贛江南昌段凈水廠排泥水回用混凝增效實驗研究

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方面：通過混燒杯實驗在不同投藥量下研究排泥水回流濃度和回流量之間的動態(tài)關(guān)系；測定出水水質(zhì)來評價排泥水回用的安全性；最后通過正交實驗確定回流比和投藥量對回用影響的主次性。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

實驗用水，取自贛江；排泥水，取自贛江南昌某水廠沉淀池底部。實驗周期內(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臺式濁度儀；哈希DR6000紫外分光光度計；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[8-9]，且對高色度、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，市場價格也較低[10]，故本實驗選用PAC作為混凝劑。

1.3 實驗方法

實驗先確定當(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組實驗(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，測定沉后出水濁度來判定出水的效果；再測定出水的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因素考慮設(shè)計2因素3水平的正交實驗測定出水的濁度、色度和UV254，得出影響出水水質(zhì)的主次順序。

1.4 表征與性能測定

水樣的濁度用濁度儀來進(jìn)行測定，色度和UV254用紫外分光光度計來測定，CODMn的測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)測分析方法》(第四版)進(jìn)行檢測。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)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒杯混凝實驗

混凝攪拌實驗中攪拌儀的混凝攪拌時間設(shè)置為15 min，其中快速混合階段的轉(zhuǎn)速為400 r/min，快速攪拌的時間為15 s。絮凝中期分為三段，轉(zhuǎn)速分別為200，160，80 r/min，時間分別為4，5，6 min。每個區(qū)段的實驗結(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時效果最好?？紤]到回用過多的排泥水在實際的生產(chǎn)中有出水安全風(fēng)險，故實驗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，其實驗結(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，投藥量為當(dāng)天最佳投藥量，則排泥水的回用對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排泥水回用不會對出水的結(jié)果產(chǎn)生太大影響。相反，當(dāng)?shù)屯端幜繒r，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?；赜玫淖罴鸦亓鞅仍?%～4%?；亓鞅鹊脑龃螅鏊乃|(zhì)會惡化，隨著投藥量的降低，惡化趨勢也更加地明顯。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。

將各組實驗的最佳工況點匯總，結(jié)果見表2。

表2 各組排泥水回用最佳工況點統(tǒng)計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態(tài)的關(guān)系。這個結(jié)論可以為后續(xù)的中試實驗以及以贛江水(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)測定

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

圖6 不同回流比對沉后水的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，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，CODMn又上升。原因是回流比低，排泥水回用能起到強化混凝的效果，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，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。回用后出水細(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?。在回流比低時，隨著回用被再次包裹，水體當(dāng)中的細(xì)菌總數(shù)不會有太大的增幅?；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)合使絮體更密實易沉淀，不會導(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 正交實驗

為了進(jìn)一步確定投藥量和回流比對出水濁度影響的主次關(guān)系，設(shè)計兩者的2因素3水平正交實驗?；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。實驗的投藥量、回流比以及實驗結(jié)果見表3。

表3 正交實驗結(jié)果Table 3 The result of orthogonal experiment

由表3可知，排泥水的回用對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UV254的去除效果不明顯。由此可得出，排泥水的回用可以強化混凝，對于水體的濁度和色度的去除具有良好的效果。

從正交實驗的結(jié)果來看，對濁度的去除率而言，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化混凝的作用，混凝的主要推動力還是混凝劑的添加。

3 結(jié)論

通過排泥水回用燒杯實驗和正交實驗可以得出，排泥水的回用，能起到強化混凝、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，可對水廠實際生產(chǎn)有借鑒意義。通過測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)險可控，不會有安全性問題。正交實驗表明，對于濁度去除而言，投藥量起主要作用，排泥水的回用可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步的強化混凝。