一种生物活性炭的阻力测试系统及测试方法与流程

本发明属于水和污水处理领域，具体涉及一种生物活性炭的阻力测试系统及测试方法。此发明中介绍的方法能够快速判断饮用水或污水处理所使用活性炭的阻力，可为活性炭滤池的运行和维护提供技术参考。

背景技术

生物活性炭(bac)在饮用水处理和污水处理中的应用越来越多。饮用水处理中，bac作为深度处理工艺，与臭氧等联合应用，可提高饮用水的品质。污水处理中活性炭多用于再生水的处理，二级出水经bac处理后可进一步降低氨氮、有机物等污染物，达到河道补水或景观用水的标准。因此，bac在饮用水和污水处理中的重要性也日益增加。bac除了可以去除水中的有机物、氨氮、颗粒物等，对个人护理品与药品和消毒副产物前体物等污染物也有很好的去除作用。而且，生物活性炭通过活性炭中微生物的作用，可维持活性炭对氨氮和有机物等污染物的去除效果，因此活性炭的使用寿命很长。实际运行的水厂和污水厂经验表明,某些水厂的活性炭使用时间超过10年，但仍可维持稳定的处理效果。

虽然活性炭可以使用很长时间，但是随着活性炭的使用，活性炭会出现老化现象，具体表现为活性炭逐渐老化、强度降低、颗粒破碎、粒径变小等。活性炭老化后性质发生变化，进而会导致滤池的运行偏离设计参数，使滤池运行受影响。如，随着运行时间延长，滤池过滤阻力增加，积累在滤池上层的细颗粒活性炭使滤池变成表面过滤模式，降低活性炭滤池的纳污能力和缩短了滤池的反冲时间。

目前实际工程中并没有针对活性炭的老化进行设计，为了应对活性炭老化对活性炭滤池过滤性能的影响，水厂通常采用等待问题出现、然后采用工程手段解决问题的方法，或者采用边摸索边解决的方式，不断调整滤池的运行参数。这大大增加了水厂的运行风险和运行成本。

根据kozney-karman公式可知，滤料粒径是影响活性炭滤池过滤阻力的首要参数。活性炭老化后强度降低，反冲洗过程中活性炭颗粒相互摩擦，会使颗粒破碎，粒径降低。这是导致滤池过滤阻力增加、滤池无法正常运行的主要原因。由于活性炭粒径的国标测量方法都比较繁琐，且需要相应的设备，所测得的参数还需要进行模型计算才能得出阻力，属于阻力的间接测量，并且未考虑活性炭内部空隙等因素，容易导致较大的偏差。因此，如何快速、简便的直接滤池的过滤阻力，对指导滤池运行具有重要意义。通过定期检测滤池的过滤阻力，结合粒径和强度参数，一方面可以积累数据，建立数据库，尽早的预测活性炭的使用寿命；另一方面也可以根据检测结果及时调整滤池运行参数，如提高反冲强度，排出部分小粒径炭颗粒，降低阻力。但是经检索，目前尚未有相关的设备和方法涉及bac过滤阻力的测定，甚至相关的研究也鲜有报道。

例如，现有技术cn202393687u，供水管网管道阻力系数测试装置，包括管道系统、压力测试模块、流量测试模块和控制系统，所述管道系统包括主管段、支管段、前消火栓、中消火栓、后消火栓、所述压力测试模块包括压力传感器，所述压力传感器安装在前消火栓和中消火栓上，在所述主管段上设有后控制阀门，在所述支管段上设有前控制阀门，所述压力测试模块通过一个接口转换器与控制系统相连接，所述流量测试模块包括超声波流量计，所述超声波流量计安装在后消火栓上，在所述控制系统内部设有一套智能记录系统。本技术测定对象为管道的阻力系数，管路的阻力主要来源于流体与管壁之间的边界层，边界层内流体较大的速度梯度产生了剪切力，进而表现为流体阻力和管道的摩擦力。但此系统无法实现活性炭阻力的测试。因为活性炭阻力测试中，恰恰需要屏蔽管路阻力带来的影响。活性炭阻力测试中，需要采集的参数为活性炭的阻力，因此，测量时需要管路导致的阻力尽可能小，降低其对活性炭阻力测试的影响。即使管路阻力很低，也需要利用前述方法中的步骤2，进行空白系统的阻力测试，以保证活性炭阻力测试的准确性。另外，此系统测定的是需要利用测试装置，在现场对消火栓拆装，并需要较高的水流流速，才会在两个消火栓之间检测到压力降。这降低了测试的可行性。

