江新瑜， 吳蘇煒， 宣小軍， 嚴欣茹， 池俊杰

（合肥通用機械研究院有限公司， 合肥 230031）

粉末活性炭是以優(yōu)質(zhì)椰殼、 木屑、 煤質(zhì)等為原材料， 經(jīng)過一系列生產(chǎn)工藝精加工而成的一種吸附性能優(yōu)異的材料［1］。 粉末活性炭具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、 接觸面積大、 吸附速度快、 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定及經(jīng)濟成本低的特點， 每克活性炭的表面積可達1 000 m2以上， 對水中的色、 嗅、 味及相對分子質(zhì)量介于1 000 ～5 000 的有機物和微量有害物質(zhì)具有很好的去除效果［2－6］。

20 世紀20 年代以來， 憑借其顯著的吸附效果和成本優(yōu)勢， 粉末活性炭投加技術(shù)在凈水廠凈化處理工藝中的應(yīng)用不再局限于應(yīng)對突發(fā)性污染的應(yīng)急處理， 而是逐步發(fā)展為主流的深度處理技術(shù)， 在國內(nèi)外都有很多成功的應(yīng)用實例， 是提高水質(zhì)的有效途徑［7-8］。 本文主要對粉末活性投加技術(shù)做了探討和研究。

1 粉末活性炭投加技術(shù)

1.1 投加方法

粉末活性炭投加的方法有干式投加法和濕式投加法2 種［9］。 干式投加法是采用高速射流技術(shù)，將配制、 混合、 投加3 個過程集成為一體的連續(xù)投加工藝， 主要投加設(shè)備是水射器， 特點是建設(shè)投資少， 運行維護費用低， 可用于水力條件比較苛刻的場合； 濕式投加法則是先將粉末活性炭配成一定濃度的懸濁液然后投加的工藝， 是間歇配制、 混合并連續(xù)投加的工作方式， 特點是技術(shù)發(fā)展成熟，操作環(huán)境好， 并可通過增減投加泵的方式調(diào)整投加量［10－12］。

由于干式投加給料均勻、 運轉(zhuǎn)可靠、 占地面積小及操作管理方便等優(yōu)點， 北京市密云取水廠采用干式投加工藝［13］。 成都市水六廠五期工程考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 并需要準確定量投加到多個投加點的實際需求， 采用了濕式投加法［14］。

1.2 投加裝置

粉末活性炭的投加方法不同， 投加裝置也有所不同。 干式投加法的設(shè)備主要有料倉、 輸送設(shè)備、破拱裝置、 計量設(shè)備以及投加設(shè)備， 設(shè)備數(shù)量少，占地空間??； 濕法投加同樣包含有料倉、 輸送設(shè)備、 破拱裝置、 計量設(shè)備， 除此之外， 濕法投加還有攪拌配置設(shè)備、 投加螺桿泵及清洗設(shè)備等［15-16］。目前， 國內(nèi)較常采用的是濕式投加法， 濕式投加設(shè)備實際運行中存在一些問題， 如密封不嚴容易造成板結(jié)堵塞［16］， 懸濁液配置精度不高等。

陳立魁等［13］研究表明采用干式投加法， 并采用負壓氣流真空上料， 可避免粉塵外溢； 將料倉設(shè)計成上部大料倉和下部小料倉的雙層結(jié)構(gòu)， 避免了采用整體結(jié)構(gòu)料倉時， 料位高低變化對上料精度產(chǎn)生的影響。

鄭全興［17］總結(jié)了揚州萬福水源廠投加裝置出現(xiàn)的給料能力過大、 收塵器噴料、 管道容易堵塞等問題， 通過采取更換給料機鏈輪降低轉(zhuǎn)速， 引入壓縮空氣定時清理收塵器， 擴大管徑減少直彎等措施進行改進， 解決了上述問題。

