关于上流式活性炭过滤器膨胀特性的多因素调控研究

《Journal of Environmental Management》：Research on multi-factor regulation of expansion characteristics in upflow activated carbon filters

　　

陈淑萍|陶慧|魏海|徐雅|王子瑞

中国南京河海大学环境学院，210098

摘要

上流式活性炭（AC）过滤器的膨胀程度（ED）是影响接触效率和碳损失的关键水力参数，但其受多种因素（包括颗粒大小、材料、形状、温度和老化）的影响尚未得到充分量化。本研究通过控制实验首次系统地量化并分析了这些影响因素。结果表明，颗粒大小是主要因素：在流速为12 m/h时，40×60目活性炭的碳损失风险较高（膨胀程度为72%），而20×40目的活性炭则处于最佳范围（35%～40%）。研究揭示了材料与形状之间的不同耦合机制；压碎的活性炭的流动性比圆柱形活性炭高30%以上。此外，密度较低的煤基压碎活性炭（455 g/L）的膨胀程度比密度较高的椰壳活性炭（589 g/L）高6%，且随着流速的增加，这一差距进一步扩大到18%。研究还量化了操作对膨胀程度的影响：温度升高5°C会使膨胀程度降低2.5%～3%，而老化的活性炭（磨损增加5%～15%）在恒定流速下表现出更低的最低流化速度，从而导致膨胀程度增加。值得注意的是，微生物生长对整体膨胀程度的影响可以忽略不计，这突显了物理和水力参数是床层膨胀的主要驱动因素。基于这些发现，建议在流速为12 m/h的情况下使用20×40目的煤基压碎活性炭以确保运行稳定性。本研究还提供了改进的流体力学公式，为终端沉降速度和过滤器膨胀程度的预测提供了工具，以指导水处理实践中活性炭的选择和过滤器设计。

引言

作为先进饮用水处理的核心工艺，上流式活性炭（UAC）工艺因其高效的有机物吸附能力和生物降解能力而被广泛应用（Najar等人，2025年；Chen等人，2007年；Han等人，2011年；Hoslett等人，2018年；Schideman等人，2007年）。上流式颗粒活性炭（GAC）过滤器能够去除微量污染物（Gutkoski等人，2024年；Knopp等人，2016年；van Gijn等人，2023年），并降低Mn含量和COD_Mn（Olukowi等人，2025年）。此外，当GAC过滤集成到传统水处理工艺中时，其性能不仅优于单独使用超滤（UF）或不含GAC的传统处理方法，还能提高天然有机物（NOM）的去除效率——这是改善水质和减少后续处理负担的关键步骤（Marais等人，2018年）。在先进的水处理系统中，O₃-BAC（臭氧处理后接GAC吸附）工艺通过有效降低三卤甲烷（THMFP）和卤代乙酸（HAAFP）的生成潜力，进一步提升了处理效果，其去除率分别为17%至40%和22%至59%（Shen等人，2021年）。鉴于其在去除微量污染物方面的有效性、相对于其他替代技术的优越性能以及在提高NOM去除率和减轻消毒副产物风险方面的作用，上流式颗粒活性炭在水处理应用中具有明显优势。根据相关统计数据，截至2020年底，江苏省县级及以上水厂的供水总量为3100万立方米/天，其中采用臭氧-上流式活性炭过滤器的先进处理工艺占比超过95%（Zhou等人，2024年）；采用臭氧-上流式生物活性炭工艺的生活用水厂供水规模为615万立方米/天（Hui等人，2022年）。水流向上通过活性炭层，使碳床流化，显著提高了处理效率和效果（Shan等人，2025年）。在工艺设计和操作中，碳层膨胀率（水流向上时碳层的体积膨胀程度）是直接影响处理效率（Lu等人，2020年）、运行稳定性和活性炭使用寿命的关键参数。然而，准确控制膨胀程度（ED）仍然是该工艺的一个瓶颈：

膨胀不足（ED < 10%）：碳与水的接触不足，导致流速分布不均，最终影响COD_Mn等污染物的去除效率；膨胀过度（ED > 50%）：活性炭的损耗率在一年半内高达7.6%，增加了运行成本（Song等人，2023年）。

膨胀率不足会降低碳与水的接触效率，而膨胀过度则容易导致活性炭损失并影响后续工艺。因此，明确上流速度与膨胀程度之间的关系，并分析活性炭颗粒大小、堆积密度、形状、运行时间和温度等因素对膨胀率的影响，对于优化水厂的工艺设计和运行控制至关重要。本文结合了国内外的最新研究和工程数据，全面分析了上流式活性炭过滤器的运行特性，为水厂中先进处理工艺的高效稳定运行提供了科学依据。

章节摘录

流体力学原理

在上流式活性炭过滤器中，当水流从底部向上通过碳层时，活性炭颗粒受到水流阻力、浮力和自身重力的共同作用。流速的增加改变了颗粒间的相互作用力；当流速超过最低流化速度时，碳床开始膨胀，颗粒间的间隙变大，形成稳定的流化状态。

活性炭颗粒大小

活性炭的颗粒大小是其膨胀特性的主要决定因素：大颗粒活性炭（10×20目）即使在流速高达15 m/h的情况下也不会膨胀，导致固液接触不足；小颗粒活性炭（60×80目）在流速为5 m/h时膨胀率为30%；过度膨胀会增加活性炭损失的风险。这一结论与Islam M T等人（Islam和Nguyen，2021年）的研究结果一致。

结论

本研究系统地研究了在典型水厂运行条件下，商业标准化颗粒活性炭（碘数>900 mg/g，灰分含量<10%）的膨胀行为及其背后的流体动力学机制。结果表明，符合标准的物理参数决定了流化边界条件：有效颗粒大小（d₁₀）决定了流化的开始，而堆积密度提供了必要的重力条件。

CRediT作者贡献声明

陈淑萍：数据整理、调查、方法论、初稿撰写。陶慧：正式分析、资金获取、方法论、审稿与编辑。魏海：撰写、审稿与编辑。徐雅：撰写、审稿与编辑。王子瑞：可视化制作。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3208204）和南京水务集团有限公司的科技项目（YF 2024-014）的支持。