《Water》：Phosphorus Removal from Wastewater and Stormwater Using Steel Slag-Based Hydrogel Composites
Aleksandra Drizo,
Mrinalini Mishra,
Muhammad Omar Shaikh,
Li-Tung Chang,
Meng-Tsun Lai and
Yesong Gu
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在水资源短缺的干旱半干旱地区，饮用水厂滤池反冲洗水的循环利用是可持续水管理的关键。为解决此问题，研究人员针对摩洛哥某水厂，开展了混凝剂强化澄清以提升反冲洗水回收率的研究。结果表明，投加混凝剂可显著加速沉降动力学，20分钟内实现超过90%的澄清回收率，为缺水环境下的循环水回用提供了实用、可扩展的方案。
在水资源日益紧张的今天，尤其是在半干旱地区，每一滴水都显得弥足珍贵。然而，在我们日常饮用的“放心水”背后，一个隐藏的“水耗子”却常被忽视——饮用水处理厂在过滤环节会产生大量的滤池反冲洗水。这些水通常含有从原水中截留的悬浮固体、胶体颗粒、残留的混凝剂以及有机物，如果直接排放，不仅造成宝贵水资源的浪费，还会增加处理厂的运行成本和环境负担。面对人口增长、城市化和气候变化带来的巨大淡水压力，如何高效回收和再利用这些“废水”，将其从负担转化为资源，成为推动循环水管理和提升水资源效率的重要课题。正是在这样的背景下，Aleksandra Drizo、Mrinalini Mishra、Muhammad Omar Shaikh、Li-Tung Chang、Meng-Tsun Lai 和 Yesong Gu 等研究人员，将目光投向了这一实际问题，并在《Water》期刊上发表了他们的研究成果。
为了评估在真实运行条件下提升反冲洗水回收率的可行性，研究人员在摩洛哥一家半干旱地区的饮用水处理厂进行了全尺寸研究。他们采用了沉降实验结合混凝剂（硫酸铝）投加的方法，通过监测浊度、pH、电导率、悬浮固体、化学需氧量、五日生化需氧量以及铝、铁、锰等金属离子浓度等一系列理化参数，并辅以统计学分析（双因素方差分析），系统评估了混凝辅助澄清工艺的性能。研究还进行了烧杯试验以优化混凝剂投加量，并对照了世界卫生组织和联合国粮农组织的相关回用指南。
3. 结果
3.1. 原水与处理后水的理化性质
3.1.1. 浊度评估
监测数据显示，原水浊度波动巨大（138-4000 NTU），而处理后水浊度稳定在0.44 NTU（均值），持续满足低于0.5 NTU的监管阈值，证实了处理工艺具有稳健的澄清性能。
3.1.2. 氮物种（铵盐和亚硝酸盐）
氮物种动态呈现不同规律。铵浓度波动显著（0.0022–5.02 mg/L），偶尔超过0.5 mg/L的指导值，表明可能存在间歇性氮源输入。相比之下，亚硝酸盐浓度始终维持在很低水平（均值0.06 mg/L），远低于限值。结果表明处理系统能有效控制亚硝酸盐，但需关注铵浓度的波动。
3.1.3. 可氧化性
可氧化性指标在整个监测期间保持低位（0.24-1.07 mg/L，均值0.67 mg/L），远低于5 mg/L的建议阈值，表明可氧化有机物的去除效率高，处理性能稳定。
3.1.4. 电导率
电导率值介于794.18至1129.95 μS/cm之间（均值1046.56 μS/cm），均大幅低于2700 μS/cm的推荐阈值，表明处理后水矿化度适中，离子组成稳定。
3.1.5. 残留金属：铁、锰和铝
铁和锰浓度在整个研究期间可忽略不计。铝浓度则呈现可测的时间变化，前期较高（0.07–0.13 mg/L），后期（2023年9月起）明显下降（0.03–0.07 mg/L），但始终低于0.2 mg/L的监管阈值。结果表明处理系统能有效控制残留金属浓度。
3.2. 反冲洗水处理实验
3.2.1. 原水与滤池反冲洗水的比较
反冲洗水显示出不同于原水的理化特征。其pH和温度稳定，但浊度和悬浮固体显著增加，反映了滤池清洗过程中的颗粒物释放。铝浓度显著升高，可能与反冲洗过程中残留混凝剂的迁移有关。
3.2.2. 反冲洗水与摩洛哥标准的符合性
评估显示，多数参数符合排放和灌溉回用标准。温度、pH和电导率值表明物化条件稳定。痕量金属浓度很低。总悬浮固体超过排放标准但仍在灌溉限值内，凸显了反冲洗水富含颗粒物的特性。结果表明，反冲洗水经适当处理后，特别适合用于灌溉和绿地应用。
3.2.3. 折点加氯测定
折点加氯实验在所有系列中表现出很强的重复性。方差分析（ANOVA）证实测试间无显著差异，表明需氯量稳定，水质特征均一。
3.2.4. 烧杯试验优化
烧杯试验优化结果表明，40 mg/L的混凝剂投加量能在所有滤池的浊度去除、残留铝降低和工艺稳定性之间取得最佳平衡。
3.2.5. 混凝剂投加的效果
混凝剂的投加显著改变了沉降行为。不加混凝剂时，沉降缓慢低效，50分钟后仍有近30%的残留污泥，水回收率有限（约70%）。相反，混凝辅助沉降表现出快速澄清，10分钟内实现超过85%的水回收，并将残留污泥降至10%以下。方差分析证实了混凝剂对沉降性能影响的统计显著性，突出了混凝诱导絮凝在加速沉降动力学中的主导作用。
4. 讨论与结论
本研究表明，混凝剂辅助澄清工艺能显著改善滤池反冲洗水的处理效率。其核心机制在于混凝剂（如Al3+）通过电荷中和降低胶体颗粒间的静电斥力，并通过聚合物架桥促进颗粒聚集，形成更大、更密实的矾花，从而大幅提高沉降速度和水回收率。在真实半干旱地区运行条件下，投加混凝剂可使澄清水回收率在20分钟内超过90%，远高于对照条件。
该研究为将反冲洗水回收整合到循环水管理策略中提供了实践依据。与膜过滤等高能耗技术相比，混凝辅助澄清是一种成本效益高、操作简单的替代方案，特别适合在水资源紧张的地区推广应用。通过减少水损失和提高资源效率，这种方法直接支持了可持续和具有韧性的水管理系统建设。
当然，研究也存在一定局限性，如受特定场地条件限制，长期回用的累积效应尚未评估。未来研究可关注长期监测、混凝剂类型与投加量优化，以及与补充处理技术的集成。
总之，这项研究证实了在饮用水处理厂内，通过优化混凝过程回收和回用反冲洗水的技术可行性和巨大潜力。这不仅有助于应对半干旱地区日益严峻的水资源短缺挑战，也是推动水行业向更循环、更可持续模式转型的一次有益探索。
