北方地区自来水厂滤池反冲洗废水混凝搅拌试验研究

李 莉

（北票市自来水有限公司，辽宁 朝阳 122100）

0 引言

目前，我国大部分饮用水处理厂仍使用常规水处理工艺，每天产生的废水占总供水量3%～10%，并以反冲洗废水和排泥水为主[1-3]。近年来，水资源可持续利用越来越引起人们的重视，若能够实现生产废水的回用利用，既可以节约水资源和水厂运行成本，还具有重要现实意义。研究表明，许多天然有机物等有害物质富集于这些废水中，直接回用势必会影响后续水处理水质[4-5]。此外，废水中还存在大量聚合胶体、未反应混凝剂、脱稳颗粒等，直接回用有利于增强其混凝效果。鉴于此，本研究通过混凝小试探讨了水厂水质受不同水流比条件下滤池反冲洗废水的影响，如消毒副产物、金属、有机物及常规水质等指标，以期明确直接回用滤池反冲洗废水的水质风险及其可行性，为自来水厂成本管理和给水工艺改造提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试验条件

在北方某城市自来水厂内进行试验研究，该自来水厂的原水来源于太子河干流，水处理工艺见图1。

图1 自来水厂水处理工艺

该水厂反冲洗用水取砂滤池滤后水，主要有气冲、气水混冲以及水冲3 个反冲洗过程，所对应的时间依次为4min、6min、4min，强度20L/(m2·s)、20L/(m2·s)与5L/(m2·s)、5L/(m2·s)、反冲洗周期38h，水冲阶段的表面扫洗强度1.2～2.5L/(m2·s)。试验过程中，采用液体聚氯化铝(PAC)即水厂在用混凝剂，设定投加量10～15mg/L。

1.2 试验方法

试验原水取水厂原水与气水混冲阶段的废水混合水，通过混凝搅拌小试探讨出水水质受回流水质最差时的影响作用[6]。一般地，滤池反冲洗废水占水厂产水量的2%～5%，考虑到一天时间内原水取水量的变化特点，为明确最大回流比例情况下出水水质风险，设定最大回流比例15%，试验过程中气水混冲阶段废水和水厂原水水质如表1 所示。

表1 气水混冲阶段废水和水厂原水水质

采用恒奥德H26257 六联搅拌机进行混凝搅拌试验，分5 个阶段模拟水厂混凝沉淀实际参数，相关水质指标取试验杯上清液进行检测，相关试验参数如表2 所示。试验时间为2020 年11 月5 日～2021 年1 月6 日，通过混凝烧杯试验每周取样检测一次有关指标，连续检测5 周，最终试验结果取5 次试验数据平均值。

表2 试验参数设计

1.3 指标测试

试验采用标准缓冲溶液比色法、宇邦YZD-800T 台式浊度仪和温度计测定pH 值、浊度、温度；为减少颗粒物质产生的干扰用0.45μm 滤膜过滤水样，利用紫外分光光度计测定紫外吸收光UV254；TOC 就是水体中悬浮性和溶解性有机物的碳含量，以碳数量反映有机物含量，试验利用TOC 以测定；采用酸性高锰酸钾滴定法和重氮偶合分光光度法测定CODMn、亚硝酸盐氮，通过测定长时间反应和高投氯量情况下的水中THMs 生成量作为THMFP，检测方法参考国际标准；采用水杨酸盐、二氮杂菲、铬天青S 等分光光度法测定测定氨氮、金属铁和铝含量，利用ICPMS 法测定锰含量[7]。

2 结果与分析

2.1 经济指标分析

水厂滤池反冲洗废水直接回用只需在原有排水渠上加建电器控制系统、管道及安装潜水泵即可，无需另建调蓄沉淀池，一次性投资约15 万元。结合实际情况，计算直接回用前后试样水厂主要经济指标如表3 所示。

