水厂设计中总会遇到炭滤池需要前置或者后置的问题，作为专业的水处理工艺设计人员的你，会怎么选择?来自上海城投水务(集团)有限公司制水分公司闵行水厂的马玉英，结合水厂2010-2014年的运行状况，探讨了炭滤池前置或者后置的运行效果，得到了比较结果。一起去看看结果如何吧!本文节选自《净水技术》2015年第五期，原文名为《炭滤池前置或后置的运行效果比较》，作者：上海城投水务(集团)有限公司制水分公司闵行水厂/马玉英。
1 闵行水厂简介
1.1原水水质黄浦江的原水水质依据地面水环境质量标准属于劣四类，水质较差，原水中最主要存在的问题是：感官指标如色度高，有明显泥土味，有机物指标如氨氮波动很大，呈现夏天低，冬天高的特征，耗氧量常年平均值高，维持在5.5 mg/L上下，原水锰含量指标高。黄浦江近年的原水水质如表1所示。
1.2工艺流程
四期(先砂后炭)于2010年9月18日正式开通运行，已运行4年多，三期(先炭后砂)已运行2年半，工艺流程如图1所示。两套工艺的原水水质是同
一水源，部分处理工艺的设计参数基本相同。预臭氧接触池臭氧投加量为0.5~1.5 mg/L，接触时间为5 min;絮凝时间为16 min，沉淀池水平流速为13.8 mm/s，停留时间为105 min;中间臭氧投加量相同，设计投加量为1.5~3.0 mg/L，设计停留时间为15 min;生物活性炭滤池设计滤速均为8.3 m/h，炭层厚度为2.2 m，接触时间为16.9 min，生物活性炭池采用先气冲后水冲洗方式。三期的1#~10#和四期的1#~8#活性炭滤池投加颗粒炭，三期的11#~20#和四期的9#~16#活性炭滤池投加柱状炭。两套工艺主要不同在于，三期臭氧活性炭的进水为沉淀池出水，浊度为0.4~0.5 NTU，炭滤池出水经砂滤前加氯消毒;四期臭氧活性炭的进水为砂滤池的出水，浊度为0.1 NTU左右，炭滤池出水经加氯消毒后出厂。
1.3分析测试方法
COD采用国标的酸式法测定;氨氮采用国标的纳氏试剂光度法测定;在待测工艺出水处设取样口，采用10 μm微孔滤网过滤水样，收集出水中无脊椎动物，浓缩后采用 Olympus BX51 生物显微镜观测、计数和测量。
2 三期和四期处理工艺运行效果的比较
2.1三期和四期对COD的去除效果
对三期(活性炭前置)和四期(活性炭后置)深度处理工艺运行前后到2014年夏季原水和出厂水的CODMn浓度进行了常年监测，结果如图2所示。
由图2可知黄浦江原水CODMn在5.5 mg/L左右。四期运行初期，出厂水中CODMn较低，运行三个月后，出水中CODMn的浓度基本稳定，连续运行4年后，四期出水的CODMn也能维持在2.5 mg/L以下。此前三期为常规处理工艺，出厂水CODMn基本维持在3.5mg/L左右，进行深度处理后，出水CODMn也基本维持在2.5 mg/L，满足新国标GB 5749—2006中CODMn小于3.0 mg/L的要求。
为了考察两套深度处理系统对有机物去除效果的差异，比较了2012年7月到2014年10月两套工艺对CODMn和氨氮的去除率，结果如图3所示。
由图3可知从2013年5月以来，三期对CODMn的去除率比四期低2%~6.8%，且从2014年7月起，三期的CODMn去除率已经降至50%以下，四期的去除率还维持在55%左右。2014年6月到7月，原水水质在短时间内急剧恶化，CODMn达到了6.0 mg/L，为了避免出厂水超过GB 5749—2006的限值，水厂在进水泵房投加了10 mg/L的粉末活性炭，作为应急措施。
