凈水廠沉淀池排泥水回用及其生物穩(wěn)定性

姚 夏, 張莉平, 錢 林, 彭思琪, 張 琛, 李偉英

(1.長安大學 建筑工程學院， 陜西 西安 710055；2.同濟大學 環(huán)境科學與工程學院， 上海 200092；3.同濟大學 長江水環(huán)境教育部重點實驗室， 上海 200092；4.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092)

1 研究背景

常規(guī)凈水廠在運行過程中，產生約占處理水量4%～10%的生產廢水(如沉淀池排泥水、砂濾池反沖水)，其中，沉淀池排泥水約占生產廢水的20%～50%[1]。我國90%凈水廠的生產廢水未經處理或回用而直接排放[2]，不僅造成水資源浪費，而且污泥處置會進一步增加水廠管理成本。因此，對排泥水進行合理回用是可持續(xù)發(fā)展的最終方向。

研究發(fā)現(xiàn)[3-5]，沉淀池排泥水中含有大量的絮凝顆粒和未充分水解利用的混凝劑，排泥水回用可充分利用該部分混凝劑從而達到強化混凝的效果，回用排泥水不僅節(jié)約水資源，而且節(jié)約藥劑，尤其在低溫低濁水處理中的效果顯著。Xu等[6]的研究表明在排泥水的回流工藝中，當混合水濁度為10～20 NTU時，節(jié)藥率可達到25%～50%；Yang等[7]認為凈水廠排泥水水中的顆粒污泥可以在一定程度上去除廢水中的氨氮，當氨氮濃度為50mg/L時，氨氮的去除率約為90%。然而，沉淀池排泥水中富集了大量的懸浮物、細菌以及殘余化學藥劑等[8-10]，回用后可能對水質存在物理化學及生物安全問題。解岳等[11]研究生產廢水回用對水廠出水水質的影響，發(fā)現(xiàn)出廠水中丙烯酰胺單體含量時有超標；Mccormick等[12]發(fā)現(xiàn)生產廢水的某些有機物質和氯產生反應，回用會引發(fā)消毒副產物升高。因此，有必要對排泥水回用的安全性及可行性進行評價與分析。

以往的研究[13-16]主要探討沉淀池排泥水的物理化學水質指標，對回用出水的生物安全鮮見報道。本文研究基于凈水廠沉淀池排泥水回用的中試試驗，通過對比中試連續(xù)回流工藝與水廠不回流工藝各單元出水水質，探析沉淀池排泥水回用對出水水質的影響，探討排泥水回用技術出水水質安全和生物穩(wěn)定特性，以期為凈水廠排泥水回用的工藝改進提供理論依據(jù)與技術支持。

2 研究方法

2.1 水廠工藝概況

該水廠設計日供水能力為30×104m3，以太湖為水源，凈水處理廠采用臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度處理工藝，工藝流程如圖1所示。該水廠混凝劑采用液體硫酸鋁，平均投藥量在20～30 mg/L，最大投藥量為35 mg/L。

圖1 水廠水處理工藝流程圖

2.2 中試裝置及運行參數(shù)

中試裝置位于蘇州某凈水廠，工藝流程如圖2所示：系統(tǒng)處理流量為10 m3/h，工藝流程模擬水廠現(xiàn)有工藝，即臭氧-生物活性炭(O3-BAC)深度處理工藝，試驗運行1 a。試驗選用1%、2%、3%、4%、5%的回流比，在混凝劑投加量分別為20、25、30 mg/L的條件下進行燒杯實驗，結果表明回流比為3%、混凝劑投加量25 mg/L時，渾濁度去除率最佳(91.7%)。因此，中試裝置選取回流比為3%的排泥水與原水混合為進水，混凝劑投加量25 mg/L，裝置連續(xù)穩(wěn)定運行1個月后，每周檢測各個處理單元進出水的理化及生物指標。

圖2 中試回流工藝流程

2.3 生物指標測定

(1)AOC的測定。生物可同化有機碳(AOC)的測定參考Kooij等[17]提出的方法，即以飲用水中普遍存在的熒光假單胞菌P17(Pseudomonas fluorescens)和一種螺旋菌NOX(Spirillum)為測試菌，求出水中AOC濃度。一般認為AOC濃度控制在100 μg/L以內，可保證水質生物穩(wěn)定性[18]。

