北方地區(qū)自來水廠濾池反沖洗廢水混凝攪拌試驗研究

李 莉

（北票市自來水有限公司，遼寧 朝陽 122100）

0 引言

目前，我國大部分飲用水處理廠仍使用常規(guī)水處理工藝，每天產(chǎn)生的廢水占總供水量3%～10%，并以反沖洗廢水和排泥水為主[1-3]。近年來，水資源可持續(xù)利用越來越引起人們的重視，若能夠實現(xiàn)生產(chǎn)廢水的回用利用，既可以節(jié)約水資源和水廠運行成本，還具有重要現(xiàn)實意義。研究表明，許多天然有機物等有害物質富集于這些廢水中，直接回用勢必會影響后續(xù)水處理水質[4-5]。此外，廢水中還存在大量聚合膠體、未反應混凝劑、脫穩(wěn)顆粒等，直接回用有利于增強其混凝效果。鑒于此，本研究通過混凝小試探討了水廠水質受不同水流比條件下濾池反沖洗廢水的影響，如消毒副產(chǎn)物、金屬、有機物及常規(guī)水質等指標，以期明確直接回用濾池反沖洗廢水的水質風險及其可行性，為自來水廠成本管理和給水工藝改造提供參考依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗條件

在北方某城市自來水廠內進行試驗研究，該自來水廠的原水來源于太子河干流，水處理工藝見圖1。

圖1 自來水廠水處理工藝

該水廠反沖洗用水取砂濾池濾后水，主要有氣沖、氣水混沖以及水沖3 個反沖洗過程，所對應的時間依次為4min、6min、4min，強度20L/(m2·s)、20L/(m2·s)與5L/(m2·s)、5L/(m2·s)、反沖洗周期38h，水沖階段的表面掃洗強度1.2～2.5L/(m2·s)。試驗過程中，采用液體聚氯化鋁(PAC)即水廠在用混凝劑，設定投加量10～15mg/L。

1.2 試驗方法

試驗原水取水廠原水與氣水混沖階段的廢水混合水，通過混凝攪拌小試探討出水水質受回流水質最差時的影響作用[6]。一般地，濾池反沖洗廢水占水廠產(chǎn)水量的2%～5%，考慮到一天時間內原水取水量的變化特點，為明確最大回流比例情況下出水水質風險，設定最大回流比例15%，試驗過程中氣水混沖階段廢水和水廠原水水質如表1 所示。

表1 氣水混沖階段廢水和水廠原水水質

采用恒奧德H26257 六聯(lián)攪拌機進行混凝攪拌試驗，分5 個階段模擬水廠混凝沉淀實際參數(shù)，相關水質指標取試驗杯上清液進行檢測，相關試驗參數(shù)如表2 所示。試驗時間為2020 年11 月5 日～2021 年1 月6 日，通過混凝燒杯試驗每周取樣檢測一次有關指標，連續(xù)檢測5 周，最終試驗結果取5 次試驗數(shù)據(jù)平均值。

表2 試驗參數(shù)設計

1.3 指標測試

試驗采用標準緩沖溶液比色法、宇邦YZD-800T 臺式濁度儀和溫度計測定pH 值、濁度、溫度；為減少顆粒物質產(chǎn)生的干擾用0.45μm 濾膜過濾水樣，利用紫外分光光度計測定紫外吸收光UV254；TOC 就是水體中懸浮性和溶解性有機物的碳含量，以碳數(shù)量反映有機物含量，試驗利用TOC 以測定；采用酸性高錳酸鉀滴定法和重氮偶合分光光度法測定CODMn、亞硝酸鹽氮，通過測定長時間反應和高投氯量情況下的水中THMs 生成量作為THMFP，檢測方法參考國際標準；采用水楊酸鹽、二氮雜菲、鉻天青S 等分光光度法測定測定氨氮、金屬鐵和鋁含量，利用ICPMS 法測定錳含量[7]。

2 結果與分析

2.1 經(jīng)濟指標分析

水廠濾池反沖洗廢水直接回用只需在原有排水渠上加建電器控制系統(tǒng)、管道及安裝潛水泵即可，無需另建調蓄沉淀池，一次性投資約15 萬元。結合實際情況，計算直接回用前后試樣水廠主要經(jīng)濟指標如表3 所示。

