徐勇鵬，朱世俊，崔福義

(1. 城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，哈爾濱 150090)

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連續(xù)回流生產(chǎn)廢水對凈水廠出水水質(zhì)影響的中試研究

徐勇鵬1,2，朱世俊2，崔福義1,2

(1. 城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學)，哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，哈爾濱 150090)

摘要:為考察連續(xù)回流凈水廠生產(chǎn)廢水對出水水質(zhì)的影響，采用中試實驗模型，研究東北地區(qū)夏冬兩季連續(xù)回流凈水廠生產(chǎn)廢水14 d的水質(zhì)變化規(guī)律.夏季沉淀池污泥和反沖洗水最佳回流比分別為4%和6%，冬季為2%和6%.在滿足沉后水出水濁度達標(<2.5 NTU)的前提下，夏、冬兩季廢水連續(xù)直接回流工藝與不回用相比，可分別節(jié)約33.3%和18.2%的混凝劑投加量.在整個回流運行周期中，連續(xù)監(jiān)測濁度、色度、UV254、TOC等出水水質(zhì)指標，結(jié)果表明，與不回流相比，回流工藝可以有效提高污染物的去除，而且，較高溫度時還可以提高污染物的去除率.在連續(xù)回流過程中，出水水質(zhì)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)明顯的污染物富集現(xiàn)象.廢水回流是強化混凝過程的有效方法.

關鍵詞:連續(xù)回流；中試；沉淀池污泥；反沖洗水；溫度；富集

飲用水處理廠每天產(chǎn)生大量的生產(chǎn)廢水，其中以沉淀池污泥和反沖洗水為主，約占水廠供水量的4%～10%.研究發(fā)現(xiàn)這些廢水中除了含有天然有機物、病原微生物等有害物質(zhì)外，還含有大量脫穩(wěn)的顆粒、聚合膠體以及未反應的混凝劑[1-2].污泥濃縮、脫水會增加水廠運行費用，而且，反沖洗水的直接排放也不利于水廠節(jié)約成本.廢水回用技術引起廣泛關注.許多研究表明，污泥回流工藝廣泛用于強化污水一級處理.合理地回用給水處理中沉淀池產(chǎn)生的污泥可有效去除污水中的磷、硼、砷酸鹽以及硫化物等污染物[3].而且，污泥回流也可用于污水處理中化學預氧化階段，其中COD的去除率可達53%，效果等同于新添加混凝劑的作用.近年來，越來越多的研究表明，廢水回流技術可用于飲用水處理工藝中.

劉繼平[4]采用沉淀池排泥水回流法處理低溫低濁水發(fā)現(xiàn)，當原水濁度為 5 NTU 時，PACl 的投加量為15 mg/L，回流污泥的濁度為15 NTU 時，運行效果最佳.徐勇鵬等[5]的研究表明，沉淀池污泥和反沖洗水相結(jié)合的回流工藝可以強化混凝，解決低溫低濁水難處理的問題，并且當混合水濁度為10～20 NTU時，節(jié)藥率可達25%～50%.周志偉[6]研究不同助凝劑對回流效果的影響，初步分析絮凝后期的絮體結(jié)構(gòu)特性，指出采用污泥回流工藝時，可以根據(jù)水廠實際工藝合理選擇運行參數(shù)，更好地發(fā)揮組合藥劑投配方式的混凝效能.因此，在污水處理和飲用水處理工藝中，廢水回流技術是一種有效、經(jīng)濟的工藝.

之前的研究主要運用燒杯小試實驗對出水水質(zhì)和機理進行分析探討，需要設計一組中試設施模型來進一步模擬水廠實際運行.由檢測數(shù)據(jù)得知原水中并不含兩蟲(隱孢子蟲卵囊和賈第鞭毛蟲孢囊)，本研究不考慮兩蟲生物的危害.中試實驗分別在夏、冬兩個季節(jié)連續(xù)運行2個系列，考察回流工藝與傳統(tǒng)工藝相比的節(jié)藥率；連續(xù)回流對沉淀池出水水質(zhì)參數(shù)的影響及污染物(TOC、UV254、Fe、Al)富集現(xiàn)象；提出在不同季節(jié)下合理的運行周期.

