本文是雅可比公司几年前做的水处理活性炭研究，因为雅可比是椰壳活性炭的主要生产商，所以也意在尝试替代烟煤活性炭的水处理地位。
本文是2023年发布的，当时的椰壳活性炭价格尚可。但随着全球椰壳炭化料成本的翻倍，这一椰壳活性炭替代的路径彷佛又划上了问号？
以下为官方文件翻译内容，如需pdf版本的原文（德文），请私信联系。
作者：马库斯・克莱曼（WSW 能源与水务股份公司）& 布丽吉特・海斯特 - 古尔德博士（TZW：德国燃气与水工业协会（DVGW）水技术中心）
一、研究背景
在水厂的活性炭应用场景中，烟煤基（SK）活性炭向来被视为 “全能型产品”。与椰壳基（CC）活性炭相比，烟煤基活性炭在去除地表水与河岸渗滤水中的微量污染物方面，吸附容量优势显著（图1）。因此，伍珀塔尔市 WSW 能源与水务股份公司旗下的达布林豪森、赫布林豪森两座水库水厂，以及本拉特河岸渗滤水厂，数十年来均在固定床吸附装置中使用烟煤基活性炭（图2）。当活性炭吸附容量耗尽后，负载饱和的烟煤基活性炭会经热再生处理，作为再生炭重复投入使用。此前，再生过程中约15%的活性炭损耗，一直通过补充烟煤基新鲜炭来弥补。
图1 试验滤柱中椰壳基与烟煤基活性炭对河岸渗滤水中碘帕醇的穿透行为对比 试验条件：碘帕醇浓度 56 ng/L，溶解性有机碳（DOC）1.2 mg/L，滤速 8 m/h 数据来源：TZW
水厂投用新装填的烟煤基活性炭吸附塔时，会出现金属浸出现象。为使活性炭过滤单元的出水满足《饮用水条例》（TrinkwV）的水质要求，新装填的滤池在投运初期只能以较低通量运行。DVGW “铝 - 炭” 研究项目 [1] 已证实，初始出水中的铝浓度尤其与待处理水的缓冲能力相关。在 WSW 能源与水务股份公司的水库水厂中，活性炭滤池投运初期，除砷、锑外，铝浓度最高可达 0.3 mg/L。
2022 年烟煤基活性炭供应短缺，进一步推动了为本拉特河岸渗滤水厂寻找烟煤基活性炭替代方案的研究。
二、优化活性炭管理的基础与思路
基于上述现状，企业开始探索如何优化水库水厂与河岸渗滤水厂的活性炭使用方案。2019年起，WSW 能源与水务股份公司联合 DVGW 水技术中心（TZW），共同研发活性炭优化应用方案。双方首先梳理了多种思路并开展预试验验证，随后逐步推进规模化应用。研究基于以下核心事实：
·椰壳基活性炭无金属浸出问题 [1]
·椰壳基再生活性炭对全氟和多氟烷基物质（PFAS）的吸附容量远高于椰壳基新鲜炭[2]
·目前市场上已有高活化度椰壳基活性炭产品，与传统椰壳基新鲜炭相比，其介孔体积更大，吸附特性更接近烟煤基新鲜炭
基于上述事实，研究团队推导得出以下结论，并明确了研究方向：
·水库水厂改用椰壳基活性炭后，可省去漫长的投运磨合期
·需评估椰壳基再生炭、高活化度椰壳基活性炭，与现有烟煤基再生炭相比，对水厂水质控制关键指标的吸附性能差异
·另一种可行方案为：烟煤基再生炭每完成一次再生后，用椰壳基新鲜炭补充损耗量。预计该方案仅会小幅降低吸附容量，且铝浸出问题会随再生次数增加逐步减弱
此前，各水厂始终使用烟煤基再生活性炭，部分运行场景会补充新鲜炭，部分不补充。厂内再生装置的运行参数均针对所用炭型进行了优化。自厂内再生装置停运后，饱和活性炭均委托外部企业进行再生，因此不再强制限定使用烟煤基活性炭。
为评估不同替代方案的吸附性能，研究团队在各水厂站点搭建颗粒炭筛选试验台（GCS 试验台）[3] 开展基础测试。
图2 本拉特水厂活性炭滤池 数据来源：WSW 能源与水务股份公司
三、预研究结果
所有水厂均通过254nm波长光谱吸光度（SAK254 nm）指标，监控单台滤池的活性炭吸附容量。
图3 GCS 试验台中椰壳基与烟煤基新鲜炭、再生炭对 SAK 254 nm 的穿透曲线 试验条件：SAK254nm为 1.01/m数据来源：TZW 图例：椰壳基新鲜炭、高活化椰壳基新鲜炭、烟煤基再生炭、烟煤基新鲜炭、椰壳基再生炭（其他水厂）
图4 GCS 试验台中不同活性炭去除 SAK 254 nm 的效率曲线 试验条件：SAK 254 nm 为 1.51/m 数据来源：TZW 图例：椰壳基再生炭（其他水厂）、高活化椰壳基新鲜炭、补充烟煤新鲜炭的烟煤基再生炭、补充椰壳新鲜炭的烟煤基再生炭
图5 达布林豪森水厂不同再生炭去除 SAK 254 nm 的效率曲线 试验条件：SAK 254 nm 为 1.01/m 数据来源：TZW 图例：7-1 号滤池（补充烟煤新鲜炭的烟煤基再生炭）、7-2 号滤池（补充椰壳新鲜炭的烟煤基再生炭）、11-2 号滤池（补充椰壳新鲜炭的烟煤基再生炭）
