【热点聚焦】净水用再生活性炭的现状分析
小编导读
活性炭是市政供水常用的应用材料之一，被广泛应用于水厂工艺、原水应急处理，以及家庭终端净水设备中。2017年本栏目邀请上海华严检测技术有限公司，通过对现有资料的收集、整理和分析，从多个角度开展活性炭在饮用水处理中的应用发展研究，并将成果以连载形式供同行参考。
活性炭是内部孔隙结构发达、化学性质稳定、力学强度高、比表面积大、吸附能力强的优良吸附材料，广泛应用于化工、冶金、农业、交通、医药卫生、军事和环境保护等各个领域。
净水用活性炭使用一段时间后，吸附能力下降，甚至完全丧失，这时的活性炭称之为“饱和炭”。活性炭在净水处理中使用量大，费用高，若“饱和炭”不进行再生，直接废弃，不仅会造成经济上和资源上的浪费，还会带来环境的二次污染，而且饱和炭的再生成本较低，据统计，在净水处理中采用活性炭再生的方式比全部更换新炭约节约成本40%~60%。总之，无论从经济效益还是从环保角度考虑，一方面可以保护自然资源，减少煤矿开发，另一方面可以减少环境影响，因此对净水用饱和炭进行再生利用很有必要。
活性炭再生技术
1.1
活性炭再生方法
活性炭再生，是指用物理或化学方法在不破坏活性炭原有结构的前提下，将吸附于活性炭上的吸附质予以去除，恢复其绝大部分的吸附性能，以便达到重新用于吸附过程的目的。目前，活性炭再生方法主要有如下方法：热再生、湿式氧化再生、催化氧化再生、臭氧氧化再生、溶剂再生、电化学再生、超临界流体再生、微波辐射再生、超声波再生、光催化再生和生物再生等方法。这些方法各有其优点和适用范围，应根据实际情况进行比选，确定经济合理的再生方法。不同活性炭再生方法各有其优缺点，表1中列举了几种典型的净水用活性炭再生方法的优缺点。
1.2
热再生法
在众多活性炭再生方法中，热再生是目前技术最为成熟、工业应用最多的一种再生方法。热再生法根据脱附温度的不同和热分解难易，又可分为低温热再生和高温热再生。低温热再生一般用于气相吸附用活性炭的再生，而净水用活性炭多采用高温热再生。高温热再生过程可分为干燥、炭化和活化三个阶段。
（1）干燥阶段。发生在100℃以下，水处理使用过的活性炭的含水率一般为40~50%，活性炭孔隙中的水分在干燥阶段开始蒸发，同时有一小部分有机物质开始脱附。干燥过程需要大量热量，接近热再生整个过程所需热量的50%。
（2）炭化阶段。在这一阶段，温度在约100~800℃。加热到350℃时，低沸点有机物开始脱附；进一步加热到约800℃以内时，吸附态的高沸点有机物被热分解，一部分转化为小分子物质脱除，其余部分通过缩聚以固定碳的形态残留下来。
（3）活化阶段。在此阶段，温度在约800~1000℃。炭化过程残留的固定碳被水蒸气、CO2及O2等氧化性气体分解：
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决定活性炭再生质量的因素
起始活性炭的品质，饱和炭上污染物的载量和特征，活性炭在线使用的长短，以及活性炭再生工艺的选择和再生装置的性能等，均会影响活性炭再生后的质量、使用重复率、能耗等指标，关联着整个水质深度净化系统的可靠性、稳定性、经济性。
2.1
起始活性炭的品质
起始活性炭的质量，包括密度、颗粒形状、大小、强度等会影响饱和炭的质量，进而影响其再生性能。常用于净水深度处理中的颗粒活性炭有三种：原煤破碎活性炭、压块破碎活性炭和柱状破碎活性炭。三种活性炭因其颗粒形状的差异会直接影响其再生性能，其各自的特点如表2所示。研究表明，与另外两种颗粒活性炭相比，压块破碎活性炭因其具有相对圆润的表面，耐磨性非常好，再生损耗率较低，仅为10%~20%，再生次数可达8~10次，适合用于再生处理。
2.2
饱和炭上污染物的负载量和特性
净水用活性炭所吸附的污染物复杂多样，通常包括：腐殖质、嗅味物质、三卤甲烷、内分泌干扰物、无机金属离子等。热再生能够分解多种多样的吸附质具有通性，也成为净水用活性炭的主要再生方法。但是国内外一些研究发现，活性炭上金属离子的累积会对活性炭热再生产生不利的影响。活性炭上累积的金属离子，如钙、铝、铁、锰、镁等会对活性炭热再生过程中的活化反应产生催化作用，促使碳局部过度活化，形成较大孔隙，影响了活性炭的孔隙发展，降低了活性炭的产率。净水用活性炭再生前可通过实施酸洗来去除活性炭上金属离子的累积，进而提高活性炭的再生得率。
2.3
活性炭的在线使用时间和饱和炭的碘吸附值
根据国内外净水用活性炭的再生经验，再生活性炭的碘吸附值一般比再生前饱和炭的碘吸附值高出300 mg/g左右。用于净水处理中的活性炭碘吸附值在900~1050 mg/g，在实际应用过程中当碘吸附值下降至600 mg/g左右时，即可考虑再生。当活性炭使用的年限太长，活性炭的碘吸附值小于600 mg/g时，即使再生，活性炭的吸附性能也无法得到有效的恢复，对于水厂实际使用而言，已无再生意义。目前，国内臭氧生物活性炭深度处理工艺中的活性炭一般3~4年再生一次成为净水行业的大致判断标准。
