姚 萌，陈 停，陈海松，袁沛敏，刘冬萍，林 锟，刘娴芳
（1.深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳 518172；
2.粤海水务集团，广东 深圳 518180 ；
3.深水龙岗水务集团有限公司，广东 深圳 518180）
随着水体污染以及水资源匮乏的日趋严重，越来越多的城市以水库水、山区溪流、湖泊水作为饮用水水源。例如南水北调建设的丹江口水库和“十二五”期间增建的三个引黄水库，这些水源大部分属于低浑浊度水源。通过比较东北、华北、长江三角洲和珠江三角洲等地区水厂的水源现状，普遍呈现浑浊度偏低的特点。另外我国北方广大地区地表饮用水源在寒冷冬季都处于低温低浊状态，长江中下游干流最寒冷的时候也是如此。
随着城市化建设的不断发展，城市用水量与日俱增，随之而来的便是给水厂排泥水的大量增加，其对环境的污染日趋严重，使得给水厂排泥水污染问题受到人们的广泛关注[1]。而我国对于排泥水的处理起步较晚，国家在2015年出台的“水十条”进一步明确了有关排泥水处置的要求，提出产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处置，禁止未经处置或者处置不达标的污泥随意排放进入自然河道以及耕地等。
沉淀池排泥水为排泥水的主要来源之一，排泥水的与日俱增带来的是大量的污泥，而污泥处置技术还不完善，仍以填埋为主的处理方式对环境有极大的污染，同时不断增加的混凝剂药量对净水厂来说是一项不小的成本。而净水厂中的排泥水（混凝—沉淀单元的排泥水及滤池反冲洗水）由于本身包含有大量的未反应完全的混凝剂及颗粒物质，将其与原水混合使用，可以有效提高单位体积内颗粒的有效密度及颗粒的碰撞粘附几率，有效强化低浊水的混凝效果。另外，排泥水中还含有未完全反应的混凝剂，在回用的过程中混凝活性可能被再一次利用，其水解的金属氢氧化物的吸附性能也有助于提高对低浊水的处理能力。因此，对净水厂生产废水的回用，被认为是处理低浑浊度水的有效措施。
为此，如果能够将这部分排泥水资源化利用，则能在一定程度上降低水厂的投药量[2]，实现降低药剂成本和环境污染，达到资源可持续利用的目的。
1.1 主要试验药品与仪器
试验药品和仪器如表1、表2所示。
表1 试验药品
表2 试验仪器
1.2 试验方法
（1）试验水样
本试验水样为“自来水+腐殖酸+高岭土储备液”模拟水样（浊度为10±0.2NTU，UV254为0.200±0.002，pH=8，25℃），均采用高岭土储备液和腐殖酸储备液配制。该水从感官上来看，色度较高，呈现棕黄色。
（2）试验药品配置
①PAC的配置方法：称取1g PAC固体溶于100ml超纯水中搅拌至完全溶解，配置浓度为0.1g/L的PAC溶液。
②高岭土储备溶液的配置方法：高岭土溶液由10g高岭土加入1L去离子水中。
③腐殖酸储备溶液的配置方法：由10g腐殖酸溶于0.1mol/L NaOH溶液中制备成腐殖酸储备溶液，磁力搅拌24h，上清液用0.45μm滤膜过滤，过滤液用HCl溶液或者0.01mol/L NaOH调pH至7.5，然后储备在药剂瓶中避光保存。
（3）试验步骤
①回流污泥的蓄积。分别取适量的高岭土储备液、腐殖酸储备液至1000ml自来水中，搅拌均匀制成污泥蓄积水样（浊度为200±2NTU，UV254为0.20±0.002，pH=8）。固定混凝快速搅拌强度300r/min，搅拌1min将污泥蓄积水样（浊度为200±2NTU，UV254为0.20±0.002，pH=8）混匀，加入PAC混凝剂60mg/L后，以300r/min快搅1min，使药剂与水样混合均匀；
固定慢速搅拌速度60r/min，搅拌时间15min。慢搅停止后静置20min，缓缓倒去上清液，轻轻将沉淀后的絮体转移至烧杯中，制成蓄积絮体储备液，储存备用。（动作要轻缓，防止絮体打碎）
②混合水浊度的调节。混合水浊度：是由原水+排泥水组合而成，即将排泥水以一定量回流至原水中配置成混合水，使其浊度值为一固定值，以此浊度值作为排泥水回流量。回流比：混合水回流量与原水总量的比值，该实验定义回流比为6%，即混合水60ml，初始原水量为960ml。将60ml的混合水回流后，混合水浊度值为实验要求的固定值。
③污泥回用。配置5杯960ml及1杯1000ml初始浊度5NTU，UV254为0.2的原水，调节pH为8，如水温较低，原水需适当加热。配置好的6杯原水中，加入PAC的剂量依次为2，4，6，8，10mg/L, 用注射器取收集的污泥量为1.5ml, 在一分钟快速搅拌结束后，分别加入前5个烧杯中，完成污泥回流。
