[摘 要]活性炭水處理是啤酒廠釀造水處理的常規(guī)且非常重要的工藝，本文著重對影響活性炭水處理效果的四大因素：活性炭濾料的選擇、罐的設(shè)備結(jié)構(gòu)、反沖洗和蒸汽滅菌操作以及檢測監(jiān)控體系方面進行闡述，提出如何加強對活性炭水處理效果的監(jiān)控。
1 概述
由于地表水受到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市生活用水的影響，水質(zhì)受到許多不可預知因素的污染。對于啤酒釀造用水，須進行有效和針對性的水處理。
活性炭水處理工藝已經(jīng)普遍應用于啤酒廠的常規(guī)水處理，是生產(chǎn)釀造用水非常重要的一道工序。活性炭具有很大的比表面積，主要去除水中的游離氯和消毒副產(chǎn)物三氯甲烷，吸附除去有機雜質(zhì)和分子態(tài)膠體微細顆粒。
本文著重對影響活性炭水處理的四大因素：活性炭濾料的選擇、罐的設(shè)備結(jié)構(gòu)、反沖洗和蒸汽再生操作以及檢測監(jiān)控體系方面進行闡述，提出如何加強對活性炭水處理效果的監(jiān)控。作者結(jié)合工作實踐和體會，提出一些改進建議或注意事項。
2 活性炭的性能及選擇
活性炭可以由任何含碳的有機材料制得，商業(yè)用活性炭一般由鋸屑、木材、木炭、泥煤、褐煤、石油焦炭、煙煤和椰殼制成。活性炭是經(jīng)過一系列包括碳化、活化、酸洗和漂洗的物理和化學處理后形成的，為外觀呈黑色、無毒無味的吸附劑，它具有較大的比表面積(600~2000m2/g)，存在三種孔徑分布（大孔：有效半徑100~2000nm，過渡性中孔：2~100nm；微孔：小于2nm以下）。外觀分為柱狀，顆粒和粉狀三種類型。啤酒廠水處理一般采用以煤質(zhì)或椰殼為原料的顆粒型活性炭，顆粒大小一般為8~30目，詳見(表1)。
表1兩種顆粒活性炭介紹
| 椰殼活性炭 | 煤質(zhì)活性炭 | |
| 介紹 | 以優(yōu)良椰子殼為原料，經(jīng)系列工藝精制而成，外觀呈黑色顆粒狀。優(yōu)點是孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，比表面積大，吸附性能強，庫層阻力小，化學性能穩(wěn)定，易再生。 | 以精選的煤為原料，經(jīng)過特殊工藝精制而成。孔隙發(fā)達，比表面積大，尤以容積大而具優(yōu)點，吸附速度快，容量高。 |
| 使用范圍 | 適用于高純度的生活用水，工業(yè)用水和廢水處理的深度凈化脫氯、脫色、除臭和黃金提煉等方面。 | 用于有毒氣體的凈化，廢氣處理，工業(yè)和生活用水的凈化處理，溶劑回收等方面。 |
| 指標分析 | 根據(jù)木質(zhì)活性炭國家一級標準形式的行業(yè)椰殼活性炭標準 | 凈化用煤質(zhì)活性炭國家標準一級標準 |
| pH值 | 5.5-6.5 | 6-10 |
| 碘值mg/g | ≥1000 | 950-1049 |
| 比表面積m2/g | ＞1000 | ≥900 |
| 總孔容積cm3/g | ＞0.9 | ≥0.65 |
| 苯酚吸附率mg/g | ≥450 | ≥140 |
| 強度% | ≥95 | ≥90 |
| 灰分% | ＜4 | ＜10 |
椰殼活性炭有總體吸附能力較強，但在使用時難以檢測其性能，只能通過模擬中試實驗，或者依據(jù)以往經(jīng)驗來設(shè)計選型。
1)如何選技活性炭，可參考（表2）
表2活性炭性能指標參數(shù)
| 性能 | 顆粒大小和分布 | 抗磨損能力 | 吸附性能 |
| 檢測指標 | 目數(shù)、顆粒分布、密度均一系數(shù)、有效粒徑 | 機械強度 | 比表面積、碘值、氣味稀釋倍數(shù)、COD去除比例、THM及農(nóng)藥殘留量 |
| 意義 | 涉及吸附能力、過濾壓將和反沖層能力之間的平衡 | 碳損耗、細粉量 | 體現(xiàn)活性炭的吸附效果和效率 |
2)活性炭“吸附”余氯的原理
自來水生產(chǎn)時一般要求管網(wǎng)水余氯含量控制在0.1~0.5mg/L，反應式如下：
CL2+H2O↑↓HCLO+HCL(1)
C*+HCLO→CO*+H++CL-(2)
活性炭和余氯反應速度很快，但會逐步氧化碳層表面，使顆粒變小和產(chǎn)生粉末，須定期反沖洗將產(chǎn)生的碳粉末沖走以避免進入出水管道。活性炭過濾器出水余氯要求：<0.05 mg/L。
3)活性炭質(zhì)量的定期檢測和評價
可以根據(jù)各公司的水處理流程和水源水質(zhì)確定對活性炭的抽檢頻率及指標，供應商一般建議每半年對使用中的活性炭各項指標進行檢測分析，去除上層部分不合要求的活性炭，補充部分新炭。例如對使用一年后的舊炭和進貨檢驗值進行質(zhì)量指標的比較，如(表3)，然后做出是否需更換的決定。
