羅 勇，彭錦玉，劉偉剛，張 歡，孫文祥

(1.肥城市水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東泰安 271600；2.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120；3.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局有限公司供水分公司，山東東營(yíng) 257029)

排泥水是水廠(chǎng)制水過(guò)程中的生產(chǎn)廢水，主要為沉淀池排泥水與濾池反沖洗水，具有水質(zhì)復(fù)雜、金屬元素含量高、有機(jī)物濃度高、病原微生物多等特點(diǎn)[1-2]。隨著城市建設(shè)與國(guó)家環(huán)保戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，水廠(chǎng)排泥水對(duì)環(huán)境的污染也引發(fā)行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。若排泥水不經(jīng)處理直接排入水體或下水道，將對(duì)受納水環(huán)境造成惡劣影響[3]。因此，《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)中對(duì)水廠(chǎng)排泥水排放提出要求：水廠(chǎng)排泥水排入河道、溝渠等天然水體的水質(zhì)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)的有關(guān)規(guī)定[4]。而另一方面，排泥水水量約占水廠(chǎng)供水量的3%～7%，若這部分水回收再利用，不僅可以避免水體污染，而且在目前水資源緊張的情況下，可以提升用水效率，實(shí)現(xiàn)水資源節(jié)約和循環(huán)利用[5]，同時(shí)是對(duì)《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》的積極響應(yīng)與貫徹。

目前，針對(duì)排泥水的處理，多數(shù)報(bào)道是進(jìn)行水質(zhì)調(diào)節(jié)，即利用懸浮顆粒物和膠體顆粒在重力作用下的沉淀，實(shí)現(xiàn)泥水分離[6]。但排泥水中富集的各種污染物，如細(xì)菌、病原微生物、難降解可溶性有機(jī)物等[7]，單純泥水分離并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效去除，易造成有機(jī)物及微生物的累積，導(dǎo)致上清液回用后微生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)增加。針對(duì)上述問(wèn)題，本文重點(diǎn)考察O3、KMnO4、NaClO等常見(jiàn)氧化劑對(duì)排泥水處理效果的影響，并形成排泥水處理最佳工藝，以推進(jìn)排泥水工藝革新進(jìn)程，解決制水過(guò)程中排泥水處理與水回用等問(wèn)題。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)原水

試驗(yàn)在勝利石油管理局有限公司供水分公司下轄某水廠(chǎng)進(jìn)行。水廠(chǎng)原水取自孤東水庫(kù)，為黃河水源水，設(shè)計(jì)日供水量為10×104m3，水廠(chǎng)凈水主體工藝為機(jī)械混合/折板絮凝/斜管沉淀/石英砂過(guò)濾。每日產(chǎn)生排泥水約為5 000 m3，其中，沉淀池排泥水占比約為30%，濾池反沖洗排泥水占比約為70%。廠(chǎng)區(qū)混凝藥劑為PAC，藥劑有效含量(以Al2O3計(jì))為10%，投加量為15～20 g/m3。

試驗(yàn)在夏季的7月、8月進(jìn)行，試驗(yàn)原水為廠(chǎng)區(qū)沉淀池排泥水，水質(zhì)指標(biāo)：水溫為24～28 ℃；渾濁度為110～130 NTU；CODMn為30～45 mg/L；pH值為8.27～8.54；色度為80～100度；含固率為0.12%～0.15%；鐵為0.004 7～0.011 1 mg/L；錳為0.031 5～0.043 4 mg/L；鋁為0.100～0.189 mg/L；總大腸桿菌為20～30 MPN/(100 mL)；耐熱大腸桿菌為5～20 MPN/(100 mL)；大腸埃希氏菌為5～10 MPN/(100 mL)；菌落總數(shù)為15 000～20 000 CFU/mL。排泥水處理后用于廠(chǎng)區(qū)綠化及路面沖洗，根據(jù)廠(chǎng)區(qū)回用要求，處理后排泥水渾濁度不得高于10 NTU，CODMn不得高于5 mg/L，菌落總數(shù)不得高于8 000 CFU/mL，其他指標(biāo)均參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)藥劑

