水深度净化用活性炭的指标及选择

李景乐，解 炜，3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院；2.煤炭资源开采与洁净利用国家重点实验室；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

随着中国经济的快速增长和对环境保护的日益重视，特别是中国关于环境保护的相关法规颁布后，水处理、机动车、溶剂和废气回收以及空气净化等领域市场需求剧增。活性炭由于具有优良的化学稳定性、巨大的比表面积和极强的吸附性能，在水处理、气体吸附分离、烟气脱硫脱硝、食品处理等领域具有越来越广泛的应用[1-3]。近年来，活性炭加工制造和回收利用已经成为我国增长较快的产业方向之一。水处理领域是活性炭最大的消费市场，水处理用活性炭需求量约占全年总需求量的1/3。

煤基活性炭在饮用水深度净化领域使用较多，包括原煤破碎颗粒炭、柱状活性炭、粉状活性炭及压块破碎颗粒炭[4-5]。但是，市政自来水厂深度净化工艺中关于活性炭的选用、更换依然存在很多争议，本文通过对水深度净化常用活性炭的特性及相关标准进行分析归纳，结合净化水处理用活性炭主要性能影响因素，总结并提出净化水深度处理活性炭选用方案。

1 净化水用活性炭种类

1.1 原煤破碎颗粒活性炭

原煤破碎颗粒活性炭属于不定形颗粒活性炭产品，应用于饮用水深度净化处理，满足一定的粒径范围即可，粒度通常为8×30目或12×40目。20世纪90年代，厂家利用山西大同地区块状优质侏罗纪烟煤，通过块煤破碎—炭化—活化—破碎筛分工艺制成原煤破碎颗粒活性炭，并应用于部分地区自来水厂的净化水工艺中。

原煤破碎炭具有工艺简单，成本较低等优点。但是原煤破碎炭具有强度下降快、再生得率较低、漂浮率高、孔结构及表面特性不易控制的缺点，加之煤炭综采的普遍应用，块状侏罗纪烟煤产量大幅度下降，导致优质原煤破碎颗粒活性炭产量越来越少。因此，市政自来水厂采用原煤破碎颗粒活性炭作为净化材料已经不再是主流。

1.2 煤质柱状活性炭

20世纪80年代，通过煤质柱状颗粒活性炭在气相吸附领域的应用经验，研发出用于液相吸附的1.5 mm煤质柱状颗粒活性炭，并应用于北京及周边主要自来水厂的臭氧活性炭深度处理工艺中。2000年左右，臭氧活性炭深度处理技术开始在沿海地区城市净水厂普及，相关活性炭厂家及自来水厂针对已有1.5 mm煤质柱状颗粒活性炭进行进一步改进，开发出柱状破碎炭，通过将柱状颗粒活性炭碾压至粒度更小的不定形颗粒，有效提升柱状活性炭的表面挂膜能力、吸附性能及过滤性能，取得了良好的应用效果。

煤质柱状活性炭具有良好的吸附性能及再生性能，并且强度也能符合净水处理要求。但是由于柱状颗粒活性炭作为定形活性炭其表面光滑，生物挂膜能力有限，且加工过程中需要添加焦油/沥青等粘结剂，使制造成本增加。况且在使用过程中添加剂可能会带来一些有害物质，易对市政自来水厂净化水产品造成不良影响，因此柱状颗粒活性炭在净水应用方面也愈发凸显出局限性。

1.3 煤质粉状活性炭

煤质粉状活性炭是在煤质颗粒活性炭生产过程中的副产品，是以筛下活性炭颗粒通过磨粉制成，其售价通常较低。粉状活性炭的优势是设备成本低、吸附速率快、投加起效快、能够应对突发或短期水质突变，且价格低廉。但是，粉状活性炭受其物理特性限制，只能一次性使用，几乎无法再生，使用后会产生固体污染物，处置成本较高，并且用于水处理及反冲洗过程中易出现炭损失。因此粉状活性炭一般应用于短期季节性水处理较多，较少用于长期运行的深度净化处理中。

