常规净水工艺对猛水蚤的去除机理及效果

聂小保,李志宏,丁立君,黄廷林(.长沙理工大学水利工程学院,湖南 长沙 40076；.西安建筑科技大学,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西 西安 70055；.武汉都市环保工程技术股份有限公司,湖北 武汉 4007)



常规净水工艺对猛水蚤的去除机理及效果

聂小保1,2*,李志宏1,丁立君3,黄廷林2(1.长沙理工大学水利工程学院,湖南 长沙 410076；2.西安建筑科技大学,西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西 西安 710055；3.武汉都市环保工程技术股份有限公司,湖北 武汉 430071)

摘要：为实现对桡足类生物泄露风险的高效控制,以猛水蚤为研究对象,开展了常规净水工艺对桡足类生物的去除作用机理及效果研究,重点研究了猛水蚤去除与絮体颗粒形态特性关系和在石英砂滤床的分布规律.结果表明:优化操作条件下,混凝沉淀和过滤对猛水蚤去除率均可达99％,最佳工况包括快速搅拌300r/min(1min)、中速搅拌150r/min(5min)和低速搅拌75r/min(5min),聚合氯化铝(PAC)投加量10mg/L,沉淀时间0.5h,滤速9m/h,过滤周期1d.混凝对猛水蚤的去除效率主要决定于猛水蚤与絮体的有效吸附,絮体颗粒粒径越大、分形维数越低,猛水蚤去除率越高;过滤水冲刷携带引起的被动迁移,是导致猛水蚤穿透砂滤池的主要原因,适当降低滤速和缩短过滤周期,控制猛水蚤被动迁移规模,可以达到提高猛水蚤去除率效果.

关键词：猛水蚤；常规净水工艺；泄露风险；去除机理

* 责任作者, 讲师, 554143101@qq.com

以猛水蚤和剑水蚤为代表的桡足类浮游生物,是淡水湖库中常见水生生物.桡足类生物目前已被证实能够随原水进入水厂,最终穿透整个净水工艺进入供水管网[1].尽管目前尚无证据表明桡足类生物会直接危险到公众健康,但饮用水中桡足类生物的出现,除引起感官不适外,往往携带大量细菌[2-3],甚至包括沙门菌、军团菌、贾第鞭毛虫和隐孢子虫等致病微生物[4].桡足类生物往往也是血吸虫、绦虫和线虫等的中间宿主[5].一旦桡足类生物进入到消毒工艺,由于具有坚硬甲壳,抗氧化能力强,对携带病原体也具有很强的保护作用[6],如在紫外和臭氧消毒环境中,其携带的细菌至少可以存活3d以上[7].因此,净水工艺中桡足类生物的存在将对城镇供水安全构成严重威胁.

近年来,我国净水厂桡足类泄漏风险有进一步加剧趋势[8-11],且涉及地域范围扩大,关于泄露风险的公开报道,既有来自高温高湿区的广州、深圳等华南城市,也有来自高寒区的哈尔滨等东北城市,甚至寒旱区的兰州等西北城市.究其原因,主要有以下2个方面:一方面水源水体富营养化破坏了水体生物链,桡足类生物大量繁殖,原水中猛水蚤和剑水蚤的密度激增;一方面为了获得良好的有机物和氨氮去除效果,净水厂往往增设生物炭滤池,或者采用预臭氧化取代预氯化,这为桡足类生物在净水工艺中的二次繁殖提供了良好条件.

考虑到采用氧化剂灭活净水工艺中的水生生物,所需氧化剂投量较大,容易引发消毒副产物风险[12],净水厂也不可能在生物处理单元前投加较高的氧化剂.因此,水厂应积极强化常规工艺去除水生生物以减小其中生物处理单元增殖几率.目前针对常规工艺的桡足类生物泄漏风险研究,开展相对较少,且主要围绕剑水蚤进行.van Lieverloo等[13]对荷兰34个水厂的调研表明,以混凝沉淀和快滤为核心的净水工艺,无法实现对桡足类生物泄漏的完全控制,出厂水平均检出密度约为1.39个/m3.刘冬梅等[14]研究发现,混凝沉淀和过滤对剑水蚤的总体去除率仅有56.7％.苏洪涛等[15]观察到剑水蚤死体表面矾花附着率高达90％,而活体矾花附着率仅有5％左右,且混凝沉淀单元中剑水蚤死体去除率要远高于活体,据此认为矾花附着是影响剑水蚤去除的关键. Ferreira等[16]发现由于剑水蚤的体型、体长和迁移性能,混凝沉淀对其去除效果非常有限,而且由于在沉淀池的二次繁殖,沉后水中检出密度甚至高于原水.Adam等[17]认为过滤在剑水蚤的去除过程中起到决定性作用,当滤层在反冲洗阶段存在难以流化的死区时,过滤去除效率则可能大幅降低.可以发现,现有研究更多侧重于混凝沉淀和过滤的去除效率,对于去除机理的研究尚有待加强.