3
再生活性炭在净水处理中的应用现状
随着我国活性炭生产工业的迅速发展，活性炭被广泛应用于国民经济的各个领域，尤其是在净水处理方面，对活性炭的需求潜力巨大。与此同时，随着活性炭用量的增大，活性炭再生的经济效益和社会效益也日渐凸显。从20世纪开始，世界上主要的活性炭生产国，如美国、日本、西欧等便开始将视角转向活性炭再生的机理和再生新技术的开发方面。目前，活性炭再生已成为美国活性炭生产的重要组成部分，其再生炭主要用于城市自来水处理和工业污水处理中。
近年来，国内部分自来水厂也开展了再生活性炭在净水处理中的应用实践，比如：（1）2006年至2007年，桐乡市果园桥水厂对5格炭池中的活性炭进行了再生并投入使用，通过检测结果对比显示，再生炭在吸附性能的恢复程度和实际处理效果方面均与新炭接近；且通过经济比较，采用再生方式比全部更换新炭可节省费用达50%以上。经统计计算，如此次再生炭处理水量与再生前活性炭处理总水量相同，则再生炭水处理的成本仅为0.018元/吨（不含运行成本）。（2）2011年7月，太湖流域某水厂对活性炭滤池中的一格活性炭经过热再生后投入使用，经热再生后活性炭的碘吸附值、亚甲蓝吸附值和比表面积均得到较好的恢复。再生活性炭投入运行后4周即可完成挂膜过程，运行前2年，再生活性炭出水CODMn含量均低于1.5 mg/L，明显优于旧炭。（3）苏州某水厂对一组活性炭池再生后的活性炭与其他炭池的旧炭运行效果进行了对比，结果显示，与继续使用旧炭相比，使用再生后的活性炭在有机物去除方面具有明显的优势，这种优势可持续3~4年的时间。通过成本计算，此次活性炭再生的费用约为全部更换新炭成本的60%左右。
通过以上应用实践可以看出，再生炭在吸附指标恢复程度、实际处理效果和经济效益等方面均达到了期望值，可以被重复利用。但是因为活性炭再生尚存在一些问题，导致目前净水用活性炭再生的应用实例并不多。一是，传统的高温热再生、蒸气法再生及化学再生，不仅再生设备复杂，投资和运行成本较高，而且炭的损耗率也很大，实际应用时经济效益并不显著；二是，与国外相比，国内所生产的活性炭品质相对欠佳，且存在以次充好的现象，活性炭使用过后再生价值不大；再者是，水厂活性炭再生意识不强，目前净水用活性炭的使用期限大多以出水水质是否达标来判断，在运行后期，活性炭吸附性能丧失，但因存在生物降解作用，仍具有较好的水质处理效果，导致活性炭使用年限过长错过了最佳再生时机，加上水厂运行管理不当，活性炭损耗较大，此时即使再生也无法恢复较好的性能，意义不大。
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对净水用活性炭再生工作的建议
为了推进净水用活性炭再生工作的开展，有效节约运行成本，实现资源的循环利用，现提出如下建议：
（1）首先要保证招标采购的起始新鲜活性炭是优质活性炭，对新鲜活性炭的质量进行严格把关，避免供货商因价格恶性竞争而出现的以次充好的现象；采购活性炭时可采用新炭采购与饱和炭再生服务绑定的模式进行，以保证新鲜活性炭的质量。
（2）为减轻大规模再生对水厂带来的负担和管理上的不便，可借鉴欧美、日韩等发达国家的经验，选择逐年定期定量的再生方式。为了不影响水厂供水，需避开用水高峰期，尽量选择产能大的再生厂家，确保能较快的完成整个再生换炭过程。
（3）活性炭再生对自来水厂的管理和运行成本均提出了更高的要求，为了确保日后活性炭的再生性能和再生次数，需加强对活性炭滤池的日常运行管理和维护，严格控制反冲洗流程，降低活性炭的损耗。对活性炭的性能变化进行定期监测，做到饱和炭的及时再生。
（4）为了保证再生活性的质量，以满足净水深度处理的需求，需对再生炭的质量进行检测和把控。美标（AWWA B605-2013）和欧标（BS EN 12915-2-2009）中均对再生活性炭技术指标进行了规定，而目前我国尚缺少对再生活性炭性能的评价标准。建议相关部门和单位依据相关经验起草再生活性炭的性能评价标准，规范净水用再生活性炭的使用。
推荐参考
牟小林，邱爱华，丁秋华，等。净水用再生活性炭的现状分析[J].净水技术, 2017,36(9):4-7.
Mou Xiaolin, Qiu Aihua, Ding Qiuhua, et al. Present situation analysis of activated carbon for water purification[J]. Water Purification Technology, 2017, 36(9):4-7.