摘要：大批量生產(chǎn)的煤質(zhì)顆粒活性炭從生產(chǎn)工藝總體上分成四種，即原煤破碎活性炭，柱狀活性炭和柱狀破碎活性炭、壓塊破碎活性炭，而國內(nèi)在自來水深度處理中應(yīng)用的主要是原煤破碎活性炭、柱狀活性炭和柱狀破碎活性炭。“飽和”活性炭的再生或資源化問題還沒有引起足夠的重視。目前根據(jù)活性炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、靜態(tài)吸附、動態(tài)吸附柱等進(jìn)行活性炭選擇均有一定的局限性，應(yīng)建立一套切實可行的活性炭選擇評價體系，為活性炭的生產(chǎn)與應(yīng)用提供指導(dǎo)。

活性炭根據(jù)生產(chǎn)原料可分為木質(zhì)活性炭、果殼活性炭和煤質(zhì)活性炭等，根據(jù)活化劑可分為物理法活性炭和化學(xué)法活性炭，根據(jù)形狀可分為粉狀活性炭和粒狀活性炭。木質(zhì)活性炭和果殼活性炭由于原料缺乏，生產(chǎn)受到限制；煤質(zhì)活性炭由于煤的品種多、資源豐富、來源及質(zhì)量穩(wěn)定，價格也便宜，發(fā)展迅速，約占我國活性炭生產(chǎn)總產(chǎn)量的70%，主要用于城市供水凈水、污水處理和氣體凈化等領(lǐng)域。國內(nèi)目前用于自來水廠深度處理的臭氧生物活性炭工藝則基本上選用煤質(zhì)顆粒活性炭。

1 煤質(zhì)顥粒活性炭生產(chǎn)

1.1 原料煤

根據(jù)原生植物的生成年代和成煤過程、煤的灰分含量碳含量和粘結(jié)性的不同，煤可分為：泥煤褐煤、煙煤無煙煤。

活性炭產(chǎn)品的性能主要取決于生產(chǎn)原料性質(zhì)和生產(chǎn)工藝。選擇生產(chǎn)煤質(zhì)活性炭的原料時，須考慮煤的灰分、揮發(fā)分、固定碳含量和粘結(jié)性等因素。一般可根據(jù)活性炭產(chǎn)品對吸附性能及孔結(jié)構(gòu)的要求選擇活性炭生產(chǎn)用原料煤，其中主要是灰分，生產(chǎn)優(yōu)良活性炭，煤的灰分應(yīng)在3%~5%，生產(chǎn)一般活性炭煤的灰分應(yīng)在4%~10%。

我國目前用于生產(chǎn)煤質(zhì)活性炭的原料煤主要是無煙煤、弱粘煤和一部分低階長焰煤、褐煤。這幾種煤制備的活性炭在吸附性能上各具特色。無煙煤制備的活性炭低灰、微孔發(fā)達(dá)、吸附性能好，弱粘煤制備的活性炭具有成本低、工藝簡單、孔隙范圍寬等優(yōu)點，近年來新開發(fā)的用低階長焰煤、褐煤制備的活性炭則具有孔容積大、中孔發(fā)達(dá)等特點，在吸附大分子化合物方面具有獨特優(yōu)勢。我國活性炭生產(chǎn)中心基本在原料煤產(chǎn)地，具有代表性和特色是寧廈回族自治區(qū)和山西省大同市，目前已建成100多家活性炭廠，年生產(chǎn)能力近20萬噸，約占國內(nèi)煤質(zhì)活性炭產(chǎn)量的90%，其中，約80%出口。

1.2 生產(chǎn)工藝

我國目前大批量生產(chǎn)的煤質(zhì)顆粒活性炭從生產(chǎn)工藝總體上分成四種，即原煤破碎活性炭、壓塊破碎活性炭、柱狀活性炭和柱狀破碎活性炭等。

原煤破碎活性炭對生產(chǎn)用原料煤要求低灰分、熱穩(wěn)定性好和成孔性好，生產(chǎn)主要集中在山西大同、太原地區(qū)，以山西大同的弱粘煙煤為原料，煤質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)量大，生產(chǎn)工藝如圖1。

