我国饮用水处理厂目前大部分仍采用常规水处理工艺, 每天会产生大量的生产废水, 其中以沉淀池排泥水和滤池反冲洗废水为主, 占水厂供水量的3%~10%^[1,2]。随着人们越来越重视水资源的可持续利用, 若能对水厂生产废水实现回收利用, 节约水资源, 不但具有重要的社会意义, 也有利于水厂节约成本。有研究表明, 这些废水中富集了大量的天然有机物等有害物质, 直接回用可能对后续水处理工艺水质带来影响^[3]。但同时这些废水中还含有大量脱稳颗粒、聚合胶体及未反应的混凝剂, 合理回用生产废水可提高混凝效果^[4]。

　　 本文采用自来水厂砂滤池反冲洗废水直接回用的方法, 通过混凝小试, 研究了反冲洗废水在不同回流比时对水厂水质的影响, 其中包括常规水质指标、有机物指标、金属指标及消毒副产物指标等, 旨在探明水厂滤池反冲洗废水直接回用的水质风险, 考察了自来水厂滤池反冲洗废水直接回用的可行性, 为水厂的给水工艺改造和成本管理提供技术参考。

　　 试验在南方某水厂内进行, 该水厂以东江水为原水, 其工艺流程见图1。

　　 该水厂以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38h, 气冲时间4 min, 强度为20.5L/ (m²·s) ;气水混冲时间6 min, 气冲强度为20.5L/ (m²·s) , 水冲强度为5L/ (m²·s) ;水冲时间4min, 水冲强度为5L/ (m²·s) , 在水冲阶段设表面扫洗, 扫洗强度为1.3~2.6L/ (m²·s) 。

　　 试验采用该水厂在用的混凝剂即液体聚氯化铝 (PAC) , 试验期间PAC的投加量为10~15mg/L。

　　 为考察回流水质最差时对出水水质的影响, 取滤池反冲洗过程中气水混冲阶段的废水和原水按照一定比例混合, 作为试验原水进行混凝搅拌试验。滤池反冲洗废水一般占水厂总产水量的2%~5%, 考虑到水厂原水取水量在一天内的变化, 为了研究回流比例最大时对出水的水质风险, 试验中回流比例最大设置为15%。试验期间水厂原水、滤池反冲洗气水混冲阶段废水的水质见表1。

　　 混凝搅拌试验于深圳中润ZR4-6六联混凝试验搅拌机中进行, 模拟水厂实际混凝沉淀参数分5个阶段进行, 最后取试验杯上清液检测相关水质指标, 混凝试验参数见表2。

　　 试验于2016年12月5日~2017年1月6日进行, 每周进行一次混凝烧杯试验并取样检测相关指标, 共持续5周, 将5次试验结果的平均值作为试验数据进行讨论分析。

　　 浊度:采用哈希2100N浊度仪进行测定。pH:采用标准缓冲溶液比色法进行测定。氨氮:采用水杨酸盐分光光度法进行测定。亚硝酸盐氮:采用重氮偶合分光光度法进行测定。TOC:指水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量, 以碳的数量表示水中含有机物的总量, 通过TOC仪进行检测。COD_Mn:采用酸性高锰酸钾滴定法进行测定。UV₂₅₄:水样经0.45μm的滤膜过滤以去除颗粒物质引起的干扰, 然后在紫外分光光度计上测定其在254nm波长单位比色皿光程下的紫外吸光度。三卤甲烷生成势 (THMFP) :其测定是在高投氯量和长时间反应的条件下, 水中能生成THMs的多少;THMFP的测定参照美国标准方法^[5]。铝:采用铬天青S分光光度法进行测定。铁:采用二氮杂菲分光光度法进行测定。锰:采用Thermo Scientific XseriesⅡICP-MS进行测定。

　　 按照回流比为0、2%、5%、10%、15%将滤池反冲洗废水与原水混合后投加15mg/L PAC进行混凝搅拌试验, 取各混合水样及混凝沉淀后各试验杯中上清液测定其浊度、pH、氨氮及亚硝酸盐氮, 结果如图2~图4所示。