1.4 煤质压块破碎颗粒活性炭

煤质压块破碎颗粒活性炭是在原煤破碎颗粒活性炭和柱状颗粒活性炭研究、生产及应用的基础上，进一步提高活性炭水深度净化处理性能的产品。压块破碎炭是通过优质弱黏煤、烟煤等原料煤进行配煤、磨粉后利用煤自身的黏结性压块，再进行炭化活化加工，最后按照需求进行破碎制成的活性炭产品[6]。与柱状颗粒活性炭相比，压块破碎颗粒活性炭是利用原料煤的自黏结性压块成型，不需添加粘结剂，且反应活性高，易于发育出微孔和中孔，目前国内只有大同地区和新疆地区的弱黏结性侏罗纪烟煤适合作为压块破碎颗粒活性炭的原料。与原煤颗粒活性炭相比，压块破碎颗粒活性炭可以通过配煤生产，便于调节活性炭产品的孔结构和强度，有利于活性炭的净化应用。

压块活性炭产品的漂浮率较低、强度高，比较适用于液相处理，并且压块活性炭产品质量稳定可控、工艺较为成熟具有良好的吸附性能、再生性能以及较低的生产成本，已经成为目前市政自来水厂深度净化处理工艺的最佳选择。

2 净化水用煤质颗粒活性炭相关标准分析

中国水处理用煤质活性炭现行标准主要为国家标准GB/T 7701.2—2008《净化水用煤质颗粒活性炭》及行业标准CJ/T 345—2010《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》。GB/T 7701.2—2008要求水处理用颗粒活性炭技术指标包括漂浮率、装填密度、亚甲蓝吸附值(亚甲蓝值)、碘吸附值(碘值)、粒度、强度、水分、苯酚吸附值、水溶物及pH等10项指标[7]；CJ/T 345—2010要求水处理用颗粒活性炭技术指标除GB/T 7701—2008要求的9项外(无苯酚吸附值指标)，还包括孔容积、比表面积、酚值、二甲基异莰醇吸附值、有效粒径、均匀系数、锌、砷、镉、铅含量等额外10项指标[8]。要求的10项指标与CJ/T 345—2010关于pH、水分、水溶物、装填密度、粒度等5项指标的要求一致，pH要求处于6～10之间，水分要求不大于5%，水溶物含量要求不大于0.4%，装填密度要求不小于380 g/L。不同的指标对比如表1所示。由表1可以看出，CJ/T 345-2010对于煤质颗粒活性炭吸附相关的主要性能要求更高。

表1 水处理煤质颗粒活性炭国家标准与行业标准指标差异值对照

此外，CJ/T 345—2010要求孔容积不小于0.65 mL/g，比表面积不小于950 m2/g，酚值不大于25 mg/L，有效粒径处于0.35～1.5 mm，均匀系数不大于2.1，锌、砷、镉、铅的质量分数分别小于500 μg/g、2 μg/g、1 μg/g、10 μg/g。在2019年住建部发布的相关行业标准《生活饮用水净水厂用煤质活性炭(征求意见稿)》中，增加了关于汞指标的限定，要求汞质量分数小于1 μg/g。

综上所述，行业标准CJ/T 345—2010不仅对活性炭主要吸附能力提出要求，还对活性炭中易产生污染的重金属成分做出限制，对颗粒活性炭生产原料及工艺的要求更加严格。

3 水深度净化用活性炭性能及影响因素分析

臭氧-生物活性炭水体深度处理工艺的净化原理是活性炭吸附与生物降解共同作用，整个过程可以分为三个阶段。第一阶段为新活性炭刚投加时期，此阶段由于活性炭表面生物挂膜未形成，且活性炭比表面积较大、孔隙发达，此阶段以活性炭吸附作用为主，生物分解性能较小；第二阶段为吸附-生物降解阶段，此时新活性炭已运行一段时间，表面形成了一层生物挂膜，生物降解在活性炭表面开始作用，同时活性炭依然保持较强的吸附能力，此阶段为活性炭吸附与生物降解共同作用阶段；第三阶段以生物降解为主，此阶段由于活性炭使用时间较长，活性炭孔隙接近饱和，吸附性能衰减严重，主要依靠表面生物降解作用完成净水深度处理。