如何快速准确的测定bac滤池的过滤阻力，指导滤池的运行对实际生产有重要意义。同时，也可以利用获取的阻力数据开展相关的研究，帮助设计院改善bac滤池的设计参数，完善当前bac工艺的设计规范。因此，发明一种测定活性炭阻力的系统和方法，成为当前急需解决的问题。

技术实现要素：

为解决bac滤池过滤阻力的快速检测的问题，本发明提供一种生物活性炭的阻力测试系统与方法。利用本发明中的测试方法，可以快速、简便的测定bac的实际过滤阻力，阻力的测定过程中考虑的影响因素包括：活性炭的重力压缩、水力压缩、活性炭炭颗粒间的空隙、活性炭本身的微孔空隙、水质对阻力的影响等。这些参数的影响均可包括在本发明的测试方法中。本发明的测试方法解决了活性炭国家标准检测方法中的不足，而且简单快速的检测方法也更适用于实际工程项目和现场检测。同时，利用测得的数据和kozney-karman公式，还可更进一步推测出活性炭的球度系数，判别活性炭的磨损程度。利用长期积累的数据，可以为水厂和污水厂的活性炭选择提供指导，也可以指导bac滤池的运行。

因此，本发明的核心在于利用特殊的测试系统与方法，直接测定bac的过滤阻力，利用过滤阻力这个直接参数，指导滤池的运行。这可以解决目前活性炭国家检测标准中，所涉及的参数无法直接指导实际工程项目运行管理的问题。

为实现上述目的，本发明采用的主要技术方案如下：

一种生物活性炭的阻力测试系统，主要包括储水罐、水泵、送水管路、反冲管路、压力传感器、流量计、活性炭装填柱、活性炭柱固定角度调节装置，其中，

储水罐-水泵-流量计-三通阀1-三通接头-直通接头-活性炭装填柱通过管路依次连接，其中，活性炭装填柱固定在活性炭柱角度调节夹具上，活性炭装填柱从近端至远端依次为活性炭装填柱密封盖，活性炭固定纱网，待测试活性炭，活性炭承托多孔介质，出水口，三通阀2；储水罐通过水泵形成送水管路，三通阀2和三通阀1通过管路形成反冲水管路；三通接头的一端连接压力传感器，压力传感器包括传感器线路和压力记录系统两部分。

为避免测定过程中水流脉冲对压力检测的影响，本发明中所述的水泵为调速无脉冲水泵，可以为无脉冲蠕动泵或其他可实现同样功能的水泵。水泵的流量为0.05～1.0l/min。

所述的压力传感器为机械式膜盒压力表或电子压力传感器，量程为0～4kpa；所述流量计为玻璃转子流量计，量程为0.06～0.6l/min，计量精度为±1.5％；所述的送水或反冲管路为外径8mm的pfa管，可与卡套接头配套连接。

其中，机械式膜盒压力表具有较低的量程和较高的精度，可以满足本装置的测试要求；电子压力传感器则是较好的替代产品，但是存在数据读取，成本较高等问题。

采用pfa管路和配套的卡套接头，可以实现管路的阻力最低化。pfa管耐腐蚀，耐酸碱，内壁光滑，阻力很低。配合pfa卡套接头，则可最大限度降低管路阻力。

为尽量减小边壁效应对阻力测量时的影响，本发明设置了一套不同内径的装填柱，根据活性炭的采样量，可优先采用大内径装填柱进行测量。如采样困难，或获取的样品较少，则可采用小内径装填柱测量。此方案解增加了装置的灵活性，降低了活性炭样品的获取难度，适合现场使用，也可以根据需要，在研究中选用小内径的装填柱。同时为了进一步降低测量误差，所述的活性炭装填柱为一套内径为2.5cm，3cm，4cm或5cm的玻璃柱，总长度为40cm；活性炭装填区的长度为20～30cm，活性炭为<1mm粒径、1-2mm粒径、>2mm粒径的活性炭中的一种或几种；进水管与密封盖通过卡套接头连接，卡套接头一端连接与密封盖，另一端与进水管相连；多孔承托介质的孔隙率应>45％，孔径约为500微米。