(2)BDOC的測定。BDOC的測定采用懸浮培養(yǎng)法，即接種一定量的土著細菌，在20℃恒溫條件下培養(yǎng)28 d，測定培養(yǎng)前后水中溶解性有機碳的差值即為BDOC。一般認為BDOC的濃度在為0.20～0.25 mg/L時，飲用水具有生物穩(wěn)定性。

(3)異養(yǎng)菌平板計數(shù)(HPC)。異養(yǎng)菌平板計數(shù)(Heterotrophic Plate Count, HPC)采用R2A 培養(yǎng)基，22℃培養(yǎng)7 d，結果以單位體積的細菌總數(shù)(cfu/mL)表示。

3 結果分析與討論

3.1 排泥水特性研究

3.1.1 排泥水的理化特性 為研究排泥水的水質變化狀況，檢測了不同季節(jié)的排泥水和原水水質，結果如表1所示。

由表1可知，絮凝沉淀池排泥水與原水的水溫基本相同，四季變化大，冬季低于0℃，夏季最高水溫達25℃以上；沉淀池排泥水的pH值為7.33～7.40，略低于原水的pH值(7.79～8.00)，這可能是排泥水中含有的液體硫酸鋁再次水解所致；沉淀池排泥水的渾濁度為10.10～27.1 NTU，均高于原水平均濁度5.97 NTU，且呈現(xiàn)冬季濁度高，春季濁度低的規(guī)律；沉淀池排泥水的氨氮、CODMn以及DOC的濃度均高于原水相應值，且夏、秋兩季普遍高于春、冬兩季，這可能是因為夏季原水中藻類含量較高，混凝沉淀工藝可有效地去除水中懸浮物及部分有機污染物，這些污染物經沉淀工藝后轉移到沉淀污泥之中，從而導致排泥水中的各類污染物濃度明顯增加。

表1 排泥水與原水的理化特性

3.1.2 排泥水的生物穩(wěn)定特性 上述結果表明，排泥水中累積了原水中大量的懸浮物和有機污染物，為微生物提供了充足的養(yǎng)料，為了探究排泥水回用是否會增加微生物超標的風險，測定了1年中不同季節(jié)沉淀池排泥水的AOC和BDOC濃度的變化情況，測定結果見圖3。

由圖3可以看出，排泥水的AOC濃度在45.30～137.34 μg/L之間，均值為98.16 μg/L；沉淀池進水的AOC濃度在85.61～108.5 μg/L之間，均值為107.17 μg/L；沉淀池出水的AOC濃度在48.56～63.54 μg/L之間，均值為57.24μg/L。沉淀池對AOC有一定的去除效果，去除率平均值為46.6%，去除的AOC一部分被微生物分解轉化，另一部分進入排泥水中。相較于沉淀池進出水，排泥水中AOC濃度受季節(jié)變化影響較明顯，并呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。排泥水中BDOC濃度在0.91～1.94 mg/L之間，均值為1.92 mg/L；沉淀池進水的BDOC濃度在0.23～0.41 mg/L之間，均值為0.33 mg/L；沉淀池出水的BDOC濃度在0.20～0.33 mg/L之間，均值為0.25 mg/L，沉淀池對BDOC的去除率為20.7%。沉淀池排泥水BDOC的濃度變化與AOC相似，即隨著水溫降低，排泥水中BDOC濃度明顯升高，之后溫度升高，BDOC濃度又迅速降低。從圖3可知，沉淀池進出水的AOC和BDOC濃度基本遵循物料守恒。冬季沉淀池排泥水AOC濃度和BDOC濃度均達到最高值，分別為137.34 μg/L和1.94 mg/L，這是因為溫度對微生物生長與繁殖具有顯著作用，沉淀池排泥水中存在大量微生物，且冬季較低水溫導致微生物分解利用可生物降解有機物的效率低[19-20]，導致大量有機物累積。