柱狀活性炭生產(chǎn)工藝如圖2，其外形為圓柱狀，具有不同的直徑規(guī)格，在生產(chǎn)工藝上增加一臺液壓成型機(jī)，具有代表性的是以寧廈的太西無煙煤為原料，加工成具有規(guī)則形狀的顆粒活性炭。

柱狀破碎活性炭生產(chǎn)工藝如圖3，是在柱狀活性炭的基礎(chǔ)上再破碎，并按顆粒大小篩分而成的，這兩種活性炭生產(chǎn)主要集中在寧廈石嘴山和銀川地區(qū)。

壓塊破碎活性炭具有很好的吸附性能及孔隙的均勻性，在目前活性炭生產(chǎn)中其生產(chǎn)工藝較為先進(jìn)如圖4，是未來生產(chǎn)活性炭的發(fā)展方向。

我國在上世紀(jì)80年代從國外引進(jìn)了壓塊成型設(shè)備，但由于我國現(xiàn)有開發(fā)的煤田中沒有適合壓塊活性炭生產(chǎn)用的原料煤，而目前較好解決壓塊活性炭原料的配煤技術(shù)又會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定和生產(chǎn)成本高等問題，限制了我國的壓塊活性炭生產(chǎn)和應(yīng)用，而國外自來水凈化主要采用壓塊破碎活性炭。

活性炭生產(chǎn)過程中都需要經(jīng)過炭化、活化工藝。炭化主要是將活性炭中的揮發(fā)份和焦油通過高溫燃燒去除，使其形成二次孔隙結(jié)構(gòu)并賦予能經(jīng)受活化的強(qiáng)度，炭化結(jié)果好壞直接影響活性炭的質(zhì)量。

活化是利用氣體進(jìn)行炭的氧化反應(yīng)，使炭化物的表面受到侵蝕，其細(xì)孔結(jié)構(gòu)更加發(fā)達(dá)的過程，一般用高溫蒸汽活化。活化是制造活性炭的關(guān)鍵步驟，將決定活性炭的碘值、亞甲藍(lán)、孔徑分布、強(qiáng)度等參數(shù)。

2 煤質(zhì)顆粒活性炭的應(yīng)用

2.1 指標(biāo)與性能

各國對活性炭都訂有質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中對活性炭的碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值、粒度、機(jī)械強(qiáng)度、裝填密度以及pH值及所含重金屬等都有規(guī)定。

活性炭生產(chǎn)廠家根據(jù)客戶的需求在長期生產(chǎn)經(jīng)營過程中均形成了不同的碘吸附值、亞甲藍(lán)吸附值和粒徑等不同規(guī)格的產(chǎn)品，就不規(guī)則形顆粒活性炭而言，碘值有1050、1035、1000、950、900、850mg/g，粒徑有8×30、8×20、12×40目；就柱狀炭而言，碘值有大于1000mg/g、亞甲藍(lán)大于200mg/g，碘值950mg/g、亞甲藍(lán)180mg/g，碘值900mg/g、亞甲藍(lán)160mg/g，粒徑有1.5mm、3.0mm等，以上所列規(guī)格的活性炭在我國自來水廠中均有過使用，此外活性炭的漂浮率、灰分、堆重和強(qiáng)度等也是要考慮的重要因素。

原煤破碎活性炭柱狀活性炭、柱狀破碎活性炭和壓塊破碎活性炭，各有自己的特點。

原煤破碎活性炭，生產(chǎn)工藝簡單、價格便宜，以中、大孔發(fā)達(dá)為主，便于掛生物膜，初次使用性能不錯，但再生得率差，僅為70%左右；

柱狀活性炭表面致密，以微孔發(fā)達(dá)為主，多用于氣相吸附，強(qiáng)度高，在水處理方面性能略遜于原煤破碎炭，但再生得率高，可達(dá)90%；

柱狀破碎活性炭是將柱狀炭進(jìn)行破碎篩分而得到的。目前，國內(nèi)原煤破碎活性炭和柱狀破碎活性炭價格在5000~6000元/t，柱狀活性炭在4000~5000元/t；