1實驗

1.1實驗裝置及運行參數(shù)

中試基地位于中國東北地區(qū)ZY飲用水處理廠.實驗模型包括兩套平行系統(tǒng)，其中一套用于廢水回流工藝裝置，記為1#，另一套用于常規(guī)水處理工藝裝置(不含回流設備)，記為2#.工藝系統(tǒng)包括6個部分，分別為穩(wěn)壓井、靜態(tài)混合器、網(wǎng)格絮凝池、斜板沉淀池、砂濾池、清水池，如圖1所示.每套系統(tǒng)處理流量為336 m3/d(14 m3/h)，混凝劑采用聚合氯化鐵鋁(PFAC).

圖1　連續(xù)中試實驗裝置流程

沉淀池污泥由斜板沉淀池產(chǎn)生，通過穿孔排泥管回收于圓柱形不銹鋼儲泥罐中，內(nèi)部設有機械攪拌槳勻速攪拌，使污泥濃度均勻并防止沉淀.污泥通過蠕動泵1將排泥水回流至靜態(tài)混合器前端(如虛線所示).砂濾池每24 h反沖洗一次，反沖洗水收集于兩個圓柱形不銹鋼儲泥罐中，通過蠕動泵2將反沖洗水回流至靜態(tài)混合器前端(如點劃線所示)，與原水、混凝劑混合完全后經(jīng)靜態(tài)混合器進入后續(xù)處理單元.

1.2實驗用水及測試方法

1.2.1原水水質(zhì)

中試原水來自中國東北地區(qū)DQ市某水庫水源，其主要物理化學指標見表1.夏季時，進水濁度為4.5～5.5 NTU，色度為30～50 CU，TOC為4.5～5.5 mg/L，pH為7.5～8.3，鋁質(zhì)量濃度為0.73～1.20 mg/L，鐵質(zhì)量濃度為0.25～0.35 mg/L；冬季時，指標略有提高，濁度為5.0～5.5 NTU，色度為50～60 CU，TOC為5.5～7.5 mg/L，pH為7.7～8.5，但鋁質(zhì)量濃度相對較低，為0.31～0.49 mg/L，鐵質(zhì)量濃度相近，為0.17～0.33 mg/L.可見，原水為典型的低濁度、高色度、中等有機物量的弱堿性水體.冬季低濁影響增加其常規(guī)水處理難度.

表1　實驗原水水質(zhì)

1.2.2分析方法與儀器

水質(zhì)參數(shù)均按照USEPA或標準方法測定.溫度、pH： DELTA-320 pH計(梅特勒-托利多)；濁度： 2100AN濁度儀 (哈希，美國)；色度：比色皿厚度5 cm，采用DR5000 紫外分光光度計(哈希，美國)；UV254：水樣經(jīng)0. 45 μm 濾膜過濾，測試波長254 nm，比色皿厚度1 cm，采用DR5000 紫外分光光度計(HACH，美國)；TOC：TOC-V CHP 分析儀(島津，日本).

1.3實驗方案及步驟

首先確定最佳運行工況.在夏、冬兩季均控制沉淀池出水滿足水廠內(nèi)控指標(<2.5 NTU)的情況下進行優(yōu)化調(diào)試，分別尋找最優(yōu)回流參數(shù)以及常規(guī)處理運行參數(shù)，包括最佳投藥量、最佳混合水濁度范圍、最佳回流配比.