研究团队在达布林豪森与本拉特水厂，通过GCS试验台测定了不同类型活性炭对SAK 254 nm 对应物质的穿透行为。GCS试验台可在约两周内完成不同活性炭的性能对比评估，测试周期短、成本低。根据 TZW 积累的试验经验，不同活性炭对SAK 254 nm 指标的穿透性能排序，与多数有机微量污染物的吸附性能排序基本一致。
在达布林豪森水厂，测试选用了烟煤基、椰壳基新鲜炭（含常规型与高活化型），以及达布林豪森水厂的烟煤基再生炭、来自其他供水企业的椰壳基再生炭。根据图3的穿透曲线，可就SAK254 nm指标的吸附性能得出以下结论：
1.使用常规椰壳基新鲜炭时，滤池运行周期显著缩短，其对SAK 254 nm对应物质的吸附性能不佳，本场景下不适用
2.高活化椰壳基新鲜炭对 SAK254 nm的吸附容量，仅略低于现有烟煤基再生炭
3.烟煤基新鲜炭与烟煤基再生炭的吸附性能相当
4.椰壳基再生炭的吸附容量最高
在本拉特水厂，研究团队对比测试了高活化椰壳基新鲜炭与各类再生炭的吸附性能，测试样品包括：补充烟煤基新鲜炭的烟煤基再生炭（本拉特水厂在用）、补充椰壳基新鲜炭的烟煤基再生炭，以及全椰壳基再生炭（来自其他水厂）。图4以去除效率曲线的形式，展示了SAK去除率随运行床体积的变化规律 [4]，该表示方法尤其适用于进水浓度波动的场景。根据穿透曲线，可就SAK 254 nm的吸附性能得出以下结论：
1.补充烟煤新鲜炭的烟煤基再生炭，与补充椰壳新鲜炭的烟煤基再生炭性能相当
2.椰壳基再生炭的吸附容量最高；高活化椰壳基新鲜炭的吸附容量略高于两类烟煤基再生炭
四、规模化应用
基于预研究结果，达布林豪森水厂选取部分活性炭滤池开展试点：活性炭再生后，用椰壳基新鲜炭补充烧失损耗量，并将其处理效果与此前“烟煤基再生炭+烟煤基新鲜炭补充”的滤池运行数据进行对比。图5以SAK负荷去除效率随比处理水量的变化曲线展示了测试结果。数据表明，采用椰壳基新鲜炭补充烧失损耗后，SAK 254 nm 的去除效果与原有方案持平，甚至略有提升。
五、总结与结论
通过小试滤柱与生产规模装置的双重测试，研究团队验证了WSW能源与水务股份公司水厂活性炭管理优化方案的效果。
此前使用的“烟煤基再生炭+烟煤新鲜炭补充”方案，一方面吸附容量优异，另一方面在水库水厂的滤池投运初期，会出现明显的铝、砷、锑浸出问题。
烟煤基新鲜炭无法直接替换为常规椰壳基新鲜炭。从吸附技术角度看，高活化椰壳基新鲜炭具备替代可行性，但此类新鲜炭的价格远高于再生炭。
通过“再生后用椰壳基新鲜炭补充烧失损耗”的模式，可逐步实现从烟煤基活性炭向椰壳基活性炭的转换。测试过程中未发现烟煤基与椰壳基活性炭混合使用的运行弊端；且两类活性炭的硬度、堆积密度相近，理论上也不会出现运行问题。目前达布林豪森、赫布林豪森两座水库水厂已采用该活性炭管理模式，预计经过6-7个再生周期后，可完成从烟煤基活性炭到椰壳基活性炭的全面转换。通过大量前期研究，以及对规模化吸附塔转换前后的对比分析，伍珀塔尔WSW能源与水务公司找到了水库水厂活性炭应用的最优优化路径。
除缩短单池投运磨合期外，使用椰壳基活性炭在碳足迹方面也具备优势（表 1）。尽管再生炭层面，烟煤基与椰壳基的碳足迹差距远小于新鲜炭，但全面转换为椰壳基再生炭后，仍可实现最高 50% 的碳排放削减。目前，企业也计划在本拉特河岸渗滤水厂推行该活性炭管理模式，即再生后用椰壳基活性炭补充烧失损耗。
参考文献
[1] Haist-Gulde B, Schäfer R, Riegel M. 颗粒活性炭的铝浸出特性 [J]. DVGW《能源与水务实践》, 2022 (11). [2] Keldenich U, Haupt N, Schmidt C. 椰壳基与烟煤基活性炭去除受消防药剂污染地下水中全氟化合物（PFC）的适用性差异化评估 [C]. 德国化学家协会（GdCh）水科学年会海报，新乌尔姆，2012. [3] Haist-Gulde B, Baldauf G. 饮用水处理用颗粒活性炭 [J]. DVGW《能源与水务实践》, 2014 (6). [4] Schubert J. 试验结果评价方法（一）：过滤试验结果描述 [M]. 卡尔斯鲁厄大学水化学系研究报告，第 23 辑，1984. [5] DWA KA-8.6 工作组工作报告。污水处理厂的活性炭应用 [J]. 《污水与废弃物通讯》, 2016 (12).
14011002000166号