表3 经济指标

结果表明，滤池反冲洗废水直接回用后试样水厂每年可节约运行成本36.73 万元，一次性投资费用在半年内即可回收，所以滤池反冲洗废水直接回用既能切实减少水厂运行成本，具有显著的制水效益，还有利于环境保护。

2.2 对金属指标影响

将原水与滤池反冲洗废水混合后投加15mg/L液体聚氯化铝(PAC)，设定0%、3%、6%、12%、15%五种回流比进行混凝搅拌试验，取混凝沉淀后各试验杯上清液及各混合水样测定其金属铁、锰、铝浓度，如图1 所示。结果发现，水厂原水中的铝浓度明显低于滤池反冲洗废水，这是因为经过液体聚氯化铝(PAC)混凝沉淀后水厂原水中生成的大量铝盐被截留于滤层内，随着滤池反冲洗的带出致使废水中的铝含量有所提高。

图1 混凝沉淀前后不同水流比水样金属指标

由图1(a)可知，随回流比的增加混合水样中的铝含量逐渐升高，但出水中的铝浓度整体处于0.1mg/L 以内，经混凝沉淀后的去除率逐渐增大，说明出水铝浓度并不会因反冲洗废水的直接回用而提高。此外，原水出水中的铝含量经直接混凝沉淀后有所增加，表明利用液体聚氯化铝(PAC)混凝剂将在一定程度上增加出水铝浓度。

饮用水中的锰、铁含量过高会影响水的臭味和色度，衣物洗涤过程中甚至会引起着色。由图1(b)可知，随着回流比的增加混合水样中的锰浓度不断增大，经混凝沉淀后出水中的锰浓度相比于不回流的原水有所提高，但最高也不超过0.018mg/L，符合低于0.1mg/L 的国标要求。不同于金属锰、铝，水厂原水中的铁含量要明显高于反冲洗废水，故认为混凝沉淀是去除原水中铁的主要途径。由图1(c)可知，随回流比的增加混合水样中的铁浓度逐渐减小，各出水中的铁浓度为0.12kg/L，符合低于0.3kg/L 的国标要求。

2.3 对消毒副产物影响

将原水与滤池反冲洗废水混合后投加15mg/L液体聚氯化铝(PAC)，设定0%、3%、6%、12%、15%五种回流比进行混凝搅拌试验，取混凝沉淀后各试验杯上清液及各混合水样测定其三卤甲烷生成势(THMFP)，如图2 所示。有机前驱物是决定饮用水中消毒副产物(DBPs)生成的关键因素，其中富里酸、腐殖酸和天然有机物属于DBPs 的主要前驱物[8]。

图2 混凝沉淀前后不同水流比水样的THMFP

由图2 可知，THMFP 与有机物指标的去除效果相似，混合水样的THMFP 随着回流比的增加不断提高，回流比为15%时浓度最高达到550μg/L，经混凝沉淀后出水的三卤甲烷生成势(THMFP)快速减小到200μg/L，随着回流比的增加其去除率逐渐升高，这表明有效去除混合水样中的有机物可以明显降低THMFP 的生成风险。

2.4 对有机物指标影响

将原水与滤池反冲洗废水混合后投加15mg/L液体聚氯化铝(PAC)，设定0%、3%、6%、12%、15%五种回流比进行混凝搅拌试验，取混凝沉淀后各试验杯上清液及各混合水样测定其UV254、CODMn和TOC 浓度，如图3 所示。结果发现，水厂原水中CODMn和TOC 明显低于滤池反冲洗废水，而UV254正好相反，究其原因可能是有大量不溶性有机物质存在于滤池反冲洗杂质中，从而提高反冲洗废水中的CODMn和TOC 浓度，在UV254检测之前必须对水样利用0.45μm 滤膜进行过滤。因此，即使大量增加不溶性有机物质也不会对UV254产生影响，水厂原水中UV254所体现的溶解性有机物质浓度高于反冲洗废水，所以水厂原水的UV254高于反冲洗废水。

