童禎恭，吳哲帥，鐘賜龍

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013；2.浙江省杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院市政第一分院水處理所，浙江 杭州 310004)

凈水廠生產(chǎn)廢水包括沉淀池排泥水和濾池反沖洗水，約占到水廠總用水量的3%～7%[1]。排泥水當(dāng)中含有大量的砂礫、懸浮物、重金屬、有機(jī)物以及殘留的混凝劑等[2]，直接排入自然環(huán)境，破壞生態(tài)環(huán)境[3]；反之，排泥水當(dāng)中含有的殘余混凝劑等有效成分回用，可節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。研究表明[4-6]，回用適當(dāng)濃度和量的排泥水可強(qiáng)化混凝，提高水質(zhì)降低投藥量。本研究主要以排泥水為核心開展三個(gè)方面：通過混燒杯實(shí)驗(yàn)在不同投藥量下研究排泥水回流濃度和回流量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系；測(cè)定出水水質(zhì)來評(píng)價(jià)排泥水回用的安全性；最后通過正交實(shí)驗(yàn)確定回流比和投藥量對(duì)回用影響的主次性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

實(shí)驗(yàn)用水，取自贛江；排泥水，取自贛江南昌某水廠沉淀池底部。實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)原水水質(zhì)與排泥水水質(zhì)大致情況見表1；PAC(其Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3，鹽基度為0.834，pH為3～5)，工業(yè)品。

表1 贛江原水與排泥水水質(zhì)情況Table 1 The quality of raw water in Ganjiang River and sludge water

哈希2100AN臺(tái)式濁度儀；哈希DR6000紫外分光光度計(jì)；瓦里安720-ES電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-CES)。

1.2 混凝劑的選擇

混凝過程是一個(gè)涉及到物理、化學(xué)、物理化學(xué)、水力學(xué)、膠體化學(xué)等各方面理論的綜合作用的過程[7]。聚合氯化鋁(PAC)是目前應(yīng)用最廣的無機(jī)高分子混凝劑和飲用水處理劑。具有對(duì)出水的pH影響小，且用量較其他混凝劑比較少，產(chǎn)生的污泥量也較少、除濁較高等特點(diǎn)[8-9]，且對(duì)高色度、低溫低濁水都有一定的去除效果，且形成的絮體較快也易沉降，市場(chǎng)價(jià)格也較低[10]，故本實(shí)驗(yàn)選用PAC作為混凝劑。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)先確定當(dāng)天最佳投藥量，在此基礎(chǔ)上，回用一定濁度的排泥水，按照回流比0，2%，4%，6%，8%，10%加入1 L的混凝燒杯中，排泥水經(jīng)收集后，先自然沉降，然后利用濁度儀和沉降以后的底泥來調(diào)配不同濃度梯度的5組實(shí)驗(yàn)(濁度分別為：40～50 NTU，90～100 NTU，140～150 NTU，190～200 NTU，以及高濃度500 NTU)。從最佳投藥量開始，依次降低投藥量，一天內(nèi)做一組燒杯試驗(yàn)，測(cè)定沉后出水濁度來判定出水的效果；再測(cè)定出水的Al、Fe、細(xì)菌總數(shù)和CODMn來探究排泥水回用的安全性；最后從投藥量和回流比兩個(gè)因素考慮設(shè)計(jì)2因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)測(cè)定出水的濁度、色度和UV254，得出影響出水水質(zhì)的主次順序。

1.4 表征與性能測(cè)定

水樣的濁度用濁度儀來進(jìn)行測(cè)定，色度和UV254用紫外分光光度計(jì)來測(cè)定，CODMn的測(cè)定采用酸性高錳酸鉀法進(jìn)行。細(xì)菌總數(shù)按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)進(jìn)行檢測(cè)。Al、Fe的含量采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-CES)來進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒杯混凝實(shí)驗(yàn)

混凝攪拌實(shí)驗(yàn)中攪拌儀的混凝攪拌時(shí)間設(shè)置為15 min，其中快速混合階段的轉(zhuǎn)速為400 r/min，快速攪拌的時(shí)間為15 s。絮凝中期分為三段，轉(zhuǎn)速分別為200，160，80 r/min，時(shí)間分別為4，5，6 min。每個(gè)區(qū)段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 40～50 NTU排泥水在不同投藥量和回流比情況下回用出水濁度變化曲線Fig.1 Turbidity of effluent from 40～50 NTU sludge in different dosages and reflux ratios

