常規(guī)凈水工藝對猛水蚤的去除機理及效果

聶小保,李志宏,丁立君,黃廷林(.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 40076；.西安建筑科技大學,西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,陜西 西安 70055；.武漢都市環(huán)保工程技術股份有限公司,湖北 武漢 4007)

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常規(guī)凈水工藝對猛水蚤的去除機理及效果

聶小保1,2*,李志宏1,丁立君3,黃廷林2(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410076；2.西安建筑科技大學,西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,陜西 西安 710055；3.武漢都市環(huán)保工程技術股份有限公司,湖北 武漢 430071)

摘要：為實現(xiàn)對橈足類生物泄露風險的高效控制,以猛水蚤為研究對象,開展了常規(guī)凈水工藝對橈足類生物的去除作用機理及效果研究,重點研究了猛水蚤去除與絮體顆粒形態(tài)特性關系和在石英砂濾床的分布規(guī)律.結果表明:優(yōu)化操作條件下,混凝沉淀和過濾對猛水蚤去除率均可達99％,最佳工況包括快速攪拌300r/min(1min)、中速攪拌150r/min(5min)和低速攪拌75r/min(5min),聚合氯化鋁(PAC)投加量10mg/L,沉淀時間0.5h,濾速9m/h,過濾周期1d.混凝對猛水蚤的去除效率主要決定于猛水蚤與絮體的有效吸附,絮體顆粒粒徑越大、分形維數(shù)越低,猛水蚤去除率越高;過濾水沖刷攜帶引起的被動遷移,是導致猛水蚤穿透砂濾池的主要原因,適當降低濾速和縮短過濾周期,控制猛水蚤被動遷移規(guī)模,可以達到提高猛水蚤去除率效果.

關鍵詞：猛水蚤；常規(guī)凈水工藝；泄露風險；去除機理

* 責任作者, 講師, 554143101@qq.com

以猛水蚤和劍水蚤為代表的橈足類浮游生物,是淡水湖庫中常見水生生物.橈足類生物目前已被證實能夠隨原水進入水廠,最終穿透整個凈水工藝進入供水管網(wǎng)[1].盡管目前尚無證據(jù)表明橈足類生物會直接危險到公眾健康,但飲用水中橈足類生物的出現(xiàn),除引起感官不適外,往往攜帶大量細菌[2-3],甚至包括沙門菌、軍團菌、賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲等致病微生物[4].橈足類生物往往也是血吸蟲、絳蟲和線蟲等的中間宿主[5].一旦橈足類生物進入到消毒工藝,由于具有堅硬甲殼,抗氧化能力強,對攜帶病原體也具有很強的保護作用[6],如在紫外和臭氧消毒環(huán)境中,其攜帶的細菌至少可以存活3d以上[7].因此,凈水工藝中橈足類生物的存在將對城鎮(zhèn)供水安全構成嚴重威脅.

近年來,我國凈水廠橈足類泄漏風險有進一步加劇趨勢[8-11],且涉及地域范圍擴大,關于泄露風險的公開報道,既有來自高溫高濕區(qū)的廣州、深圳等華南城市,也有來自高寒區(qū)的哈爾濱等東北城市,甚至寒旱區(qū)的蘭州等西北城市.究其原因,主要有以下2個方面:一方面水源水體富營養(yǎng)化破壞了水體生物鏈,橈足類生物大量繁殖,原水中猛水蚤和劍水蚤的密度激增;一方面為了獲得良好的有機物和氨氮去除效果,凈水廠往往增設生物炭濾池,或者采用預臭氧化取代預氯化,這為橈足類生物在凈水工藝中的二次繁殖提供了良好條件.