3.1 吸附性能及水处理效果

活性炭的吸附性能可分为静态吸附及动态吸附。静态吸附性能指的是碘吸附值和亚甲蓝吸附值；动态吸附性能主要为评价进出水的有机物UV254及COD、TOC等指标去除效果。有实验数据分析证明，碘吸附值及亚甲蓝吸附值总和与有机物吸附去除能力有显著相关性[9]。

根据实验及活性炭工业应用运行监测结果，随着活性炭运行时间的延长，碘吸附值及亚甲蓝吸附值值均呈下降趋势，运行初期的降幅远大于中后期。这也证明了初期活性炭以吸附为主，而中后期的吸附作用减弱，则以生物作用为主[10]。活性炭投加初期，对于有机物UV254及COD的处理效果较好，能够达到40%以上的去除率，随着活性炭使用年限增长，由于处理环境差异，一般在使用3～7年后有机物去除率降至20%以下并逐渐趋于稳定，证明在活性炭吸附能力减弱时，有机物的处理主要为表面生物降解稳定作用[11]。国内有臭氧-生物活性炭滤池中活性炭投入未更换已超过7年仍能稳定运行的实例。尽管其活性炭的吸附性能已经较低(碘值小于400 mg/g)，说明生物降解为主的净化仍能起到相应的作用。但是，市政自来水供应涉及千家万户的用水安全，所处理水源也深受季节及气候的变化，还是建议尽量保证臭氧-生物活性炭在吸附-生物降解阶段为宜，达到一定的使用年限后需要及时更换活性炭。

由于碘吸附值及亚甲蓝吸附值为煤质颗粒活性炭固有特征，与其破碎粒径无明显关联，但是粒径较大、表面粗糙的活性炭可以更快速的形成表面生物挂膜，有利于净水厂深度处理过程中有机物的去除。

3.2 物理性能

压块破碎颗粒活性炭主要工作物理性能有强度、漂浮率、装填密度、水分等。在活性炭使用期间，由于水流的不断冲洗及反冲洗，会造成颗粒活性炭之间相互碰撞，对其物理性能造成影响。如果活性炭强度降低，会造成颗粒活性炭的挤压、磨损破碎，使漂浮率升高，造成活性炭的流失以及处理能力的下降。

实验结果表明，随着活性炭投放时间增长，确实存在强度和平均粒径下降的趋势，但是一般强度下降区间也仅在1%～3%左右，如果新活性炭强度能够达到95%左右，长时间使用后的活性炭依然能够完全满足标准要求[12]。不过由于碰撞磨损因素，粒径组成比例可能会达到标准临界值附近，需要对其运行状态进行关注。

压块破碎颗粒活性炭初始强度、含水量、装填密度等基本指标与其破碎粒径无明显关联，但是考虑到使用过程中的粒径变化因素，在不影响其处理性能的前提下，选用较大粒度的颗粒活性炭有利于维持活性炭处理系统的稳定。

3.3 可再生能力

活性炭的可再生能力是目前各活性炭应用厂家较为关注的性能，再生性能直接影响到厂家的用炭经济效益。如果综合考虑净水能力及出水指标，按照3年周期，使用再生活性炭能够比全部使用新炭降低40%～50%的成本。目前主要的活性炭再生方式是热再生法[13]，采用转炉或者多膛炉再生，一些即将报废的斯列普活化炉也可以用于热再生。活性炭再生会造成活性炭平均粒径缩小、强度降低、炭损失等。因此，选用较大粒度的压块破碎颗粒炭有利于保证再生炭的性能指标，降低企业运行成本。

4 结 语

(1)通过活性炭自身特性及净水用活性炭相关标准分析，各项高指标的活性炭有利于提高水净化处理效果，但是高指标的净水用活性炭产品也使得企业成本增加，因此各水厂应根据自身水源状况、水处理工艺特点、出厂水要求、制水成本等因素进行选炭实验，选用符合标准及自身运行状况的活性炭。

(2)综合考虑到活性炭吸附处理性能、出水水质稳定性、物理性能及可再生性能，同等条件下建议选用符合标准的粒度较大的压块破碎颗粒活性炭，如8×30目(粒径0.6～2.3 mm)。

(3)水厂应当加强在臭氧-生物活性炭深度处理运行阶段的管理，积极监测出水水质，通过活性炭取样检测及出水水质监测相结合的判定方式，判断活性炭是否需要更换或再生。