當(dāng)天的原水混凝的最佳投藥量為11 mg/L，由圖1可知，在低濃度排泥水(濁度在40～50 NTU)回用下，隨著回流比的增加，出水濁度有較好的去除效果。在低投藥量下，排泥水的回用效果更加地明顯，且各種情況均能達(dá)到濁度<3 NTU。排泥水的回流比為10%以及投藥量10 mg/L時(shí)效果最好。考慮到回用過多的排泥水在實(shí)際的生產(chǎn)中有出水安全風(fēng)險(xiǎn)，故實(shí)驗(yàn)只考慮最高回流比為10%。

圖2～圖5的當(dāng)天最佳投藥量分別為9，10，10，9 mg/L，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖2 90～100 NTU排泥水在不同投藥量和回流比情況下回用出水濁度變化曲線Fig.2 Turbidity of effluent from 90～100 NTU sludge in different dosages and reflux ratios

圖3 140～150 NTU排泥水在不同投藥量和回流比情況下回用出水濁度變化曲線Fig.3 Turbidity of effluent from 140～150 NTU sludge in different dosages and reflux ratios

圖4 190～200 NTU排泥水在不同投藥量和回流比情況下回用出水濁度變化曲線Fig.4 Turbidity of effluent from 190～200 NTU sludge in different dosages and reflux ratios

圖5 500 NTU排泥水在不同投藥量和回流比情況下回用出水濁度變化曲線Fig.5 500 NTU turbidity curve of reclaimed effluent in different dosages and reflux ratios

由圖2～圖4可知，回用排泥水濁度90～200 NTU時(shí)，投藥量為當(dāng)天最佳投藥量，則排泥水的回用對(duì)出水的濁度影響不大。圖4中在同一投藥量下，增加排泥水的回流比，出水效果也無明顯地提升，反而增加了出水濁度。原因是90～200 NTU的排泥水回用，水體當(dāng)中懸浮物以及膠體已在混凝劑的作用下凝聚成大的膠團(tuán)沉淀，排泥水的加入只能起輔助效果，不起主導(dǎo)作用。而泥沙可以很快沉淀，故90～200 NTU排泥水回用不會(huì)對(duì)出水的結(jié)果產(chǎn)生太大影響。相反，當(dāng)?shù)屯端幜繒r(shí)，排泥水的回用能和PAC發(fā)揮協(xié)同混凝的效果，起到節(jié)省投藥量的作用。實(shí)際生產(chǎn)中，單從出水的濁度考慮，回用90～200 NTU的排泥水能降低投藥量，排泥水能發(fā)揮協(xié)同混凝的效果。

由圖5可知，在同一投藥量下，隨著回流比的上升出水濁度呈現(xiàn)先下降后上升的變化，存在曲線拐點(diǎn)。回用的最佳回流比在2%～4%。回流比的增大，出水的水質(zhì)會(huì)惡化，隨著投藥量的降低，惡化趨勢(shì)也更加地明顯。原因是隨著排泥水量的增加，其中攜帶的大量的泥沙和懸浮物分布于水體中，使其中懸浮膠體大量增加，而加入的混凝劑和排泥水中的鋁鹽也無法降低Zeta電位[11]，使得懸浮物無法聚集沉降出水水質(zhì)反而降低。

將各組實(shí)驗(yàn)的最佳工況點(diǎn)匯總，結(jié)果見表2。

表2 各組排泥水回用最佳工況點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of optimum working conditions for sludge water reuse in each group

由表2可知，低濁度排泥水回流需要高回流比，反之需要低回流比。最佳工況點(diǎn)排泥水濁度和回流比的乘積穩(wěn)定在一定的范圍，即排泥水的濃度C和回流的量Q兩者的乘積存在某種動(dòng)態(tài)的關(guān)系。這個(gè)結(jié)論可以為后續(xù)的中試實(shí)驗(yàn)以及以贛江水(南昌段水廠)提供回流的數(shù)據(jù)上粗略地參考，即：可以根據(jù)當(dāng)天排泥水的濃度(濁度表征)，大致地確定排泥水的回流比。

2.2 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

選取排泥水濁度500 NTU，投藥量為7 mg/L，檢測(cè)回流出水的CODMn、細(xì)菌總數(shù)、Al和Fe含量，檢測(cè)結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 不同回流比對(duì)沉后水的CODMn和細(xì)菌總數(shù)的影響Fig.6 Different ratios of return impact on the CODMnand bacterias