已有报道表明[16],与净水系统中检出的剑水蚤相比,同属桡足类的猛水蚤体长相对较小,长度一般在0.2～0.6mm,难以为肉眼察觉,因而其泄露风险并未引起足够重视,关于常规工艺对其去除的研究也涉及较少.本研究尝试通过分析混凝过程中絮凝体形态特性与猛水蚤的去除关系,以及猛水蚤在滤床中的分布规律,探讨常规工艺对猛水蚤的去除机制与效能,以期进一步丰富和完善净水工艺中桡足类生物泄露风险控制理论,并提供直接控制技术依据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用水来自B水厂原水.B水厂位于深圳市,水源为水库水,属典型高藻低浊微污染水源水,具体水质情况见表1.

表1　原水水质情况Table 1 The water quality of raw water

实验猛水蚤来自B水厂生物活性炭(BAC)滤池反冲洗水.BAC滤池为翻板滤池.水冲阶段采用300目手抄网于滤层表面反冲水中反复捞取;排水阶段置手抄网于翻板前约1m处拦截.反冲洗结束后用砂滤水反复冲洗手抄网,收集洗涤水,洗涤水再经300目筛网过滤,并用蒸馏水冲洗筛网.蒸馏水连同猛水蚤转移至培养皿,利用猛水蚤趋光向培养皿边壁聚集的特性,胶头滴管吸取边壁蒸馏水,定量获得实验所需猛水蚤.经40倍显微镜观测,猛水蚤体长大致在0.23～0.68mm.

实验所用混凝剂采用聚合氯化铝(PAC),有效含量以Al2O3计为28％,由B水厂提供.

1.2 实验装置及方法

混凝沉淀实验在ZR4-6型六联搅拌仪上进行.分别考察搅拌条件、混凝剂投加量和沉淀时间对猛水蚤去除效果的影响.猛水蚤投加密度100个/L.搅拌方案设置情况如表2所示;混凝剂投加量分别取5,10,15,20,25,30mg/L;沉淀时间分别取0.5,1.0,1.5,2.0h.

表2　混凝搅拌方案Table 2 Stirring schemes of coagulation

混沉结束后,取样管于烧杯底部吸取适量沉淀絮体,并立即蒸馏水稀释,用于絮体形态特性分析.300目筛网浓缩过滤上清液,得到浓缩液用于猛水蚤计数.

过滤装置主体为3组平行滤柱,有机玻璃制作,内径90mm.单柱高200cm,自上而下分为待滤区、滤层、承托层和集水区4个部分,其中滤层厚度90cm,由单段长为5cm的18段有机玻璃管法兰连接而成.石英砂滤料规格:粒径dmin=0.95mm、dmax=1.35mm、不均匀系数k80<1.5.过滤装置如图1所示.

图1　过滤装置示意Fig.1 Schematic diagram of filtration setup

分别考察滤速和过滤周期对砂滤去除猛水蚤效果的影响,滤速取9,12,15m/h,过滤周期取1, 2,3d.猛水蚤按100个/m3的密度每2h投加1次.过滤结束后,由取样口300目筛网猛水蚤拦截情况获得去除效果;将每组滤柱滤床内石英砂自上向下依次分段取出,分别装入18个1L烧杯,蒸馏水手洗滤砂4次,收集洗涤水并300目筛网过滤浓缩,由各段滤床中猛水蚤数量获得其沿深度方向分布规律.

1.3 猛水蚤计数与絮体形态特性分析

猛水蚤计数方法.将浓缩液分批放入5mL浮游生物计数框内,经甲醛固定后转移至生物显微镜下观察计数,显微镜型号XSZ-HS1,重庆光学仪器厂.部分个体较小无法直接鉴定的,转移至40倍显微镜下观察.

絮体形态特性分析.包括絮体颗粒平均粒径和分形维数.平均粒径采用激光粒度仪分析.分形维数测定采用BX51荧光显微镜、DP22显微数码摄像头和MVS3000显微图像分析系统进行.根据所拍摄的絮体图像,获取絮体投影面积A、周长P、最长直径L等几何参数,按照John Gregory提出的分形维数计算方法,根据lnA和lnL的直线关系作图,直线斜率即为分形维数.