为了更清楚地反映三期和四期对CODMn去除效果的变化趋势，整理了2013年6月~2014年7月两套工艺出厂水CODMn测定频率分布图，结果如图4所示。
由图4可知三期在此期间最小值为2 mg/L，最大值为3 mg/L，测量高频段为2.3~2.8 mg/L;四期在此期间最小值为1.8 mg/L，最大值为2.8 mg/L，测量高频段位2.1-2.6mg/L。两者在分布频率上十分相似，四期较三期而言，出水CODMn较好，降低约0.2 mg/L。虽然三期的深度处理工艺比四期深度处理工艺晚开通运行2年，但三期对有机物的去除效果较四期差。
2.2三期和四期对氨氮等指标的去除效果比较
三期和四期进出厂水氨氮浓度变化，如图5所示。
由图5可知每年冬季原水中氨氮浓度较高，最高可达到1.97 mg/L，出水中氨氮浓度的季节性波动较大，冬季出水氨氮浓度有时与进厂水浓度相当。由于四期采用了深度处理工艺，除了运行初期，冬季四期出水氨氮一般在0.8 mg/L左右，其他季节一般在0.2~0.3 mg/L。三期采用常规处理工艺时，出水氨氮一般维持在0.7 mg/L(除冬季外)，采用深度处理后，出水氨氮维持在0.4 mg/L，基本满足GB 5749—2006中氨氮浓度低于0.5mg/L的要求。两套工艺从去除氨氮情况看，基本没有大差别。总体说来，臭氧活性炭深度处理工艺能够有效去除水中的CODMn和氨氮等有机物，出水中有机物含量远低于常规处理工艺的出水，且基本能够达到国标要求。这是因为，传统的常规处理工艺对分子量大于10 000 Da的有机物(以TOC计)可全部去除，对分子量在10 000 Da以下的有机物去除效果较差。增加臭氧活性炭工艺后，臭氧氧化一方面可以直接去除水中小部分有机物，另一方面还可将大分子有机物转化为易于被活性炭吸附及生物膜降解的小分子有机物。活性炭吸附对分子量小于3 000 Da，尤其是对分子量为500~1 000 Da的有机物有较好的去除效果;生物处理对分子量小于1 000 Da，尤其是对分子量小于500 Da的有机物有更好的去除效果。因此，臭氧-生物活性炭深度处理工艺可以大大降低出厂水中的有机物，提高出厂水水质。
除此之外，黄浦江原水色度为21~23度，较高，经过常规处理工艺后出厂水的色度为7~8度，去除率一般维持在65%，经过深度处理后，出厂水色度指标维持在5度以下，低于新国标小于15度的标准，去除率大于80%。另外根据水质检测中心反馈的数据来看，深度处理工艺对原水中的铁、锰有较好的去除率。在前后臭氧投加1.5 mg/L的单耗下，出水铁含量、锰含量指标大大改善，去除率达到了100%，出水厂铁、出厂水锰含量基本维持在0.05 mg/L，合格率达到了100%，满足新国标对出厂水铁≤0.3 mg/L、出厂水锰≤0.1 mg/L的标准。
2.3活性炭的吸附性能测试
活性炭池去除有机物的运行期分3个阶段。
第1阶段为活性炭吸附期，前期：活性炭快速吸附去除有机物，是去除效果最好的阶段。该阶段处于生物挂膜前期，生物作用可忽略。后期：活性炭吸附为主、生物降解为辅。活性炭的吸附能力随时间逐渐下降，随着颗粒炭表面生物膜的逐渐生长，生物降解开始发挥作用。
第2阶段为过渡转换阶段。吸附与生物降解的主导作用发生转换。随运行时间的延长，生物作用趋于稳定，活性炭吸附作用逐渐减弱，由初期的以吸附为主逐渐转变为以生物降解为主。
第3阶段是生物降解阶段，活性炭主要起生物载体的作用，主要靠生物降解去除CODMn，活性炭的吸附趋于饱和，对有机物的去除作用基本可忽略，该阶段可以从6个月到6年甚至以上。
对运行一年后活性炭的碘值和亚甲蓝进行了检测，结果如表2。