表3新碳和舊碳的質(zhì)量指標對比
| 單位 | 進貨檢測值 | 使用1年后的檢測值 | 建議更換活性炭的參數(shù) | |
| 碘值 | Iodine | 995 | 644 | 小于650 |
| 灰分 | Ash | 8.5 | 15.4 | 增加4%以上 |
| 硬度 | Har. | 97.5 | 72.1 | 小于80 |
| 堆密度 | AD | 0.541 | 0.379 | 小于0.42 |
| 磨損值 | Abr | 88.3 | 83.1 | / |
| 粒徑分布（目） | 8 | 0.3 | 0.4 | |
| 12 | 54.6 | 16.0 | / | |
| 16 | 42.3 | 47.1 | / | |
| 20 | 2.1 | 18.2 | / | |
| 30 | 0.1 | 8.9 | / | |
| 底部粉末 | 0.2 | 9.4 | / |
4)活性炭供應商的選擇
中國活性炭工業(yè)始于20世紀50年代，主要生產(chǎn)木質(zhì)、煤基以及果殼活性炭三種。盡管中國是世界上活性炭的第二大生產(chǎn)國和第一大出口國，但是大多數(shù)的廠家規(guī)模較小；生產(chǎn)設(shè)備陳舊，低效和能耗大；與研究機構(gòu)、經(jīng)銷商以及目的用戶的聯(lián)系不多。所以作為啤酒廠用戶來說，需要對活性炭供應商進行現(xiàn)場評審考察，提出自己的質(zhì)量要求，選擇能滿足要求的長期合作供應商。
3 活性炭罐體結(jié)構(gòu)
活性炭罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計對保證過濾流量、反洗再生效果和日常監(jiān)控維護都非常重要，需要從以下幾方面考慮：
1)罐體的基本參:（材質(zhì)、工作流量、直徑、高度等）
活性炭罐體一般采用304不銹鋼板建造，內(nèi)部拋光處理，拋光度達到0.6μm，罐體外表面進行噴砂處理。罐體設(shè)計壓力0.6MPa，上下采用旋壓封頭，罐筒體采用整板卷焊。出入水均為304不銹鋼管道，閥門為對夾式衛(wèi)生級不銹鋼，進出口管道上需設(shè)置取樣裝置及壓力表等組件，設(shè)備本體設(shè)窺視孔。蒸汽減壓閥上游的蒸汽管道采用碳鋼無縫鋼管，減壓閥下游的管道采用304不銹鋼無縫管道（需保溫）。
罐體直徑和高度按所需的工作流量、空床接觸時間（一般要求6~15min）以及9-15m3/hr.m2的流速等參數(shù)來設(shè)計制定。
2)合理的出入水分配系統(tǒng)
進水分配管道一般采用入水總管分為網(wǎng)洞型管道，均勻分布和入水；出水裝置多采用多孔板+水帽的形式，多孔板為整板制作，δ=22mm；水帽采用US316材質(zhì)，濾帽的間隙精度為0.2-0.25mm。
3)合理的反沖洗和蒸汽滅菌再生裝置
活性炭過濾器反洗水為活性炭過濾器的自產(chǎn)水，蒸汽滅菌溫度和時間依據(jù)再生頻率和出水指標而定；為避免蒸汽冷凝水的影響及減少蒸汽消耗量，建議蒸汽流向從上到下的設(shè)計：基本的反洗、蒸汽殺菌要求見(表4)
表4活性炭過濾器反洗和蒸汽殺菌流程及流量基本要求
| 項目 | 指標 |
| 反洗 | 1.5×容積 |
| 排水 | 容器排空 |
| 蒸汽殺菌溫度及時間 | 根據(jù)檢測數(shù)據(jù)和出水要求制定較合適參數(shù) |
| 冷卻及慢注 | 1.0×容積 |
| 反洗 | 1.5×容積 |
| 正向沖洗 | 1.0×容積 |
4 反沖洗和蒸汽滅菌操作
活性炭罐的基本操作就是反沖和蒸汽再生兩個環(huán)節(jié)，可以只反沖不蒸汽再生，也可以反沖后進行蒸汽再生操作。反沖和蒸汽再生的頻率基于進水水質(zhì)和出水水質(zhì)的差異。
1)反沖洗操作
反沖洗是指水從下向上，流過過濾碳層，使粒狀活性炭床層膨脹，膨脹范圍通常在20%~25%。通過床層膨脹曲線，可獲得向上的較宜線速度值。反沖的作用是疏松活性炭濾層，將細小的活性炭粉未以及吸附的雜質(zhì)排出，重新調(diào)整顆粒活性炭的分布；釋放活性炭的吸附孔，恢復活性炭的吸附能力。
(1)新活性炭的處理：容器中活性炭占20%，縫隙空間占40%（活性炭顆粒之間），孔體積占40%（炭顆粒內(nèi)部的空間）。如果空氣滯留在孔體積中，待處理的液體不能進入吸附孔中，因此，空氣是活性炭正常工作的障礙。典型情況下，需要將待處理的液體注入活性炭吸附系統(tǒng)后，停放24小時，在這期間，液體可以將活性炭中的空氣替換掉，24小時后，進行逆流向上的反洗處理，將殘留在炭床里面的空氣去除。反洗過程還可以將系統(tǒng)中的活性炭粉末去掉，此過程開始時須保持低速，一般用30~45分鐘的時間。
(2)如何制定合適的反沖工藝參數(shù)?