試驗(yàn)藥劑：PAC，取自水廠(chǎng)混凝劑投加點(diǎn)；聚合氯化鋁鐵(PAFC)，Al2O3含量為10%，F(xiàn)e2O3含量為1.6%；聚丙烯酰胺(PAM)，陰離子，分子量為2×107；高錳酸鉀(KMnO4)，3%溶液；次氯酸鈉(NaClO)，有效含量為10.1%。

1.3 試驗(yàn)方法

分別進(jìn)行自然沉降試驗(yàn)、混凝沉淀試驗(yàn)(藥劑分別為PAC、PAFC、PAM)與預(yù)氧化-混凝沉淀這3組試驗(yàn)。各組均進(jìn)行3次，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值，具體試驗(yàn)操作如下。

(1)自然沉降試驗(yàn)：采用靜態(tài)沉淀模擬試驗(yàn)。將排泥水置于250 mL的量筒中，試驗(yàn)開(kāi)始后，每隔20 min記錄一次排泥水界面高度，并分析不同沉降時(shí)間下工藝出水水質(zhì)。

(2)混凝沉淀試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置如圖1所示，試驗(yàn)水量為300 L/h。裝置分高速混合、兩級(jí)低速絮凝、沉淀共3級(jí)。高速混合攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min，在此處投加PAC等藥劑；兩級(jí)絮凝轉(zhuǎn)速分別為50、20 r/min，沉淀時(shí)長(zhǎng)為30 min。反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后，取沉淀池上清液檢測(cè)渾濁度、CODMn等指標(biāo)。

圖1 混凝試驗(yàn)工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Coagulation Test

(3)預(yù)氧化-混凝沉淀試驗(yàn)：試驗(yàn)裝置如圖2所示，在單獨(dú)混凝沉淀試驗(yàn)前端增加預(yù)氧化反應(yīng)，其他反應(yīng)條件均與混凝沉淀試驗(yàn)相同，氧化劑分別采用KMnO4、NaClO、O3。其中：采用KMnO4或NaClO作為氧化劑時(shí)，利用蠕動(dòng)泵將藥劑從反應(yīng)池底部泵入；采用O3作為氧化劑時(shí)，將臭氧發(fā)生器出氣管與曝氣盤(pán)連接，曝氣盤(pán)放置于反應(yīng)器底部。氧化時(shí)間統(tǒng)一為30 min。

圖2 預(yù)氧化-混凝試驗(yàn)工藝流程圖Fig.2 Flow Chart of Preoxidation-Coagulation Test

1.4 分析測(cè)試方法

渾濁度檢測(cè)采用HACH TL2300型濁度檢測(cè)儀；CODMn采用高錳酸鹽指數(shù)測(cè)定(GB 11892—1989)；其他指標(biāo)的分析測(cè)定均依據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB/T 5750—2006)。

察哈爾蒙古兵介入戰(zhàn)爭(zhēng)不是因?yàn)榕c回、哈薩克等民族有平時(shí)促成矛盾，而是因?yàn)槊晒疟鳛槭刈o(hù)塔爾巴哈臺(tái)的卡倫和臺(tái)站官兵，自清朝自張家口移至塔爾巴哈臺(tái)時(shí)，就有任務(wù)保護(hù)自己的游牧地和邊疆的安危和社會(huì)穩(wěn)定的責(zé)任，為了完成自己的責(zé)任和義務(wù)必須與起事者奮斗，完成自己的使命，直至將起事者鎮(zhèn)壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 自然沉降試驗(yàn)

圖3為排泥水在自然沉降過(guò)程中泥水界面高度變化。由圖3可知，沉降過(guò)程開(kāi)始后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，沉降速率逐漸減慢。在第120 min時(shí)，界面高度趨于平穩(wěn)，泥水界面自最初的250 mL降至189 mL；而繼續(xù)增加沉降時(shí)間至240 min，泥水界面僅降至182 mL。圖4為在沉降過(guò)程中上清液渾濁度及CODMn的變化趨勢(shì)。由圖4可知：在沉降100 min后，上清液渾濁度已穩(wěn)定在18～21 NTU；沉降時(shí)間高于120 min后，上清液CODMn無(wú)明顯變化，穩(wěn)定在8～10 mg/L，而此水質(zhì)無(wú)法滿(mǎn)足廠(chǎng)區(qū)回用標(biāo)準(zhǔn)。這表明自然沉降對(duì)降濁、去有機(jī)物的能力有限，回用風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖3 泥水界面高度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.3 Variation Trend of the Height of Mud-Water Interface with Time