考慮到采用氧化劑滅活凈水工藝中的水生生物,所需氧化劑投量較大,容易引發(fā)消毒副產物風險[12],凈水廠也不可能在生物處理單元前投加較高的氧化劑.因此,水廠應積極強化常規(guī)工藝去除水生生物以減小其中生物處理單元增殖幾率.目前針對常規(guī)工藝的橈足類生物泄漏風險研究,開展相對較少,且主要圍繞劍水蚤進行.van Lieverloo等[13]對荷蘭34個水廠的調研表明,以混凝沉淀和快濾為核心的凈水工藝,無法實現(xiàn)對橈足類生物泄漏的完全控制,出廠水平均檢出密度約為1.39個/m3.劉冬梅等[14]研究發(fā)現(xiàn),混凝沉淀和過濾對劍水蚤的總體去除率僅有56.7％.蘇洪濤等[15]觀察到劍水蚤死體表面礬花附著率高達90％,而活體礬花附著率僅有5％左右,且混凝沉淀單元中劍水蚤死體去除率要遠高于活體,據(jù)此認為礬花附著是影響劍水蚤去除的關鍵. Ferreira等[16]發(fā)現(xiàn)由于劍水蚤的體型、體長和遷移性能,混凝沉淀對其去除效果非常有限,而且由于在沉淀池的二次繁殖,沉后水中檢出密度甚至高于原水.Adam等[17]認為過濾在劍水蚤的去除過程中起到決定性作用,當濾層在反沖洗階段存在難以流化的死區(qū)時,過濾去除效率則可能大幅降低.可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有研究更多側重于混凝沉淀和過濾的去除效率,對于去除機理的研究尚有待加強.

已有報道表明[16],與凈水系統(tǒng)中檢出的劍水蚤相比,同屬橈足類的猛水蚤體長相對較小,長度一般在0.2～0.6mm,難以為肉眼察覺,因而其泄露風險并未引起足夠重視,關于常規(guī)工藝對其去除的研究也涉及較少.本研究嘗試通過分析混凝過程中絮凝體形態(tài)特性與猛水蚤的去除關系,以及猛水蚤在濾床中的分布規(guī)律,探討常規(guī)工藝對猛水蚤的去除機制與效能,以期進一步豐富和完善凈水工藝中橈足類生物泄露風險控制理論,并提供直接控制技術依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用水來自B水廠原水.B水廠位于深圳市,水源為水庫水,屬典型高藻低濁微污染水源水,具體水質情況見表1.

表1　原水水質情況Table 1 The water quality of raw water

實驗猛水蚤來自B水廠生物活性炭(BAC)濾池反沖洗水.BAC濾池為翻板濾池.水沖階段采用300目手抄網(wǎng)于濾層表面反沖水中反復撈取;排水階段置手抄網(wǎng)于翻板前約1m處攔截.反沖洗結束后用砂濾水反復沖洗手抄網(wǎng),收集洗滌水,洗滌水再經300目篩網(wǎng)過濾,并用蒸餾水沖洗篩網(wǎng).蒸餾水連同猛水蚤轉移至培養(yǎng)皿,利用猛水蚤趨光向培養(yǎng)皿邊壁聚集的特性,膠頭滴管吸取邊壁蒸餾水,定量獲得實驗所需猛水蚤.經40倍顯微鏡觀測,猛水蚤體長大致在0.23～0.68mm.

實驗所用混凝劑采用聚合氯化鋁(PAC),有效含量以Al2O3計為28％,由B水廠提供.

1.2 實驗裝置及方法

混凝沉淀實驗在ZR4-6型六聯(lián)攪拌儀上進行.分別考察攪拌條件、混凝劑投加量和沉淀時間對猛水蚤去除效果的影響.猛水蚤投加密度100個/L.攪拌方案設置情況如表2所示;混凝劑投加量分別取5,10,15,20,25,30mg/L;沉淀時間分別取0.5,1.0,1.5,2.0h.

表2　混凝攪拌方案Table 2 Stirring schemes of coagulation

混沉結束后,取樣管于燒杯底部吸取適量沉淀絮體,并立即蒸餾水稀釋,用于絮體形態(tài)特性分析.300目篩網(wǎng)濃縮過濾上清液,得到濃縮液用于猛水蚤計數(shù).