壓塊破碎活性炭，采用配煤、磨粉、壓塊工藝，生產(chǎn)的活性炭具有吸附性能好，強(qiáng)度高，孔隙均勻等特點，但是價格相對比較昂貴，7000~8000元/t。

活性炭應(yīng)用于水深度處理工藝中并不是吸附碘值越高越好，而是需要對活性炭性能有一個綜合的評估。活性炭的碘值及強(qiáng)度主要由炭化料在活化爐中活化時間的長短所決定，活化時間是決定活性炭生產(chǎn)成本的一個重要因素，活化時間長，碘吸附值越高，但活性炭的強(qiáng)度則越低；活性炭的粒徑主要由破碎、篩分決定。

2.2 應(yīng)用實例

目前水廠采用活性炭處理水的實例尚不多。桐鄉(xiāng)市果園橋水廠對多種活性炭進(jìn)行了對比，工程實施中采用了兩種煤質(zhì)活性炭，生物活性炭濾池規(guī)模8萬m³/d，共10格，其中7格濾池采用1.5mm柱狀炭，另外3格采用8×30目破碎炭，活性炭主要參數(shù)見表1。

表1 浙江桐鄉(xiāng)市果園橋水廠煤質(zhì)顆粒活性炭參數(shù)

規(guī)格	碘值（mg/g）	亞甲基蘭值（mg/g）	裝填密度（g/L）	強(qiáng)度（%）	水分（%）	灰分（%）
8×30目破碎炭	1066.6	256.1	494	96.5	0.78	9.65
1.5mm柱狀炭	1025.0	205.0	446	95.2	0.39	7.78

杭州南星橋水廠生物活性炭濾池規(guī)模10萬m³/d，活性炭濾池濾層厚度2m，采用不定型煤質(zhì)破碎炭，碘值大于1000mg/g，亞甲藍(lán)值大于200mg/g，有效粒徑0.65~0.75mm；

上海周家渡水廠生物活性炭濾池規(guī)模1萬m²/d，采用不定型煤質(zhì)破碎炭，碘值1087mg/g，亞甲藍(lán)值266mg/g，強(qiáng)度90.7%，裝填密度475g/L，有效粒徑0.50~0.70mm；

深圳梅林水廠生物活性炭濾池60m萬³/d，EBCT采用12min，炭床厚度采用2.0m，濾速為10m/h。采用柱狀煤質(zhì)炭，粒徑為1.5mm，長2~3mm，碘值大于900mg/g，亞甲藍(lán)值大于200mg/g；

深圳筆架山水廠生物活性炭濾池52萬m³/d，采用柱狀煤質(zhì)炭，直徑為1.5mm，長2~3mm，碘值大于900mg/g，亞甲藍(lán)值大于200mg/g。

可見各家所選活性炭的質(zhì)量不盡相同，很難判別何者為優(yōu)。為此建立凈水用顆粒活性炭選擇評價體系十分必要。

2.3 凈水用顆粒活性炭選擇的評價體系

煤質(zhì)顆粒活性炭GB/T7707.4-1997，其中規(guī)定了碘值、亞甲基藍(lán)、比表面積等一系列指標(biāo)值，但即使活性炭這些指標(biāo)值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，在凈水中并不一定就能達(dá)到好的效果；靜態(tài)吸附試驗，通過測定幾個具有代表性的吸附指標(biāo)，來反映活性炭的吸附性能，但針對性較差，不能完全反映活性炭動態(tài)實際運行效果；活性炭動態(tài)吸附試驗，即活性炭濾柱動態(tài)吸附試驗，通過分析活性炭柱出水指標(biāo)，比較各種活性炭的吸附性能，具有較強(qiáng)的針對性，可針對不同的活性炭品種、吸附性能如碘值、亞甲基藍(lán)值、腐殖酸吸附量等，機(jī)械性能如強(qiáng)度、有效粒徑等，結(jié)構(gòu)性能如比表面積、總孔容以及不同孔徑的孔容積分布等與活性炭出水水質(zhì)相關(guān)性進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立活性炭的選擇評價體系。