　　 在滤池反冲洗的气水混冲阶段, 截留在滤层中的杂质被大量带出, 该阶段的反冲洗废水浊度可高达700NTU, 远高于水厂的原水浊度。从图2可以看出, 尽管随着回流比的增加混合水样的进水浊度不断上升, 但经过混凝沉淀处理后, 出水的浊度均能控制在2NTU以下, 说明随着回流比的增加, 水中浊度的去除效果不断提高。

　　 有研究表明, 回用生产废水来强化混凝效果的机理主要在于其化学作用及物理作用, 其中化学作用是指由于回用废水中含有大量的金属氢氧化物脱稳胶体颗粒, 使废水中的胶体表面所带电荷改变, 产生静电吸附及电性中和作用。而物理作用在于增加了原水中的胶体浓度, 由混凝动力学可知, 这可大大增加颗粒碰撞的几率, 使胶体易于凝聚, 从而实现强化混凝的作用^[6]。

　　 在试验条件下, 滤池反冲洗废水的直接回用不会对进水的pH产生影响, 不同回流比的混合水样在混凝前后的pH均为6.9, 不会额外增加后续工艺进行pH调节的成本。

　　 从图3和图4可以看出, 虽然随着回流比的增加, 混合水样中的氨氮和亚硝酸盐氮的浓度都不断下降, 但是经过混凝沉淀后, 出水中的氨氮和亚硝酸盐氮浓度并没有降低 (但仍低于不回流水样的出水浓度) 。其可能原因是, 反冲洗废水中有大量的有机氮存在于有机物当中, 当经过混凝沉淀处理时, 水中的有机物被降解去除, 里面含有的有机氮被释放出来, 从而转化为氨氮, 又继续转化为亚硝酸盐氮, 而混凝沉淀对氨氮和亚硝酸盐氮基本没有去除效果, 因而导致出水中的氨氮和亚硝酸盐氮高于进水, 但是同时也表明反冲废水回用不会增加氨氮和亚硝酸盐氮超标的风险。

　　 按照回流比为0、2%、5%、10%、15%将滤池反冲洗废水与原水混合后投加15mg/L PAC进行混凝搅拌试验, 取各混合水样及混凝沉淀后各试验杯中上清液测定其TOC、COD_Mn及UV₂₅₄, 结果如图5~图7所示。

　　 滤池反冲洗废水中的TOC和COD_Mn明显高于水厂原水, 而UV₂₅₄则相反, 可能原因是滤池反冲洗时所带出的杂质中含有大量的不溶性有机物质, 使反冲洗废水中的TOC和COD_Mn浓度显著升高, 而在检测UV₂₅₄前必须用0.45μm的滤膜对水样进行过滤, 因此即使反冲洗废水中的不溶性有机物质大量增加, 但这部分有机物质并不会对UV₂₅₄产生影响, 且反冲洗废水中UV₂₅₄所反映的该部分溶解性有机物质浓度低于水厂原水, 因而反冲洗废水的UV₂₅₄低于水厂原水。

　　 从图5和图6可以看出, 在试验条件下, 随着回流比的增加, 尽管混合水样进水中的TOC和COD_Mn不断升高, 但经过混凝沉淀处理后, 各出水中的TOC浓度基本保持不变, 而COD_Mn甚至逐渐降低, 说明滤池反冲洗废水直接回用不但不会增加沉淀出水的有机物含量, 更在一定程度上能够提高有机物质的去除效果。且TOC和COD_Mn的去除趋势与浊度的去除趋势类似, 可以认为反冲洗废水中的TOC和COD_Mn主要来源于不溶性的有机物质, 通过混凝沉淀后得以有效去除。从图7可以看出, 随着回流比的增加, 各混合水样进水和出水的UV₂₅₄均逐渐降低, 去除率基本上保持不变, 说明滤池反冲洗废水直接回用不会对出水UV₂₅₄造成影响。

　　 按照回流比为0、2%、5%、10%、15%将滤池反冲洗废水与原水混合后投加15mg/L PAC进行混凝搅拌试验, 取各混合水样及混凝沉淀后各试验杯中上清液测定其THMFP, 结果如图8所示。