過濾裝置主體為3組平行濾柱,有機玻璃制作,內徑90mm.單柱高200cm,自上而下分為待濾區(qū)、濾層、承托層和集水區(qū)4個部分,其中濾層厚度90cm,由單段長為5cm的18段有機玻璃管法蘭連接而成.石英砂濾料規(guī)格:粒徑dmin=0.95mm、dmax=1.35mm、不均勻系數(shù)k80<1.5.過濾裝置如圖1所示.

圖1　過濾裝置示意Fig.1 Schematic diagram of filtration setup

分別考察濾速和過濾周期對砂濾去除猛水蚤效果的影響,濾速取9,12,15m/h,過濾周期取1, 2,3d.猛水蚤按100個/m3的密度每2h投加1次.過濾結束后,由取樣口300目篩網(wǎng)猛水蚤攔截情況獲得去除效果;將每組濾柱濾床內石英砂自上向下依次分段取出,分別裝入18個1L燒杯,蒸餾水手洗濾砂4次,收集洗滌水并300目篩網(wǎng)過濾濃縮,由各段濾床中猛水蚤數(shù)量獲得其沿深度方向分布規(guī)律.

1.3 猛水蚤計數(shù)與絮體形態(tài)特性分析

猛水蚤計數(shù)方法.將濃縮液分批放入5mL浮游生物計數(shù)框內,經甲醛固定后轉移至生物顯微鏡下觀察計數(shù),顯微鏡型號XSZ-HS1,重慶光學儀器廠.部分個體較小無法直接鑒定的,轉移至40倍顯微鏡下觀察.

絮體形態(tài)特性分析.包括絮體顆粒平均粒徑和分形維數(shù).平均粒徑采用激光粒度儀分析.分形維數(shù)測定采用BX51熒光顯微鏡、DP22顯微數(shù)碼攝像頭和MVS3000顯微圖像分析系統(tǒng)進行.根據(jù)所拍攝的絮體圖像,獲取絮體投影面積A、周長P、最長直徑L等幾何參數(shù),按照John Gregory提出的分形維數(shù)計算方法,根據(jù)lnA和lnL的直線關系作圖,直線斜率即為分形維數(shù).

2 結果與討論

2.1 混凝沉淀條件對猛水蚤去除的影響

圖2(A)給出了PAC投加量為10mg/L,沉淀時間為1h時,攪拌方案對猛水蚤去除率的影響.攪拌方案3下,PAC投加量和沉淀時間對去除率影響分別如圖2(B)、2(C)所示.

由圖2(A)可知,攪拌強度過大或過小均會降低猛水蚤去除率,攪拌方案3獲得了最大的猛水蚤去除率,為94％.總體而言,猛水蚤去除率隨著PAC投加量的增加而增加[圖2(B)],最大增幅發(fā)生在10mg/L處,去除率由5mg/L時的89％增加至94％.此后去除率雖可進一步增加,但所需PAC投加量偏大,從凈水廠成本控制角度而言,已無必要.圖2(C)表明較短的沉淀時間更有利于猛水蚤的去除,當沉淀時間超過0.5h后,去除率有所降低,這可能是由于猛水蚤的浮游能力導致一部分已經沉降到底部的個體,重新回到上清液中.但進一步延長沉淀時間對去除率影響較小,基本穩(wěn)定在93％～94％.

圖2　混沉條件對猛水蚤去除率的影響Fig.2 Effect of coagulation and sedimentation conditions on the removal efficiency of Harpacticoida

本研究中,混凝沉淀對猛水蚤的去除率在89％～99％,而類似研究中對劍水蚤的去除率僅有13.3％[14].猛水蚤和劍水蚤同屬橈足類生物,但各自混凝沉淀去除效率相差如此之大,這與其體長有密切關系.凈水工藝中檢出的劍水蚤體長一般在0.3～3mm之間[18],而本研究中猛水蚤的體長相對較小,在0.23～0.68mm之間.由于猛水蚤體長與混凝絮體顆粒粒徑大致相當,因而與劍水蚤相比,更易在絮體的網(wǎng)捕卷掃作用下沉降去除.需要指出的是,較高的混沉去除效果并不一定意味著較高的泄露風險控制效果,因為被去除的猛水蚤可能在池內二次繁殖,嚴重時甚至導致沉后水比原水檢出密度還高[16].凈水廠一旦發(fā)現(xiàn)沉后水猛水蚤檢出密度異常,須及時加強沉淀池排泥,以控制猛水蚤在沉淀池內的二次繁殖.