活性炭選擇評價首先應(yīng)明確所選活性炭的用途：作為吸附炭，還是作為生物炭但是無論何種用途都應(yīng)要求，碘值、亞甲藍(lán)值，機(jī)械強(qiáng)度都高的炭，然后再通過動態(tài)試驗來評定。

無論是用作吸附用炭還是作為生物氧化用吸附炭都應(yīng)通過動態(tài)試驗選定：動態(tài)試驗可用幾只直徑50~200mm的有機(jī)玻璃管，長度可為1000~2000mm，裝人待選用的炭700mm~1400mm，按設(shè)計過濾速度過濾，定時測定出水的COD_mn，以去除率為縱座標(biāo)，時間為橫座標(biāo)作圖，如圖1。開始時去除率高，隨過濾時間增加，AB線下垂，直至差不多平行于橫座標(biāo)的直線CD，AB段基本，上為活性炭吸附曲線，CD段為生物氧化分解曲線；BC為過渡段。作AB及CD的延線交于P點，作P點及C點對橫座標(biāo)的垂線交橫座標(biāo)于P'點和C'點，則可獲得ta和hb值，對于每一個炭樣有一對ta與hb值，則應(yīng)選用ta與hb值都比較大的炭為宜，至于活性炭的再生得率一方面決定于原炭的機(jī)械強(qiáng)度，也與再生工藝有關(guān)。

以上選炭方法是波濤活性炭廠家提出的參考性意見，希望使用活性炭的同行共同建立一個完善的活性炭評價體系。

3 活性炭的再生

水處理產(chǎn)生的大量“飽和炭”，不經(jīng)處理直接廢棄，必將提高水處理的成本、造成資源浪費和環(huán)境污染。活性炭再生已成為活性炭生產(chǎn)和使用技術(shù)中的重要組成部分。近年來，世界上主要活性炭生產(chǎn)國如美國、日本和西歐等都已經(jīng)將著眼點轉(zhuǎn)向活炭性再生機(jī)理的研究和新的再生技術(shù)的開發(fā)。活性炭再生是指用物理或化學(xué)方法在不破壞活性炭原有結(jié)構(gòu)的前提下，去除吸附于活性炭孔隙中的各種污染物，恢復(fù)其大部分吸附性能，達(dá)到重復(fù)使用目的。

活性炭再生工藝分為加熱再生法、生物再生法、藥劑再生法、電化學(xué)再生法、超臨界萃取再生法和微波輻射再生法等。在水處理中，活性炭吸附的多為熱分解型和難脫附型有機(jī)物，且吸附周期長。高溫加熱再生法通常經(jīng)過850℃高溫加熱，使吸附在活性炭上的有機(jī)物經(jīng)碳化、活化后達(dá)到再生目的，吸附恢復(fù)率高、且再生效果穩(wěn)定。因此，對用于水處理的活性炭的再生，普遍采用高溫加熱再生法。

國內(nèi)目前臭氧生物活性炭深度處理工藝處于起步階段，大規(guī)模應(yīng)用的水廠并不多，活性炭生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)均缺乏對活性炭再生的長遠(yuǎn)考慮。但隨著我國臭氧生物活性炭工藝在凈水廠應(yīng)用的日益廣泛，活性炭應(yīng)用和生產(chǎn)企業(yè)須考慮“飽和活性炭”的再生或資源化問題，以降低水處理成本、保護(hù)資源，促進(jìn)活性炭生產(chǎn)與應(yīng)用走可持續(xù)發(fā)展的道路。凈水用活性炭生產(chǎn)、再生以及技術(shù)服務(wù)在我國將有廣闊的市場發(fā)展前景。