摘要：随着水体污染的日趋严重和生活饮用水卫生标准的提高，自来水厂亟需提标改造。活性炭/石英砂活性滤池技术可在传统普通快滤池的基础上实施改造，保证对氨氮和有机物等污染物的有效去除，节约基建投资和运行费用，适于自来水厂应对微污染水源工艺改造。活性炭/石英砂活性滤池的运行受温度、反冲洗、预氧化等因素的影响较大，滤料级配、工艺组合和出水健康性等方面还需深化研究。
引言
近年来，饮用水源环境污染日益增多，污染物成分和含量复杂多变。全国地表水国控断面总体处于轻度污染状态，耗氧量、氨氮、藻和嗅味物质等微污染特征污染物为影响水厂水质达标的主要因素。
我国目前95%以上的自来水厂仍采用“混凝-沉淀-过滤-消毒”常规处理工艺，出厂水水质难以达到新颁布的生活饮用水卫生标准，突出现状问题表现为：滤池对浊度去除不稳定，水头损失增长过快；对有机物污染物处理效果不明显；应对藻污染能力不强，藻、藻毒素及嗅味物质去除有限等。因此，对常规工艺水厂的提标改造势在必行。
常规工艺强化技术是利用原有工艺构筑物，设施改造不多，投资少，见效快，适用性强，是适合目前国内水厂提标改造发展潜力的技术方向。常规工艺滤池担负着对绝大多数污染物的截留去除，因此滤池改造和优化管理尤为重要。活性炭/石英砂活性滤池（以下简称活性滤池）是在普通快滤池的基础上，将其滤料换成活性炭和石英砂双层滤料，它不仅能够满足浊度的有效去除，同时对有机物和氨氮也能有较好的净化效能，这种滤池形式无需增添新的处理构筑物，基建和运行费用低廉，因此活性滤池在国内有很好的应用前景。
1、活性滤池技术研究现状
活性滤池是1988年由Bablon研究发明的，其滤料为活性炭和石英砂，一般活性炭滤料厚0.6m~1.0m，粒径1.0mm~2.0mm，石英砂滤料厚0.3m~0.6m，粒径在0.5~1.2mm之间。该滤池一方面能够利用活性炭吸附作用和石英砂物理拦截作用，去除水中的有机物和胶体颗粒物，有效改善出水水质；另一方面上层活性炭可看做生物滤池，可以通过生化作用去除部分难降解有机物，同时下层砂可以控制出水浊度和细菌数。
1.1国内现状
国内针对活性滤池的研究起步较晚。就目前研究结果表明，活性滤池能有效提高对污染物的去除效果，尤其是氨氮和有机物的去除。波涛活性炭厂家通过活性滤池和普通快滤池，对稳定性微污染地表水去除效果的对比发现：活性滤池对浊度去除比普通快滤池效果稳定，对化学耗氧量（CODMm）、氨氮和亚硝酸盐氮的去除效果分别比普通快滤池高9.9%、13.3%和30.8%。通过考察活性滤池对松花江水源水的处理效能，结果表明炭砂滤池不仅可以去除胶体颗粒和各种有机物，还能有效去除水中硝基苯等微污染有机物。另一方面，针对活性滤池运行特性方面的研究也有了一定进展。
1.2国外现状
国外在对活性滤池的研究方面起步早，研究内容也更深人，表1为部分国外对活性炭/石英砂活性滤池研究应用方面的报道。
表1 国内外活性炭/石英砂活性滤池研究应用案例
| 研究者 | 规模 | 水源水 | 工艺 | 效果评价 |
| Coffey（1995） | 示范性小试 | SPW河水 | GAC+砂 | GAC+砂工艺对甲醛、乙二醛的去除略优于其他滤池工艺，特别是在低温下。 |
| Elhadi（2006） | 中试 | 配水 | GAC+砂 | GAC+砂工艺对GSM和MIB的去除效果略优于其他滤池工艺，当BOM浓度低时表现更为明显。 |
| Hozalski（2001） | 生产性试验 | 河水 | GAC+砂 | GAC+砂在反冲洗对BOM的去除影响很小。 |