2 结果与讨论

2.1 混凝沉淀条件对猛水蚤去除的影响

图2(A)给出了PAC投加量为10mg/L,沉淀时间为1h时,搅拌方案对猛水蚤去除率的影响.搅拌方案3下,PAC投加量和沉淀时间对去除率影响分别如图2(B)、2(C)所示.

由图2(A)可知,搅拌强度过大或过小均会降低猛水蚤去除率,搅拌方案3获得了最大的猛水蚤去除率,为94％.总体而言,猛水蚤去除率随着PAC投加量的增加而增加[图2(B)],最大增幅发生在10mg/L处,去除率由5mg/L时的89％增加至94％.此后去除率虽可进一步增加,但所需PAC投加量偏大,从净水厂成本控制角度而言,已无必要.图2(C)表明较短的沉淀时间更有利于猛水蚤的去除,当沉淀时间超过0.5h后,去除率有所降低,这可能是由于猛水蚤的浮游能力导致一部分已经沉降到底部的个体,重新回到上清液中.但进一步延长沉淀时间对去除率影响较小,基本稳定在93％～94％.

图2　混沉条件对猛水蚤去除率的影响Fig.2 Effect of coagulation and sedimentation conditions on the removal efficiency of Harpacticoida

本研究中,混凝沉淀对猛水蚤的去除率在89％～99％,而类似研究中对剑水蚤的去除率仅有13.3％[14].猛水蚤和剑水蚤同属桡足类生物,但各自混凝沉淀去除效率相差如此之大,这与其体长有密切关系.净水工艺中检出的剑水蚤体长一般在0.3～3mm之间[18],而本研究中猛水蚤的体长相对较小,在0.23～0.68mm之间.由于猛水蚤体长与混凝絮体颗粒粒径大致相当,因而与剑水蚤相比,更易在絮体的网捕卷扫作用下沉降去除.需要指出的是,较高的混沉去除效果并不一定意味着较高的泄露风险控制效果,因为被去除的猛水蚤可能在池内二次繁殖,严重时甚至导致沉后水比原水检出密度还高[16].净水厂一旦发现沉后水猛水蚤检出密度异常,须及时加强沉淀池排泥,以控制猛水蚤在沉淀池内的二次繁殖.

2.2 过滤条件对猛水蚤去除的影响

图3给出了过滤条件对猛水蚤去除的影响.可以看出,随着滤速的增加和过滤时间的延长,猛水蚤去除率均有降低趋势.当滤速由12m/h增加至15m/h时,去除率由95％降至83％.因此就净水厂猛水蚤泄露风险控制而言,砂滤池滤速不宜超过12m/h.当过滤周期由1d延长至2d和3d时,猛水蚤去除率降幅分别高达26％和48％,这说明控制过滤周期对于保障砂滤池的去除效果起到至关重要的作用,在猛水蚤高发期,净水厂宜缩短过滤周期以保障对猛水蚤的去除效果.

图3　过滤条件对猛水蚤去除率的影响Fig.3 Effect of filtration conditions on the removal efficiency of Harpacticoida

实验中当过滤周期为1d时,即便滤速高达15m/h,猛水蚤去除率也有83％,远高于类似条件下剑水蚤在砂滤池中50％～60％的去除率[14,22].经分析,这可能也与两者体长的差异有关.猛水蚤体长较小,甚至比滤料粒径还小,一方面过滤水对其直接冲刷作用要小,一方面也有利于猛水蚤附着在滤料表面,躲避过滤水的直接冲刷,因而穿透率要远小于剑水蚤.

2.3 絮体形态特性与猛水蚤去除率关系

通过测定混凝实验中各种混凝工况下,絮体的颗粒粒径和分形维数等形态特性参数,综合对应工况下猛水蚤的去除率,得到絮体形态特性与猛水蚤去除率之间的关系如图4.

图4　絮体形态特性与猛水蚤去除率关系Fig.4 Relationships between morphological characteristics of flcos and removal efficiencies of Harpacticoda

图4(A)数据拟合结果显示,猛水蚤去除率与絮体颗粒粒径呈线性正相关.絮体颗粒粒径大于0.3mm后,粒径与实验中猛水蚤体长比较接近,此时猛水蚤的去除率可以稳定在92％以上.图4(B)则表明,水蚤去除率与絮体分形维数呈线性负相关关系.当絮体分形维数低于1.51时,猛水蚤去除率可以稳定在94％以上.据此可知,净水厂通过改善混凝条件,获得较大的絮体颗粒粒径,有助于提高对猛水蚤去除率,同时通过控制混凝过程絮体的分形维数,也可起到强化猛水蚤混凝去除效率的作用.