3.2 水溫對生物穩(wěn)定性的影響

沉淀池排泥水的AOC和BDOC濃度與進水水質、處理工藝、水溫等因素有關。水處理系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定的情況下，水溫變化是水質生物穩(wěn)定性的主要影響因素。為了探求AOC、BDOC濃度和水溫之間的關系，采用皮爾遜(Pearson)法，對水溫與排泥水中AOC和BDOC的數(shù)據(jù)進行線性相關性擬合，分析結果見圖4和表2。

由圖4和表2可知，擬合線與數(shù)值趨勢接近，且擬合過程的R2分別為0.9777、0.9073，均滿足R2>0.9，表明線性擬合效果良好，即AOC和BDOC分別與水溫呈顯著線性相關特性，也進一步解釋了排泥水AOC和BDOC濃度受季節(jié)影響顯著的原因。

3.3 回流工藝各單元的出水水質

3.3.1 回流工藝對物化指標的影響 上述實驗結果表明排泥水水質較原水差，主要表現(xiàn)在懸浮物和有機污染物含量高、生物穩(wěn)定性較低等方面，為探究回流排泥水是否會對出水水質造成不利影響，在中試試驗過程中，用回流比為3%的排泥水與原水混合為進水，對比在不同季節(jié)條件下，中試回流工藝與水廠不回流工藝各單元出水水質變化情況，其出水渾濁度變化如圖5所示。

圖3 不同季節(jié)沉淀池排泥水AOC和BDOC變化

圖4 水溫與生物穩(wěn)定性的關系

表2 排泥水中AOC和BDOC與水溫的關系線性擬合參數(shù)表

由圖5可知，中試進水渾濁度平均值為6.52 NTU，經混凝沉淀工藝處理后出水的渾濁度均值為2.72 NTU，經砂濾、O3-BAC后出水渾濁度與凈水廠出水的渾濁度均小于1 NTU，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)?？傮w而言，采用排泥水回用的中試裝置進水渾濁度(6.72 NTU)較凈水處理廠進水渾濁度(5.23 NTU)高，但經混凝沉淀工藝后，中試裝置的出水渾濁度(0.24 NTU)較凈水廠出水渾濁度(0.28 NTU)低，這說明回流沉淀池排泥水具有明顯的強化混凝效果。這是因為低濁度的原水顆粒濃度很低，粒徑小，親水性較強，碰撞和聚集概率較低，即使使用更高的混凝劑劑量也難以處理。當沉淀池排泥水與原水混合，回用于混凝階段時，增加原水濁度的同時提高了顆粒間的碰撞幾率，從而為絮凝體的形成提供了充足的凝聚核心，且三維結構絮體在所產生的長化學分子鏈上可以通過物理吸附和架橋機理吸附混合水中顆粒，實現(xiàn)更好的混凝效果[21]。

飲用水中的氨氮是微生物的有機產物，其含量決定著飲用水的水污染程度，影響著人們的生活質量和身體健康。圖6為各工藝單元出水的氨氮濃度變化。

由圖6可以看出，試驗期間中試進水氨氮濃度在0.06～0.15 mg/L之間，均值為0.13 mg/L，原水氨氮濃度為0.06～0.14 mg/L，均值為0.09 mg/L。氨氮濃度隨季節(jié)變化波動較大，春夏較高，秋冬較低，可能是春夏原水中藻類含量較多[22]。混凝沉淀、砂濾、炭濾工藝對水中氨氮的平均去除率分別為11.9%、22.5%與45.4%。消毒過程中由于游離氯可與氨氮發(fā)生反應生成氯胺，使得水中氨氮濃度持續(xù)降低。總體而言，中試裝置的進水氨氮濃度均值相比水廠原水氨氮濃度均值大，但經后續(xù)處理，中試裝置出水的氨氮濃度與水廠出水的氨氮濃度在0.02～0.06 mg/L之間，均低于《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)中氨氮0.5 mg/L的限值要求，說明排泥水回用不會對出水氨氮造成超標風險。

