姚 萌，陳 停，陳海松，袁沛敏，劉冬萍，林 錕，劉嫻芳

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172；2.粵海水務(wù)集團(tuán)，廣東 深圳 518180 ；3.深水龍崗水務(wù)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518180）

隨著水體污染以及水資源匱乏的日趨嚴(yán)重，越來越多的城市以水庫水、山區(qū)溪流、湖泊水作為飲用水水源。例如南水北調(diào)建設(shè)的丹江口水庫和“十二五”期間增建的三個引黃水庫，這些水源大部分屬于低渾濁度水源。通過比較東北、華北、長江三角洲和珠江三角洲等地區(qū)水廠的水源現(xiàn)狀，普遍呈現(xiàn)渾濁度偏低的特點。另外我國北方廣大地區(qū)地表飲用水源在寒冷冬季都處于低溫低濁狀態(tài)，長江中下游干流最寒冷的時候也是如此。

隨著城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，城市用水量與日俱增，隨之而來的便是給水廠排泥水的大量增加，其對環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，使得給水廠排泥水污染問題受到人們的廣泛關(guān)注[1]。而我國對于排泥水的處理起步較晚，國家在2015年出臺的“水十條”進(jìn)一步明確了有關(guān)排泥水處置的要求，提出產(chǎn)生的污泥應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化、無害化和資源化處置，禁止未經(jīng)處置或者處置不達(dá)標(biāo)的污泥隨意排放進(jìn)入自然河道以及耕地等。

沉淀池排泥水為排泥水的主要來源之一，排泥水的與日俱增帶來的是大量的污泥，而污泥處置技術(shù)還不完善，仍以填埋為主的處理方式對環(huán)境有極大的污染，同時不斷增加的混凝劑藥量對凈水廠來說是一項不小的成本。而凈水廠中的排泥水（混凝—沉淀單元的排泥水及濾池反沖洗水）由于本身包含有大量的未反應(yīng)完全的混凝劑及顆粒物質(zhì)，將其與原水混合使用，可以有效提高單位體積內(nèi)顆粒的有效密度及顆粒的碰撞粘附幾率，有效強(qiáng)化低濁水的混凝效果。另外，排泥水中還含有未完全反應(yīng)的混凝劑，在回用的過程中混凝活性可能被再一次利用，其水解的金屬氫氧化物的吸附性能也有助于提高對低濁水的處理能力。因此，對凈水廠生產(chǎn)廢水的回用，被認(rèn)為是處理低渾濁度水的有效措施。

為此，如果能夠?qū)⑦@部分排泥水資源化利用，則能在一定程度上降低水廠的投藥量[2]，實現(xiàn)降低藥劑成本和環(huán)境污染，達(dá)到資源可持續(xù)利用的目的。

1 試驗材料與方法

1.1 主要試驗藥品與儀器

試驗藥品和儀器如表1、表2所示。

表1 試驗藥品

表2 試驗儀器

1.2 試驗方法

（1）試驗水樣

本試驗水樣為“自來水+腐殖酸+高嶺土儲備液”模擬水樣（濁度為10±0.2NTU，UV254為0.200±0.002，pH=8，25℃），均采用高嶺土儲備液和腐殖酸儲備液配制。該水從感官上來看，色度較高，呈現(xiàn)棕黃色。

（2）試驗藥品配置

①PAC的配置方法：稱取1g PAC固體溶于100ml超純水中攪拌至完全溶解，配置濃度為0.1g/L的PAC溶液。

②高嶺土儲備溶液的配置方法：高嶺土溶液由10g高嶺土加入1L去離子水中。

③腐殖酸儲備溶液的配置方法：由10g腐殖酸溶于0.1mol/L NaOH溶液中制備成腐殖酸儲備溶液，磁力攪拌24h，上清液用0.45μm濾膜過濾，過濾液用HCl溶液或者0.01mol/L NaOH調(diào)pH至7.5，然后儲備在藥劑瓶中避光保存。

（3）試驗步驟

①回流污泥的蓄積。分別取適量的高嶺土儲備液、腐殖酸儲備液至1000ml自來水中，攪拌均勻制成污泥蓄積水樣（濁度為200±2NTU，UV254為0.20±0.002，pH=8）。固定混凝快速攪拌強(qiáng)度300r/min，攪拌1min將污泥蓄積水樣（濁度為200±2NTU，UV254為0.20±0.002，pH=8）混勻，加入PAC混凝劑60mg/L后，以300r/min快攪1min，使藥劑與水樣混合均勻；固定慢速攪拌速度60r/min，攪拌時間15min。慢攪停止后靜置20min，緩緩倒去上清液，輕輕將沉淀后的絮體轉(zhuǎn)移至燒杯中，制成蓄積絮體儲備液，儲存?zhèn)溆?。（動作要輕緩，防止絮體打碎）