　　 影响饮用水中消毒副产物 (DBPs) 生成的因素很多, 其中, 水中有机前驱物的种类和浓度是其生成的决定性因素。DBPs的前驱物主要是水体中的腐殖酸 (HA) 、富里酸 (FA) 和其他天然有机物^[7]。从图8可以看出, 在试验条件下, THMFP的去除效果与有机物指标相类似, 随着回流比的增加, 混合水样的THMFP逐渐升高, 在15%的回流比下, 其浓度接近600μg/L, 但经过混凝沉淀后其出水的THMFP均能降低到200μg/L以下, 其去除率随着回流比增加而不断提高, 说明混合水样中有机物的有效去除能够显著控制三卤甲烷的生成风险。

　　 按照回流比为0、2%、5%、10%、15%将滤池反冲洗废水与原水混合后投加15mg/L PAC进行混凝搅拌试验, 取各混合水样及混凝沉淀后各试验杯中上清液测定其铝、锰和铁, 结果如图9~图11所示。

　　 滤池反冲洗废水中的铝浓度远高于水厂原水, 原因是水厂原水经过PAC混凝沉淀后, 水中生成的大量铝盐在过滤时被截留在滤层当中, 在滤池反冲洗时被带出, 因而明显提高了反冲洗废水中的铝含量。从图9可以看出, 在试验条件下, 尽管混合水样中的铝含量随着回流比增加而升高, 但经过PAC混凝沉淀后出水中的铝浓度均能保证在0.1mg/L以下, 去除率不断增加, 说明直接回用反冲洗废水不会对出水的铝浓度产生影响。同时注意到, 水厂原水直接混凝沉淀后出水中的铝含量有所升高, 说明使用PAC作为混凝剂确实会提高混凝沉淀出水的铝浓度。

　　 饮用水中过量的铁和锰会对水的色度和臭味产生影响, 甚至会在洗涤过程中使衣物着色。从图10中可以看出, 混合水样中的锰浓度随着回流比的增加而逐渐升高, 经过混凝沉淀后, 相对于不回流的原水, 出水中的锰浓度有所上升, 但仍小于0.02mg/L, 远低于国标中0.1mg/L的限值。和金属铝、锰不同, 反冲洗废水中的铁含量要明显低于水厂原水, 可以认为原水中的铁主要通过混凝沉淀去除, 从图11可以看出, 混合水样中的铁浓度不断下降, 而各出水中的铁浓度均在0.14mg/L左右, 同样远低于0.3mg/L的国标限值。

　　 水厂滤池反冲洗废水直接回用不需另外加建调蓄沉淀池, 只需在原有反冲洗废水排水渠中安装潜水泵及加建管道和电气控制系统, 一次性投入约在10万元。以试验水厂为例, 计算滤池反冲洗废水直接回用前后的经济指标, 如表3所示。

　　 从表3可以看出, 试验水厂实现滤池反冲洗废水直接回用后每年能减少运行成本约26万元, 半年内便可收回一次性投资费用, 因此水厂直接回用滤池反冲洗废水不仅能够保护环境、节约水资源, 还能切实降低水厂的运行成本, 提高水厂的制水效益。

　　 (1) 滤池反冲洗废水直接回用能够保证浊度的去除效果, 回流比不超过15%时, 混凝沉淀后出水浊度均能保持在2NTU以下;同时, 与不回流的原水相比, 回流后出水的pH及氨氮和亚硝酸盐氮的浓度相当, 不会增加其超标的风险。

　　 (2) 对于有机物, 直接回用滤池反冲洗废水能够提高水中TOC、COD_Mn及UV₂₅₄的去除效果, 回流后出水中的TOC、COD_Mn及UV₂₅₄相对于不回流原水均有一定程度降低。

　　 (3) 滤池反冲洗废水直接回流不会增加出水中THMFP的生成风险, 回流前后混凝沉淀出水中的THMFP相当, 均保持在200μg/L以下。

　　 (4) 不同回流比下混凝沉淀出水中的铝、铁浓度与不回流时相当, 而锰浓度则略有上升, 但仍远远小于国标限值, 滤池反冲洗废水直接回用不会增加出水中铝、铁及锰超标的风险。

　　 (5) 试验结果表明, 实现滤池反冲洗废水直接回用, 能够在保证出水浊度的基础上, 不增加出水中各水质指标的超标风险, 保证出水水质;且改造简便, 一次性投入低, 同时能够节约大量的水资源, 符合自来水厂节能降耗、保护环境的需要。