以上述最佳回流比將沉淀池污泥和反沖洗水回流到靜態(tài)混合器中，連續(xù)運行14 d.因為當回流第12天時發(fā)現(xiàn)儲泥罐中的沉淀池污泥有異味釋放，污泥絮體上浮，發(fā)生了污泥腐化現(xiàn)象，后續(xù)2 d回流實驗進一步檢驗對出水水質(zhì)的影響.每天分別在上午10點和下午3點取樣兩次進行水質(zhì)參數(shù)檢測，樣品包括原水、混合水 (回流廢水+原水+混凝劑)、儲泥罐中廢水(沉淀池污泥和反沖洗水)、沉淀池出水、濾池出水.

2結(jié)果與討論

2.1連續(xù)性廢水回流工藝的評價

調(diào)節(jié)蠕動泵流量，使在沉淀池污泥與濾池反沖洗水回流配比分別為2%∶4%、2%∶5%、2%∶6%、3%∶4%、3%∶5%、3%∶6%、4%∶4%、4%∶5%、4%∶6%，其中2%～4%和4%～6%均為廢水回流占水廠自產(chǎn)水量的比例.通過控制沉后水濁度指標(<2.5 NTU)尋找最佳回流比和最適投藥量.通過調(diào)試優(yōu)化實驗得出夏季最佳回流比為4%∶6%，冬季為2%∶6%.

由表2 可以看出，在滿足沉后水濁度在(2.0±0.5) NTU(ZY水廠內(nèi)控指標)的條件下，夏季常規(guī)工藝連續(xù)性運行處理低濁水的投藥量為6 mg/L，而廢水回流工藝系統(tǒng)投藥量可減少至4 mg/L，節(jié)藥率高達33.3%.由此可見，廢水回流工藝不僅可以強化混凝，還可以起到節(jié)水節(jié)藥的作用，對于節(jié)約水廠運行成本極其可觀.相比而言，冬季廢水不回流時投藥量增加到11 mg/L，約為夏季時的2倍，廢水回流同樣可以節(jié)約2 mg/L藥劑，節(jié)藥率可達18.2%.一般而言，寒冷地區(qū)的飲用水處理技術一直是一個難于解決的問題.混凝劑在低溫條件下水解困難，膠體難于脫穩(wěn)，礬花也難以形成；此外，水的濁度低,水中脫穩(wěn)膠體顆粒相互接觸的幾率降低，因而絮體的成長速度很慢；水中濁度低，形成的絮體密度小，沉淀速度很慢，造成停留時間很長、設備的體積很大.特別是水中有機成分的增加，進一步提高了水中膠體的穩(wěn)定性，使膠體更難脫穩(wěn).低溫低濁條件下，混凝使得處理后水中的余鋁質(zhì)量濃度增高，預投混凝劑的直接過濾和接觸絮凝過濾是處理低濁度水的有效方法，但同樣存在出水余鋁偏高的問題[6].而水廠大多采用增加混凝劑投加量或額外投加助凝劑(如PAM)的方法來解決低溫低濁難處理的問題[7].因此，廢水回流工藝對于強化低溫低濁水的去除是可行且經(jīng)濟的方法.

表2　不同季節(jié)連續(xù)回流時的參數(shù)比較

此外，在夏冬兩季連續(xù)回流14 d中，對混合水濁度、沉淀池排泥水濁度、濾池反沖洗濁度進行監(jiān)測.由表2可以看出，在20 ℃時混合水濁度為120～150 NTU，4 ℃時為50～70 NTU，二者均存在較小波動.而反沖洗濁度差別不大，在夏、冬兩季的范圍分別為22～36和17～31 NTU.因此,導致混合水濁度差異較大的因素主要是排泥水濁度.20 ℃沉淀池排泥水的濁度為5 500～6 500 NTU，而在4 ℃時保持在較低的濁度范圍，即2 300～2 800 NTU，平均值約為夏季的1/2.溫度會減弱顆粒的布朗運動，在紊流狀態(tài)下顆粒間的碰撞頻率由方程(1)決定[7]：

(1)

式中：N為顆粒碰撞頻率(cm-3·s-1)，β為常數(shù)，n為顆粒濃度(粒/cm3)，d為顆粒粒徑(cm)，ε為單位時間內(nèi)水能量的耗散速率(粒/cm3)，μ為水力黏度(Pa·s).較高顆粒濃度和較大顆粒粒徑可以有效促進顆粒碰撞，并有利于絮凝過程，尤其是對于低濁水的處理.因此，夏季沉淀池污泥濁度高，強化混凝效果好于低溫.

