北方地区自来水厂滤池反冲洗废水混凝搅拌试验研究_李莉.pdf

32 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）北方地区自来水厂滤池反冲洗废水混凝搅拌试验研究李 莉（北票市自来水有限公司，辽宁 朝阳 122100）摘 要：利用混凝搅拌试验，探讨了北方地区自来水厂直接回用滤池反冲洗废水的切实可行性。研究发现：经过混凝沉淀，回流比不超过 15%时出水浊度均维持在 2NTU 以内，出水的亚硝酸盐氮、氨氮、pH 值与不回流的原水相当，并不会引起超标风险；混凝沉淀可在一定程度上提高有机物去除效果，有效去除水中的金属锰、铁、铝等，且生成三卤甲烷的风险也不会增加。滤池反冲洗废水直接回用能够满足环境保护和水厂节能降耗的需求，在自来水厂中具有较好的适用性与可行性。关键词：自来水厂；直接回用；反冲洗废水；混凝搅拌中图分类号：TU991.2文件标识码：B0 引 言目前，我国大部分饮用水处理厂仍使用常规水处理工艺，每天产生的废水占总供水量 3%10%，并以反冲洗废水和排泥水为主1-3。近年来，水资源可持续利用越来越引起人们的重视，若能够实现生产废水的回用利用，既可以节约水资源和水厂运行成本，还具有重要现实意义。研究表明，许多天然有机物等有害物质富集于这些废水中，直接回用势必会影响后续水处理水质4-5。此外，废水中还存在大量聚合胶体、未反应混凝剂、脱稳颗粒等，直接回用有利于增强其混凝效果。鉴于此，本研究通过混凝小试探讨了水厂水质受不同水流比条件下滤池反冲洗废水的影响，如消毒副产物、金属、有机物及常规水质等指标，以期明确直接回用滤池反冲洗废水的水质风险及其可行性，为自来水厂成本管理和给水工艺改造提供参考依据。1 试验方案1.1 试验条件在北方某城市自来水厂内进行试验研究，该自来水厂的原水来源于太子河干流，水处理工艺见图1。图 1 自来水厂水处理工艺该水厂反冲洗用水取砂滤池滤后水，主要有气冲、气水混冲以及水冲 3 个反冲洗过程，所对应的时间依次为 4min、6min、4min，强度 20L/(m2s)、20L/(m2s)与 5L/(m2s)、5L/(m2s)、反冲洗周期38h，水冲阶段的表面扫洗强度 1.22.5L/(m2s)。试验过程中，采用液体聚氯化铝(PAC)即水厂在用混凝剂，设定投加量 1015mg/L。1.2 试验方法试验原水取水厂原水与气水混冲阶段的废水混合水，通过混凝搅拌小试探讨出水水质受回流水质最差时的影响作用6。一般地，滤池反冲洗废水占水厂产水量的 2%5%，考虑到一天时间内原水取水量的变化特点，为明确最大回流比例情况下出水水质风险，设定最大回流比例 15%，试验过程中气水混冲阶段废水和水厂原水水质如表 1 所示。收稿日期 2022-12-11作者简介李莉（1980-），女，辽宁朝阳人，工程师，研究方向为水利工程、水利水电、农村饮水等。文章编号:1007-7596（2023）01-0032-05DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.007 33 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）表 1 气水混冲阶段废水和水厂原水水质水样原水反冲废水pH 值6.97.0浊度/NTU26.1685.4水温/20.020.0UV254/cm0.04310.026TOC/mgL-11.715.16CODMn/mgL-12.1508.187亚硝酸盐氮/mgL-1245.16462.10三卤甲烷生成势(THMFP)/gL-10.1060.024氨氮/mgL-10.1650.102铁/mgL-10.8610.225锰/mgL-10.01020.0284铝/mgL-10.0460.352采用恒奥德 H26257 六联搅拌机进行混凝搅拌试验，分 5 个阶段模拟水厂混凝沉淀实际参数，相关水质指标取试验杯上清液进行检测，相关试验参数如表 2 所示。