N / Ay 
Gary Van Stone，Daniel R. Brooks和Joel S. Neulight 
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主要贡献者
Ed Ford，Robinson Township Municipal Authority 
Kevin Walsh，康涅狄格水务公司
Teresa Trott，奥古斯塔水区
Bill McCarthy，马萨诸塞州劳伦斯市

介绍：

颗粒活性炭（GAC）通常用作许多地表水处理厂中的吸附介质。然而，大多数植物也依赖于GAC来提供有效的过滤，因为减少浊度是维持所需水质的基本要素。GAC通常与砂和砾石一起使用，在用作过滤介质时提供许多额外的好处。这些益处来自GAC的吸附性质，而不是其他过滤介质。

正确应用GAC对于获得所需性能至关重要。对于过滤性能，网眼尺寸，制造技术和起始材料起着最大的作用。重新团聚的烟煤基GAC为其优异的强度，更高的密度和耐磨性提供了共同的选择。不同的颗粒尺寸各自具有取决于应用的特定生态位。

使用GAC

自水处理厂开始以来，用作饮用水的地表水的过滤已经是常见的做法。最早的设计采用了沙子和砾石的组合，可以大大降低水中的浊度。传统的处理方法采用流入原水的化学混凝，将大部分沉积物沉淀在澄清池中，通过砂/砾石介质过滤，用氯处理并分配给客户。

在20世纪60年代，对水质的日益重视促进了颗粒活性炭（GAC）与其他介质一起使用，以促进味道和引起气味的化合物的吸附。除去味道和气味化合物外，GAC还提供去除其他有机化合物的方法。例如，在地下水处理中，通常可以使用GAC有效地去除人造污染物。对于地表水和地下水，这在考虑某些化合物（如农药）的健康影响时具有重要意义。

除了GAC吸附效益的重要性之外，过滤效益也很显着，因为GAC具有高效过滤介质的双重作用。由于GAC颗粒通常比传统的砂介质更大，因此需要考虑设计和性能，以便在地表水厂中正确使用GAC的优势。

GAC的粒度通常通过其网眼尺寸来描述。行业标准使用US Sieve名称来表示粒度。该名称表示两种筛子尺寸，其描述了大部分材料的最大尺寸和最小尺寸。例如，12x40网格GAC表示大部分材料将通过12目筛网落下，但保留在40目筛网上。

最初，12x40网格GAC是标准，因为这个尺寸最接近沙子的有效尺寸。为了保持过滤性能但减少水头损失，引入了8x30产品。这允许更高的过滤速率，并且仍然是供应给市政饮用水市场的最大类型的GAC。这种向更大网格尺寸的转变促使开发了更大的GAC产品，例如8x16和8x20产品。这些成为直接过滤设备中的高效解决方案，因为它们允许更深的床和更高的过滤速率以及可接受的水头损失。

制造过程 - 重新集聚与直接激活

煤是GAC最常见的原料，三原则是烟煤，次烟煤或褐煤。起始材料的选择极大地影响成品的质量，因为它涉及吸附和过滤参数。同样重要的是制造过程本身，它是一个重新集聚过程或直接激活过程。

用于制造活性炭的再附聚过程包括以下步骤：

1）将高等级冶金煤粉碎成约50微米大小的粉末。
2）添加煤焦油或石油基粘合剂。
3）在几吨压力下将产物再团聚成团块。
4）将压块压碎至所需的尺寸。
5）在受控气氛中，在高达800 oF的温度下烘烤碳以去除VOC。
6）最后，通过在受控气氛中将碳暴露于接近1900°F的温度来热活化碳。

重新聚集的替代方案是直接活化，其跳过初始步骤并直接进行破碎，施胶，烘烤和活化。由于必须从外部完全激活相对较大的颗粒，直接活化会在颗粒的外壳上产生具有高表面活性的颗粒，并且颗粒中心的表面积很小。这与再附聚过程形成对比，后者产生大量均匀分布在整个颗粒中的人造毛孔。然后可以通过高温活化获得单独的粉末颗粒，因此可以发生更均匀的活化。

这两种不同的激活过程产生具有不同性能特征的GAC。再附聚过程产生的活性炭密度更大，耐磨性更强。此外，添加人造孔隙和再附聚颗粒的良好分布活性允许在许多应用中增加吸附性能。

GAC描述和规格：

最初将水过滤器中的GAC反洗以分离颗粒。在此反洗后，最小的颗粒将位于过滤器的顶部，最大的颗粒位于底部。通过两个参数进一步描述粒度分布：有效尺寸和均匀系数（表2）。有效尺寸通常以（mm）为单位测量，并等于最小10％GAC颗粒的直径。从机械观点来看，过滤器顶部的GAC颗粒的大小与压降和过滤效率有关。颗粒越小，压降越高，过滤效率越高。