其中，多孔承托介质的材料优选为烧制的玻璃砂芯。

为实现装填柱角度的灵活调整，本发明设置了一活性炭装填柱固定装置，可以将活性炭装填柱固定为垂直状态或与水平夹角5°的状态。

测试时，水流由入口进入，慢慢充满整个测试柱并从出口流出。这可避免测试柱内的活性炭之间存在空气，影响测试。另外，如果采用平放或者与反冲洗时的垂直放置，如果出水阀门开度太大，满管流时会导致虹吸效应，如果没有满管，则会形成短流现象，这都将严重影响测试。采用倾斜放置的方法，可以解决上述问题，并且非常巧妙，省去了很多复杂的控制系统。

本发明中提供的一种生物活性炭的阻力测试方法，与前述的测试系统相配合，可以快速、准确的测定活性炭的过滤阻力，具体步骤为：

步骤1，装配管路和测试装置：

1)将进水管连接至水泵，水泵出口连接出水管，在出水管上连接玻璃转子流量计。

2)流量计出口连接三通阀。

3)三通阀的两个出口一个连接反冲管路，另一个出水口连接至密封盖。在密封盖前的管路上通过三通接头，连接压力传感器或膜盒压力表。

4)活性炭装填柱出口安装三通阀，三通阀的两个出口，一个连接反冲洗管路，另一个连接出水管。

此连接方法通过采用两个三通阀，实现了一个水泵完成测试供水和反冲洗供水的任务，简化了系统，提高了系统的稳定性。而且三通阀很容易实现自动化控制，这位将来的测试装置的产品化提供了便利条件。

步骤2，测试空白系统的总阻力p空白：

1)安装活性炭固定纱网，纱网的安装位置与活性炭的高度一致。

2)将活性炭装填柱水平呈5°夹角的位置固定于角度调节装置上。活性炭装填柱的水口低、出水口高。

3)将储水罐注满水，并始终维持液位恒定。启动水泵，待整个活性炭装填柱充满水且出口开始出水时，调节水泵使流量达到预定值。此时装填柱内的水流速应为8～10m/h。

4)待压力表示数稳定后读取压力。如采用压力传感器，则取一定时间范围内的最大值。记录空白压力p空白。

此空白测试方式与活性炭阻力测试步骤完全一致，仅装填柱中无活性炭。这种方法可在不增加其他测试装置的情况下，完成空白阻力的测试。而且，可以预先测定不同测试参数下(流速、活性炭装填高度等)的一系列空白阻力并记录。活性炭阻力测试时，按照相应测试参数，查出相应空白阻力，直接扣除即可，降低了测试工作量。

步骤3，活性炭装柱并进行反冲：

1)关闭水泵和出水阀，将活性炭装填柱置于竖直位置，取出活性炭固定纱网。

2)采用湿式装填法，将活性炭装入装填柱至设定高度。

3)将活性炭装填柱出水口的三通阀调节至反冲管路接通状态，将水泵出口的三通阀调至反冲管路接通状态。

4)开启水泵，调节流量，使活性炭在柱内呈流态化，反冲1min后关闭水泵，关闭两个三通阀。

采用湿法装柱可以使活性炭自然分层，并避免出现空隙。反冲洗可以使装填过程中混合的粗细活性炭分层，达到模拟滤池实际情况的目的。此方法可利用系统的水泵实现活性炭自然封层，并最大限度的模拟真实的过滤状态。

步骤4，测试实验系统的总阻力p总：

1)待活性炭稳定后，安装活性炭固定纱网，安装密封盖。并将活性炭装填柱置于水平夹角5°的状态。

2)将储水罐注满水，并始终维持液位恒定。调节两个三通阀，使活性炭装填柱的进水和出水管路接通。启动水泵，待整个活性炭装填柱充满水且出口开始出水时，调节水泵使流量达到预定值。此时装填柱内的水流速应为8～10m/h。

3)待压力表示数稳定后读取压力。如采用压力传感器，则取一定时间范围内的最大值。测定时间通常为5～15min，记录系统总压力p总。

此步骤通过控制固定纱网防止活性炭散落，通过测试柱的角度、测试柱内的流速，精确实现滤池的阻力测试，并可以通过采用机械或电子压力表的方式，实现装置的自主改装，应付多种测试环境。

步骤5，计算活性炭的阻力，并换算为滤池过滤阻力，

通过公式p滤池阻力＝k×(p总-p空白)计算活性炭滤池阻力，k为活性炭滤池中活性炭高度与活性炭装填柱中活性炭高度的比值。

此步骤可以通过简单的计算，扣除空白阻力，获得真实的活性炭过滤阻力，并通过装填高度与活性炭池中活性炭高度的的比值，转换出真实的滤池中活性炭的过滤阻力。计算和转换方式简单，最大限度的降低了工作量，确保了滤池阻力的真实性。