康宇煒等［18］結(jié)合現(xiàn)有條件， 改進設(shè)計了一套濕法投加裝置， 采用負壓上料， 取消料倉， 同時配液池密封設(shè)計， 減少了上料及配制時的粉塵外溢；布局上， 將存放、 上料和配液投加區(qū)分開布置， 能更好地限制粉塵污染。

宣小軍等［19］通過采取集塵筒、 改變減速機選型等措施改善了濕法投加設(shè)備操作間粉塵外溢的問題； 同時， 使用雷達液位計代替超聲波液位計， 避免了粉塵和水汽的干擾， 保障了投加效果的穩(wěn)定性。

1.3 投加位置的選擇

常規(guī)凈水廠水處理工藝主要有絮凝、 沉淀、 過濾、 沖洗等流程， 為了充分發(fā)揮粉末活性炭的吸附作用， 需要保證其與水有足夠的接觸時間， 提高吸附效果。 對應(yīng)不同原水水質(zhì)情況， 投加位置的選擇會有所不同， 其效果也有較大差別［20-21］。 粉末活性炭投加點常見的選擇有3 個： 原水泵房吸水井處、絮凝沉淀池進口和濾池前端。

1.3.1 原水泵房吸水井投加

原水泵房吸水井投加粉末活性炭是目前較常采用的工藝， 主要優(yōu)勢是能夠保證粉末活性炭與水有較長的接觸時間， 混合充分， 取得較好的吸附效果； 缺點是存在與后續(xù)絮凝工藝競爭吸附的問題，如競爭吸附現(xiàn)象嚴重， 會使粉末活性炭的吸附效果降低， 造成不必要的浪費； 其次， 原水泵房吸水井投加粉末活性炭還可能會影響水泵葉輪的使用壽命［20-21］。

戴愛麗等［22］在提升泵站吸水管上投加10 mg／L的粉末活性炭懸濁液處理黃河原水， 吸附時間約為4.5 h， 對色度、 嗅味和CODMn去除率分別可以達到41.7%、 100%、 39.4%， 研究發(fā)現(xiàn)， 粉末活性炭投加點設(shè)置在加藥混凝劑之前30 min 以上的位置為佳。

周克梅等［23］對長江南京段微污染原水投加粉末活性炭進行常規(guī)處理， 發(fā)現(xiàn)在吸水井投加時的吸附效果最好， CODMn、 TOC、 UV254、 揮發(fā)酚的去除率分別可達到27.3%、 25%、 20%、 57.1%。

劉百倉等［24］在松花江原水中投加7 mg／L 的粉末活性炭吸附1.5 h 后， 有機物種類由145 種減少至141 種， 污染物總峰面積由8.30×108減小到1.41×108， 去除率為83%。

1.3.2 絮凝池前投加

在絮凝池前投加粉末活性炭， 粉末活性炭可快速擴散， 隨后與絮凝體結(jié)合并在過濾工藝中與水分離， 接觸吸附時間較適宜。 如何處理粉末活性炭與絮凝劑的投加順序非常重要， 合理的投加順序既可部分避免競爭吸附， 同時又可保證吸附效果［25］。

劉恒等［26］研究表明， 投加40 mg／L 的粉末活性炭15 min 以后再投加混凝劑， 對原水嗅味、 色度、 濁度、 礦物油等去除率達到71% ～90%， 對CODMn、 TOC 和氨氮的去除率分別在47% ～53%、26%～27% 和10%～18%， 對水中污染物的綜合去除效率較高。

劉國才［27］的試驗結(jié)果表明， 當原水與混凝劑充分混合后經(jīng)過40 ～50 s 的流程長度， 該位置作為粉末活性炭投加點較為合適， 同時保證絮凝池的水力停留時間為25 min， 可最大限度地發(fā)揮粉末活性炭的吸附效能。

李智等［28］采用濁度為10 NTU、 CODMn質(zhì)量濃度為1.8 mg／L、 UV254為15 cm-1的原水進行試驗，粉末活性炭的投加量為14 ～16 mg／L， 投加時間大約為投加精制硫酸鋁之后40 s， 此時對CODMn和UV254的去除率可達50%以上。

