9.11 颗粒活性炭吸附
Ⅰ 一般规定
9.11.1 当原水中有机物含量较高时宜采用臭氧-生物活性炭处理工艺。采用活性炭吸附处理，应对原水进行多年水质监测，分析原水水质的变化规律和趋势，经技术经济比较后，可采用活性炭吸附处理工艺或臭氧-生物活性炭处理工艺。
9.11.2 通常情况下，针对不同的原水水质和工艺目标，经过一个水文年的中试研究来确定设计参数较为科学合理，参照相似条件下的经验确定也是一种基本方法。
9.11.3 为尽量发挥颗粒活性炭的吸附性能，降低水中悬浮物对活性炭吸附性能的影响，故以纯吸附为目的的炭吸附工艺一般应设在砂滤之后。而臭氧-生物活性炭工艺则因净水功能较多且存在生物泄漏风险，故可根据需求设在砂滤之后或砂滤之前。
通常滤后水经过下向流颗粒活性炭吸附池后浊度会增加0.1NTU～0.2NTU，当颗粒活性炭吸附或臭氧-生物活性炭工艺设在过滤之后时，除进行消毒外，已无进一步降低浊度的工艺措施。因此将进水浊度控制在较低值，能保证出厂水浊度小于1.0NTU。
聚丙烯酰胺作为混凝剂，在某些沉淀(澄清)工艺中有一定的应用。由于聚丙烯酰胺具有胶水的特性，一旦泄漏进入活性炭池，可能会封闭部分活性炭表面孔隙而影响其吸附性能，因此应对前序工艺使用聚丙烯酰胺的量进行控制。
现有水厂改造时，如果不具备新增炭吸附池的条件，也可考虑将原有砂滤池改造成炭砂滤池，同时发挥砂滤除浊和活性炭对有机污染物的吸附和生物降解去除作用。
9.11.4 据对目前国内外颗粒活性炭吸附池的应用情况了解，大部分采用下向流(降流式)，也有部分采用上向流(升流式)的。选择的主要考虑因素包括其在工艺流程中的作用、位置和运行经验，还可结合池型和排水要求等因素的考虑。
由于下向流颗粒活性炭吸附池运行时活性炭处于固定床模式，在采用较小粒径的活性炭时可使其出水浊度与进水浊度基本维持不变，而上向流颗粒活性炭吸附池运行时活性炭处于浮动床状态，对水中浊度(悬浮物引起)无任何去除能力，且其出水中夹带得细小炭颗粒会使出水浊度有一定的增加。为保证出厂水浊度小于1NTU，故规定位于砂滤之后的颗粒活性炭吸附池应釆用下向流。
当颗粒活性炭吸附池位于砂滤之前时，由于进水中浊度(悬浮物引起)较砂滤后高，采用下向流会使颗粒活性炭吸附池同时被动地承担了除浊的任务，导致过滤周期缩短和冲洗频次增加，活性炭的物理和机械性能下降较快(国内一些应用案例已表明了这种现象的存在)。而采用浮动床运行模式的上向流颗粒活性炭吸附池则不存在这些问题。因此颗粒活性炭吸附池位于砂滤之前时宜采用上向流。此外，因水流通过浮动床的水头损失明显小于固定床，采用上向流颗粒活性炭吸附池可明显降低中间提升能耗，甚至可不设中间提升设施。
9.11.5 为避免炭吸附池冲洗时对其他工作池接触时间产生过大影响，炭吸附池应设有一定的个数。为保证一个炭吸附池检修时不致影响整个水厂的正常运行，规定炭吸附池个数不得少于4个。
据了解，近十多年来，我国新建的大中型水厂的炭吸附池单格面积大部分在100m2左右，最大单格面积的是上海杨树浦水厂158m2的炭吸附池。
9.11.6 据调查，国内早期的颗粒活性炭吸附池较多采用单水冲洗的普通快滤池和虹吸滤池形式，近十年来则较多采用气水联合冲洗的普通快滤池或翻板滤池形式，运行效果总体稳定。虽然也有个别采用Ⅴ型滤池形式的案例，但考虑到颗粒活性炭吸附池需采取膨胀冲洗方式进行冲洗，Ⅴ型滤池是适用于砂滤料微膨胀冲洗的池型，应用在炭吸附池上较难解决冲洗时的跑炭问题，故未将其列入适用的池型。
