[摘 要]活性炭水處理是啤酒廠釀造水處理的常規且非常重要的工藝，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、罐的設備結構、反沖洗和蒸汽滅菌操作以及檢測監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控。
1 概述
由于地表水受到工農業生產和城市生活用水的影響，水質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普遍應用于啤酒廠的常規水處理，是生產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物三氯甲烷，吸附除去有機雜質和分子態膠體微細顆粒。
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、罐的設備結構、反沖洗和蒸汽再生操作以及檢測監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控。作者結合工作實踐和體會，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 | 煤質活性炭 | |
| 介紹 | 以優良椰子殼為原料，經系列工藝精制而成，外觀呈黑色顆粒狀。優點是孔隙結構發達，比表面積大，吸附性能強，庫層阻力小，化學性能穩定，易再生。 | 以精選的煤為原料，經過特殊工藝精制而成。孔隙發達，比表面積大，尤以容積大而具優點，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，工業和生活用水的凈化處理，溶劑回收等方面。 |
| 指標分析 | 根據木質活性炭國家一級標準形式的行業椰殼活性炭標準 | 凈化用煤質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，或者依據以往經驗來設計選型。
1)如何選技活性炭，可參考（表2）
表2活性炭性能指標參數
| 性能 | 顆粒大小和分布 | 抗磨損能力 | 吸附性能 |
| 檢測指標 | 目數、顆粒分布、密度均一系數、有效粒徑 | 機械強度 | 比表面積、碘值、氣味稀釋倍數、COD去除比例、THM及農藥殘留量 |
| 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
自來水生產時一般要求管網水余氯含量控制在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，使顆粒變小和產生粉末，須定期反沖洗將產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)活性炭質量的定期檢測和評價
可以根據各公司的水處理流程和水源水質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 | |
| 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
中國活性炭工業始于20世紀50年代，主要生產木質、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國和第一大出口國，但是大多數的廠家規模較小；生產設備陳舊，低效和能耗大；與研究機構、經銷商以及目的用戶的聯系不多。所以作為啤酒廠用戶來說，需要對活性炭供應商進行現場評審考察，提出自己的質量要求，選擇能滿足要求的長期合作供應商。
3 活性炭罐體結構
活性炭罐的結構設計對保證過濾流量、反洗再生效果和日常監控維護都非常重要，需要從以下幾方面考慮：
1)罐體的基本參:（材質、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，閥門為對夾式衛生級不銹鋼，進出口管道上需設置取樣裝置及壓力表等組件，設備本體設窺視孔。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的流速等參數來設計制定。
2)合理的出入水分配系統
進水分配管道一般采用入水總管分為網洞型管道，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，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水，蒸汽滅菌溫度和時間依據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 | 根據檢測數據和出水要求制定較合適參數 |
| 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節，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和出水水質的差異。
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排出，重新調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?
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構或改變孔結構，使恢復吸附能力。在啤酒廠水處理系統進行的蒸汽“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性不良物質（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的水排空；滅菌結束后打開排空閥，將罐內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；此外滅菌時要關好其它罐的蒸汽進口閥，以防止產生水錘現象。
5 建立有效的活性炭處理水質監控檢測體系
為穩定活性炭處理的有效性，需要建立一套合理、經濟、可操作性強的監控檢測體系。
1)日常運行過程的水質監控指標和頻率
水質監控指標為外觀、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（以高錳酸鹽指數的下降表示）；微生物指標（細菌總數、大腸菌群）。有機物去除率可根據每個罐的再生周期制定檢測計劃（根據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，評價滅菌效果和監控活性炭和水質受微生物污染的情況。水質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，需要定期專人負責對水樣品評確認。
2)非常規指標的檢測要求
非常規指標為三氮化合物（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）、農藥殘留量等，根據水質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；著重關注以下指標：漂浮率、灰分、機械強度、密度、均一系數、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量和使用效果進行檢測評價。
6 總結
通過對活性炭材質、罐體結構、反沖和蒸汽滅菌工藝、水質指標監控檢測體系的闡述，基本涵蓋了影響活性炭水處理質量的主要因素，若在此基礎上對每一處細節加強分析和改進，則釀造水質的改善和穩定控制將會有較明顯的變化，從而也會對啤酒感官質量起到明顯的改善作用。