圖4 上清液渾濁度及CODMn隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.4 Variation Trend of Turbidity and CODMn of Supernatant with Time

2.2 混凝沉淀試驗(yàn)

混凝-沉淀工藝是現(xiàn)行多數(shù)廠(chǎng)區(qū)用于處理排泥水的主體工藝。因此，試驗(yàn)分別采用較為常用的PAFC、PAC、PAM等藥劑進(jìn)行混凝沉淀，探究其在不同混凝劑種類(lèi)、投加量下，對(duì)排泥水處理出水渾濁度及CODMn的影響。

2.2.1 PAC/PAFC混凝試驗(yàn)

圖5與圖6為分別采用PAFC與PAC作混凝劑時(shí)，對(duì)排泥水出水渾濁度及CODMn的影響。由圖5、圖6可知，在藥劑投加量相同時(shí)，PAFC與PAC混凝效果基本相同，且隨著藥劑投加量的增加，渾濁度和CODMn均呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)。在PAFC、PAC投加量分別為30 mg/L時(shí)，出水渾濁度和CODMn均降至最優(yōu)，分別為7.88、7.28 NTU和5.02、5.06 mg/L，與自然沉降30 min出水效果相比，上清液渾濁度與CODMn分別降低了68.85%、69.92%和60.47%、65.10%。分析原因：根據(jù)DLVO理論[8]，在其他因素相同的條件下，不同的帶電粒子體系，其Zeta電位越高，膠體表面電荷之間的排斥勢(shì)能ER越大，體系越不易發(fā)生沉降，膠體顆粒脫穩(wěn)效率較低。排泥水Zeta電位為-2.5～-1.8 mV[9]，投加混凝劑PAFC和PAC后，藥劑水解產(chǎn)生的正電荷中和了膠體滑動(dòng)表面的負(fù)電荷，降低了排斥勢(shì)能ER，使得膠體顆粒脫穩(wěn)沉降，出水渾濁度和CODMn濃度降低[10]。

圖5 不同PAFC投加量下出水渾濁度與CODMn變化Fig.5 Changes of Effluent Turbidity and CODMn with Different Dosages of PAFC

若繼續(xù)增加PAFC或PAC的投加量，出水渾濁度與CODMn反而逐漸升高。分析原因：在混凝劑投加量過(guò)大時(shí)，膠體表面分布的同種電荷增多，脫穩(wěn)膠體重新穩(wěn)定；同時(shí)，金屬氫氧化物增多，夾帶的結(jié)合水量增大，造成形成的礬花大而不實(shí)，出水渾濁度升高，有機(jī)物去除效率下降[11]。

2.2.2 PAM混凝試驗(yàn)

圖7為采用PAM藥劑時(shí)，對(duì)排泥水出水渾濁度及CODMn的影響。由圖7可知，隨著PAM投加量的增加，上清液CODMn先下降后升高。當(dāng)PAM投加量為0.5 mg/L時(shí)，出水渾濁度為11.06 NTU，CODMn為6.05 mg/L；若繼續(xù)增加PAM的投加量至0.75 mg/L，出水CODMn升高至9.62 mg/L。

圖7 不同PAM投加量下出水渾濁度與CODMn變化Fig.7 Changes of Effluent Turbidity and CODMn with Different Dosages of PAM

分析原因：PAM長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)具有良好的吸附架橋作用，可使顆粒凝聚，提高排泥水沉降性能，改善出水渾濁度；但PAM投加量過(guò)高后，排泥水污泥表面同種電荷增多，產(chǎn)生膠體保護(hù)作用[12]，不利于通過(guò)電中和吸附聚集顆粒物，且PAM作為高分子聚合物，在水中殘留亦造成CODMn升高。

2.3 預(yù)氧化對(duì)排泥水處理效果的影響

相較于自然沉降工藝，在投加PAC、PAFC、PAM后，對(duì)渾濁度和CODMn均有較好的去除效果，出水渾濁度可滿(mǎn)足回用要求。但上述工藝出水CODMn較高，若直接回用，則易造成有機(jī)物、微生物的累積，威脅供水水質(zhì)安全。因此，在混凝前增設(shè)O3、KMnO4、NaClO這3種預(yù)氧化工藝，探究不同種類(lèi)、投加量下排泥水處理出水水質(zhì)。試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)前文試驗(yàn)結(jié)果，混凝劑統(tǒng)一選用PAC，投加量為30 mg/L。

