中国虽是水资源大国, 但人均水资源仅有2 186.1m³, 我国缺水型城市达400多个, 部分城市划入了严重缺水行列^[1,2]。调研显示, 到2030年前后, 中国用水总量达7 000亿~8 000亿m³, 将逼近可利用水量的极限^[3]。在如此严峻的形势下, 净水厂生产废水回用工艺正在步入人们的视线, 这部分占生产总量3%~7%的废水如加以有效回用, 既能合理利用水资源, 也能减少废水排放, 成为实现水厂节能减排的有效途径之一。

　　 净水厂生产废水主要包括沉淀池排泥水和滤池反洗水, 但排泥水水量较少, 污染物浓度相对滤池反洗水又高出很多^[3,4], 回用风险较大。因此, DE水厂采用二者分开处理的方式, 拟针对滤池反冲洗废水进行直接回用。通过小试确定安全合理的回用比例后, 再进行反洗水直接回用工艺和常规处理工艺全流程对比的生产性试验, 系统探究对水质化学安全性和生物安全性的影响, 以期能为后续净水厂的类似改造提供有益参考。

　　 DE水厂水源取自北江, 水质良好, 符合国家Ⅱ类水质的标准。整个水厂共有三期完全相同的水处理系统平行运行, 均采用混凝—沉淀—过滤—消毒的常规水处理工艺。为进行滤池反洗水回用的生产性研究, 将抽取水厂单期常规工艺进行回流改造, 并与其他常规工艺做平行对比, 探究水质影响。

　　 首先对反洗水直接回用进行混凝搅拌试验, 按照水厂实际生产情况探究不同比例下的反洗水与原水混合后的出水效果, 通过对比浊度、COD_Mn以及Al、Fe、Mn、Cd等金属指标的变化情况, 确定安全合理的回流比例, 指导后续生产试验。

　　 本次生产试验将在控制回流比和投药量的前提下, 平行监测水厂回用工艺 (G-II) 与常规工艺 (G-I) 的全流程, 对原水、絮凝池前端进水、回流水、沉后水和滤后水进行水质指标的系统对比分析。检测的指标包括浊度、NH₃-N、COD_Mn、UV₂₅₄、Al、Fe、Mn、Cd。

　　 此外, 引入生物安全性评价试验, 对2种工艺下的滤后水和实际出厂水进行细菌学测定、急性生物毒性测定 (发光细菌的急性毒性、鱼类急性毒性试验) 和SOS/umu遗传毒性测定。对比分析反洗水直接回用是否对水质的生物安全性造成影响。

　　 试验期间水厂在生产中的絮凝剂 (PACl) 投量维持在8~10 mg/L, 滤池反冲洗水的回流比为3.2%左右, 进行回用工艺 (G-II) 与常规工艺 (G-I) 的全流程对比实验, 分析生产中回流对水质指标的影响, 试验结果如表1所示。

　　 由表1可知, 在G-I工艺下絮凝池前端进水未混合反冲洗废水, 浊度与原水相当。而在G-II工艺下, 在絮凝池前端引入反冲洗水, 造成进水浊度升高, 混合水浊度为19.9~25.4NTU, 平均浊度升高至22.7NTU。回流工艺会在一定程度上增加进水浊度值, 主要是由于反冲洗水中本身存在大量的固体颗粒。但是, 通过对比G-I与G-II 2种工艺下沉后水和滤后水浊度, 发现回流工艺中的沉后水和滤后水浊度均有所降低, 分别从未回流的2.05NTU降到1.69NTU和由0.25NTU降到0.22NTU, 说明引入反冲洗废水回流起到了强化混凝、降低沉后水和滤后水浊度的效果。这主要是由于反冲洗废水里的大量微小絮体颗粒能作为原水混凝的凝聚核心, 使絮体更加密实, 水中杂质更容易被吸附;并且反洗废水中含有之前投加的絮凝剂活性成分, 从而促进了水中固体颗粒的有效去除。

　　 除此以外, 由表1可知, 对于COD_Mn、UV₂₅₄和NH₃-N等指标, 2种工艺沉后水与滤后水的指标数值对比相差不大, 由此可见, 滤池反洗水的回用并不会对此类指标产生不良影响。对于Al、Fe、Mn、Cd等金属指标而言, 虽然滤池反冲洗水回流使进水中的金属含量大大升高, 但2种工艺下沉后水和滤后水的金属含量差异很小, 这也是主要来源于回流水中所含絮体的强化混凝作用, 同时回流水中的重金属并非以溶解态存在, 因此回流后的沉后水和滤后水并不会出现金属含量升高的风险。