图3 混凝沉淀前后不同水流比水样有机物

由图3(a)、(b)可知，混合水样进水中的CODMn和TOC 随着回流比的增加逐渐增大，但经过混凝沉淀处理后各出水中的CODMn浓度逐渐下降，TOC整体保持不变，这说明滤池反冲洗废水直接回用可以在一定程度上提高有机质去除效果，更不会使得沉淀出水的有机物浓度增加。另外，CODMn、TOC与浊度的去除趋势相似，初步判定不溶性的有机物质属于反冲洗废水中CODMn和TOC 的主要来源，经混凝沉淀即可去除。由图3(c)可知，各混合水样进、出水的UV254 均随着回流比的增加不断减小，去除率未出现明显改变，这说明水厂出水UV254不会受滤池反冲洗废水直接回用的影响。

2.5 对常规水质指标影响

将原水与滤池反冲洗废水混合后投加15mg/L液体聚氯化铝(PAC)，设定0%、3%、6%、12%、15%五种回流比进行混凝搅拌试验，取混凝沉淀后各试验杯上清液及各混合水样测定其亚硝酸盐氮、氨氮、pH 值和浊度指标，如图4 所示。

图4 混凝沉淀前后不同水流比水样水质

在气水混冲阶段，滤池反冲洗滤层中截留的大量杂质被带出，该阶段的反冲洗废水浊度远高于水厂的原水浊度，最高可以达到76NTU。由图4(a)可知，虽然混合水样的进水浊度随着回流比的增加逐渐增大，但经过混凝沉淀处理后的出水浊度均不超过2NTU，说明水中浊度去除效果随着回流比的增大而增强。

研究认为，混凝处理的物理及化学作用是回用生产废水强化混凝效果的作用机理，其中物理作用主要是提高原水的胶体浓度，考虑混凝动力学原理明显增大颗粒碰撞概率，使胶体更加凝聚，并达到混凝强化的效应；化学作用是指金属氢氧化物脱稳胶体颗粒的大量存在可改变回用废水中胶体表面所带电荷，从而产生典型中和及静电吸附作用[9-11]。试验过程中反冲洗废水直接回用不会影响进水pH值，混凝前后各回流比混合水样的pH 值均为6.8，不会额外产生pH 值后续调节成本。

由图4(b)、(c)可知，混合水样中的亚硝酸盐氮和氨氮浓度均随着回流比的增加不断减小，但经过混凝沉淀后两者的出水浓度并未下降。究其原因，反冲洗废水中的有机物中含有大量的有机氮，经混凝沉淀处理后有机物被降解去除，并释放出里面的有机氮，从而转化成氨氮和亚硝酸盐氮，对此混凝沉淀的去除效果几乎没有，故进水中的亚硝酸盐氮和氨氮浓度低于出水，这也说明反冲废水回用不会带来以上物质超标风险。

3 结论

1）各回流比条件下，混凝沉淀出水与不回流时的铁、铝浓度相当，而锰浓度有所增加，但依然符合＜0.1mg/L 的国标要求，滤池反冲洗废水直接回用不会提高出水中金属锰、铁、铝的超标风险。此外，还可以达到良好的浊度去除效果，经过混凝沉淀，回流比在15%以内时出水浊度均不超过2NTU；此外，回流后出水的亚硝酸盐氮、氨氮、pH 值与不回流的原水相当，并不会引起超标风险。

2）滤池反冲洗废水的直接回用可以提高水中的UV254、CODMn及TOC 等有机物去除效果，并且不会增加HMFP 生成风险，经混凝沉淀水中的THMFP 均不超过200μg/L。

3）在保证出水浊度的情况下，直接回用滤池反冲洗废水不会提高出水中各水质指标超高风险，出水水质符合要求。系统改造施工简便，一次性投入低，有利于节约资源和运行成本，符合自来水厂环境保护、节能降耗的要求。