低溫時水的黏滯性增加，會阻礙混凝劑的水解和擴散；而且可以影響水解動力學平衡及金屬氫氧化物的生成；另外，低溫降低水的離子積常數(shù)，從而降低水中氫氧根的濃度.溫度也會影響污泥的性質(zhì)，在低溫下形成的沉淀池污泥濁度較低，且絮體松散，具有較差的沉降性[8].因此，在較高溫度下形成的絮體有更好的強化作用.

2.2回流工藝對出水濁度、色度的影響

如圖2所示，在夏、冬兩季時的沉淀池出水濁度均小于2.5 NTU，連續(xù)14 d回流過程中滿足該水廠內(nèi)控指標，回流系統(tǒng)和常規(guī)不回流系統(tǒng)均滿足出水指標的情況下，回流工藝有明顯的節(jié)藥性，即在混凝劑投加量相同時回流系統(tǒng)沉后水出水濁度低于不回流系統(tǒng).從整體趨勢可知，廢水回流工藝系統(tǒng)中，夏季時的沉后水濁度在前12 d逐漸略微降低，12 d后出現(xiàn)顯著升高，后續(xù)幾天連續(xù)運行中出現(xiàn)了較明顯的波動.原因可能是厭氧導致儲泥罐中污泥腐化并釋放出異味，從而影響絮體形態(tài)結(jié)構(gòu)而間接導致出水水質(zhì)變差.因此，建議水廠回流運行和排泥周期需小于12 d，尤其在夏季，運行周期可提前為10 d.相比而言，冬季沉后水濁度的平均值高于夏季，且其濁度穩(wěn)定在2.0～2.5 NTU的范圍內(nèi).然而，低溫對濁度的去除產(chǎn)生較大的負作用，導致在冬季回流工藝中混凝劑的投加量多出5 mg/L才可滿足其出水標準.很多研究通過小試實驗得出廢水回流影響混凝效果的機理.當沉淀池污泥和反沖洗水以一定配比回用于混凝階段時，增加原水濁度的同時增加了顆粒間的碰撞幾率，從而為絮體的形成提供了充分的凝聚核心[7,9]；也有研究表明，來自沉淀池排泥水和濾池反沖洗水的高分子聚合物和金屬水解鹽可用作混凝劑來提高絮體捕獲顆粒物的能力，從而強化混凝，節(jié)水節(jié)藥[10-11].當混合水中顆粒被吸附在三維結(jié)構(gòu)絮體所產(chǎn)生的長化學分子鏈上時，物理吸附和架橋機理占主導作用[12].

圖2　連續(xù)運行中沉后水濁度指標

如圖3所示，冬季原水色度略高于夏季原水，在回流過程中，原水色度均有上升趨勢，但在兩套系統(tǒng)中沉后水均能保證出水水質(zhì)平穩(wěn).夏季沉后水出水色度的范圍是18～26 CU，而冬季時在10～18 CU.結(jié)果表明，在節(jié)省混凝劑投加量的情況下，回流廢水強化混凝對色度也有較明顯的去除.且在連續(xù)運行過程中，沉后水色度指標并未出現(xiàn)富集現(xiàn)象.

圖3　連續(xù)運行中沉后水色度指標

對于濾池出水而言，回流工藝與常規(guī)工藝相比，二者出水水質(zhì)沒有較大差異.經(jīng)檢測可知，在14 d連續(xù)回流工程中，夏、冬兩季濾后水濁度均在0.4 NTU以下，并且沒有較明顯波動；夏季濾后水色度均低于4 CU，冬季時隨著廢水回流次數(shù)的增加，出水色度也逐漸趨于穩(wěn)定并大致等于4 CU.表明連續(xù)廢水回流工藝不影響濾池出水，在整個運行周期內(nèi)均能滿足出水水質(zhì)標準.