圖7 不同回流比對(duì)沉后水的Al和Fe的影響Fig.7 Different ratios of return impact on the Al and Fe

由圖6可知，回流比為2%～4%時(shí)，CODMn有較為明顯的降低，在4%～6%之間為最低值，當(dāng)回流比>6%時(shí)，CODMn又上升。原因是回流比低，排泥水回用能起到強(qiáng)化混凝的效果，凝聚成的膠體顆粒能吸收水中大分子有機(jī)物，當(dāng)回流比高時(shí)，排泥水當(dāng)中含有的大分子有機(jī)物由于水體當(dāng)中的膠體和懸浮顆粒和金屬離子的絡(luò)合而被動(dòng)地釋放[12]，導(dǎo)致CODMn上升。所以在此回流條件下，將回流比控制在4%～6%之間能夠有效地控制出水的CODMn?；赜煤蟪鏊?xì)菌總數(shù)隨著回流比的增加而不斷增大，在回流比超過6%后增幅明顯。由于混凝過程中，細(xì)菌主要靠依附在大分子顆?；蛘邞腋∥锷媳怀ァＴ诨亓鞅鹊蜁r(shí)，隨著回用被再次包裹，水體當(dāng)中的細(xì)菌總數(shù)不會(huì)有太大的增幅?；亓鞅冗^高，超過了其裹挾能力[13]，附著的細(xì)菌被釋放到水中的幾率上升，從而細(xì)菌總數(shù)上升?？刂苹亓鞅鹊陀?%，就能控制沉后水的細(xì)菌總數(shù)。

由圖7可知，原水投加的混凝劑為PAC，使水體當(dāng)中Al的含量增加，回用的排泥水當(dāng)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有膠體形式和游離態(tài)兩種存在形式，回用以后游離態(tài)的Al可以和原水中懸浮物結(jié)合使絮體更密實(shí)易沉淀，不會(huì)導(dǎo)致Al含量上升。Fe也未見明顯的上升，由于Fe的含量在水中本來就低，且以固體顆粒的形式存在。通過排泥水的回用，增加了水體當(dāng)中氫氧化鋁膠體濃度，氫氧化鐵的溶解度低于氫氧化鋁，所以更易生成氫氧化鐵沉淀，所以Fe含量未見上升。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步確定投藥量和回流比對(duì)出水濁度影響的主次關(guān)系，設(shè)計(jì)兩者的2因素3水平正交實(shí)驗(yàn)?；赜门拍嗨疂岫?00 NTU，投藥量為11 mg/L。原水濁度12 NTU，色度9 CU，UV254為5.6 m-1。實(shí)驗(yàn)的投藥量、回流比以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The result of orthogonal experiment

由表3可知，排泥水的回用對(duì)濁度的去除具有明顯的效果，但投藥量影響更大，排泥水回用影響效果有限。色度的去除和濁度類似，也具有明顯效果。對(duì)UV254的去除效果不明顯。由此可得出，排泥水的回用可以強(qiáng)化混凝，對(duì)于水體的濁度和色度的去除具有良好的效果。

從正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，對(duì)濁度的去除率而言，投藥量顯然要大于排泥水的回流比。排泥水的回用只能輔助混凝劑起到強(qiáng)化混凝的作用，混凝的主要推動(dòng)力還是混凝劑的添加。

3 結(jié)論

通過排泥水回用燒杯實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)可以得出，排泥水的回用，能起到強(qiáng)化混凝、提高沉后水水質(zhì)、節(jié)省投藥量的作用；投藥量越低，作用越明顯。初步得出排泥水濃度(通過濁度表征)和排泥水的回流量(通過回流比表征)存在一定的線性關(guān)系：低濁度排泥回流需要高回流比，高濁度排泥水回流需要低回流比，兩者乘積在一定區(qū)間，可對(duì)水廠實(shí)際生產(chǎn)有借鑒意義。通過測(cè)定回用以后沉后水的CODMn、Al、Fe和細(xì)菌總數(shù)可知，總體上回用以后的風(fēng)險(xiǎn)可控，不會(huì)有安全性問題。正交實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于濁度去除而言，投藥量起主要作用，排泥水的回用可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步的強(qiáng)化混凝。