本发明相对于现有技术的有益效果包括：

通过发明的测试装置和方法，可以直接测定bac的过滤阻力，而且活性炭阻力的影响因素，如活性炭粒径、堆积孔隙率、活性炭自身孔隙率、水质条件等都考虑在内。提出了利用过滤阻力直接评价滤池的运行性能，指导滤池设计、运行和管理的思路。这弥补了目前仅用主流国标检测指标，如粒径、强度、碘吸附值等评价活性炭性能时存在的缺陷。

本发明既可以在实际工程中应用，也可以用于科研。发明的测试装置可以进行商品化量产，也可以经过相应改装后，用于特定的科研项目。发明的测试装置和方法对促进bac深度处理工艺在水和污水处理中应用有重要意义。

附图说明

图1为活性炭阻力测试装置示意图。

图2为测试系统空白阻力测试装置示意图。

图3为活性炭装填柱反冲装置示意图。

图1中：1、储水罐；2、进水管路，2-1、三通阀1，2-2、三通接头，2-3、直通接头，2-4、反冲水管路；3、水泵；4、流量计；5、压力传感器，5-1、传感器线路，5-2、压力记录系统；6、活性炭装填柱，6-1、活性炭装填柱密封盖，6-2、活性炭固定纱网，6-3、活性炭承托多孔介质，6-4、出水口，6-5、三通阀2，6-6、待测试粗活性炭；6-7、待测试细活性炭；7、活性炭柱角度调节夹具。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进行解释说明，但本发明不局限于此。

实施例1单层活性炭阻力测试，机械式压力表系统

一种生物活性炭的阻力测试系统与方法，

如图1所示，测试系统主要包括储水罐、水泵、送水管路、反冲管路、压力传感器、流量计、活性炭装填柱、活性炭柱固定角度调节装置，其中，

储水罐-水泵-流量计-三通阀1-三通接头-直通接头-活性炭装填柱通过管路依次连接，其中，活性炭装填柱固定在活性炭柱角度调节夹具上，活性炭装填柱从近端至远端依次为活性炭装填柱密封盖，活性炭固定纱网，待测试的单层活性炭，活性炭承托多孔介质，出水口，三通阀2；储水罐通过水泵形成送水管路，三通阀2和三通阀1通过管路形成反冲水管路；三通接头的一端连接压力传感器，压力传感器包括传感器线路和压力记录系统两部分。

具体阻力测试方法如下：

1)进水管2连接1至水泵，水泵出口连接出水管，在出水管上连接玻璃转子流量计4，流量计出口连接三通阀2-1进口，三通阀的一个出口连接反冲管路2-4，另一个出口连接至密封盖6-1。在密封盖前的管路上通过三通接头2-2，三通接头上连接膜盒压力表5。活性炭装填柱出口6-4连接三通阀6-5的进口，三通阀的一个出口连接反冲洗管路。

2)将活性炭固定纱网置于距离装填柱管口10cm处，拧紧装填柱密封盖6-1。调节固定夹具7，使活性炭装填柱与水平呈5°夹角。

3)将储水罐1注满水并保持溢流状态。调节三通阀2-1和三通阀6-5，接通测试水路2。启动水泵3，使装填柱的水流速达到为10m/h。2min后压力表读书稳定，记录压力表5的数据p空白，如图2所示。

4)关闭水泵3和两个三通阀，将活性炭装填柱6竖直，松开密封开，取出活性炭固定纱网6-2。在装填柱满水状态下，将活性炭装入装填柱，活性炭总高度20cm。将三通阀2-1和6-5调节至反冲管路接通状态，开启水泵3，调节流量，使活性炭在柱内呈流态化，反冲1min后关闭水泵，关闭两个三通阀，如图3所示。

5)待活性炭稳定后，安装活性炭固定纱网，安装密封盖。并将活性炭装填柱置于水平夹角5°的状态。将储水罐1注满水并保持溢流状态。调节两个三通阀，使活性炭装填柱的进水和出水管路接通。启动水泵3，调节水泵使流量使装填柱内的水流速为10m/h。将整个活性炭装填柱充满水，且出水口6-4持续出水。每隔30s记录压力表读数，当读数开始下降时，停止测试。取最大压力作为p总。