当设计规模小于50 000m3/d且用地较为宽敞时，经过经济技术比较，可采用压力滤罐。
9.11.7 活性炭是用含炭为主的物质制成，如煤、木材(木屑形式)、木炭、泥煤、泥煤焦炭、褐煤、褐煤焦炭、骨、果壳以及含炭的有机废物等为原料，经高温炭化和活化两大工序制成的多孔性疏水吸附剂。
活性炭按原料不同分为煤质活性炭、木质活性炭或果壳活性炭等；按形状分为颗粒活性炭(GAC)与粉末活性炭(PAC)，其中GAC用于炭吸附池，PAC作为投加的吸附剂用于预处理或应急处理；煤质颗粒活性炭分柱状炭、柱状破碎炭、压块破碎炭和原煤破碎炭。
国内早期水厂运行的炭吸附池大部分釆用煤质柱状炭，近年来则开始较多采用柱状破碎炭、压块破碎炭和原煤破碎炭，其中以柱状破碎炭和压块破碎炭为主。
现行行业标准《生活饮用水净水厂用煤质活性炭》CJ/T 345-2010规定的技术指标见表13。
表13 净水厂用煤质活性炭技术指标
续表13
注：①200目对应尺寸为75μm，通过筛网的产品大于或等于90％；
②适用于降流式固定床使用的不规则状颗粒活性炭。
9.11.8 因不同水温时水的黏滞度不同，导致活性炭在相同水流上升速度的条件下出现不同的膨胀度，水温越低，膨胀度越高。因此在确定上向流颗粒活性炭吸附池的滤速(上升流速)和颗粒活性炭吸附池的反冲洗强度以及进行颗粒活性炭吸附池高程设计时，根据设计选定的活性炭规格与设计水温、滤速和反冲洗强度，结合由活性炭供应商提供的或由第三方测定得出的该规格的活性炭膨帐度曲线，核算各种设计条件下滤池高程布置是否满足活性炭膨胀充分和不跑炭，是保障所设计的炭吸附池能否稳定运行的一项关键设计工作。
9.11.9 对露天设置的炭吸附池的池面采取隔离或防护措施，可有效防止夏季强日照时池内藻类滋生，避免初期雨水与空气中的粉尘对水质可能产生的污染。通常可采取池面加盖或加棚等措施。
对室内设置的炭吸附池的池面上部建筑空间强化通风，则可防止水中余臭氧(采用臭氧-生物活性炭工艺时)可能逸出对生产人员的伤害。通常可采取强化机械通风等措施。
9.11.10 由于钢筋混凝土池壁结构设计是允许裂缝出现的，当裂缝过宽过深时，会使磨损的炭粉掉到缝中接触到钢筋混凝土表层的钢筋，对钢筋产生电化学腐蚀而影响炭吸附池结构的耐久性和安全性。通常裂缝的宽度、深度与混凝土的抗渗等级呈负相关。因此可通过适当提高混凝土的设计抗渗等级或池内壁的混凝土保护层的厚度来提高其防裂防渗性能。有条件时还可在混凝土表面涂装可覆盖混凝土表面细微裂缝的涂层。
9.11.11 活性炭既可采用人工装卸，也可采用水力输送装卸。由于人工装卸劳动强度大和粉尘严重，且炭粒易磨损破碎，故规定宜采用水力输送装卸。
当采用水力输炭时，输炭管可采用固定方式亦可采用移动方式。出炭、进炭可利用水射器或旋流器。炭粒在水力输送过程中，既不沉淀又不致遭磨损破碎的最佳流速为0.75m/s～1.5m/s。
Ⅱ 下向流颗粒活性炭吸附池
9.11.12 与传统的过滤不同，炭吸附池是通过待处理水与活性炭的一定时间接触来完成对水的吸附净化，故其主要设计参数是空床停留时间。据调查，目前国内较多采用10min左右的空床停留时间和1.5m～2.0m的床厚。在空床停留时间确定后，滤速和炭床厚度应结合占地面积、水头损失、活性炭粒径和机械强度等因素综合考虑后合理确定。当占地受到较大限制和水厂水力高程布置较宽裕时，可采用厚床、高滤速、粗粒径和机械强度稍高的活性炭(柱状炭、柱状或压块破碎炭)的组合方式，反之，则宜采用中等厚度或和中低滤速的组合方式。