均匀系数是无量纲值，表示GAC的均匀度。值（1）表示所有粒子的大小相同，较大的值与较高的变异程度有关。AWWA标准B604-96特别定义了均匀系数如下：“尺寸开口的比例，该尺寸开口将通过过滤材料的代表性样品的60％除以刚刚通过相同样品的10％的开口。”

以g / cc为单位测量的密度决定了占据特定过滤器体积所需的碳量。出于若干原因，较高密度的GAC是优选的。首先，高密度GAC产品具有更多的碳结构。此外，更密集的产品表明，对于每立方英尺的体积，可以安装更多的GAC。更致密的材料还提供更强的材料，能够更好地承受频繁的反洗。由于最初仅用于过滤的过滤器有限的空间，这变得至关重要。与褐煤和次烟煤替代品相比，基于烟煤的GAC提供了更密集的材料。

磨损数量定义了GAC的耐磨性，数值越大表示阻力越大。该参数在市政饮用水应用中很重要，因为常规反冲洗的严格性可能会迅速降低较软的GAC。当GAC用于过滤，吸附和作为生物支持介质时，这种益处甚至更加明显，因为需要更频繁地进行反洗。如此测量所示，烟煤基GAC提供最大的耐磨性。

GAC在公共水处理中的设计考虑

用于地表水处理的GAC的量必须提供与水的足够接触时间以促进吸附并提供足够的床深度以允许适当的过滤。GAC的吸附和过滤性能均与粒径密切相关。

As previously stated, a smaller particle size provides a higher degree of filtration. In addition, the deeper the GAC bed, the greater the filtration ability of the filter. One would think that the optimum solution for filtration would be a very deep bed of very fine particles. This does not, however, take into account the increased pressure loss associated with this approach. Certainly, the preferred solution would be the selection of bed depth and media size that provides sufficient filtration at a minimal head loss across the bed. This relationship between bed depth, particle size and filtration efficiency can be best expressed by the ratio: (depth of media)/(effective size of filter media), or L/de. Based upon the specific requirements of the application, we can look to maintain empirically derived ratio guideline (Kawamura, 1991):

用于聚合物作为助滤剂的双介质床的最小值  
L / de> 1,000

推荐用于含有聚合物作为助滤剂的双介质床  
1,200> L / de> 1,500

不含聚合物作为助滤剂的双介质床的最小值  
L / de> 1,500

挑战沃特世  
L / de> 1,800

L =介质深度
de =过滤介质的有效尺寸

典型的地表水处理系统需要通过GAC床的重力流速。浅层过滤器中的最大流速通常在2-3 gpm / ft2范围内，但可以超过9 gpm / ft2，特别是对于深床单中心过滤器。操作流速需要为吸附和过滤提供预定的接触时间，同时足够快以保持设备的经济性。

由于过滤介质上过滤材料的积聚，需要定期进行反洗。反冲洗的常见触发因素是：a）通过浊度，颗粒计数或两者测量的出水水质，b）定时基础，或c）水头损失基础。操作员经验也对反洗循环的开始起了很大作用。

反冲洗包括离线过滤器和过滤介质床的侵蚀性逆流洗涤。虽然反冲洗的速度和持续时间取决于安装的具体情况，但有一些常见的做法。在利用表面清洗的设备中，通常以低速率反洗以允许表面清洗擦洗过滤器的顶部。然后将反洗速率增加至15-17gpm / ft 2，持续10-15分钟，以从过滤器中洗涤过滤的颗粒。

在深床过滤器和难以过滤的情况下，使用空气冲刷。通常，过滤器排放到过滤介质的表面。然后以4-10psf / ft 2的压力在4-10psi的压力下注入空气。允许空气从底部到顶部冲洗整个过滤器。完成后，关闭空气，将过滤器以15-17 gpm / ft2反洗10-15分钟，以清洗过滤器中所有去除的颗粒。

应该指出的是，当温度影响水的粘度时，必须调节反洗速率以补偿该温差。例如，如果水温为35 oF，则10 gpm / ft2的反洗速率将使8x30床膨胀22％。如果水温升至75 oF，这种反冲洗速率会使床层膨胀至仅10％。在随着水温升高的夏季，通常需要增加反洗速率以补偿这种粘度效应。

在反冲洗步骤中必须考虑与其他介质的兼容性。虽然有些过滤器是仅使用GAC的单一过滤器，但许多过滤器使用沙子和GAC的组合进行过滤。在反冲洗过程中，介质床将变为流化状态，如果不正确地注意砂与GAC的相容性，则会发生混合和无效的反冲洗。为了保持反洗兼容性，应遵循以下关系（Kawamura，1991）：