3.3.2 回流工藝對有機污染物的影響 由于有機污染物對人類健康的潛在危害，飲用水中有機污染物的存在值得特別關注。

試驗期間中試進水CODMn的濃度為3.10～4.74 mg/L(圖7)，均值為3.87 mg/L，出水CODMn濃度為1.26～2.20mg/L，均值為1.56 mg/L，中試回流工藝對CODMn的去除率為47.1%～64.1%。不同工藝單元對水中CODMn均有去除能力，混凝沉淀工藝對CODMn的去除效果最好，去除率最高為34.5%，可以認為有機污染物在混凝沉淀后有效去除?？傮w而言，中試進水CODMn濃度均值(3.87 mg/L)高于水廠工藝進水CODMn濃度均值(3.65 mg/L)，中試出水CODMn濃度均值比水廠出水CODMn濃度均值低，分別為1.56和1.63 mg/L，范圍在1.31～1.78mg/L之間，均低于《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)中CODMn的限值要求，說明回用排泥水沒有增加出水的有機污染物，且在一定程度上提高了去除效果。DOC反映了水中溶解性有機物的量，而部分溶解性有機物不僅自身有毒有害，還為致病菌、病毒等提供養(yǎng)料，促進其在水中的繁殖生長，對人體造成巨大的威脅。圖8為回用沉淀池排泥水對各單元出水DOC的影響。

圖5不同季節(jié)中試及水廠各單元出水渾濁度變化 圖6不同季節(jié)中試及水廠各單元出水氨氮濃度變化

圖7不同季節(jié)中試及水廠各單元出水CODMn濃度變化 圖8不同季節(jié)中試及水廠各單元出水DOC濃度變化

由圖8可知，中試進水DOC濃度為3.47～5.01 mg/L，均值為4.30 mg/L，受季節(jié)變化影響較大，其中夏季水中DOC濃度(均值3.57 mg/L)高于冬季(均值3.11 mg/L)。水廠工藝進水DOC濃度均值(3.92 mg/L)低于中試進水DOC濃度均值(4.30 mg/L)。預臭氧與后臭氧單元對水中DOC的平均去除率分別為0.1%與2.7%，去除能力有限，原因在于臭氧能夠與水中的有機物發(fā)生反應，但主要是將其部分氧化為其他小分子中間產物，而沒有將有機物完全氧化為二氧化碳和水等無機物[23]。混凝沉淀、砂濾與炭濾工藝對DOC的平均去除率分別為15.0%、5.7%與7.9%。試驗期間，中試裝置對水中DOC的去除率為23.7%～35.9%，O3-BAC工藝對水中DOC的濃度有一定的控制效果。中試出水DOC濃度均值為2.53 mg/L比水廠出水DOC濃度均值(2.61 mg/L)低，范圍均在2.50～2.66mg/L之間。

中試回流工藝有效去除了出水有機污染物，原因在于回流工藝進水的濁度增加，產生大量絮體，混凝沉淀工藝通過吸附在沉淀絮體上的電荷中和、吸附和絡合的組合效應，使有機物更容易附著在較強的絮體結構上[24]，從而在中試回流工藝進水有機物濃度高于水廠進水的情況下，中試出水有機物濃度滿足標準，甚至低于水廠工藝出水。

3.3.3 回流工藝對生物安全的影響 生物安全永遠是飲用水安全中極其重要的一環(huán)，圖9為中試裝置及水廠各單元出水HPC變化情況。

由圖9可以看出，試驗期間中試進水HPC在31 000～81 000 cfu/mL之間，均值為41 000 cfu/mL，隨季節(jié)變化較為明顯，夏季水溫高，水中細菌總數(shù)也較高，說明排泥水中富集了大量的微生物?；炷恋?、砂濾工藝可有效去除水中細菌，去除率平均值分別為71.8%與48.4%。經生物活性炭濾池過濾，水中細菌總數(shù)有所增加，但加氯消毒工藝可將水中細菌有效滅活，保障了飲用水的水質安全。中試進水的HPC均值(41 000 cfu/mL)比水廠原水的HPC均值(34 000 cfu/mL)高，中試出水與水廠出水細菌總數(shù)均未檢出，且符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)中的要求，說明回流排泥水未使出水的細菌總數(shù)增加。