2.2 過濾條件對猛水蚤去除的影響

圖3給出了過濾條件對猛水蚤去除的影響.可以看出,隨著濾速的增加和過濾時間的延長,猛水蚤去除率均有降低趨勢.當濾速由12m/h增加至15m/h時,去除率由95％降至83％.因此就凈水廠猛水蚤泄露風險控制而言,砂濾池濾速不宜超過12m/h.當過濾周期由1d延長至2d和3d時,猛水蚤去除率降幅分別高達26％和48％,這說明控制過濾周期對于保障砂濾池的去除效果起到至關重要的作用,在猛水蚤高發(fā)期,凈水廠宜縮短過濾周期以保障對猛水蚤的去除效果.

圖3　過濾條件對猛水蚤去除率的影響Fig.3 Effect of filtration conditions on the removal efficiency of Harpacticoida

實驗中當過濾周期為1d時,即便濾速高達15m/h,猛水蚤去除率也有83％,遠高于類似條件下劍水蚤在砂濾池中50％～60％的去除率[14,22].經分析,這可能也與兩者體長的差異有關.猛水蚤體長較小,甚至比濾料粒徑還小,一方面過濾水對其直接沖刷作用要小,一方面也有利于猛水蚤附著在濾料表面,躲避過濾水的直接沖刷,因而穿透率要遠小于劍水蚤.

2.3 絮體形態(tài)特性與猛水蚤去除率關系

通過測定混凝實驗中各種混凝工況下,絮體的顆粒粒徑和分形維數(shù)等形態(tài)特性參數(shù),綜合對應工況下猛水蚤的去除率,得到絮體形態(tài)特性與猛水蚤去除率之間的關系如圖4.

圖4　絮體形態(tài)特性與猛水蚤去除率關系Fig.4 Relationships between morphological characteristics of flcos and removal efficiencies of Harpacticoda

圖4(A)數(shù)據(jù)擬合結果顯示,猛水蚤去除率與絮體顆粒粒徑呈線性正相關.絮體顆粒粒徑大于0.3mm后,粒徑與實驗中猛水蚤體長比較接近,此時猛水蚤的去除率可以穩(wěn)定在92％以上.圖4(B)則表明,水蚤去除率與絮體分形維數(shù)呈線性負相關關系.當絮體分形維數(shù)低于1.51時,猛水蚤去除率可以穩(wěn)定在94％以上.據(jù)此可知,凈水廠通過改善混凝條件,獲得較大的絮體顆粒粒徑,有助于提高對猛水蚤去除率,同時通過控制混凝過程絮體的分形維數(shù),也可起到強化猛水蚤混凝去除效率的作用.

綜合圖2和圖4可知,混凝條件對猛水蚤去除效果的影響,與絮體顆粒形態(tài)特性直接相關.絮體顆粒粒徑越大,分形維數(shù)越低,猛水蚤去除率越高.絮體顆粒粒徑越大,越容易被猛水蚤粘附,進而猛水蚤與絮體共沉降被去除.若混凝形成的絮體粒徑偏小,即便黏附在猛水蚤,由于猛水蚤體長遠大于絮體粒徑,粘附絮體難以對猛水蚤的遷移運動造成明顯影響,甚至可能被猛水蚤的間斷式跳躍運動所掙脫[18],此時猛水蚤去除效果有限.實驗中當采用攪拌方案1時,絮體平均粒徑為0.14mm,相應去除率僅為89％.猛水蚤掙脫粘附絮體引起去除率的下降,似乎在沉淀過程也有所體現(xiàn).圖2(C)中當沉淀時間由0.5h延長至1.0h,去除率下降5個百分點,可能也與部分猛水蚤活性較強掙脫已粘附絮體有關.

