的性能及規(guī)格
| 廠名性能 | 山西太原新華廠（8#炭） | 北京光華廠GH-16炭 | 寧夏華輝PAC616 | 寧夏核工217活性炭廠H-15 |
| 原料與形狀 | 煤質、柱狀 | 杏核、無定形 | 無煙煤、無定形 | -- |
| 粒徑/mm | 1.5 | -- | -- | 1.5 |
| 粒度/篩目 | 10-20 | 10-28 | -- | -- |
| 充填密度g/L | 450-530 | 340-440 | 380-450 | ~530 |
| 真密度g/L | 2.2 | 2.0 | -- | -- |
| 比表面積m3/g | 900 | 1000 | 1000-1100 | -- |
| 總孔容積mL/g | 0.8 | 0.9 | -- | -- |
| 機械強度% | ＞75 | ≥90 | 90 | 90 |
| 水分% | ＜10 | ＜10 | -- | -- |
| 灰分% | ＜30 | ＜4 | ＜12 | ≤12 |
| 碘值mg/g | ≥800 | ≥1000 | ≥950 | ≥900 |
| 亞甲藍值mg/g | -- | -- | ≥150 | ≥150 |
國內失效炭再生方面，在白銀地區(qū)飲用水深度處理工程中采用直接電流加熱再生爐構造簡單操作方便、體積小、熱效率高，對于大型水廠的炭再生，因再生設施的基本建設費用高用水、燃料耗電的經常費用也高，1t炭在廠內自己再生比到廠外再生費用高，經濟上不合算，目前多數(shù)到再生專業(yè)廠再生。國內活性炭的應用情況見表3。
表3 國內顆粒活性炭應用情況
| 水廠名稱 | 投產車 | 處理量/m3/d | 處理工藝流程 | 活性炭濾池的個數(shù)與參數(shù) | 再生裝置情況 | 活性炭的作用 |
| 白銀有色金屬公司動力廠水廠 | 1975 | 30000 | 砂濾池、活性炭吸附塔 | 6個吸附塔、直徑4.5m，高7.5m，1kg炭處理11-14m3水 | 直接電流法再生 | 除味及有機物 |
| 北京城子水廠 | 1986，1990 | 50000 | 混合、機械加速澄清池砂濾池、升流式炭吸附池 | 6池，單池面積32m2，炭層1.5m | 無再生裝置 | 除臭、除味及有機物 |
| 北京田村出水廠 | 1985 | 170000 | 預臭氯、常規(guī)處理、活性炭吸附池 | 24池，單池面積33m2，炭層1.5m | 無再生裝置 | 除味及有機物 |
| 北京第九廠（1）期 | 1987 | 500000 | 混合、機械加速澄清池、雙層濾料過濾、炭吸附池 | 24池，單池面積96m2，炭層1.5m | 無再生裝置 | 除臭、除味及有機物 |
| 北京第九水廠（2-3期） | 1998，1999 | 1000000 | 快速混合，水力絮凝、側向流波形斜板沉淀池、均質煤濾池、炭吸附池 | 48池，單池面積97m2，炭層1.5m | 無再生裝置 | 除臭、除味及有機物 |
2 活性炭深度水處理機理及處理效果
活性炭是水處理中常用的一種吸附劑。在制造活性炭的活化階段，炭粒晶格間生成的空隙形成了各種形狀和大小不同的細孔其中大孔孔隙半徑100~10000nm，中孔孔隙半徑為2~100nm，小孔孔隙半徑＜2nm，大、中、小孔孔壁的總面積就是活性炭的總表面積，活性炭的強吸附性能主要就發(fā)生在這些孔的表面上。活性炭的吸附量除與表面積有關外，還與細孔的形狀、分布及表面的化學性質有關。一般情況，用于水處理的活性炭應具有適當比例的孔以去除水中分子量（或分子直徑）較大的吸附質。活性炭表面具有微弱的極性，不僅可以去除水中的非極性吸附質還可以去除極性吸附質，甚至某些微量的金屬離子及其化合物。
天然水源所受到的污染，嚴重時造成水源的富營養(yǎng)化藻類的大量繁殖，使水源帶有色、臭、味。活 性炭吸附是除色、臭、味有效的方法之一。
此外，活性炭用于由鐵、錳及植物分解產物或由于有機污染而使水體帶有的顏色的去除也是十分有效的。此外，用活性炭去除水中微量有機氯及其產生的異臭味也是較為有效的方法之一。