圖9 中試各單元出水HPC濃度變化

圖10為中試裝置及水廠各單元出水AOC和BDOC濃度變化情況。

圖10 中試各單元出水AOC和BDOC濃度變化

由圖10可知，中試進水AOC濃度為97.35～106.67 μg/L，均值為105.79 μg/L，BDOC濃度為0.25～0.47 mg/L，均值為0.34 mg/L；水廠進水AOC濃度為92.23～97.17 μg/L，均值為94.7 μg/L，BDOC濃度為0.20～0.34 mg/L，均值為0.28 mg/L。中試進水AOC和BDOC濃度普遍高于水廠原水，不同季節(jié)中試及水廠各工藝單元出水AOC的變化趨勢一致。中試及水廠工藝對水中AOC和BDOC的去除率均為正值，且出水AOC濃度均小于100 μg/L，水廠出水BDOC濃度為0.12～0.23 mg/L，均值為0.16 mg/L，中試出水BDOC濃度為0.13～0.26 mg/L，均值為0.21 mg/L，這也有利于保障管網水質的生物穩(wěn)定性。盡管中試出水AOC和BDOC濃度均值大于原水相應指標的均值，但出水水質均滿足飲用水水質的生物穩(wěn)定性要求，可以認為回用排泥水不會對出水的生物穩(wěn)定性造成影響。

圖11為中試裝置及水廠各單元對AOC和BDOC的去除效果。

由圖11可以看出，在中試裝置中，混合水經預臭氧處理，水中AOC和BDOC濃度明顯升高，去除率分別為-69.6%和-67.6%。水廠工藝中，原水經預臭氧處理，水中AOC和BDOC去除率分別為-64.8%和-57.1%。原水和混合水經混凝沉淀、砂濾工藝后，AOC和BDOC濃度均大幅降低，經后臭氧單元處理，AOC和BDOC濃度升高。由于活性炭濾池中的表面吸附作用與生物降解作用，有效去除了水中的AOC和BDOC，中試裝置炭濾工藝對它們的去除率分別為30.1%和45.6%，水廠工藝中炭濾對水中AOC和BDOC去除率分別為23.5%和47.8%。經過加氯消毒工藝后，水中的AOC和BDOC濃度明顯升高。在加氯消毒階段，BDOC濃度增加較AOC濃度慢，是因為氯的氧化作用對水中BDOC的濃度影響表現(xiàn)出雙重作用，一方面可將水中部分有機物氧化分解為可生物降解的有機物，造成BDOC的濃度升高，另一方面又可將BDOC進一步轉化為AOC等低分子量有機物或其他難以被微生物利用的氯代有機物，使水中BDOC的含量降低，兩種作用的相對大小決定了水中的BDOC濃度[25]。水廠工藝流程對AOC和BDOC的總去除率分別為10.39%和12.08%，試驗裝置對AOC和BDOC的總去除率分別為26.0%和32.6%，均高于水廠工藝流程的去除效率，說明回用排泥水不會增加出水的生物不穩(wěn)定風險。

圖11 中試及水廠各單元對AOC和BDOC的去除率

4 結 論

(1)沉淀池排泥水的渾濁度(10.10～27.1 NTU)、氨氮濃度(0.41～0.67 mg/L)、CODMn濃度(7.03～10.55 mg/L)以及DOC濃度(3.74～9.86 mg/L)均高于原水相應指標；排泥水的AOC濃度在45.30～137.34 μg/L之間，均值為98.16 μg/L，BDOC濃度在0.91～1.94 mg/L之間，均值為1.92 mg/L，且相較于沉淀池進出水，排泥水中AOC和BDOC濃度受季節(jié)變化影響較明顯，并呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且水溫與生物穩(wěn)定性指標呈顯著線性相關。

(2)就理化指標而言，中試進水的渾濁度、氨氮、CODMn、DOC濃度值均高于水廠原水，但經過中試回流工藝處理后均符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)中的要求，認為回用沉淀池排泥水不會增加出水物化指標超標風險。

(3)中試進水的生物安全指標(細菌總數(shù)、AOC、BDOC)均高于水廠原水，經過中試回流工藝后，細菌總數(shù)符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)中的要求，出水AOC濃度為70.47～93.35 μg/L，均值為88.67 μg/L，BDOC濃度0.13～0.26 mg/L，均值為0.21 mg/L，均滿足飲用水水質的生物穩(wěn)定性要求，認為回用沉淀池排泥水不會增加生物安全的風險。