2.1 混合水浊度与含固率关系
从排泥水回用工艺和可操控性角度考虑，以混合水浑浊度为量化指标较为科学，且操作相对简便；
同时也为下一步的中试试验提供技术操控性指导，即在进水与生产废水混合处安装在线浑浊度仪，根据浑浊度仪在线数值实施对生产废水回用比率的调控，以达到最佳回用参数值范围。
含固率即为絮体含量在混合水中的百分比，研究表明其与浊度具有良好的线性关系[3]。其计算方法为分别取不同体积的排泥水稀释至250ml，称取其絮体溶液质量m1，并测定其浊度，将絮体溶液置于200℃的烘箱中烘干两小时，直至重量不再变化，其质量记为m2，按式(1)计算絮体溶液含固率。
本研究中将含固率与不同混合水浊度进行配比，结果如图1所示，其线性拟合方程为y=0.0008x+0.0655，R2=0.9989，线性相关性较高。说明可以使用混合水浊度值来表征水中的含固率。
图1 混合水浊度与含固率线性拟合曲线
2.2 最优投药量的选择
当原水浊度为10 NTU时，分别选择PAC的投药量为5mg/L，10mg/L，15mg/L，20mg/L，25mg/L，30 mg/L，考察浊度及UV254的去除效率。如图2所示，当投药量在5-10 mg/L范围内，浊度的去除率随投药量的增加而骤升。投药量超过10 mg/L时，浊度的去除率稳步上升，UV254的去除率趋于平缓。综合去除效果与节省混凝剂的目的，选择投药量为8mg/L作为最佳投药量[4]。在确定好最佳投药量之后，以混合水浑浊度作为控制因素，进行连续性实验，分别考察不同混合水浊度在相同投药量下，对浊度去除率与UV254去除率的影响，从而进行选择[5]。
图2 最优投药量的选择
2.3 中低混合水浊度对混凝效果的影响
从降低水厂自耗水及节约运行成本的角度出发，多数水厂在满足正常生产运行的前提下，尽可能回用较大比例的反冲洗废水；
然而单独回用此部分废水并不能显著地强化混凝效果，有可能对原工艺造成冲击影响出水水质，因此需寻求联合回用并不断调节沉泥回用比例以实现强化混凝、净化水质的效果。控制这一重要要素就是混合水浑浊度，因此寻求最佳混合水浑浊度与节药率及混凝效果的关系尤为重要。
在中低混合水浊度范围内探究混合水不同浊度的投药量，由图3可以看出，当混合水浑浊度为14NTU时，浊度去除率随投药量的增加呈上升趋势，其中，当投药量在2-8mg/L的范围内，浊度去除率增长较慢，随着投药量增加到8-10mg/L范围内时，浊度去除率骤增；
投药量为4-14mg/L时，UV254去除率也在稳步上升，在14mg/L时，浊度去除率和UV254去除率均达到最大值。因此当混合水浑浊度为14NTU时，选择投药量为14mg/L作为后续实验研究。当混合水浊度为28NTU时，浊度去除率与UV254去除率随投药量的增加波动较大。其中，当投药量为8mg/L时，浊度去除率与UV254去除率同时达到一个小高峰，混合水的浊度去除率随着投药量的增加呈现爬梯式增长，随着投药量增加到12mg/L时，浊度去除率与UV254去除率达到最高峰。因此当混合水浑浊度为28NTU时，选择投药量为12mg/L作为后续实验研究。当混合水浑浊度为40NTU时，浊度去除率与UV254去除率随投药量的增加呈现“M”形趋势。其中，当投药量为2-4mg/L时，浊度去除率与UV254去除率上升；
当投药量为4-6mg/L时，浊度去除率与UV254去除率下降；
当投药量为6-8mg/L时，浊度去除率与UV254去除率又上升，达到投药量2-10mg/L内最高，之后又下降。因此当混合水浑浊度为40NTU时，选择投药量为8mg/L作为后续实验研究。当混合水浊度为50NTU时，浊度去除率随投药量的增加呈现先增后减的趋势，而UV254则相反，呈现先减后增，再平缓下降的趋势。其中，当投药量为5mg/L时，浊度去除率与UV254去除率上升到最高之后又下降，推测是当混合水浊度为50NTU时，投药量太高反而使沉降性能下降[6]。因此当混合水浑浊度为50NTU时，选择投药量为5mg/L作为后续实验研究。
图3 中低混合水浊度对混凝效果的影响
2.4 高混合水浊度对混凝效果的影响
在高混合水浊度范围内探究混合水不同浊度的投药量，由图4可以看出，当混合水浑浊度为65 NTU，投药量为4mg/L时，浊度去除率与UV254去除率都达到最大。然后都开始下降，当投药量逐渐增加到8mg/L时，浊度去除率开始增长，但UV254去除率效果不佳，仍是下降的趋势。因此当混合水浑浊度为65NTU时，选择投药量为4mg/L作为后续实验研究。当混合水浑浊度为80NTU时，UV254去除率随投药量的增加呈缓慢上升趋势，其中，投药量为4-10mg/L内，UV254去除率增长较慢，相差不大；