通过对SPW河水进行的示范性小试研究表明：活性滤池甲醛、乙二醛的去除效果略好于无烟煤-砂滤等其他滤池工艺。用配水进行中试试验结果表明，当可生化降解有机物（BOM）浓度低时，活性滤池工艺对藻类代谢产物土臭素（GSM）和二甲基异莰醇（MIB）的去除明显优于无烟煤/砂滤池。通过对河水的生产性试验，研究得出反冲洗对活性滤池、对BOM的去除无明显影响。
2、活性滤池工艺出水特性
活性滤池作为替代普通快滤池的一种提标改造工艺，对微污染水源水的浊度、有机物、氨氮、藻类嗅味物质有不错的去除效果，也能较好地控制残余铝和微生物泄露。
2.1良好的除浊能力
活性滤池替代普通快滤池，首先要满足其对浊度的去除效果。活性滤池对浊度的去除是传统吸附截留和生物吸附共同作用的结果，两种作用的相对大小，取决于滤料介质表面生物膜覆盖面积与空隙的大小及吸附物与被吸附物之间的界面特性。研究表明：活性滤池出水颗粒数基本在50~ 100CNT/mL之间，其出水浊度为0.066~0.140NTU，出水平均值为0.094NTU。国内其他试验研究表明：当沉淀出水小于3.0NTU时，活性滤池出水浊度低于0.5NUT。
2.2有效的有机物去除效果
目前，传统砂滤池在面对含高有机物的微污染水源，已经无法满足饮用水水质标准的要求。波涛净水通过活性滤池和普通快滤池对稳定性微污染地表水去除效果的对比，得出活性滤池对CODMn的去除率比普通快滤池高10%左右。活性滤池对有机物的去除在运行初期主要依靠活性炭的吸附作用，后期则主要依靠滤池内微生物的降解作用。一般来说常规处理去除的有机物主要是分子量>10KDa有机物，对小分子有机物的去除作用较小，而活性炭主要吸附中小分子有机物，生物作用则对小分子有机物有良好的去除作用。
2.3高效去除氨氮和亚硝酸盐氮
目前国内地表饮用水水源中氨氮超标情况比较普遍，出厂水中过多氨氮会引起饮用水生物稳定性差、亚硝酸盐偏高、耗氯量大和嗅味等问题。活性滤池由于滤料生物膜中的亚硝酸菌、硝化菌作用，可有效去除原水中的氨氮和亚硝酸盐氮，提高了出水健康性。对比试验研究表明：滤池进水氨氮高达2.00mg/L时，活性滤池去除率为67%，砂滤池仅为40%。因此活性滤池在对于氨氮和亚硝酸盐氮的去除方面明显优于其它滤池工艺。
2.4消除藻及嗅味物质
研究发现，当原水藻量较大时，蓝藻中的梭线藻、胶鞘藻、鱼腥藻、颤藻、篮纤维藻等是主要的致嗅藻种。藻类致嗅物质浓度较低，一般小于10ng/L，虽对人畜的健康危害不大，但气味强烈，仅需很少数量即可改变水的正常气味。传统的去除工艺对藻类和嗅味基本没有去除效果。研究表明，活性滤池处理高藻原水效果比较理想，出水藻总数为4.30×105个/L，总去除率为95.1%，出水叶绿素a为0.88μg/L，总去除率为92.2%。
2.5有效控制残余铝
饮用水处理常用铝盐混凝剂，出水中一般都有一定量的残留铝存在。铝是一种导致神经中毒的物质，铝在血液中的长期积累会导致严重脑部疾病，使人痴呆、神经错乱。研究表明饮用水中的残余铝对人体血液中的铝的贡献大。活性滤池一方面通过去除水中微絮体来去除水中不溶性残留铝，另一方面通过活性炭吸附作用可以去除一部分溶解性残留铝，据报道活性滤池对残余铝的去除率高达90%。
2.6可靠的微生物健康性
活性炭生物滤池在运行时会出现微生物泄漏问题，而且当微生物与破碎的活性炭颗粒一起泄漏时可能会对后续的消毒产生很大的抗性，从而导致其出水的生物健康受到威胁。生物活性炭滤池的出水中大肠杆菌的含量很高，甚至高达7300个/L。但是国内研究发现，活性滤池对微生物有很好的去除效果，其出水未出现细菌放大现象。这可能是因为活性滤池中石英砂滤料对微生物的截留效果。
3、活性滤池运行影响因素分析
