给水厂运行过程中会产生一定量的废水, 包括沉淀池排泥水和滤池反冲洗水等, 占水厂供水量的3%~10%^[1], 对其进行回用有利于节约与保护水资源。有研究表明, 反冲洗水中含有脱稳颗粒、大量聚合胶体以及未反应的混凝剂^[2], 设定适当的回流比直接回流滤池反冲洗水, 能有效改善混凝性能, 所形成的矾花颗径大、结构密实、沉降快且效果好, 有效降低沉淀后的出水浊度, 减少混凝剂的投加量^[3]。但也有研究表明, 回用滤池反冲洗水可能引起重金属、有机物增加等水质问题, 并增加生物安全风险^[4]。

　　 本研究通过给水厂的长期运行生产性试验, 研究了给水厂滤池反冲洗水直接回用工艺对各工艺段水质的影响, 为给水厂的工艺改造提供经验参考。

　　 试验在南方某水司A水厂内进行, 该水厂原水取自东江, 设计供水量为110万m³/d, 分三期运行, 其中一、二期工艺设计供水量均为30万m³/d, 三期工艺设计供水量为50万m³/d。采用常规水处理工艺, 即混凝—沉淀—过滤—消毒。

　　 试验以水厂砂滤池滤后水为反冲洗用水, 反冲洗过程包括气冲、气水混冲和水冲3个阶段。其中滤池反冲洗周期为48h, 气冲时间180s, 强度为18L/ (s·m²) ;气水混冲时间180s, 气冲强度为18L/ (s·m²) , 水冲强度为4L/ (s·m²) ;水冲时间200s, 水冲强度为8L/ (s·m²) , 静置180s。该水厂采用的混凝剂为液体聚氯化铝 (PAC) (有效铝含量约为10%) 。

　　 A水厂一期工艺自2010年开始对滤池的反冲洗水进行回用, 由于水厂原水取水量在一天内存在波动, 不同时段的滤池反冲洗水回流比可能有所不同, 但最大回流比不超过8%。一期工艺的回用方式为直接回用, 没有加建调蓄沉淀池, 改造只是在原有反冲洗水排水渠中安装潜水泵及加建管道和电气控制系统。另外, 二期和三期工艺均没有对滤池反冲洗水进行回用。

　　 选择A水厂一期及二期工艺进行对比跟踪。一、二期工艺除进水水质外, 后续各水处理流程及运行参数基本一致, 两期工艺处理水量、投药量以及消毒剂投加量基本一致。

　　 为考察给水厂对滤池反冲洗水直接回用的长期运行效果, 从2016年11月开始定期取一、二期工艺出水, 对相关水质指标进行监测。

　　 从图1可以看出, 在水厂直接回用反冲洗水工艺运行期间, 二期工艺的出厂水月平均浊度差异在0.03NTU以内, 说明一、二期工艺出水浊度差异甚少;直接回用滤池反冲洗水必然会引起一期工艺的原水浊度升高, 二期工艺的原水浊度相对低, 而两期工艺出厂水浊度基本接近, 因此可以推断一期工艺对浊度的去除率高于二期工艺。因为直接回用滤池反冲洗水比不回用更有利于水的混凝沉淀: (1) 直接回用的滤池反冲洗水含有大量的粗颗粒物质, 当混入原水一并处理时, 这些粗颗粒易于形成絮凝核, 加快原水中胶体的混凝速度; (2) 滤池反冲洗水含有大量的粗颗粒物质大大增加了水中颗粒的碰撞频率从而为絮凝创造有利条件; (3) 滤池反冲洗水中残留了由混凝剂水解产生的正电物质在回用过程中被再次利用, 降低了混凝后絮体表面的ζ电位绝对值; (4) 直接回用滤池反冲洗水使得混凝剂水解所形成的金属氢氧化物网捕、卷扫原水中胶粒能力增强, 形成的矾花大且密实。

　　 从图1还可以看出, 尽管原水浊度随季节波动较大, 但两期工艺在不同进水水质下出水浊度均能保证在0.25NTU以下。连续8个月的监测数据说明, 两期工艺出厂水浊度相接近, 给水厂直接回用滤池反冲洗水不会对出水浊度造成负面影响。

　　 从图2可以看出, 二期工艺的出厂水月平均COD_Mn差异在0.1mg/L以内, 说明一、二期工艺出水COD_Mn差异甚少;与浊度相似, 直接回用滤池反冲洗水必然会引起一期工艺的原水COD_Mn升高, 而二期工艺的原水COD_Mn相对较低, 两期工艺出厂水的COD_Mn基本接近, 因此可以推断一期工艺对COD_Mn的去除率高于二期工艺。其原因在于, 直接回用滤池反冲洗水有效实现强化混凝, 去除浊度的同时提高了有机物的去除效果。另外, 监测期间原水COD_Mn最高能接近5.0 mg/L, 但两期工艺在不同进水水质条件下出水COD_Mn均能保证小于2.0mg/L。监测结果表明, 给水厂直接回用滤池反冲洗水不会对出水COD_Mn造成负面影响。

　　 上午6:00~10:00, A水厂一期工艺的滤池反冲洗水回流比约为5%, 在该时间段每隔一小时取样一次, 对一期工艺待滤水的金属指标进行检测跟踪, 并取上午8:00时的二期工艺待滤水作为对照, 如表1所示。