總之，此中試實驗中，在連續(xù)性運行中可獲得持續(xù)性節(jié)藥的效果，并且出水水質(zhì)指標穩(wěn)定，濁度、色度均未發(fā)現(xiàn)明顯的富集現(xiàn)象.

2.3回流工藝對出水天然有機物、金屬的影響

傳統(tǒng)水處理工藝對低濁水中天然有機物的去除效果不佳，這種微量有機物對人體健康有潛在性危害.本研究中，連續(xù)14 d運行周期內(nèi)通過檢測沉后水TOC和UV254的質(zhì)量濃度來評價回流工藝對有機物的去除效果和富集現(xiàn)象.

如圖4所示，夏季時，隨著廢水回流次數(shù)的增加，前11 d沉后水UV254逐漸緩慢上升，冬季時出現(xiàn)相反趨勢.然而，后續(xù)3 d運行中二者均趨于平穩(wěn).如圖5所示，在冬季時，回流工藝與不回流工藝的沉后水TOC質(zhì)量濃度均保持在5.5～6.5 mg/L.回流系統(tǒng)在連續(xù)運行前12 d較為穩(wěn)定并伴隨細小波動，但后續(xù)2 d運行中卻出現(xiàn)了明顯的升高現(xiàn)象.而在夏季時，沉后水TOC質(zhì)量濃度保持在較低水平，穩(wěn)定在4.5～5.5 mg/L的范圍內(nèi)，在連續(xù)性回流中未發(fā)現(xiàn)明顯的有機物富集現(xiàn)象.如圖6所示，由沉后水Al的質(zhì)量濃度可知，夏冬兩季回流工藝對Al的去除效果均好于常規(guī)工藝，同時兩季節(jié)回流系統(tǒng)濾后水Al質(zhì)量濃度均小于0.2 mg/L，符合出水標準.由圖7可知，夏季回流工藝對金屬Fe的去除有明顯優(yōu)勢，冬季時回流工藝效果相對不十分顯著，但大部分沉后水Fe質(zhì)量濃度均小于不回流系統(tǒng)中的出水質(zhì)量濃度，且兩季節(jié)回流系統(tǒng)濾后水Fe均低于0.04 mg/L，同樣達標.此外，在長期連續(xù)回流過程中未發(fā)現(xiàn)金屬元素的明顯富集現(xiàn)象.

圖4　連續(xù)運行中沉后水UV254

圖5　連續(xù)運行中沉后水TOC質(zhì)量濃度

Fig.5Concentration of TOC in settled water at continuous operation

圖6　連續(xù)運行中剩余鋁質(zhì)量濃度

2.4回流工藝對各類污染物去除率的比較

如圖8所示，夏、冬兩季回流時對濁度的去除率分別在60%～66%和54%～58%內(nèi)；夏季回流工藝對色度平均去除率為64%，冬季為52%.結(jié)果表明，夏冬兩季的回流工藝在節(jié)約混凝劑投加量的基礎上還對濁度、色度具有相同的去除效果，可見回流工藝較常規(guī)工藝具有明顯的優(yōu)勢；并且在溫度較高時對色度有更好的去除效果.因為夏季混合水濁度比冬季時高，其中含有更多的顆粒物，可作為天然有機物(如腐殖酸、富里酸等)黏附的附著點位.同時回流的廢水能夠使顯色的陰離子膠體物質(zhì)更具疏水性，從而更容易吸附于絮體上[13]，提高了傳統(tǒng)混凝工藝對色度的去除效果.

