赣江南昌段净水厂排泥水回用混凝增效实验研究

童祯恭，吴哲帅，钟赐龙

(1.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013；2.浙江省杭州市城乡建设设计院市政第一分院水处理所，浙江 杭州 310004)

净水厂生产废水包括沉淀池排泥水和滤池反冲洗水，约占到水厂总用水量的3%～7%[1]。排泥水当中含有大量的砂砾、悬浮物、重金属、有机物以及残留的混凝剂等[2]，直接排入自然环境，破坏生态环境[3]；反之，排泥水当中含有的残余混凝剂等有效成分回用，可节约资源、保护环境。研究表明[4-6]，回用适当浓度和量的排泥水可强化混凝，提高水质降低投药量。本研究主要以排泥水为核心开展三个方面：通过混烧杯实验在不同投药量下研究排泥水回流浓度和回流量之间的动态关系；测定出水水质来评价排泥水回用的安全性；最后通过正交实验确定回流比和投药量对回用影响的主次性。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

实验用水，取自赣江；排泥水，取自赣江南昌某水厂沉淀池底部。实验周期内原水水质与排泥水水质大致情况见表1；PAC(其Al2O3的质量分数为0.3，盐基度为0.834，pH为3～5)，工业品。

表1 赣江原水与排泥水水质情况Table 1 The quality of raw water in Ganjiang River and sludge water

哈希2100AN台式浊度仪；哈希DR6000紫外分光光度计；瓦里安720-ES电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-CES)。

1.2 混凝剂的选择

混凝过程是一个涉及到物理、化学、物理化学、水力学、胶体化学等各方面理论的综合作用的过程[7]。聚合氯化铝(PAC)是目前应用最广的无机高分子混凝剂和饮用水处理剂。具有对出水的pH影响小，且用量较其他混凝剂比较少，产生的污泥量也较少、除浊较高等特点[8-9]，且对高色度、低温低浊水都有一定的去除效果，且形成的絮体较快也易沉降，市场价格也较低[10]，故本实验选用PAC作为混凝剂。

1.3 实验方法

实验先确定当天最佳投药量，在此基础上，回用一定浊度的排泥水，按照回流比0，2%，4%，6%，8%，10%加入1 L的混凝烧杯中，排泥水经收集后，先自然沉降，然后利用浊度仪和沉降以后的底泥来调配不同浓度梯度的5组实验(浊度分别为：40～50 NTU，90～100 NTU，140～150 NTU，190～200 NTU，以及高浓度500 NTU)。从最佳投药量开始，依次降低投药量，一天内做一组烧杯试验，测定沉后出水浊度来判定出水的效果；再测定出水的Al、Fe、细菌总数和CODMn来探究排泥水回用的安全性；最后从投药量和回流比两个因素考虑设计2因素3水平的正交实验测定出水的浊度、色度和UV254，得出影响出水水质的主次顺序。

1.4 表征与性能测定

水样的浊度用浊度仪来进行测定，色度和UV254用紫外分光光度计来测定，CODMn的测定采用酸性高锰酸钾法进行。细菌总数按照《水和废水监测分析方法》(第四版)进行检测。Al、Fe的含量采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-CES)来进行测定。

2 结果与讨论

2.1 烧杯混凝实验

混凝搅拌实验中搅拌仪的混凝搅拌时间设置为15 min，其中快速混合阶段的转速为400 r/min，快速搅拌的时间为15 s。絮凝中期分为三段，转速分别为200，160，80 r/min，时间分别为4，5，6 min。每个区段的实验结果见图1。

图1 40～50 NTU排泥水在不同投药量和回流比情况下回用出水浊度变化曲线Fig.1 Turbidity of effluent from 40～50 NTU sludge in different dosages and reflux ratios

当天的原水混凝的最佳投药量为11 mg/L，由图1可知，在低浓度排泥水(浊度在40～50 NTU)回用下，随着回流比的增加，出水浊度有较好的去除效果。在低投药量下，排泥水的回用效果更加地明显，且各种情况均能达到浊度<3 NTU。排泥水的回流比为10%以及投药量10 mg/L时效果最好。考虑到回用过多的排泥水在实际的生产中有出水安全风险，故实验只考虑最高回流比为10%。

图2～图5的当天最佳投药量分别为9，10，10，9 mg/L，其实验结果如下。

图2 90～100 NTU排泥水在不同投药量和回流比情况下回用出水浊度变化曲线Fig.2 Turbidity of effluent from 90～100 NTU sludge in different dosages and reflux ratios

图3 140～150 NTU排泥水在不同投药量和回流比情况下回用出水浊度变化曲线Fig.3 Turbidity of effluent from 140～150 NTU sludge in different dosages and reflux ratios

图4 190～200 NTU排泥水在不同投药量和回流比情况下回用出水浊度变化曲线Fig.4 Turbidity of effluent from 190～200 NTU sludge in different dosages and reflux ratios

图5 500 NTU排泥水在不同投药量和回流比情况下回用出水浊度变化曲线Fig.5 500 NTU turbidity curve of reclaimed effluent in different dosages and reflux ratios