反洗后要達到大小顆粒炭重新分層，合理分布，因此需要根據(jù)活性炭的顆粒大小選擇合適的流速LV，例如8×16目的顆粒煤質(zhì)活性炭建議流速要大于35m/h；8×30目的流速大于25m/h（具體反沖洗流量可在設(shè)計時確定）。反洗頻率一般為每周一次，每次需要10~15分鐘，這由炭床體積和反洗流速決定。
2)蒸汽滅菌操作工藝
嚴格意義上說活性炭再生是指在800℃高溫對已被吸附的有機化合物進行選擇性氣化，同時不會燒壞活性炭結(jié)構(gòu)或改變孔結(jié)構(gòu)，使恢復吸附能力。在啤酒廠水處理系統(tǒng)進行的蒸汽“再生”其實主要是對活性炭吸附的微生物進行蒸汽滅菌，釋放活性炭吸附的有機物和揮發(fā)性不良物質(zhì)（主要是THM三氯甲烷類）。蒸汽滅菌再生過程需要注意的是需先將罐體內(nèi)的水排空；滅菌結(jié)束后打開排空閥，將罐內(nèi)的蒸汽和冷凝水排空，采取自然降溫的方式降到60℃以下才能打開進水閥用自來水浸泡；此外滅菌時要關(guān)好其它罐的蒸汽進口閥，以防止產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。
5 建立有效的活性炭處理水質(zhì)監(jiān)控檢測體系
為穩(wěn)定活性炭處理的有效性，需要建立一套合理、經(jīng)濟、可操作性強的監(jiān)控檢測體系。
1)日常運行過程的水質(zhì)監(jiān)控指標和頻率
水質(zhì)監(jiān)控指標為外觀、氣味、口味、濁度、pH、總硬度、殘留堿度、暫時硬度、電導率、游離氯去除效果、有機物去除率（以高錳酸鹽指數(shù)的下降表示）；微生物指標（細菌總數(shù)、大腸菌群）。有機物去除率可根據(jù)每個罐的再生周期制定檢測計劃（根據(jù)有機物去除率曲線采取前疏后密的抽樣方式）；微生物指標一般為蒸汽滅菌前后取樣檢測，評價滅菌效果和監(jiān)控活性炭和水質(zhì)受微生物污染的情況。水質(zhì)氣味和口感是一個綜合性的評價指標，直接影響啤酒的感官品質(zhì)，需要定期專人負責對水樣品評確認。
2)非常規(guī)指標的檢測要求
非常規(guī)指標為三氮化合物（氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮）陰陽離子（鈣、鎂、錳、鐵、鈉、硫酸根、氯離子）、THM （三氯甲烷）、農(nóng)藥殘留量等，根據(jù)水質(zhì)變化不定期檢測或送檢，建議每月至少抽樣檢測一次水源水和釀造用水。
3)活性炭質(zhì)量的檢測要求
(1)活性炭標準的建立：除符合國家強制標準的項目外，還須建立一套適合本公司水處理系統(tǒng)的活性炭檢測評價標準；如對樣品進行模擬中試試驗；著重關(guān)注以下指標：漂浮率、灰分、機械強度、密度、均一系數(shù)、吸附有機物的能力。
(2)驗收和評價體系：進貨抽樣檢測驗收、投入使用后的效果評價、每半年對活性炭的質(zhì)量和使用效果進行檢測評價。
6 總結(jié)
通過對活性炭材質(zhì)、罐體結(jié)構(gòu)、反沖和蒸汽滅菌工藝、水質(zhì)指標監(jiān)控檢測體系的闡述，基本涵蓋了影響活性炭水處理質(zhì)量的主要因素，若在此基礎(chǔ)上對每一處細節(jié)加強分析和改進，則釀造水質(zhì)的改善和穩(wěn)定控制將會有較明顯的變化，從而也會對啤酒感官質(zhì)量起到明顯的改善作用。