　　 由于混凝剂中的铝有部分被转移到滤池反冲洗水中, 回用后的原水中铝含量明显增加, 为此, 待滤水中的铝含量也是需要重点关注的指标。从表1可知, 一期工艺待滤水的铝含量保持在稳定的水平, 且远低于标准限值。其原因在于, 滤池反冲洗水中的铝主要以颗粒态的形式存在, 而溶解在水中的游离态铝含量较低, 其回用至原水后, 经混凝形成了絮体沉淀去除, 因而待滤水中铝含量不会升高;另一方面, 滤池反冲洗水含有大量的微絮凝颗粒有效强化混凝, 减少混凝剂用量, 从而进一步降低了出水铝含量^[5]。从表1也可以看出, 一期待滤水中其他金属含量均较低, 远低于标准中规定的限值, 回用后不会造成待滤水中这些金属含量的升高。

　　 从表2可知, 在A水厂直接回用反冲洗水工艺运行期间, 尽管原水的铁、铝和锰含量有一定波动, 一期工艺和二期工艺的出厂水中铁、铝和锰的月最大值均低于检出限值。长期运行数据显示, 给水厂直接回用滤池反冲洗水对铁、铝和锰3个金属指标没有造成影响。

　　 图3为A水厂一、二期工艺的待滤水细菌总数数据, 从图3可知, 一期工艺待滤水细菌总数为136 MPN/mL, 与二期工艺待滤水相比, 明显增加了细菌总数超标的风险, 但考虑到后续处理中有消毒工艺, 需要关注的是出厂水的细菌总数数据。

　　 从表3可知, 在A水厂直接回用反冲洗水工艺运行期间, 尽管原水的细菌总数有一定波动, 一、二期的出厂水中的细菌总数检测结果均为未检出。从表4可知, 尽管原水的大肠杆菌月最大值均超过检出上限, 一、二期的出厂水中的大肠杆菌检测结果均为未检出。长期运行数据说明, 给水厂直接回用滤池反冲洗水不会增加生物风险。

　　 对A水厂一期和二期的待滤水和滤后水进行微型水生无脊椎动物监测, 数据如图4所示。由于水生无脊椎动物随天气变化波动较大, 且取样存在随机性, 因此数据有所差异。监测的数据显示, 待滤水的生物密度在50~330个/m³, 肉眼可见, 多为活体。对待滤水使用显微镜放大60~100倍进行观察, 发现一、二期待滤水中水生无脊椎动物以水蚤类为主, 长度为300~600μm不等, 少量为线虫。监测待滤水数据显示, A水厂一期直接回用滤池反冲洗水, 没有显著增加微型水生无脊椎动物的数量。

　　 滤后水监测数据显示, 一期与二期滤后水的水生无脊椎动物生物密度接近, 均在30个/m³以下, 肉眼可见, 多为活体。对一、二期滤后水使用显微镜放大60~100倍进行观察, 发现水生无脊椎动物以水蚤类为主, 长度为100~200μm不等, 少量为线虫。监测滤后水数据显示, A水厂一期直接滤池回用反冲洗水, 没有显著增加微型水生无脊椎动物的数量。

　　 对A水厂一、二期出厂水进行了水生无脊椎动物监测, 数据如图5所示, 同样由于水生无脊椎动物随天气变化波动较大, 且取样存在随机性, 3次监测数据有所差异, 但规律明显, 一期出厂水中水生无脊椎动物生物密度比二期略少, 两期工艺出厂水的水生无脊椎动物暂无法辨别是否为活体, 暂不能确定消毒工艺是否能对其灭活, 有待后续研究。目前本研究重点关注水生无脊椎动物的数量, 由待滤水、滤后水和出厂水的数据均表明, 给水厂对滤池反冲洗水进行直接回用不会引起微型水生无脊椎动物数量的大幅度增加。

　　 (1) 长期运行的数据表明, 给水厂对滤池反冲洗水进行直接回用不会对后续工艺段出水的浊度、有机物、重金属、微生物、微型水生无脊椎动物等水质指标造成负面影响。

　　 (2) 给水厂回用滤池反冲洗水能减少取水量, 节约水资源费, 并减少滤池反冲洗水的排放, 推荐有条件的水厂对滤池反冲洗水进行回用。

　　 (1) 滤池反冲洗水不排放一直回用, 会造成微型水生无脊椎动物的数量不断积累, 可能引起出水中肉眼可见的水生动物数量急剧增加, 产生水质问题与投诉, 因此建议滤池反冲洗水每天应保证一段时间 (不少于1/4时间) 直接排放, 不回用。

　　 (2) 给水厂滤池反冲水回用的比例最好不超过10%, 回用后应密切关注待滤水、滤后水、出厂水的水质, 一旦发现异常, 应先立即停用回流, 待水质问题找到原因并得到解决后, 再启用回用。

　　 (3) 根据已有对滤池反冲水回用的给水厂运行过程中遇到的教训, 反冲洗水集水池、沟等回用系统一定要和水厂生产废水排放系统分离, 以免生产废水, 譬如清洗药剂储存池的废水通过滤池反冲洗系统进入原水, 对工艺水质造成较大的冲击。