6)活性炭滤池中活性炭的总高度为1m，活性炭装填柱内活性炭总高度20cm，通过公式p滤池阻力＝5×(p总-p空白)计算活性炭滤池阻力。

实施例2双层活性炭阻力测试，压力变送器记录压力数据

一种生物活性炭的阻力测试系统与方法，

如图1所示，测试系统主要包括储水罐、水泵、送水管路、反冲管路、压力传感器、流量计、活性炭装填柱、活性炭柱固定角度调节装置，其中，

储水罐-水泵-流量计-三通阀1-三通接头-直通接头-活性炭装填柱通过管路依次连接，其中，活性炭装填柱固定在活性炭柱角度调节夹具上，活性炭装填柱从近端至远端依次为活性炭装填柱密封盖，活性炭固定纱网，待测试的双层活性炭，包括细活性炭和活性炭，活性炭承托多孔介质，出水口，三通阀2；储水罐通过水泵形成送水管路，三通阀2和三通阀1通过管路形成反冲水管路；三通接头的一端连接压力传感器，压力传感器包括传感器线路和压力记录系统两部分。

1)进水管2连接1至水泵，水泵出口连接出水管，在出水管上连接玻璃转子流量计4，流量计出口连接三通阀2-1进口，三通阀的一个出口连接反冲管路2-4，另一个出口连接至密封盖6-1。在密封盖前的管路上通过三通接头2-2，三通接头上连接膜盒压力表5。活性炭装填柱出口6-4连接三通阀6-5的进口，三通阀的一个出口连接反冲洗管路。

2)将活性炭固定纱网置于距离装填柱管口10cm处，拧紧装填柱密封盖6-1。调节固定夹具7，使活性炭装填柱与水平呈5°夹角。

3)将储水罐1注满水并保持溢流状态。调节三通阀2-1和三通阀6-5，接通测试水路2。启动水泵3，使装填柱的水流速达到为8m/h。2min后压力表读书稳定，记录压力表5的数据p空白，如图2所示。

4)关闭水泵3和两个三通阀，将活性炭装填柱6竖直，松开密封开，取出活性炭固定纱网6-2。在装填柱满水状态下，先将大粒径活性炭6-6装入装填柱，活性炭高度20cm。再将小粒径颗粒活性炭6-7装入装填柱，活性炭总高度达到22cm。将三通阀2-1和6-5调节至反冲管路接通状态，开启水泵3，调节流量，使活性炭在柱内呈流态化，反冲1min后关闭水泵，关闭两个三通阀，如图3所示。

5)待活性炭稳定后，安装活性炭固定纱网，安装密封盖。并将活性炭装填柱置于水平夹角5°的状态。将储水罐1注满水并保持溢流状态。调节两个三通阀，使活性炭装填柱的进水和出水管路接通。开启压力数据记录系统，启动水泵3，调节水泵使流量使装填柱内的水流速为8m/h。将整个活性炭装填柱充满水，且出水口6-4持续出水。15min后停止测试。在数据记录系统中筛选出最大值，记为p总。

6)活性炭滤池中活性炭的总高度为1.5m，活性炭装填柱内活性炭总高度22cm，通过公式p滤池阻力＝6.82×(p总-p空白)计算活性炭滤池阻力。

实施例3

采用实施例1中的系统和方法，选取内径为2.5cm的测试柱，设定虑速为8m/h，待测试活性炭粒径2～3mm，装填高度20cm。滤池活性炭高度为100cm。采用机械压力表，当机械压力表读数稳定时记录数据。实验测定3次，并计算平均值。

p滤池阻力＝5×(p总-p空白)＝5×0.097＝0.485kpa

即：100cm厚度的清洁粗粒径活性炭，在过滤初期的过滤阻力为0.485kpa。

实施例4

采用实施例2中的系统和方法，选取内径为2.5cm的测试柱，设定虑速为8m/h，先湿法装入待测试粗活性炭粒径2～3mm，装填高度20cm，然后装入待测试细粒径活性炭(粒径<1mm)，装填高度2cm。待测试活性炭总高度为22cm。滤池活性炭高度为150cm。采用压力变送器和数据记录系统，15min后读取压强数据中的最大值，实验测定3次，并计算平均值。

p滤池阻力＝6.82×(p总-p空白)＝6.82×0.333＝2.271kpa

即：150cm厚度的由清洁粗细活性炭组成的滤池，在过滤初期的过滤阻力为2.271kpa。

本发明中虽然仅仅提及了压力的自动记录系统，但系统中的水泵、流量计、自动化运行等，均可通过简单的自动化手段实现，能较方便的形成商品化自动测试设备。因此任何以此方法和设备为依据的自动化测试装置均属于本发明的保护范围。