　　 综上所述, 通过生产试验发现滤池反洗废水回流对沉后水和滤后水浊度、NH₃-N、COD_Mn、UV₂₅₄、Al、Fe、Mn、Cd均无明显影响, 沉后水和滤后水的主要水质指标远低于国家标准的限值要求, 故回流工艺可保证此类常规指标的化学安全性要求。

　　 对于回流工艺的评价, 除了确保水质的化学安全性外, 也应进行与之相关的生物安全性评价。通过对比2种工艺下的滤后水和水厂的出厂水, 判断滤池反冲洗水回流对生物安全性的影响。

　　 本试验选择表2所示8种主要细菌指标进行检测, 结果发现回流工艺和常规工艺的耐热大肠杆菌、大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、军团菌和沙门氏菌在滤后水和出厂水中均无检出, 说明这些细菌在原水中含量较低, 在混凝沉淀阶段已得到良好去除, 或其在原水中并不存在。菌落总数在2种工艺的滤后水中均有检出, 通过对比可知, 回流工艺滤后水中菌落总数较常规工艺低, 这可能是由于大部分细菌被吸附在絮体表面, 回流工艺中的活性絮体含量明显高于未回流的情况。但总大肠菌群却因回流而增加了其在滤后水中的含量, 由4 CFU/100 mL增到14CFU/100mL, 同时粪链球菌在回流工艺的滤后水中也有检出, 说明回流也造成了此类细菌的升高, 分析原因可能是由于总大肠菌群和粪性链球菌的形态特殊, 例如大肠杆菌周身存在鞭毛、粪性链球菌表面光滑, 二者的流动性较强, 故不容易吸附在颗粒物表面, 回流过程并不能让它们类似于其他菌种一样被絮体所吸附, 因此它们会随着反冲洗废水的回流而进入到滤后水中。但以上细菌在清水池消毒过程中均被有效杀灭, 出厂水均无以上细菌的检出。因此, 尽管反冲洗废水直接回流导致滤后水中个别细菌的增多, 但增幅并不明显, 且水厂消毒工艺能有效去除水中剩余的细菌, 从而有效保证水质细菌学安全。

　　 本试验测定回用工艺和常规工艺的滤后水和出厂水对发光细菌的急性毒性作用, 对比评估2种工艺出厂水水质的急性毒性效应。试验以氯化汞为参比物, 换算成氯化汞的当量评估急性毒性含量。根据表3可知, 回用工艺和常规工艺滤后水的相对发光量均值相差较小, 所对应的氯化汞急性毒性浓度当量均在0.02mg/L以内, 表明反冲洗废水直接回用并不会对滤后水带来急性毒性风险。经过消毒工艺后的出厂水相对发光度则较滤后水更低, 说明经氯消毒后其急性毒性仍有所降低。

　　 参照GB/T 13267—1991中的鱼类急性毒性试验方法, 探究淡水鱼对受试物的毒性反应。在规定的条件下, 将试验周期确定为96h, 使斑马鱼分别接触3种水样, 每隔24h为一个时间节点, 收集4个节点的试验鱼的死亡情况和表现的异常症状。

　　 如表4所示, 空白对照组的斑马鱼均无死亡, 满足死亡率低于10%的质量控制要求。3支理论浓度为100%的受试水样对斑马鱼96h的累积死亡率也都为0%。各试验组中斑马鱼在以上时间节点内也无任何异常或不适表现, 试验水样也都为澄清状态。因此可知3类水样的鱼类急性毒性的半数致死浓度 (LC50) 均大于100%理论浓度。

　　 由试验可得, 反冲洗废水回用工艺并不会对水中急性毒性物质产生影响, 其滤后出水与常规工艺滤后水均无斑马鱼急性毒性检出。此外水厂的整体出厂水中也无急性毒性物质的明显表现, 因此, 回用工艺和常规工艺的出水在急性毒性方面均是安全的。