絮體分形維數(shù)被認為是決定絮體沉降性能的重要參數(shù)之一[19-20].一般認為絮體分形維數(shù)越高,其致密性越高,球形度更大,沉降性能也越好.本研究中絮體分形維數(shù)越高,猛水蚤的沉降去除效果反而更差,說明絮體自身沉降性能的改善,并不能促進猛水蚤的沉降去除.混凝對猛水蚤去除的作用途徑,可能更主要由絮體在猛水蚤體表的有效附著實現(xiàn).當絮體分形維數(shù)較高時,其球形度越高,與猛水蚤體表的接觸面積相應較小;而分形維數(shù)較低時,盡管絮體自身沉降性能較低,但其結構開放度較高[21],與猛水蚤體表的接觸面積較大,更易被猛水蚤附著,從而可以獲得更高的猛水蚤去除率.實驗中當PAC投加量為30mg/L時,絮體平均顆粒粒徑最大,為0.49mm,同時絮體分形維數(shù)也最小,為1.48,此時獲得了98％的最大猛水蚤去除率.但需要注意的是,較低的絮體分形維數(shù)往往意味著沉后水濁度較高,對凈水廠混凝沉淀而言,猛水蚤去除與除濁效果可能存在矛盾,因而后續(xù)過濾對猛水蚤的去除就顯得尤為關鍵.

2.4 不同過濾條件下濾床內猛水蚤的分布

為進一步探明砂濾對猛水蚤去除的作用規(guī)律,每次過濾結束后,以5cm為1段,將濾料分段依次取出,對每段濾料中的猛水蚤進行計數(shù),得到不同過濾條件下,猛水蚤在濾床內沿深度方向分布情況和累積分布情況如圖5和圖6所示.

綜合圖5中不同濾速下猛水蚤在濾床的逐層和累積分布情況可知,隨著濾速的增加,猛水蚤向濾層下方遷移趨勢明顯.濾速為9、12和15m/h 時,0～30、30～60和60～90cm濾床范圍內猛水蚤分布率分別為44％:32％:24％、29％:49％:22％和14％:37％:49％.60～90cm內猛水蚤的分布率越高,表明其穿透濾池的可能性也越大.結合圖3(A),濾速小于12m/h時,猛水蚤去除率在95％以上,而濾速為15m/h時去除率僅為83％.

圖5　不同濾速下濾床內猛水蚤逐層與累積分布曲線Fig.5 Vertical and cumulative distribution curves of Harpacticoida in sand bed under different filtration rates

過濾周期延長同樣可促進猛水蚤向濾床下方遷移效果(圖6).過濾周期為1、2和3d時,0～30、30～60和60～90cm濾床范圍內猛水蚤分布率分別為30％:48％:22％、20％:44％:36％和5％:13％: 82％.特別是過濾周期為3d時,60～90cm內猛水蚤分布率高達82％,說明穿透泄漏風險極高,圖3(B)也證實此時去除率低至47％.

不同濾速和過濾周期條件下,猛水蚤去除率及在濾床內的分布結果表明,在過濾水沖刷攜帶作用下沿濾床深度方向的遷移,是導致猛水蚤穿透砂濾池的主要原因之一.這種由過濾水攜帶引起的豎向遷移可稱之為被動遷移.相應的,由于猛水蚤已被證實可在砂濾池中大量二次繁殖[16],也就必然會進行以攝食為主的主動遷移.濾池內猛水蚤主要以濾池截留的濁質為食,而濾池對濁質的截留主要發(fā)生在濾床中上部.可以推測,若猛水蚤豎向遷移以主動遷移為主,則猛水蚤在濾床內的分布將主要集中在中上部.本次實驗中,隨著濾速和過濾時間的延長,猛水蚤集中分布在中下部,特別是過濾周期為3d時,60～90cm范圍內猛水蚤所占比例高達82％,說明過濾水引起的被動遷移起主導作用.凈水廠受建設和運行成本等因素制約,一般濾床厚度有限.當濾速過大或過濾周期偏長時,在過濾水作用下的被動遷移規(guī)模越大,猛水蚤泄露風險也就越大.因此,濾速和過濾周期的控制,就成為保證凈水工藝猛水蚤高效去除的核心.