1.3.3 濾池前端投加

濾池前端投加粉末活性炭可有效消除吸附競爭現(xiàn)象［29］， 減輕混凝工藝的負荷， 同時， 粉末活性炭對混凝過程中無法有效去除的小分子物質(zhì)有較好的吸附效果， 改善出水水質(zhì)。 濾池前端投加粉末活性炭可能出現(xiàn)其穿透濾層從而導(dǎo)致吸附時間不夠充足， 進而影響出水濁度［29-30］。

唐銘等［31］在濾池前端投加粉末活性炭， 處理色度為8、 臭和味為Ⅲ級、 CODMn的質(zhì)量濃度為3.16 mg／L、 UV254為0.55 cm－1、 氯仿質(zhì)量濃度為15.5 μg／L 的太湖水， 當粉末活性炭投加量為5 mg／L 時，色度及嗅味已基本去除， CODMn、 UV254和氯仿的去除率分別為1.9%、 30.9%和38.1%； 當粉末活性炭投加量增加到20 mg／L 時， CODMn、 UV254和氯仿的去除率分別為12.0%、 63.6%和63.2%。

戴愛麗等［22］在濾池前端投加2 mg／L 的粉末活性炭， 發(fā)現(xiàn)濾池出水濁度明顯升高， 取樣后發(fā)現(xiàn)炭粒的存在， 說明活性炭穿透了濾層， 影響到水質(zhì)。

車騰騰［32］的研究表明， 濾池前端投加粉末活性炭可以將CODMn、 UV254的去除率提高20%以上，當粉末活性炭投加量為10 mg／L 時， CODMn、 UV254的總?cè)コ史謩e達40%、 55%， 與混凝過程投加15 mg／L 時的效果相當。

1.3.4 多點投加

實際工程應(yīng)用中， 結(jié)合生產(chǎn)過程的原水水質(zhì)、工藝流程、 水力條件等進行經(jīng)濟、 技術(shù)分析確定最佳的投加點； 同時根據(jù)實際需要， 粉末活性炭可在2 個及以上不同的投加點分別進行投加， 有效減少了粉末活性炭的使用量［33］。

1.4 投加量

粉末活性炭的投加量跟目標水體的污染物種類、濃度及水質(zhì)（如pH 值、 溫度等）的變化有關(guān)系， 凈水廠實際運行中需要通過生產(chǎn)性試驗確定最佳投加方式及投加量［34-35］。 室外給水設(shè)計標準中要求的粉末活性用量宜根據(jù)試驗確定， 可為5～30 mg／L； 濕投的粉末活性炭炭漿質(zhì)量分數(shù)可采用5%～10%［36］。工程實際應(yīng)用表明， 采用5～10 mg／L 的粉末活性炭溶液擴散速度快， 與水體混合效果較好。

李大鵬等［37］采用粉末活性炭去除原水中的嗅味， 發(fā)現(xiàn)在原水嗅閾值為90 時粉末活性炭投加量需達到40 mg／L， 原水嗅閾值為40 時其投加量需達到20 mg／L， 可使得處理后的出水無異味。

陳國強等［38］的研究表明， 當粉末活性炭的投加量不大于30 mg／L 時， 會優(yōu)先吸附水中相對分子質(zhì)量小的天然有機物； 當其投加量達到80 mg／L后， 相對分子質(zhì)量超過10 000 的大分子有機物的去除率最高。

張林軍等［39］通過靜態(tài)攪拌試驗的方式考察粉末活性炭對原水的處理效果， 試驗結(jié)果顯示， 當粉末活性炭投加量在30 mg／L 以上時， 水質(zhì)開始明顯改善， CODMn質(zhì)量濃度降至6 mg／L 以下。

秦靜等［40］的研究發(fā)現(xiàn)， 煤質(zhì)原料的粉末活性炭對水中高氯酸鹽的吸附能力遠大于木質(zhì)、 椰殼原料的粉末活性炭， 在煤質(zhì)粉末活性炭的投加量為500 mg／L 的條件下， 處理質(zhì)量濃度為2 mg／L 的高氯酸根污染水體， 其去除率可達90%。