圖8、圖9、圖10為分別采用O3、KMnO4、NaClO作為預(yù)氧化劑時(shí)，不同藥劑投加量下的工藝出水渾濁度與CODMn。由圖8可知，在O3投加量為3 mg/L時(shí)，工藝出水渾濁度為2.58 NTU、CODMn為2.36 mg/L，相比相同藥劑量下的單獨(dú)混凝試驗(yàn)，渾濁度和CODMn分別降低了64.56%和53.36%。若繼續(xù)增加O3投加量為4.5 mg/L，出水渾濁度和CODMn分別為2.35 NTU和2.12 mg/L，變化幅度較低，因此，確定O3投加量為3 mg/L。

圖8 不同O3投加量下工藝出水渾濁度與CODMn變化Fig.8 Changes of Effluent Turbidity and CODMn with Different Dosages of O3

由圖9可知，在KMnO4投加量為1.2 mg/L時(shí)，工藝出水渾濁度為3.11 NTU、CODMn為2.8 mg/L。若繼續(xù)增加KMnO4投加量為1.8 mg/L，出水CODMn升高至3.05 mg/L，水質(zhì)反而變差，因此，確定KMnO4投加量為1.2 mg/L。

圖9 不同KMnO4投加量下工藝出水渾濁度與CODMn變化Fig.9 Changes of Effluent Turbidity and CODMn with Different Dosages of KMnO4

由圖10可知，在NaClO投加量為2.5 mg/L時(shí)，工藝出水渾濁度為2.43 NTU、CODMn為2.44 mg/L。若繼續(xù)增加NaClO投加量，出水渾濁度基本穩(wěn)定在2.48～2.53 NTU，CODMn基本穩(wěn)定在2.43～2.47 mg/L，因此，確定NaClO投加量為2.5 mg/L。

圖10 不同NaClO投加量下工藝出水渾濁度與CODMn變化Fig.10 Changes of Effluent Turbidity and CODMn with Different Dosages of NaClO

綜上，在投加O3、KMnO4、NaClO作為預(yù)氧化劑后，工藝出水渾濁度與CODMn大幅度降低。推測(cè)原因：排泥水中存在的有機(jī)物、藻類(lèi)等可在顆粒物表面形成有機(jī)涂層，造成膠體顆粒間的空間阻礙或雙電層排斥，從而使顆粒物之間保持分散難以聚結(jié)。而經(jīng)O3、KMnO4或NaClO預(yù)氧化后：一方面，可有效改變有機(jī)物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)行開(kāi)環(huán)、斷鏈，或直接將其礦化，降低有機(jī)物濃度[13]；另一方面，可破壞有機(jī)物對(duì)膠體的保護(hù)，強(qiáng)化膠體脫穩(wěn)，形成密實(shí)的絮體，從而改善污染物的可混凝性[14]。因此，工藝對(duì)污染物去除效率提高。

2.3.2 預(yù)氧化工藝對(duì)出水綜合水質(zhì)的影響

表1為O3、KMnO4、NaClO這3種氧化劑預(yù)氧化并混凝沉淀后，各金屬元素、微生物及氧化副產(chǎn)物濃度對(duì)比。其中，預(yù)氧化劑投加量按照已確定的最佳量投加。

由表1可知，在采用O3、KMnO4、NaClO這3種氧化劑后，對(duì)鐵、錳以及色度、微生物的去除率均高于單獨(dú)混凝沉淀工藝，且經(jīng)預(yù)氧化后，工藝出水色度均不高于15度。在微生物去除方面，O3、NaClO的效果明顯優(yōu)于KMnO4，前兩者工藝出水中均未檢出總大腸、耐熱大腸、細(xì)菌總數(shù)等微生物，而采用KMnO4預(yù)氧化，工藝出水中均檢測(cè)出上述多種微生物，菌落總數(shù)為10 000 CFU/mL。這與學(xué)者[15-16]研究結(jié)論相同，推測(cè)是KMnO4極易被有機(jī)物所減弱，且其在酸性環(huán)境中作用能力較強(qiáng)，因此，在有機(jī)物濃度高，且pH值為8.27～8.54的堿性環(huán)境中，其殺菌抑菌能力受影響，導(dǎo)致回用后易造成微生物積累，從而威脅制水安全。