当投药量为4-8mg/L时，浊度去除率骤增，随着投药量增加到8mg/L时，浊度去除率达到最大；
当混合水浑浊度为80NTU时，选择投药量为8mg/L作为后续实验研究。当混合水浑浊度为100NTU时，UV254去除率随投药量的增加呈缓慢上升趋势，当投药量分别为10mg/L和20mg/L时，去除率相差不大，为了节省投药量，明显选用10mg/L更为合适。当投药量为5-10mg/L时，浊度去除率骤增，当投药量增加到10mg/L时，浊度去除率达到最大，之后呈下降趋势，因此当混合水浑浊度为100NTU时，选择投药量为10mg/L作为后续实验研究。当混合水浑浊度为135NTU时，UV254去除率随投药量的增加呈稳步上升趋势，其中，投药量为8-12mg/L内，UV254去除率增长较慢，相差不大；
当投药量为2-6 mg/L时，浊度去除率骤增，随着投药量为12mg/L时，浊度去除率增加到最大；
结合UV254去除率，考虑投药量和去除率，当混合水浑浊度为80NTU时，选择投药量为8mg/L作为后续实验研究。
图4 高浊度混合水对混凝效果的影响
2.5 排泥水回用最佳条件选择
由图5可知，排泥水达标投药量随含固率的增大呈先下降后升高趋势，呈凹形线条，而节药率变化趋势为先上升后下降。当混合水浊度小于28NTU时，节药率为负值，此时排泥水回用并不能达到节省混凝剂的效果。当混合水浊度为34NTU-100NTU时，能够达到节省混凝剂的效果[7]；
在混合水浊度为50NTU-65NTU时，节药效率最佳，最大节药率为50%；
当混合水浊度大于100NTU时，投药量增加，节药率为负值，排泥水回用已不能达到节省混凝剂用量的效果[8]。
图5 节药率、投药量随混合水浊度变化曲线
综上所述，排泥水回用可以有效强化混凝出水效能，且减少混凝剂的投加量，但排泥水回用存在最佳含固率及混合水浑浊度范围。其原理为，低浊度水源水中含有的颗粒数量较少，而当排泥水回用到低浊原水中，引入了大量的无机颗粒，增加了原水中颗粒的总数量，进而提高了颗粒间的碰撞几率；
另外，排泥水中可能会残存有未完全反应完的有效混凝剂，其剩余的活性成分在回流过程中被重新激活，强化了混凝效能且节约了混凝剂的投加量[9]。排泥水回用不仅达到了有效去除无机颗粒的效果，从UV254的去除效果可以看出，排泥水回用还可以有效去除原水中的有机物。这是因为排泥水中含有大量的尺寸较大、且孔隙率较高的絮体物质，其表面带有大量的羧基、氨基和羰基官能团以及活性位点，而这些官能团和活性位点能与不定形的氢氧化铝发生反应。在以前的研究中，使用混凝剂去除腐殖酸的主要机理有电中和、网捕、吸附等，其中混凝剂水解的金属离子和H腐殖酸发生络合形成不溶性的颗粒簇体，进而沉降下来达到净化水质的目的。由于不同摩尔分子量的DOM存在于天然水体中，通常使用铁盐和铝盐对其的去除机理也不一样，但是电荷的引力作用已经被认为是存在的。
然而，排泥水的回用量也不能持续增加，这是因为原水中颗粒物的增多会增加工艺的处理负荷，且较多的颗粒物间由于电荷的作用，会干扰颗粒沉降，从而影响混凝效果。因此为了保证出水水质，需要增加混凝剂的用量，利用吸附、架桥、网捕和卷扫等作用使颗粒沉降下来。研究显示当含固率或混合水浑浊度超过某一范围时，节药率为负值，反而使得药剂投加量增多[10]。
本文通过烧杯小试混凝试验，对排泥水回流强化混凝的效果进行了研究。通过调整排泥水回流比、混凝剂投加量和排泥水浊度三个参数，分别研究其对回流效果的影响，进而得出排泥水回流工艺的最佳工况条件。
（1）回流排泥水可以有效降低出水浊度，强化混凝效果，但存在最佳回流条件。当回流的排泥水浊度过低或者过高，都会减弱混凝效果，出现出水浊度高于无排泥水回流时的现象，且混凝剂投加量与排泥水回流的效果有直接关系。
（2）回流工艺中随着排泥水浊度的增加，沉后水的剩余浊度值出现“先降后升”的现象。当排泥水的浊度控制在14-135NTU时，适当降低混凝药剂的投加量，沉后出水的浊度值能够出现比无排泥水回流更低的情况，有效强化了混凝效果。
（3）混凝剂投药量与排泥水浊度均会对出水效果产生影响，当排泥水浊度为65NTU时，最佳投药量为4mg/L，而排泥水浊度增加至135NTU时，最佳投药量为6mg/L。
研究表明，适当回流排泥水可以达到降低沉后出水浊度值，强化混凝效果的目的，且将剩余污泥进行回流的过程中可以适当降低混凝剂的投加量，同时达到节省药剂使用量的目的。
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