表3 經(jīng)濟指標

結果表明，濾池反沖洗廢水直接回用后試樣水廠每年可節(jié)約運行成本36.73 萬元，一次性投資費用在半年內即可回收，所以濾池反沖洗廢水直接回用既能切實減少水廠運行成本，具有顯著的制水效益，還有利于環(huán)境保護。

2.2 對金屬指標影響

將原水與濾池反沖洗廢水混合后投加15mg/L液體聚氯化鋁(PAC)，設定0%、3%、6%、12%、15%五種回流比進行混凝攪拌試驗，取混凝沉淀后各試驗杯上清液及各混合水樣測定其金屬鐵、錳、鋁濃度，如圖1 所示。結果發(fā)現(xiàn)，水廠原水中的鋁濃度明顯低于濾池反沖洗廢水，這是因為經(jīng)過液體聚氯化鋁(PAC)混凝沉淀后水廠原水中生成的大量鋁鹽被截留于濾層內，隨著濾池反沖洗的帶出致使廢水中的鋁含量有所提高。

圖1 混凝沉淀前后不同水流比水樣金屬指標

由圖1(a)可知，隨回流比的增加混合水樣中的鋁含量逐漸升高，但出水中的鋁濃度整體處于0.1mg/L 以內，經(jīng)混凝沉淀后的去除率逐漸增大，說明出水鋁濃度并不會因反沖洗廢水的直接回用而提高。此外，原水出水中的鋁含量經(jīng)直接混凝沉淀后有所增加，表明利用液體聚氯化鋁(PAC)混凝劑將在一定程度上增加出水鋁濃度。

飲用水中的錳、鐵含量過高會影響水的臭味和色度，衣物洗滌過程中甚至會引起著色。由圖1(b)可知，隨著回流比的增加混合水樣中的錳濃度不斷增大，經(jīng)混凝沉淀后出水中的錳濃度相比于不回流的原水有所提高，但最高也不超過0.018mg/L，符合低于0.1mg/L 的國標要求。不同于金屬錳、鋁，水廠原水中的鐵含量要明顯高于反沖洗廢水，故認為混凝沉淀是去除原水中鐵的主要途徑。由圖1(c)可知，隨回流比的增加混合水樣中的鐵濃度逐漸減小，各出水中的鐵濃度為0.12kg/L，符合低于0.3kg/L 的國標要求。

2.3 對消毒副產(chǎn)物影響

將原水與濾池反沖洗廢水混合后投加15mg/L液體聚氯化鋁(PAC)，設定0%、3%、6%、12%、15%五種回流比進行混凝攪拌試驗，取混凝沉淀后各試驗杯上清液及各混合水樣測定其三鹵甲烷生成勢(THMFP)，如圖2 所示。有機前驅物是決定飲用水中消毒副產(chǎn)物(DBPs)生成的關鍵因素，其中富里酸、腐殖酸和天然有機物屬于DBPs 的主要前驅物[8]。

圖2 混凝沉淀前后不同水流比水樣的THMFP

由圖2 可知，THMFP 與有機物指標的去除效果相似，混合水樣的THMFP 隨著回流比的增加不斷提高，回流比為15%時濃度最高達到550μg/L，經(jīng)混凝沉淀后出水的三鹵甲烷生成勢(THMFP)快速減小到200μg/L，隨著回流比的增加其去除率逐漸升高，這表明有效去除混合水樣中的有機物可以明顯降低THMFP 的生成風險。

2.4 對有機物指標影響

將原水與濾池反沖洗廢水混合后投加15mg/L液體聚氯化鋁(PAC)，設定0%、3%、6%、12%、15%五種回流比進行混凝攪拌試驗，取混凝沉淀后各試驗杯上清液及各混合水樣測定其UV254、CODMn和TOC 濃度，如圖3 所示。結果發(fā)現(xiàn)，水廠原水中CODMn和TOC 明顯低于濾池反沖洗廢水，而UV254正好相反，究其原因可能是有大量不溶性有機物質存在于濾池反沖洗雜質中，從而提高反沖洗廢水中的CODMn和TOC 濃度，在UV254檢測之前必須對水樣利用0.45μm 濾膜進行過濾。因此，即使大量增加不溶性有機物質也不會對UV254產(chǎn)生影響，水廠原水中UV254所體現(xiàn)的溶解性有機物質濃度高于反沖洗廢水，所以水廠原水的UV254高于反沖洗廢水。