②混合水濁度的調(diào)節(jié)。混合水濁度：是由原水+排泥水組合而成，即將排泥水以一定量回流至原水中配置成混合水，使其濁度值為一固定值，以此濁度值作為排泥水回流量?；亓鞅龋夯旌纤亓髁颗c原水總量的比值，該實驗定義回流比為6%，即混合水60ml，初始原水量為960ml。將60ml的混合水回流后，混合水濁度值為實驗要求的固定值。

③污泥回用。配置5杯960ml及1杯1000ml初始濁度5NTU，UV254為0.2的原水，調(diào)節(jié)pH為8，如水溫較低，原水需適當(dāng)加熱。配置好的6杯原水中，加入PAC的劑量依次為2，4，6，8，10mg/L, 用注射器取收集的污泥量為1.5ml, 在一分鐘快速攪拌結(jié)束后，分別加入前5個燒杯中，完成污泥回流。

2 結(jié)果與討論

2.1 混合水濁度與含固率關(guān)系

從排泥水回用工藝和可操控性角度考慮，以混合水渾濁度為量化指標(biāo)較為科學(xué)，且操作相對簡便；同時也為下一步的中試試驗提供技術(shù)操控性指導(dǎo)，即在進(jìn)水與生產(chǎn)廢水混合處安裝在線渾濁度儀，根據(jù)渾濁度儀在線數(shù)值實施對生產(chǎn)廢水回用比率的調(diào)控，以達(dá)到最佳回用參數(shù)值范圍。

含固率即為絮體含量在混合水中的百分比，研究表明其與濁度具有良好的線性關(guān)系[3]。其計算方法為分別取不同體積的排泥水稀釋至250ml，稱取其絮體溶液質(zhì)量m1，并測定其濁度，將絮體溶液置于200℃的烘箱中烘干兩小時，直至重量不再變化，其質(zhì)量記為m2，按式(1)計算絮體溶液含固率。

本研究中將含固率與不同混合水濁度進(jìn)行配比，結(jié)果如圖1所示，其線性擬合方程為y=0.0008x+0.0655，R2=0.9989，線性相關(guān)性較高。說明可以使用混合水濁度值來表征水中的含固率。

圖1 混合水濁度與含固率線性擬合曲線

2.2 最優(yōu)投藥量的選擇

當(dāng)原水濁度為10 NTU時，分別選擇PAC的投藥量為5mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L，25mg/L，30 mg/L，考察濁度及UV254的去除效率。如圖2所示，當(dāng)投藥量在5-10 mg/L范圍內(nèi)，濁度的去除率隨投藥量的增加而驟升。投藥量超過10 mg/L時，濁度的去除率穩(wěn)步上升，UV254的去除率趨于平緩。綜合去除效果與節(jié)省混凝劑的目的，選擇投藥量為8mg/L作為最佳投藥量[4]。在確定好最佳投藥量之后，以混合水渾濁度作為控制因素，進(jìn)行連續(xù)性實驗，分別考察不同混合水濁度在相同投藥量下，對濁度去除率與UV254去除率的影響，從而進(jìn)行選擇[5]。

圖2 最優(yōu)投藥量的選擇

2.3 中低混合水濁度對混凝效果的影響

從降低水廠自耗水及節(jié)約運(yùn)行成本的角度出發(fā)，多數(shù)水廠在滿足正常生產(chǎn)運(yùn)行的前提下，盡可能回用較大比例的反沖洗廢水；然而單獨(dú)回用此部分廢水并不能顯著地強(qiáng)化混凝效果，有可能對原工藝造成沖擊影響出水水質(zhì)，因此需尋求聯(lián)合回用并不斷調(diào)節(jié)沉泥回用比例以實現(xiàn)強(qiáng)化混凝、凈化水質(zhì)的效果。控制這一重要要素就是混合水渾濁度，因此尋求最佳混合水渾濁度與節(jié)藥率及混凝效果的關(guān)系尤為重要。