当活性滤池调试运行稳定以后，主要通过其中微生物的生物降解作用来去除水中污物，因此影响微生物量和微生物活性的因素就会成为滤池稳定运行的主要因素，具体情况分析如下。
3.1温度
由于炭砂滤池对氨氮和亚硝酸盐氮的去除主要是通过微生物作用实现，根据微生物的酶促反应原理，温度会影响微生物的活性和新陈代谢能力，温度越低则活性越小、代谢越慢；而水温的变化会引起水粘性系数的变化从而改变基质的传质速率，处理效果也会受到影响，因此活性炭/石英砂滤池对有机物和氨氮的去除效果也会降低。
3.2反冲洗
反冲洗时不可避免的会对活性炭层中活性炭上的生物膜造成破坏，会影响生物的总量。但损伤的主要是活性较弱的表层悬浮菌，对滤池的运行不会产生太大的影响，且这些生物量会在一定时间内得到恢复。
3.3预氧化
研究表明颗粒性活性炭可以在其表面与前端预氧化残留的游离氯二氧化氯、臭氧等氧化剂发生反应。这就造成了在活性滤池中表层活性炭中生物量少但却消除了预氧化后产生的残留预氧化剂对下层微生物的灭活作用。但是如果长期有残留的预氧化剂进人活性炭/石英砂滤池中就会使表层活性炭的结构发生恶化，不利于滤池的长期运行，因此应该尽量控制预氧化剂的投加量，避免残留预氧化剂进人后续滤池。
4、活性滤池研究发展前景
活性滤池的净化效果比单层滤料好，可减少反冲洗次数，降低反冲洗强度。目前在瑞士、日本、美国等国家，都有活性炭/石英砂滤池这种过滤方式。如瑞士的苏黎世某水厂，有12个活性炭吸附池，每个池子面积为44m2，其池内下层有粒径为0.7~1.0mm的石英砂0.5m厚，上层为匹兹堡F400炭层1.2m厚，全年产水量4000万m3；苏联秋明水厂用上层为1.2m厚活性炭的活性滤池去除嗅味及有机物。
目前在国内针对活性炭/石英砂滤池去除污物的机理研究较少，并大多停留在运行影响因素和效果等方面，应用案例也很少见，现阶段大面积推广困难不少，需要进一步加强研究。
4.1微生物特性研究
在活性炭/石英砂滤池中微生物的作用尤为重要，它直接关系到滤池对氨氮和有机物的去除效果，同时还与滤池出水健康性有很大关系。有研究指出，生物活性炭表面的微生物活动对活性炭起到了生物再生作用，其比例达到20~24%。这就要借助电子显微镜技术和分子生物学手段对活性滤池中的微生物的特性进行更加细微的研究，以探究活性滤池去除氨氮和有机物等污物的机理，更好地利用微生物去除污染物，同时控制好微生物的毒害作用，减少微生物引起的出水健康问题。
4.2滤料研究
在活性滤池中滤料的级配也是很关键的一个因素，活性滤池在反冲洗时会出现上层活性炭因为反冲洗跑掉的现象，这就要对活性滤池中两种滤料的粒径进行进一步的研究，以确定较佳的粒径级配从而减少跑炭现象，提高滤池对污物的去除效果。
4.3组合工艺应用研究
随着水体污染的日趋严重，单纯的改变其中一个单体工艺已经无法满足新的水质标准。因为活性滤池是在传统普快滤池的基础上进行的改进，这就对其滤层的厚度有了很大的限制，同时由于滤料的特性使得活性滤池对污染物的去除能力有限。在突发性水源水污染出现时，这个问题尤为突出。这就需要活性滤池与别的新型工艺进行组合来更好地去除水中污物以达到新国标的要求，如针对高浓度易吸附有机物的污染，宜采用粉状活性炭和炭砂滤池组合工艺；针对高浓度氨氮污染，可采用曝气和炭砂滤池组合工艺。
5、结束语
活性滤池是一种将常规过滤、颗粒活性炭吸附与生物膜氧化技术相结合的新型过滤工艺。它不仅和传统滤池工艺一样对浊度有很好去除效果，而且对我国现阶段微污染水源水中有机物、氨氮的去除效果也很明显，与其它新型工艺组合还可以提高滤池的适用范围。活性滤池是在传统普通快滤池的基础上进行改造，基建投入和运行成本低廉，非常适合现有常规工艺水厂的提标改造。