　　 SOS/umu遗传毒性试验参照已发表的研究方法^[5~7]进行改进, 具体参照中国科学院生态环境研究中心马梅老师课题组试验方法。以96孔板为例:将鼠伤寒沙门氏菌S.typhimurium TA 1535/pSK1002在含有氨苄青霉素的LB培养基中培养至对数期 (37℃恒温) 。并按照文献^[8]中的方法在规定条件下测定直接遗传毒性 (不经S9代谢) 和间接遗传毒性 (经S9代谢) 。试验结果通过IR值进行分析, 如果水体中存在足以引起DNA损伤效应的遗传毒物, 那么随着浓缩倍数的增加, IR值则一定超过1.5 (国际上可接受的最低阳性诱导值) , 因此判定IR值在细胞急性毒性小于50%的情况下是否随水样的浓度出现剂量-响应关系即可。对于DNA损伤效应呈现阳性、即检出遗传毒性物质的水样, 根据其DNA损伤效应强度分别与阳性化合物4-NQO (无外源代谢酶-S9的情况下) 和BaP (有外源代谢酶+S9的情况下) DNA损伤效应强度进行比较, 分别得到4-NQO和BaP的等当量浓度用来评估遗传毒性物质含量的多少。

　　 由表5可知, 回用工艺和常规工艺的滤后水以及出厂水中均检出了直接遗传毒性物质。在不经S9代谢的水样中, 回流工艺滤后水的IR值略高于常规工艺, 例如回流工艺滤后水在0.067L/孔中的IR值为1.81±0.04, 而常规工艺的IR值为1.49±0.15, 其原因可能是反冲洗废水在一定程度上富集了具有直接致突变作用的毒性物质。而水厂出厂水中的IR值则显著升高, 在0.067L/孔中的检出值为3.25±0.48, 说明氯消毒工艺将导致出厂水中产生更多的具有直接致突变作用的遗传毒性物质。这也与国外一些学者的研究结论类似^[9,10], 自来水厂经过加氯消毒后生成的消毒副产物本身就具有很大的致癌、致突变的遗传毒性风险。

　　 对于间接遗传毒性的检测如表6所示。在经鼠肝微粒体酶系统酶S9代谢以后, 3类水样均呈现阳性。但回流工艺的滤后水的IR值要显著低于常规工艺, 例如回流工艺在0.067 L/孔下的IR值为2.55±0.15, 而常规工艺滤后水的IR值则高达5.74±0.33。由此可见, 回流工艺可有效减少水中具有间接遗传毒性的物质含量。与直接遗传毒性类似, 水厂出厂水在+S9条件下的IR值更高, 说明氯消毒可增加水中间接致突变的遗传毒性物质含量。

　　 对上述检测的直接遗传毒性和间接遗传毒性数据进行处理, 得到了4-NQO (-S9条件下) 和BaP (+S9条件下) 的等当量浓度, 并按照国际上提出的致癌风险换算方法计算出水样的致癌风险值^[11], 从而更能直观的评估这类致突变物质的含量及安全风险, 计算结果如表7所示。

　　 通过表7中致癌风险值的计算可得3种水样的致癌风险分别为1.027×10^-6、7.53×10^-7和3.025×10^-6, 回用工艺滤后水比常规工艺滤后水稍高一些, 但均显著小于出厂水的风险值。目前根据国际上对致癌证据的充分程度和各国的经济水平, 规定致癌风险值的标准一般控制在10^-6~10^-4 (US EPA, 2008) ^[11]。各发展中国家一般将标准定为10^-5, 因此按照此标准而言, DE水厂各工艺下的滤后水和出厂水均处于一个安全水平。

　　 通过对DE水厂反冲洗废水直接回用工艺进行生产性安全评价, 得出以下主要结论:

　　 (1) 反冲洗废水的直接回流使水厂沉后水和滤后水浊度分别从2.05 NTU和0.25 NTU降到1.69NTU和0.22 NTU, 回流工艺可有效起到强化混凝、降低沉后水浊度的作用, 且对有机物、重金属、细菌等水质指标并不会产生负面影响。

　　 (2) 滤池反洗水直接回用并不会对水厂的出水细菌和急性毒性产生不良影响。在遗传毒性方面, 反洗水回用会导致滤后水中直接遗传毒性物质含量的增加, 但也会显著降低水中间接遗传毒性物质的含量。通过致癌风险值计算得出两种工艺下的滤后水和出厂水均小于发展中国家的控制标准, 因此处于一个安全水平。

　　 反冲洗废水的直接回用能为水资源费较高的净水厂带来可观的经济效益, 不仅能有效节约水资源, 并能有效减少其排放对环境造成的二次污染。针对特定的水源水质和净水工艺特点, 在安全合理的范围内对反冲洗废水进行有效回用, 具有重要的现实意义。