试验时间为 2020 年 11 月 5 日2021 年 1 月 6 日，通过混凝烧杯试验每周取样检测一次有关指标，连续检测 5 周，最终试验结果取5 次试验数据平均值。表 2 试验参数设计试验阶段时间/s转速/r/minG 值/sGT 值阶段一30500341.210361阶段二27015060.815870阶段三39010040.514462阶段四5105020.110400阶段五18000/1.3 指标测试试验采用标准缓冲溶液比色法、宇邦 YZD-800T 台式浊度仪和温度计测定 pH 值、浊度、温度；为减少颗粒物质产生的干扰用 0.45m 滤膜过滤水样，利用紫外分光光度计测定紫外吸收光 UV254；TOC 就是水体中悬浮性和溶解性有机物的碳含量，以碳数量反映有机物含量，试验利用 TOC 以测定；采用酸性高锰酸钾滴定法和重氮偶合分光光度法测定 CODMn、亚硝酸盐氮，通过测定长时间反应和高投氯量情况下的水中 THMs 生成量作为 THMFP，检测方法参考国际标准；采用水杨酸盐、二氮杂菲、铬天青 S 等分光光度法测定测定氨氮、金属铁和铝含量，利用 ICPMS 法测定锰含量7。2 结果与分析2.1 经济指标分析水厂滤池反冲洗废水直接回用只需在原有排水渠上加建电器控制系统、管道及安装潜水泵即可，无需另建调蓄沉淀池，一次性投资约 15 万元。结合实际情况，计算直接回用前后试样水厂主要经济指标如表 3 所示。表 3 经济指标反冲洗废水量 m3d-13800回用水量 m3年-11215000年节约水资源费(0.15 元/m3)/元182250年节约排泥泵运行费(0.07 元/m3)/元85050一泵房正常运行取水费/元（103m3）-145.65一泵房年取同样水量水电费/元52718.62年回用设备电费(0.05 元/m3)/元60750年减少取水费/元267300结果表明，滤池反冲洗废水直接回用后试样水厂每年可节约运行成本 36.73 万元，一次性投资费用在半年内即可回收，所以滤池反冲洗废水直接回用既能切实减少水厂运行成本，具有显著的制水效益，还有利于环境保护。2.2 对金属指标影响将原水与滤池反冲洗废水混合后投加 15mg/L液体聚氯化铝(PAC)，设定 0%、3%、6%、12%、15%五种回流比进行混凝搅拌试验，取混凝沉淀后各试验杯上清液及各混合水样测定其金属铁、锰、铝浓度，如图 1 所示。结果发现，水厂原水中的铝浓度明显低于滤池反冲洗废水，这是因为经过液体聚氯化铝(PAC)混凝沉淀后水厂原水中生成的大量铝盐被截留于滤层内，随着滤池反冲洗的带出致使废水中的铝含量有所提高。00.10.20.30.40361215回流比/%混凝沉淀前混凝沉淀后铝/mg/L(a)铝 34 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）00.010.020.030.040361215回流比/%混凝沉淀前混凝沉淀后锰/mg/L(b)锰00.10.20.30.40.50.60.70.80.910361215回流比/%混凝沉淀前混凝沉淀后UV254/cm-1(c)铁图 1 混凝沉淀前后不同水流比水样金属指标由图 1(a)可知，随回流比的增加混合水样中的铝含量逐渐升高，但出水中的铝浓度整体处于0.1mg/L 以内，经混凝沉淀后的去除率逐渐增大，说明出水铝浓度并不会因反冲洗废水的直接回用而提高。此外，原水出水中的铝含量经直接混凝沉淀后有所增加，表明利用液体聚氯化铝(PAC)混凝剂将在一定程度上增加出水铝浓度。饮用水中的锰、铁含量过高会影响水的臭味和色度，衣物洗涤过程中甚至会引起着色。