摘要：大批量生產的煤質顆粒活性炭從生產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，而國內在自來水深度處理中應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。目前根據活性炭質量標準、靜態吸附、動態吸附柱等進行活性炭選擇均有一定的局限性，應建立一套切實可行的活性炭選擇評價體系，為活性炭的生產與應用提供指導。

活性炭根據生產原料可分為木質活性炭、果殼活性炭和煤質活性炭等，根據活化劑可分為物理法活性炭和化學法活性炭，根據形狀可分為粉狀活性炭和粒狀活性炭。木質活性炭和果殼活性炭由于原料缺乏，生產受到限制；煤質活性炭由于煤的品種多、資源豐富、來源及質量穩定，價格也便宜，發展迅速，約占我國活性炭生產總產量的70%，主要用于城市供水凈水、污水處理和氣體凈化等領域。國內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顆粒活性炭。

1 煤質顥粒活性炭生產

1.1 原料煤

根據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性的不同，煤可分為：泥煤褐煤、煙煤無煙煤。

活性炭產品的性能主要取決于生產原料性質和生產工藝。選擇生產煤質活性炭的原料時，須考慮煤的灰分、揮發分、固定碳含量和粘結性等因素。一般可根據活性炭產品對吸附性能及孔結構的要求選擇活性炭生產用原料煤，其中主要是灰分，生產優良活性炭，煤的灰分應在3%~5%，生產一般活性炭煤的灰分應在4%~10%。

我國目前用于生產煤質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、微孔發達、吸附性能好，弱粘煤制備的活性炭具有成本低、工藝簡單、孔隙范圍寬等優點，近年來新開發的用低階長焰煤、褐煤制備的活性炭則具有孔容積大、中孔發達等特點，在吸附大分子化合物方面具有獨特優勢。我國活性炭生產中心基本在原料煤產地，具有代表性和特色是寧廈回族自治區和山西省大同市，目前已建成100多家活性炭廠，年生產能力近20萬噸，約占國內煤質活性炭產量的90%，其中，約80%出口。

1.2 生產工藝

我國目前大批量生產的煤質顆粒活性炭從生產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用原料煤要求低灰分、熱穩定性好和成孔性好，生產主要集中在山西大同、太原地區，以山西大同的弱粘煙煤為原料，煤質穩定，產量大，生產工藝如圖1。

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

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

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

我國在上世紀80年代從國外引進了壓塊成型設備，但由于我國現有開發的煤田中沒有適合壓塊活性炭生產用的原料煤，而目前較好解決壓塊活性炭原料的配煤技術又會導致產品質量不穩定和生產成本高等問題，限制了我國的壓塊活性炭生產和應用，而國外自來水凈化主要采用壓塊破碎活性炭。

活性炭生產過程中都需要經過炭化、活化工藝。炭化主要是將活性炭中的揮發份和焦油通過高溫燃燒去除，使其形成二次孔隙結構并賦予能經受活化的強度，炭化結果好壞直接影響活性炭的質量。

活化是利用氣體進行炭的氧化反應，使炭化物的表面受到侵蝕，其細孔結構更加發達的過程，一般用高溫蒸汽活化。活化是制造活性炭的關鍵步驟，將決定活性炭的碘值、亞甲藍、孔徑分布、強度等參數。

2 煤質顆粒活性炭的應用

2.1 指標與性能

各國對活性炭都訂有質量標準，標準中對活性炭的碘吸附值、亞甲藍吸附值、粒度、機械強度、裝填密度以及pH值及所含重金屬等都有規定。

活性炭生產廠家根據客戶的需求在長期生產經營過程中均形成了不同的碘吸附值、亞甲藍吸附值和粒徑等不同規格的產品，就不規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、亞甲藍大于200mg/g，碘值950mg/g、亞甲藍180mg/g，碘值900mg/g、亞甲藍160mg/g，粒徑有1.5mm、3.0mm等，以上所列規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，生產工藝簡單、價格便宜，以中、大孔發達為主，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，以微孔發達為主，多用于氣相吸附，強度高，在水處理方面性能略遜于原煤破碎炭，但再生得率高，可達90%；

柱狀破碎活性炭是將柱狀炭進行破碎篩分而得到的。目前，國內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，生產的活性炭具有吸附性能好，強度高，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，但活性炭的強度則越低；活性炭的粒徑主要由破碎、篩分決定。

2.2 應用實例

目前水廠采用活性炭處理水的實例尚不多。桐鄉市果園橋水廠對多種活性炭進行了對比，工程實施中采用了兩種煤質活性炭，生物活性炭濾池規模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，活性炭主要參數見表1。

表1 浙江桐鄉市果園橋水廠煤質顆粒活性炭參數

規格	碘值（mg/g）	亞甲基蘭值（mg/g）	裝填密度（g/L）	強度（%）	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模10萬m³/d，活性炭濾池濾層厚度2m，采用不定型煤質破碎炭，碘值大于1000mg/g，亞甲藍值大于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模1萬m²/d，采用不定型煤質破碎炭，碘值1087mg/g，亞甲藍值266mg/g，強度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。采用柱狀煤質炭，粒徑為1.5mm，長2~3mm，碘值大于900mg/g，亞甲藍值大于200mg/g；

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

可見各家所選活性炭的質量不盡相同，很難判別何者為優。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

煤質顆粒活性炭GB/T7707.4-1997，其中規定了碘值、亞甲基藍、比表面積等一系列指標值，但即使活性炭這些指標值達到標準要求，在凈水中并不一定就能達到好的效果；靜態吸附試驗，通過測定幾個具有代表性的吸附指標，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實際運行效果；活性炭動態吸附試驗，即活性炭濾柱動態吸附試驗，通過分析活性炭柱出水指標，比較各種活性炭的吸附性能，具有較強的針對性，可針對不同的活性炭品種、吸附性能如碘值、亞甲基藍值、腐殖酸吸附量等，機械性能如強度、有效粒徑等，結構性能如比表面積、總孔容以及不同孔徑的孔容積分布等與活性炭出水水質相關性進行系統研究，建立活性炭的選擇評價體系。

活性炭選擇評價首先應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要求，碘值、亞甲藍值，機械強度都高的炭，然后再通過動態試驗來評定。

無論是用作吸附用炭還是作為生物氧化用吸附炭都應通過動態試驗選定：動態試驗可用幾只直徑50~200mm的有機玻璃管，長度可為1000~2000mm，裝人待選用的炭700mm~1400mm，按設計過濾速度過濾，定時測定出水的COD_mn，以去除率為縱座標，時間為橫座標作圖，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點對橫座標的垂線交橫座標于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械強度，也與再生工藝有關。

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

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

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物，且吸附周期長。高溫加熱再生法通常經過850℃高溫加熱，使吸附在活性炭上的有機物經碳化、活化后達到再生目的，吸附恢復率高、且再生效果穩定。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。

國內目前臭氧生物活性炭深度處理工藝處于起步階段，大規模應用的水廠并不多，活性炭生產企業和應用企業均缺乏對活性炭再生的長遠考慮。但隨著我國臭氧生物活性炭工藝在凈水廠應用的日益廣泛，活性炭應用和生產企業須考慮“飽和活性炭”的再生或資源化問題，以降低水處理成本、保護資源，促進活性炭生產與應用走可持續發展的道路。凈水用活性炭生產、再生以及技術服務在我國將有廣闊的市場發展前景。