表14为日本水道协会《日本水道设计指针》(2012年版)中颗粒活性炭滤池设计参数，供参考。
表14 日本颗粒活性炭吸附池设计参数
南方地区水温较高，有生物膜脱落风险时，在炭床下宜设一定厚度(通过试验)的石英砂。
9.11.13 由于单水冲洗效果不如气水联合冲洗，故需要进行定期增强冲洗以冲掉附着在炭粒上和炭粒间的黏着物，周期一般可按30d考虑。
在同样水冲洗强度条件下，因低水温会导致活性炭过度膨胀造成活性炭流失，故水冲宜釆用具有调节水量能力的水泵冲洗方式。具体方法可采用变频水泵或增加水泵台数以及在水冲洗总管设计量设备等措施。
由于活性炭对氯有较强的吸附能力，为防止反洗水中存在余氯而无谓牺牲活性炭的吸附性能，故规定采用砂滤池出水为冲洗水源时，滤池进水不宜加氯。
表15为日本水道协会《日本水道设计指针》(2012年版)中颗粒活性炭吸附池设计冲洗参数，供参考。
表15 日本颗粒活性炭吸附池设计冲洗参数
9.11.14 炭吸附池若采用中阻力配水(气)系统可采用滤砖，经工程实践验证，滤砖承托层粒径级配(五层承托层)可参照采用表16数据或通过试验确定。
表16 滤砖承托层粒径级配(五层)
9.11.15 炭层经冲洗后重新启动，通常存在初期出水浊度升高的现象。当炭吸附位于砂滤后时，因其后一般已无其他进一步降低浊度的工艺措施，从保障出厂水浊度稳定的角度考，宜设置初滤水排放设施。在炭滤池重新过滤时，先排放初滤水。处滤水排放时长一般可按10min～20min考虑。
9.11.16 目前，炭砂滤池的应用案例较少，设计参数应经过试验或参考相似工程经验。已建成的几个工程案例：炭砂滤池设计滤速6m/h～9m/h，活性炭层空床接触时间宜采用6min～10min，宜采用压块颗粒破碎炭，炭粒径8目×30目。砂层采用石英砂级配滤料，d10＝0.55mm，k80＜2.0，砂层厚度宜满足L/d10值≥1000，炭砂滤池冲洗采用单水冲洗或先气后水冲洗方式，冲洗参数同煤砂双层滤料滤池。
Ⅲ 上向流颗粒活性炭吸附池
9.11.17 考虑到上向流炭吸附池运行时炭床必须处于浮动床状态，同时考虑到水温越低炭床膨胀度越高这一限制条件。因此与下向流炭吸附池相比，其空床停留时间、滤速(上升流速)和炭床厚度均不宜过大，否则会导致吸附池的高度较高而不经济。
9.11.18 因在上升水流中，活性炭的膨胀度与水温呈线性的负相关关系，为保证上向流炭吸附池运行时炭床处于适度的膨胀悬浮状态，同时又要避免过度膨胀而造成滤料流失，故做出本条规定。此外，在相同水温和上升流速的条件下，活性炭的粒度越小，膨胀度越高，通常上向流炭吸附池采用粒度较小30目×60目规格，因此设计时除水温和上升流速外，还应结合活性炭的粒度选择综合考虑。
9.11.19 对出水堰的溢流率做一定的限制可较好地防止细小炭粒被出水带出。
9.11.20 上向流炭吸附池因处于浮动床的运行状态，不存在滤床堵塞问题，冲洗主要是洗掉炭粒表面老化的生物，保持活性炭持续的生物作用，故冲洗周期相对下向流可更长。釆用气水冲洗则有利于提高冲洗效果，节约冲洗水量。因水流经过上向流炭吸附池后的浊度几乎很少变化，故也可采用进水作为冲洗水源。
在同样水冲洗强度条件下，因低水温会导致活性炭过度膨胀造成活性炭流失，故水冲宜采用具有调节水量能力的水泵冲洗方式、具体方法可釆用变频水泵或增加水泵台数以及在水冲洗总管设计量设备等措施。
9.11.21 由于上向流炭吸附池的应用案例相对较少，本条规定是基于对近年来投产运行的部分案例的调查而确定。