由表2可知经过一年的运行，三期活性炭的碘值和亚甲蓝都有较大幅度降低，破碎炭的碘值和亚甲蓝分别降至567和88 mg/g。由于四期采用先砂后炭的工艺，活性炭没有频繁反冲洗的问题，因此并未每年对其碘值和亚甲蓝参数进行检测，在运行至第三年时，四期炭池活性炭的碘值和亚甲蓝值分别为457 mg/g和80mg/g，从数据看，与三期才运行了两年破碎炭的碘值基本持平，亚甲蓝四期要高，即四期炭池的活性炭的吸附性能下降较三期慢。从生产运行角度看，目前三期活性炭已工作2年半，四期活性炭已工作4年，均已进入生物降解阶段，由于三期先炭后砂的工艺，进水浊度高，大大增加了炭池的运行负荷，冲洗周期比四期先砂后炭工艺的他炭池冲洗时间明显缩短，频繁的反冲洗也会对活性炭表面造成损坏，因此后期三期生物降解作用较四期弱，对有机物的去除率低。北京第九水厂将碘吸附值≤ 600 mg/g、亚甲蓝吸咐值≤85 mg/g作为判断活性炭失效标准，参照此标准，闵行三期和四期活性炭的碘吸附值和亚甲蓝吸附值基本达到上述失效标准值，验证了目前COD去除不是依靠吸附作用，而是生物作用。虽然活性炭一般以碘吸附值和亚甲蓝吸附值作为吸附终点的判断指标，但只要出水水质满足饮用水水质标准，则其仍然处于有效工作状态，目前三期和四期出水的CODMn和氨氮等各项指标均能满足国标要求，但考虑到表层炭的吸附性能较差，因此目前仅对三期和四期活性炭滤池表层的20~30 cm进行了刮炭和添炭处理。
2.4无脊椎动物泄露问题
臭氧-生物活性在四期的运行明显的提高了出厂水的水质，但由于无脊椎动物极易在炭滤池发生二次繁殖，炭滤池也出现了较为严重的生物安全性隐患问题，特别是夏季气温较高时炭滤池出水中含有大量的无脊椎动物，无脊椎动物的监测结果如图6所示。
由图6可知黄浦江原水中含有大量的无脊椎动物，主要包括轮虫，线虫，蚤类，腹毛虫和涡虫等，出厂水中也存在一定数量的无脊椎动物，主要是轮虫和线虫。这些微型动物进入管网中，将至少产生两方面的不利影响：一方面，部分耐氯性强的生物可能在管网生长繁殖，并随饮用水输送给用户，对饮用水的感观和安全性将产生直接影响;另一方面，被氯杀死的生物可转化为可供细菌利用的有机物质，为管网细菌等微生物提供生长基质，破坏管网原有的生物稳定性而影响最终的供水水质。因此，需要进一步对不同水质及运行条件下无脊椎动物的孳生情况进行深入研究，以有效的控制出厂水的生物安全性。
三、四期水处理系统对无脊椎动物的去除率都在90%~100%，年平均去除率分别为94.0%和89.3%，这表明了这两套水处理系统对无脊椎动物具有较好去除效果。由于三期采用了活性炭前置的工艺，且在砂滤之前进行加氯消毒，砂滤池可以截留大部分微型动物，因此三期对无脊椎动物的截留效果略优于四期。
3 结论
(1)闵行水厂三期和四期臭氧物活性炭工艺对于黄浦江原水具有较好的处理效果，可有效去除原水中的色度、臭味、溶解性有机物和氨氮，出水CODMn基本维持在2.5 mg/L，出水氨氮维持在0.4 mg/L，均能满足GB 5749—2006的相关要求。
(2)闵行三期和四期活性炭的碘吸附值≤ 600 mg/g、亚甲蓝吸附值≤85 mg/g，基本达到失效标准值，目前仅对三期和四期活性炭滤池表层的20~30 cm进行了刮炭和添炭处理。由于闵行三期活性炭前置导致炭滤池运行周期短，反冲洗频繁，影响了炭滤池的生物降解效率，因此闵行三期活性炭前置工艺对有机物的去除效果较四期活性炭后置工艺差。
(3)闵行三、四期水处理系统对无脊椎动物的年平均去除率分别为94.0%和89.3%，由于三期采用了活性炭前置，且在砂滤之前进行加氯消毒的工艺，闵行三期深度处理系统对无脊椎动物的截留效果略优于四期。