ESs X UCs ASGg - pw 2/3 
-------------- = ------------- 
ESg X UCg ASGs - pw

ES =有效尺寸
UC =均匀系数
ASG =表观比重
pw =水密度

GAC的经验

作为过滤和吸附介质，GAC已成为饮用水处理过程的重要组成部分。尽管采用了许多不同尺寸和类型的GAC，但迄今为止最常见的是基于沥青的8x30目GAC。事实证明，这可为大多数地表水应用提供有效的过滤性能。研究了四种利用烟煤基GAC的特定植物，以说明与网目尺寸相关的操作差异（表1）。

宾夕法尼亚州罗宾逊镇使用5个过滤器，其中包含24“沙子和24”8x30 GAC的组合。这被认为是浅层系统，因为总GAC深度小于36“。1999年2月初的平均进水浊度为.57 NTU（图1），过滤提供的废水水质为.022 NTU在此期间的流速保持在1.5加仑/平方英尺，反洗通常以100小时的间隔发生。在反洗之间的这段时间内，过滤器的水头损失通常从0.5英尺的水头损失上升到3.0英尺的水头损失。过滤颗粒的特写。如果水头损失达到7.0'，操作人员也会被指示清洗。在初始低速率反冲洗过程中使用表面清洗来擦洗过滤器的顶部。

劳伦斯，马萨诸塞州，像罗宾逊镇，也采用浅床过滤。然而，与罗宾逊镇不同，劳伦斯在10个过滤器中使用了33英寸的15英寸砾石上的12英尺小颗粒。马萨诸塞州劳伦斯市有四个工厂中最具挑战性的水域，平均进水浊度为1.01 NTU（图2）。在2 gpm / ft2的流速下，浊度有效地降低到.31NTU的平均流出物。该设施的反冲洗程序不使用空气冲刷或表面清洗。反冲洗本身包括快速增加反洗速率至15 gpm / ft2并保持8分钟。

Augusta，ME和CT，Chester举例说明了深床过滤。两种植物都使用8x16和8x20的较大颗粒。这需要使用更深的床来保持有效的过滤，如床深度48“和60”所示。与浅层床不同，两个装置都是monomedia，这是典型的深床过滤器。较深的床需要使用空气冲刷来有效地清洗滤床。

Augusta，ME由3个过滤器组成，含有60“8x16目碳，流速通常保持在2.5 gpm / ft2。对于这个过程，浊度，时间或水头损失会引发反冲洗。正常运行每72小时产生一次反洗循环。在此过程之前进行10分钟的空气冲洗，然后进行10分钟的低冲洗，8分钟的高冲洗和最后的低冲洗。当平均进水浊度从.29NTU降低时，浊度得到有效控制（图3）。在描述期间到.019 NTU。

康涅狄格州切斯特利用三个过滤器实现了有效的过滤，其中48英寸深度的8x20目碳，流速为1.9加仑/平方英尺。进水浊度平均为.40NTU，出水浊度平均为.1NTU（图4）。与奥古斯塔一样，切斯特需要进行空气冲刷并具有类似的反冲洗率。

同样重要的是要注意所有植物都使用每种不同类型的GAC实现了所需的过滤。必须正确评估每种类型和尺寸的GAC的过滤和吸附特性，以确保最佳的水质结果。当使用较小的网眼尺寸GAC（例如8x30和12x40）时，需要使用浅床以保持过滤器上可接受的压头损失。较大的网眼尺寸如8x16和8x20允许使用深床，但过滤颗粒的深度渗透需要在反洗之前进行初始空气冲刷步骤。

摘要

GAC的三种主要原料是烟煤，次烟煤和褐煤。有两种类型的制造工艺可以进一步定义GAC，即重新聚集或直接激活。重新团聚的基于烟煤的产品产生活性炭，其更致密，更耐磨，并且在整个颗粒中具有更均匀的活化。

有四种主要网目尺寸的碳可用于此应用; 8x30,12x40,8x16和8x20。在水头损失和过滤效率之间存在权衡，因为最小的颗粒产生最高的过滤效率以及最高的水头损失。因此，浅床设计使用8x30或12x40 GAC，而高速深床过滤器使用8x16或8x20过滤器。存在用于基于颗粒尺寸和流入水质确定床深度以及确保双介质过滤器中介质之间的相容性的特定设计比率。所讨论的四个工厂说明了沥青基GAC作为四种不同尺寸的过滤介质的有效应用。

除了吸附性能外，GAC还为地表水饮用工艺提供了有效过滤的额外好处。GAC作为吸附剂和过滤介质的这种双重功能允许更有效的过滤器设计，因为两种益处可以在相同的过滤器体积中使用。此外，GAC的过滤能力允许对目前使用其他过滤介质但仍希望使用GAC的吸附性能的现有植物进行适当的改造。