在中低混合水濁度范圍內(nèi)探究混合水不同濁度的投藥量，由圖3可以看出，當(dāng)混合水渾濁度為14NTU時，濁度去除率隨投藥量的增加呈上升趨勢，其中，當(dāng)投藥量在2-8mg/L的范圍內(nèi)，濁度去除率增長較慢，隨著投藥量增加到8-10mg/L范圍內(nèi)時，濁度去除率驟增；投藥量為4-14mg/L時，UV254去除率也在穩(wěn)步上升，在14mg/L時，濁度去除率和UV254去除率均達(dá)到最大值。因此當(dāng)混合水渾濁度為14NTU時，選擇投藥量為14mg/L作為后續(xù)實驗研究。當(dāng)混合水濁度為28NTU時，濁度去除率與UV254去除率隨投藥量的增加波動較大。其中，當(dāng)投藥量為8mg/L時，濁度去除率與UV254去除率同時達(dá)到一個小高峰，混合水的濁度去除率隨著投藥量的增加呈現(xiàn)爬梯式增長，隨著投藥量增加到12mg/L時，濁度去除率與UV254去除率達(dá)到最高峰。因此當(dāng)混合水渾濁度為28NTU時，選擇投藥量為12mg/L作為后續(xù)實驗研究。當(dāng)混合水渾濁度為40NTU時，濁度去除率與UV254去除率隨投藥量的增加呈現(xiàn)“M”形趨勢。其中，當(dāng)投藥量為2-4mg/L時，濁度去除率與UV254去除率上升；當(dāng)投藥量為4-6mg/L時，濁度去除率與UV254去除率下降；當(dāng)投藥量為6-8mg/L時，濁度去除率與UV254去除率又上升，達(dá)到投藥量2-10mg/L內(nèi)最高，之后又下降。因此當(dāng)混合水渾濁度為40NTU時，選擇投藥量為8mg/L作為后續(xù)實驗研究。當(dāng)混合水濁度為50NTU時，濁度去除率隨投藥量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，而UV254則相反，呈現(xiàn)先減后增，再平緩下降的趨勢。其中，當(dāng)投藥量為5mg/L時，濁度去除率與UV254去除率上升到最高之后又下降，推測是當(dāng)混合水濁度為50NTU時，投藥量太高反而使沉降性能下降[6]。因此當(dāng)混合水渾濁度為50NTU時，選擇投藥量為5mg/L作為后續(xù)實驗研究。

圖3 中低混合水濁度對混凝效果的影響

2.4 高混合水濁度對混凝效果的影響

在高混合水濁度范圍內(nèi)探究混合水不同濁度的投藥量，由圖4可以看出，當(dāng)混合水渾濁度為65 NTU，投藥量為4mg/L時，濁度去除率與UV254去除率都達(dá)到最大。然后都開始下降，當(dāng)投藥量逐漸增加到8mg/L時，濁度去除率開始增長，但UV254去除率效果不佳，仍是下降的趨勢。因此當(dāng)混合水渾濁度為65NTU時，選擇投藥量為4mg/L作為后續(xù)實驗研究。當(dāng)混合水渾濁度為80NTU時，UV254去除率隨投藥量的增加呈緩慢上升趨勢，其中，投藥量為4-10mg/L內(nèi)，UV254去除率增長較慢，相差不大；當(dāng)投藥量為4-8mg/L時，濁度去除率驟增，隨著投藥量增加到8mg/L時，濁度去除率達(dá)到最大；當(dāng)混合水渾濁度為80NTU時，選擇投藥量為8mg/L作為后續(xù)實驗研究。當(dāng)混合水渾濁度為100NTU時，UV254去除率隨投藥量的增加呈緩慢上升趨勢，當(dāng)投藥量分別為10mg/L和20mg/L時，去除率相差不大，為了節(jié)省投藥量，明顯選用10mg/L更為合適。當(dāng)投藥量為5-10mg/L時，濁度去除率驟增，當(dāng)投藥量增加到10mg/L時，濁度去除率達(dá)到最大，之后呈下降趨勢，因此當(dāng)混合水渾濁度為100NTU時，選擇投藥量為10mg/L作為后續(xù)實驗研究。當(dāng)混合水渾濁度為135NTU時，UV254去除率隨投藥量的增加呈穩(wěn)步上升趨勢，其中，投藥量為8-12mg/L內(nèi)，UV254去除率增長較慢，相差不大；當(dāng)投藥量為2-6 mg/L時，濁度去除率驟增，隨著投藥量為12mg/L時，濁度去除率增加到最大；結(jié)合UV254去除率，考慮投藥量和去除率，當(dāng)混合水渾濁度為80NTU時，選擇投藥量為8mg/L作為后續(xù)實驗研究。