圖3 混凝沉淀前后不同水流比水樣有機物

由圖3(a)、(b)可知，混合水樣進水中的CODMn和TOC 隨著回流比的增加逐漸增大，但經(jīng)過混凝沉淀處理后各出水中的CODMn濃度逐漸下降，TOC整體保持不變，這說明濾池反沖洗廢水直接回用可以在一定程度上提高有機質去除效果，更不會使得沉淀出水的有機物濃度增加。另外，CODMn、TOC與濁度的去除趨勢相似，初步判定不溶性的有機物質屬于反沖洗廢水中CODMn和TOC 的主要來源，經(jīng)混凝沉淀即可去除。由圖3(c)可知，各混合水樣進、出水的UV254 均隨著回流比的增加不斷減小，去除率未出現(xiàn)明顯改變，這說明水廠出水UV254不會受濾池反沖洗廢水直接回用的影響。

2.5 對常規(guī)水質指標影響

將原水與濾池反沖洗廢水混合后投加15mg/L液體聚氯化鋁(PAC)，設定0%、3%、6%、12%、15%五種回流比進行混凝攪拌試驗，取混凝沉淀后各試驗杯上清液及各混合水樣測定其亞硝酸鹽氮、氨氮、pH 值和濁度指標，如圖4 所示。

圖4 混凝沉淀前后不同水流比水樣水質

在氣水混沖階段，濾池反沖洗濾層中截留的大量雜質被帶出，該階段的反沖洗廢水濁度遠高于水廠的原水濁度，最高可以達到76NTU。由圖4(a)可知，雖然混合水樣的進水濁度隨著回流比的增加逐漸增大，但經(jīng)過混凝沉淀處理后的出水濁度均不超過2NTU，說明水中濁度去除效果隨著回流比的增大而增強。

研究認為，混凝處理的物理及化學作用是回用生產(chǎn)廢水強化混凝效果的作用機理，其中物理作用主要是提高原水的膠體濃度，考慮混凝動力學原理明顯增大顆粒碰撞概率，使膠體更加凝聚，并達到混凝強化的效應；化學作用是指金屬氫氧化物脫穩(wěn)膠體顆粒的大量存在可改變回用廢水中膠體表面所帶電荷，從而產(chǎn)生典型中和及靜電吸附作用[9-11]。試驗過程中反沖洗廢水直接回用不會影響進水pH值，混凝前后各回流比混合水樣的pH 值均為6.8，不會額外產(chǎn)生pH 值后續(xù)調節(jié)成本。

由圖4(b)、(c)可知，混合水樣中的亞硝酸鹽氮和氨氮濃度均隨著回流比的增加不斷減小，但經(jīng)過混凝沉淀后兩者的出水濃度并未下降。究其原因，反沖洗廢水中的有機物中含有大量的有機氮，經(jīng)混凝沉淀處理后有機物被降解去除，并釋放出里面的有機氮，從而轉化成氨氮和亞硝酸鹽氮，對此混凝沉淀的去除效果幾乎沒有，故進水中的亞硝酸鹽氮和氨氮濃度低于出水，這也說明反沖廢水回用不會帶來以上物質超標風險。

3 結論

1）各回流比條件下，混凝沉淀出水與不回流時的鐵、鋁濃度相當，而錳濃度有所增加，但依然符合＜0.1mg/L 的國標要求，濾池反沖洗廢水直接回用不會提高出水中金屬錳、鐵、鋁的超標風險。此外，還可以達到良好的濁度去除效果，經(jīng)過混凝沉淀，回流比在15%以內時出水濁度均不超過2NTU；此外，回流后出水的亞硝酸鹽氮、氨氮、pH 值與不回流的原水相當，并不會引起超標風險。

2）濾池反沖洗廢水的直接回用可以提高水中的UV254、CODMn及TOC 等有機物去除效果，并且不會增加HMFP 生成風險，經(jīng)混凝沉淀水中的THMFP 均不超過200μg/L。

3）在保證出水濁度的情況下，直接回用濾池反沖洗廢水不會提高出水中各水質指標超高風險，出水水質符合要求。系統(tǒng)改造施工簡便，一次性投入低，有利于節(jié)約資源和運行成本，符合自來水廠環(huán)境保護、節(jié)能降耗的要求。