圖7　連續(xù)運行中剩余鐵質(zhì)量濃度

圖8　沉后水污染物指標的去除率

夏季時，回流工藝對TOC和UV254的去除率分別為(10.46±2.26)%和(13.56±2.56)%，冬季時兩者的去除率分別為(6.34±1.86)%和(7.00±2.43)%.結(jié)果表明，在較高溫度時廢水回流工藝對有機物的去除好于低溫；夏季不回流系統(tǒng)對TOC和UV254的去除率分別為(9.61±2.19)%和(11.53±9.61)%，表明廢水回流在節(jié)藥的前提下對有機物的去除效果仍好于不回流工藝，而冬季時兩組平行系統(tǒng)沒有較大差異.之前的研究表明,混凝過程對于有機物的去除機制主要為電中和、吸附和絡合作用[14].當廢水回流于混凝單元時，提高原水濁度，在絮凝階段會有大量絮體產(chǎn)生，有機物分子被吸附于礬花中[15].同時，溫度也會影響絮體的結(jié)構(gòu)、大小和吸附容量.有研究表明，低溫時混凝速率降低，混凝過程所形成的絮體為不規(guī)則結(jié)構(gòu)[16]，且比較松散，沉降性差，不利于對有機物的吸附.

3結(jié)論

1)廢水連續(xù)性回流工藝可作為強化混凝的一種有效方法，可用于不含兩蟲的低濁水源水處理.在夏季，沉淀池污泥和反沖洗水回流比為4%∶6%時為最佳運行工況，節(jié)藥率為33.3%；冬季二者最佳回流比為2%∶6%，節(jié)藥率為18.2%，并在連續(xù)運行中沒有明顯變化.

2)在14 d的連續(xù)直接回流過程中，沉淀池出水沒有明顯的污染物富集現(xiàn)象，在不同季節(jié)內(nèi)的出水水質(zhì)均穩(wěn)定.

3)廢水回流工藝與常規(guī)不回流相比有較明顯優(yōu)勢，可以提高污染物(如濁度、色度、TOC、UV254)的去除效率.

4)溫度對混凝劑投量、混合水濁度范圍、沉淀池污泥濃度等均有明顯影響，夏季回流工藝所需混凝劑低于冬季，且對污染物的去除效果好于冬季.

5)夏季合理的運行和部分排泥周期為10 d，冬季可適當延長為12 d.

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(編輯劉彤)

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.08.009

收稿日期:2015-06-13

基金項目:國家“十二五”重大水專項(2012ZX07408001);國家自然科學基金(51108118)

作者簡介:徐勇鵬(1976—)，女，副教授，博士生導師; 崔福義(1958—)，男，教授，博士生導師

通信作者:徐勇鵬，xuyongpeng123@163.com

中圖分類號:TU991.2

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)08-0055-06

Effect of continuous pilot-scale study of direct recycling waste streams on effluent quality of drinking water treatment plant

XU Yongpeng1,2, ZHU Shijun2, CUI Fuyi1,2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment(Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China;2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Abstract:To investigate the effects of direct continuous recycling of waste streams generated from drinking water treatment plant on effluent water quality, polite-scale experimental models was constructed and the changing rule of water quality was studied for 14 days both in summer and winter in the northeast China. The optimal recycle ratios of sedimentation sludge and filter backwash water were found to be 4% and 6% in summer, respectively, and was 2% and 6% in winter. Under the optimal recycle ratios, the continuous direct recycling waste streams could reduced the coagulant dosage by 33.3% in summer and 18.2% in winter compared to control trials based on reaching the sedimentation effluent standard (<2.5 NTU). Water quality parameters such as turbidity, color, UV254, TOC in settled and filtrated water were monitored periodically. Results indicated that contaminants could be removed more effectively in the recycling process compared to the control trials. Moreover, relative higher temperature could improve removal efficiencies. Over the entire operation period, there was no significant contaminants accumulation. Recycling waste steams was a feasible approach for enhancing coagulation process.

Keywords:continuous recycling; pilot scale; sedimentation sludge; filter backwash water; temperature; accumulation