圖4 高濁度混合水對混凝效果的影響

2.5 排泥水回用最佳條件選擇

由圖5可知，排泥水達(dá)標(biāo)投藥量隨含固率的增大呈先下降后升高趨勢，呈凹形線條，而節(jié)藥率變化趨勢為先上升后下降。當(dāng)混合水濁度小于28NTU時，節(jié)藥率為負(fù)值，此時排泥水回用并不能達(dá)到節(jié)省混凝劑的效果。當(dāng)混合水濁度為34NTU-100NTU時，能夠達(dá)到節(jié)省混凝劑的效果[7]；在混合水濁度為50NTU-65NTU時，節(jié)藥效率最佳，最大節(jié)藥率為50%；當(dāng)混合水濁度大于100NTU時，投藥量增加，節(jié)藥率為負(fù)值，排泥水回用已不能達(dá)到節(jié)省混凝劑用量的效果[8]。

圖5 節(jié)藥率、投藥量隨混合水濁度變化曲線

綜上所述，排泥水回用可以有效強(qiáng)化混凝出水效能，且減少混凝劑的投加量，但排泥水回用存在最佳含固率及混合水渾濁度范圍。其原理為，低濁度水源水中含有的顆粒數(shù)量較少，而當(dāng)排泥水回用到低濁原水中，引入了大量的無機(jī)顆粒，增加了原水中顆粒的總數(shù)量，進(jìn)而提高了顆粒間的碰撞幾率；另外，排泥水中可能會殘存有未完全反應(yīng)完的有效混凝劑，其剩余的活性成分在回流過程中被重新激活，強(qiáng)化了混凝效能且節(jié)約了混凝劑的投加量[9]。排泥水回用不僅達(dá)到了有效去除無機(jī)顆粒的效果，從UV254的去除效果可以看出，排泥水回用還可以有效去除原水中的有機(jī)物。這是因為排泥水中含有大量的尺寸較大、且孔隙率較高的絮體物質(zhì)，其表面帶有大量的羧基、氨基和羰基官能團(tuán)以及活性位點，而這些官能團(tuán)和活性位點能與不定形的氫氧化鋁發(fā)生反應(yīng)。在以前的研究中，使用混凝劑去除腐殖酸的主要機(jī)理有電中和、網(wǎng)捕、吸附等，其中混凝劑水解的金屬離子和H腐殖酸發(fā)生絡(luò)合形成不溶性的顆粒簇體，進(jìn)而沉降下來達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。由于不同摩爾分子量的DOM存在于天然水體中，通常使用鐵鹽和鋁鹽對其的去除機(jī)理也不一樣，但是電荷的引力作用已經(jīng)被認(rèn)為是存在的。

然而，排泥水的回用量也不能持續(xù)增加，這是因為原水中顆粒物的增多會增加工藝的處理負(fù)荷，且較多的顆粒物間由于電荷的作用，會干擾顆粒沉降，從而影響混凝效果。因此為了保證出水水質(zhì)，需要增加混凝劑的用量，利用吸附、架橋、網(wǎng)捕和卷掃等作用使顆粒沉降下來。研究顯示當(dāng)含固率或混合水渾濁度超過某一范圍時，節(jié)藥率為負(fù)值，反而使得藥劑投加量增多[10]。

3 結(jié)語

本文通過燒杯小試混凝試驗，對排泥水回流強(qiáng)化混凝的效果進(jìn)行了研究。通過調(diào)整排泥水回流比、混凝劑投加量和排泥水濁度三個參數(shù)，分別研究其對回流效果的影響，進(jìn)而得出排泥水回流工藝的最佳工況條件。

（1）回流排泥水可以有效降低出水濁度，強(qiáng)化混凝效果，但存在最佳回流條件。當(dāng)回流的排泥水濁度過低或者過高，都會減弱混凝效果，出現(xiàn)出水濁度高于無排泥水回流時的現(xiàn)象，且混凝劑投加量與排泥水回流的效果有直接關(guān)系。

（2）回流工藝中隨著排泥水濁度的增加，沉后水的剩余濁度值出現(xiàn)“先降后升”的現(xiàn)象。當(dāng)排泥水的濁度控制在14-135NTU時，適當(dāng)降低混凝藥劑的投加量，沉后出水的濁度值能夠出現(xiàn)比無排泥水回流更低的情況，有效強(qiáng)化了混凝效果。

（3）混凝劑投藥量與排泥水濁度均會對出水效果產(chǎn)生影響，當(dāng)排泥水濁度為65NTU時，最佳投藥量為4mg/L，而排泥水濁度增加至135NTU時，最佳投藥量為6mg/L。

研究表明，適當(dāng)回流排泥水可以達(dá)到降低沉后出水濁度值，強(qiáng)化混凝效果的目的，且將剩余污泥進(jìn)行回流的過程中可以適當(dāng)降低混凝劑的投加量，同時達(dá)到節(jié)省藥劑使用量的目的。