表1 預(yù)氧化劑對(duì)工藝出水水質(zhì)的影響Tab.1 Effect of preoxidant on the Quality of Effluent

此外，在采用NaClO預(yù)氧化時(shí)，其工藝出水水質(zhì)與O3預(yù)氧化工藝出水相近，但檢測(cè)出低含量的消毒副產(chǎn)物三氯甲烷，這表明在排泥水水質(zhì)變差、NaClO投加量增加時(shí)，有消毒副產(chǎn)物濃度升高風(fēng)險(xiǎn)。而在采用O3預(yù)氧化時(shí)，未檢測(cè)出副產(chǎn)物溴酸鹽的生成。

分析原因：O3的氧化電位為2.08 V，高于NaClO與KMnO4；此外，O3可在水中發(fā)生間接反應(yīng)，生成氧化性更強(qiáng)的·OH，·OH氧化電位為2.80 V，自由基的反應(yīng)無(wú)選擇性，可高效去除原水中有機(jī)物、病毒等，提高后續(xù)混凝工段處理效率。因此，在排泥水處理中，可首選O3預(yù)氧化-混凝沉淀作為廠(chǎng)區(qū)排泥水處理工藝；若廠(chǎng)區(qū)不具備生產(chǎn)O3條件，亦可選用NaClO預(yù)氧化-混凝沉淀工藝，以保證處理后排泥水的高標(biāo)準(zhǔn)回用。

2.3.3 排泥水處理工藝藥劑成本分析

在采用預(yù)氧化-混凝沉淀處理排泥水時(shí)，工藝運(yùn)行成本主要為動(dòng)力費(fèi)及藥劑費(fèi)。其中，動(dòng)力費(fèi)為攪拌設(shè)備、水泵、排泥泵等設(shè)備用電，該項(xiàng)受處理規(guī)模、所用設(shè)備、輸水距離等影響較大，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。藥劑費(fèi)成本分析如下。

在采用預(yù)氧化-混凝沉淀工藝時(shí)，產(chǎn)生O3的成本約為15元/kg，NaClO(食品級(jí)，藥劑有效含量為10.1%)價(jià)格約為1 500元/t，PAC(藥劑有效含量為10%)價(jià)格約為1 100元/t。因此，在O3投加量為3 mg/L、PAC投加量為30 mg/L時(shí)，處理每噸排泥水的藥劑成本為0.078元；在NaClO投加量為2.5 mg/L、PAC投加量為30 mg/L時(shí)，處理每噸排泥水的藥劑成本為0.037元。

3 結(jié)論

(1)采用自然沉降或混凝沉淀工藝，對(duì)排泥水渾濁度與CODMn去除效率有限。在PAC投加量為30 mg/L時(shí)，混凝沉淀出水渾濁度為7.28 NTU、CODMn為5.06 mg/L、菌落總數(shù)為13 100 CFU/mL，不滿(mǎn)足廠(chǎng)區(qū)排泥水回用標(biāo)準(zhǔn)。

(2)采用O3、KMnO4、NaClO預(yù)氧化后，工藝出水渾濁度與CODMn降低幅度較大，出水渾濁度可降至2～3.2 NTU，CODMn可降至2～3 mg/L；此外，通過(guò)對(duì)預(yù)氧化處理效果綜合比對(duì)，選擇O3或NaClO作為廠(chǎng)區(qū)處理排泥水預(yù)氧化劑。

(3)控制混凝劑PAC投加量為30 mg/L，在O3投加量為3 mg/L或NaClO投加量為2.5 mg/L時(shí)，預(yù)氧化-混凝沉淀工藝出水渾濁度分別為2.58 NTU與2.43 NTU，CODMn分別為2.36 mg/L與2.44 mg/L，且鐵、錳、微生物等指標(biāo)均優(yōu)于廠(chǎng)區(qū)回用標(biāo)準(zhǔn)，證明工藝可滿(mǎn)足排泥水處理要求。