由图2～图4可知，回用排泥水浊度90～200 NTU时，投药量为当天最佳投药量，则排泥水的回用对出水的浊度影响不大。图4中在同一投药量下，增加排泥水的回流比，出水效果也无明显地提升，反而增加了出水浊度。原因是90～200 NTU的排泥水回用，水体当中悬浮物以及胶体已在混凝剂的作用下凝聚成大的胶团沉淀，排泥水的加入只能起辅助效果，不起主导作用。而泥沙可以很快沉淀，故90～200 NTU排泥水回用不会对出水的结果产生太大影响。相反，当低投药量时，排泥水的回用能和PAC发挥协同混凝的效果，起到节省投药量的作用。实际生产中，单从出水的浊度考虑，回用90～200 NTU的排泥水能降低投药量，排泥水能发挥协同混凝的效果。

由图5可知，在同一投药量下，随着回流比的上升出水浊度呈现先下降后上升的变化，存在曲线拐点。回用的最佳回流比在2%～4%。回流比的增大，出水的水质会恶化，随着投药量的降低，恶化趋势也更加地明显。原因是随着排泥水量的增加，其中携带的大量的泥沙和悬浮物分布于水体中，使其中悬浮胶体大量增加，而加入的混凝剂和排泥水中的铝盐也无法降低Zeta电位[11]，使得悬浮物无法聚集沉降出水水质反而降低。

将各组实验的最佳工况点汇总，结果见表2。

表2 各组排泥水回用最佳工况点统计Table 2 Statistics of optimum working conditions for sludge water reuse in each group

由表2可知，低浊度排泥水回流需要高回流比，反之需要低回流比。最佳工况点排泥水浊度和回流比的乘积稳定在一定的范围，即排泥水的浓度C和回流的量Q两者的乘积存在某种动态的关系。这个结论可以为后续的中试实验以及以赣江水(南昌段水厂)提供回流的数据上粗略地参考，即：可以根据当天排泥水的浓度(浊度表征)，大致地确定排泥水的回流比。

2.2 水质指标测定

选取排泥水浊度500 NTU，投药量为7 mg/L，检测回流出水的CODMn、细菌总数、Al和Fe含量，检测结果见图6、图7。

图6 不同回流比对沉后水的CODMn和细菌总数的影响Fig.6 Different ratios of return impact on the CODMnand bacterias

图7 不同回流比对沉后水的Al和Fe的影响Fig.7 Different ratios of return impact on the Al and Fe

由图6可知，回流比为2%～4%时，CODMn有较为明显的降低，在4%～6%之间为最低值，当回流比>6%时，CODMn又上升。原因是回流比低，排泥水回用能起到强化混凝的效果，凝聚成的胶体颗粒能吸收水中大分子有机物，当回流比高时，排泥水当中含有的大分子有机物由于水体当中的胶体和悬浮颗粒和金属离子的络合而被动地释放[12]，导致CODMn上升。所以在此回流条件下，将回流比控制在4%～6%之间能够有效地控制出水的CODMn。回用后出水细菌总数随着回流比的增加而不断增大，在回流比超过6%后增幅明显。由于混凝过程中，细菌主要靠依附在大分子颗粒或者悬浮物上被除去。在回流比低时，随着回用被再次包裹，水体当中的细菌总数不会有太大的增幅。回流比过高，超过了其裹挟能力[13]，附着的细菌被释放到水中的几率上升，从而细菌总数上升。控制回流比低于6%，就能控制沉后水的细菌总数。

由图7可知，原水投加的混凝剂为PAC，使水体当中Al的含量增加，回用的排泥水当中也含有Al，但沉后出水的Al并未上升。是由于排泥水回用以后，水中Al有胶体形式和游离态两种存在形式，回用以后游离态的Al可以和原水中悬浮物结合使絮体更密实易沉淀，不会导致Al含量上升。Fe也未见明显的上升，由于Fe的含量在水中本来就低，且以固体颗粒的形式存在。通过排泥水的回用，增加了水体当中氢氧化铝胶体浓度，氢氧化铁的溶解度低于氢氧化铝，所以更易生成氢氧化铁沉淀，所以Fe含量未见上升。

2.3 正交实验

为了进一步确定投药量和回流比对出水浊度影响的主次关系，设计两者的2因素3水平正交实验。回用排泥水浊度200 NTU，投药量为11 mg/L。原水浊度12 NTU，色度9 CU，UV254为5.6 m-1。实验的投药量、回流比以及实验结果见表3。

表3 正交实验结果Table 3 The result of orthogonal experiment

由表3可知，排泥水的回用对浊度的去除具有明显的效果，但投药量影响更大，排泥水回用影响效果有限。色度的去除和浊度类似，也具有明显效果。对UV254的去除效果不明显。由此可得出，排泥水的回用可以强化混凝，对于水体的浊度和色度的去除具有良好的效果。

从正交实验的结果来看，对浊度的去除率而言，投药量显然要大于排泥水的回流比。排泥水的回用只能辅助混凝剂起到强化混凝的作用，混凝的主要推动力还是混凝剂的添加。

3 结论

通过排泥水回用烧杯实验和正交实验可以得出，排泥水的回用，能起到强化混凝、提高沉后水水质、节省投药量的作用；投药量越低，作用越明显。初步得出排泥水浓度(通过浊度表征)和排泥水的回流量(通过回流比表征)存在一定的线性关系：低浊度排泥回流需要高回流比，高浊度排泥水回流需要低回流比，两者乘积在一定区间，可对水厂实际生产有借鉴意义。通过测定回用以后沉后水的CODMn、Al、Fe和细菌总数可知，总体上回用以后的风险可控，不会有安全性问题。正交实验表明，对于浊度去除而言，投药量起主要作用，排泥水的回用可在此基础上进一步的强化混凝。