圖6　不同過濾周期下濾床內猛水蚤逐層與累積分布曲線Fig.6 Vertical and cumulative distribution curves of Harpacticoida in sand bed under different filtration cycles

3 結論

3.1 常規(guī)凈水工藝可以獲得較高的猛水蚤去除率.實驗條件下,通過優(yōu)化操作運行條件,混凝沉淀和過濾對猛水蚤的最高去除率均可達到99％.混凝沉淀的最佳工況是攪拌方案3,PAC投加量10mg/L,沉淀時間0.5h;過濾的最佳工況是濾速9m/h,過濾周期1d.

3.2 混凝對猛水蚤去除效果,主要與絮體顆粒形態(tài)特性有關,絮體顆粒粒徑越大,分形維數(shù)越低,猛水蚤去除率越高.猛水蚤的沉降去除過程,是猛水蚤被絮體黏附后與其共沉降的過程.該過程主要決定于猛水蚤與絮體的有效吸附.

3.3 猛水蚤在過濾水沖刷攜帶作用下,沿濾床深度方向進行的被動遷移,是導致其穿透砂濾池的主要原因.濾速越大,過濾周期越長,猛水蚤越容易穿透濾池.凈水廠可以通過適當降低濾速和縮短過濾周期,控制猛水蚤的被動遷移規(guī)模,達到提高猛水蚤去除率的效果.

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Mechanism and effect of removing Harpacticoida with traditional drinking water treatment processes.

NIE Xiao-bao1,2*, LI Zhi-hong1, DING Li-jun3, HUANG Ting-lin2(1.School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China；2.Northwest Key Laboratory of Water Resource and Environment Ecology of Ministry of Education, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China；3.China City Environment Protection Engineering Limited Company, Wuhan 518031, China). China Environmental Scicence, 2016,36(2)：453～459

Abstract：Recently, the leakage risk for copepods is becoming a challenging problem for drinking water plants in China. In order to prevent drinking water distribution systems from copepods’ efflux, the control of copepods with traditional drinking water treatment processes was investigated by using Harpacticoida as a research subject. More attention was paid to the relationship between the removal of Harpacticoida and morphological characteristics of flocs in a coagulation tank, and distribution of Harpacticoida in a sand filter bed. The results showed that high removal efficiency of 99％ was obtained under the optimum operational conditions, which includes fast stirring of 300r/min (1min), moderate stirring of 150r/min (5min) and slow stirring of 75r/min (5min), polymeric aluminium chloride dosage of 10mg/L, sedimentation time of 0.5h, filtration rate of 9m/h, and filtration cycle of 1d. The removal efficiency of coagulation on Harpacticoida was mainly determined by the effective adsorption of Harpacticoida onto flocs, and the larger particle size and the lower fractal dimension of flocs, the higher removal efficiency of Harpacticoida. During filtration, the passive migration of Harpacticoida in a sand filter bed, primarily induced by scouring and carrying of filtration flow, was the major factor resulting in copepods’ efflux eventually. Therefore, high removal efficiency would be promised by decreasing the filtration rate and shortening the filtration cycle, because such operations could limit passive migration scale of Harpacticoida.

Key words：Harpacticoida；traditional drinking water treatment process；leakage risk；removal mechanism

作者簡介：聶小保(1979-),男,江西新干人,講師,博士,主要從事飲用水安全保障和水環(huán)境修復研究.發(fā)表論文20余篇.

基金項目：國家自然科學基金項目(51408068);西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室開放項目(14JS063)

收稿日期：2015-08-01

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)02-0453-07