1.5 投加控制方式

我國凈水廠自動化控制技術(shù)起步相對較晚， 目前國內(nèi)粉末活性炭投加系統(tǒng)的控制方式都較為簡單， 通常根據(jù)采集的流量信號結(jié)合水質(zhì)狀態(tài)計算出所需的粉末活性炭投加量， 依據(jù)計算結(jié)果配置設(shè)定濃度的懸濁液， 并通過PLC 控制， 調(diào)節(jié)投加泵變頻器頻率， 實現(xiàn)變量投加。 這種控制方式的自動化水平較低、 人工干預(yù)過多并存在藥劑消耗量大的問題［41－43］。

隨著自動化及儀表技術(shù)的進步和發(fā)展， 在智能化、 自動化的發(fā)展趨勢下， 國內(nèi)逐漸開始研發(fā)全自動化投加技術(shù)， 目前投加控制方式可分為反饋控制方式和前饋控制方式兩類［43］。

2 關(guān)鍵問題及發(fā)展方向

粉末活性炭投加技術(shù)在實際工程應(yīng)用中還存在以下幾個關(guān)鍵問題：

（1） 投加設(shè)備的密封性問題。 因設(shè)備密封性問題造成的板結(jié)堵塞及粉塵外溢污染現(xiàn)象依然存在。板結(jié)后會造成設(shè)備堵塞， 嚴重時會損壞設(shè)備； 粉塵外溢則會污染操作間， 影響工作環(huán)境， 還可能會附著在帶電設(shè)備上， 造成安全隱患。 因此為保障凈水廠運行的穩(wěn)定性， 提高投加設(shè)備的密封性能是粉末活性炭投加技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題， 是設(shè)計和制造工藝上改進提高的方向［44-45］。

（2） 確定合理的投加方式， 包括投加點、 投加量及活性炭種類的選擇等。 原水的水質(zhì)對投加方式有決定性影響， 當前的投加方式大多是根據(jù)設(shè)計規(guī)范并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗制定。 投加方式選擇不合理會增加關(guān)聯(lián)工藝的運行負荷， 以及凈水廠整體運行成本， 因此確定合理的投加方式至關(guān)重要。 投加方式的確定需要不斷地發(fā)展、 完善理論， 以及在工程實踐中驗證［44-45］。

（3） 自動化控制問題。 投加技術(shù)的自動化控制涉及到精確制備和智能投加等各個環(huán)節(jié)， 需根據(jù)水質(zhì)變化自動追蹤、 反饋、 調(diào)整， 進一步減少人工的干預(yù)程度。 在凈水廠智能化和自動化的發(fā)展趨勢下， 如何實現(xiàn)全自動化構(gòu)想并與凈水廠總體自動化穩(wěn)定匹配， 也是粉末活性炭投加技術(shù)在實際應(yīng)用中需要關(guān)注的關(guān)鍵問題及發(fā)展方向［45］。

3 結(jié)語

諸多的工程實例和理論研究已經(jīng)驗證投加粉末活性炭是改善凈水廠出水水質(zhì)的有效途徑之一， 可顯著去除水中有機物、 微量有害物質(zhì)和嗅味等， 有利于提高出廠水的水質(zhì)， 同時又具有投資少、 見效快且運行成本低的特點， 對提高自來水的質(zhì)量有著重要意義。 隨著社會的發(fā)展， 水質(zhì)污染問題日益復(fù)雜， 新型污染物不斷被發(fā)現(xiàn)， 給飲用水安全帶來了新的挑戰(zhàn)， 但同時也進一步促進粉末活性炭投加技術(shù)的不斷發(fā)展和改進。 粉末活性炭投加技術(shù)通過解決關(guān)鍵制約因素， 突破技術(shù)瓶頸， 將會在凈水廠水處理中發(fā)揮越來越重要的作用。