由图 1(b)可知，随着回流比的增加混合水样中的锰浓度不断增大，经混凝沉淀后出水中的锰浓度相比于不回流的原水有所提高，但最高也不超过 0.018mg/L，符合低于 0.1mg/L 的国标要求。不同于金属锰、铝，水厂原水中的铁含量要明显高于反冲洗废水，故认为混凝沉淀是去除原水中铁的主要途径。由图 1(c)可知，随回流比的增加混合水样中的铁浓度逐渐减小，各出水中的铁浓度为 0.12kg/L，符合低于 0.3kg/L 的国标要求。2.3 对消毒副产物影响将原水与滤池反冲洗废水混合后投加 15mg/L液体聚氯化铝(PAC)，设定 0%、3%、6%、12%、15%五种回流比进行混凝搅拌试验，取混凝沉淀后各试验杯上清液及各混合水样测定其三卤甲烷生成势(THMFP)，如图 2 所示。有机前驱物是决定饮用水中消毒副产物(DBPs)生成的关键因素，其中富里酸、腐殖酸和天然有机物属于 DBPs 的主要前驱物8。01002003004005006000361215回流比/%混凝沉淀前混凝沉淀后THMFP/g/L图 2 混凝沉淀前后不同水流比水样的 THMFP由图 2 可知，THMFP 与有机物指标的去除效果相似，混合水样的 THMFP 随着回流比的增加不断提高，回流比为 15%时浓度最高达到 550g/L，经混凝沉淀后出水的三卤甲烷生成势(THMFP)快速减小到 200g/L，随着回流比的增加其去除率逐渐升高，这表明有效去除混合水样中的有机物可以明显降低 THMFP 的生成风险。2.4 对有机物指标影响将原水与滤池反冲洗废水混合后投加 15mg/L液体聚氯化铝(PAC)，设定 0%、3%、6%、12%、15%五种回流比进行混凝搅拌试验，取混凝沉淀后各试验杯上清液及各混合水样测定其 UV254、CODMn和 TOC 浓度，如图 3 所示。结果发现，水厂原水中CODMn和TOC明显低于滤池反冲洗废水，而 UV254正好相反，究其原因可能是有大量不溶性有机物质存在于滤池反冲洗杂质中，从而提高反冲洗废水中的 CODMn和 TOC 浓度，在 UV254检测之前必须对水样利用 0.45m 滤膜进行过滤。因此，即使大量增加不溶性有机物质也不会对 UV254产生影响，水厂原水中 UV254所体现的溶解性有机物质浓度高于反冲洗废水，所以水厂原水的 UV254高于反冲洗废水。35 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）012340361215回流比/%混凝沉淀前混凝沉淀后TOC/mg/L(a)TOC012340361215回流比/%混凝沉淀前混凝沉淀后CODMn/mg/L(b)CODMn00.010.020.030.040.050361215回流比/%混凝沉淀前混凝沉淀后UV254/cm-1(c)UV254图 3 混凝沉淀前后不同水流比水样有机物由图 3(a)、(b)可知，混合水样进水中的 CODMn和 TOC 随着回流比的增加逐渐增大，但经过混凝沉淀处理后各出水中的 CODMn浓度逐渐下降，TOC整体保持不变，这说明滤池反冲洗废水直接回用可以在一定程度上提高有机质去除效果，更不会使得沉淀出水的有机物浓度增加。另外，CODMn、TOC与浊度的去除趋势相似，初步判定不溶性的有机物质属于反冲洗废水中 CODMn和 TOC 的主要来源，经混凝沉淀即可去除。由图 3(c)可知，各混合水样进、出水的 UV254 均随着回流比的增加不断减小，去除率未出现明显改变，这说明水厂出水 UV254不会受滤池反冲洗废水直接回用的影响。2.5 对常规水质指标影响将原水与滤池反冲洗废水混合后投加 15mg/L液体聚氯化铝(PAC)，设定 0%、3%、6%、12%、15%五种回流比进行混凝搅拌试验，取混凝沉淀后各试验杯上清液及各混合水样测定其亚硝酸盐氮、氨氮、pH 值和浊度指标，如图 4 所示。00.40.81.21.62