综合图2和图4可知,混凝条件对猛水蚤去除效果的影响,与絮体颗粒形态特性直接相关.絮体颗粒粒径越大,分形维数越低,猛水蚤去除率越高.絮体颗粒粒径越大,越容易被猛水蚤粘附,进而猛水蚤与絮体共沉降被去除.若混凝形成的絮体粒径偏小,即便黏附在猛水蚤,由于猛水蚤体长远大于絮体粒径,粘附絮体难以对猛水蚤的迁移运动造成明显影响,甚至可能被猛水蚤的间断式跳跃运动所挣脱[18],此时猛水蚤去除效果有限.实验中当采用搅拌方案1时,絮体平均粒径为0.14mm,相应去除率仅为89％.猛水蚤挣脱粘附絮体引起去除率的下降,似乎在沉淀过程也有所体现.图2(C)中当沉淀时间由0.5h延长至1.0h,去除率下降5个百分点,可能也与部分猛水蚤活性较强挣脱已粘附絮体有关.

絮体分形维数被认为是决定絮体沉降性能的重要参数之一[19-20].一般认为絮体分形维数越高,其致密性越高,球形度更大,沉降性能也越好.本研究中絮体分形维数越高,猛水蚤的沉降去除效果反而更差,说明絮体自身沉降性能的改善,并不能促进猛水蚤的沉降去除.混凝对猛水蚤去除的作用途径,可能更主要由絮体在猛水蚤体表的有效附着实现.当絮体分形维数较高时,其球形度越高,与猛水蚤体表的接触面积相应较小;而分形维数较低时,尽管絮体自身沉降性能较低,但其结构开放度较高[21],与猛水蚤体表的接触面积较大,更易被猛水蚤附着,从而可以获得更高的猛水蚤去除率.实验中当PAC投加量为30mg/L时,絮体平均颗粒粒径最大,为0.49mm,同时絮体分形维数也最小,为1.48,此时获得了98％的最大猛水蚤去除率.但需要注意的是,较低的絮体分形维数往往意味着沉后水浊度较高,对净水厂混凝沉淀而言,猛水蚤去除与除浊效果可能存在矛盾,因而后续过滤对猛水蚤的去除就显得尤为关键.

2.4 不同过滤条件下滤床内猛水蚤的分布

为进一步探明砂滤对猛水蚤去除的作用规律,每次过滤结束后,以5cm为1段,将滤料分段依次取出,对每段滤料中的猛水蚤进行计数,得到不同过滤条件下,猛水蚤在滤床内沿深度方向分布情况和累积分布情况如图5和图6所示.

综合图5中不同滤速下猛水蚤在滤床的逐层和累积分布情况可知,随着滤速的增加,猛水蚤向滤层下方迁移趋势明显.滤速为9、12和15m/h 时,0～30、30～60和60～90cm滤床范围内猛水蚤分布率分别为44％:32％:24％、29％:49％:22％和14％:37％:49％.60～90cm内猛水蚤的分布率越高,表明其穿透滤池的可能性也越大.结合图3(A),滤速小于12m/h时,猛水蚤去除率在95％以上,而滤速为15m/h时去除率仅为83％.

图5　不同滤速下滤床内猛水蚤逐层与累积分布曲线Fig.5 Vertical and cumulative distribution curves of Harpacticoida in sand bed under different filtration rates

过滤周期延长同样可促进猛水蚤向滤床下方迁移效果(图6).过滤周期为1、2和3d时,0～30、30～60和60～90cm滤床范围内猛水蚤分布率分别为30％:48％:22％、20％:44％:36％和5％:13％: 82％.特别是过滤周期为3d时,60～90cm内猛水蚤分布率高达82％,说明穿透泄漏风险极高,图3(B)也证实此时去除率低至47％.

不同滤速和过滤周期条件下,猛水蚤去除率及在滤床内的分布结果表明,在过滤水冲刷携带作用下沿滤床深度方向的迁移,是导致猛水蚤穿透砂滤池的主要原因之一.这种由过滤水携带引起的竖向迁移可称之为被动迁移.相应的,由于猛水蚤已被证实可在砂滤池中大量二次繁殖[16],也就必然会进行以摄食为主的主动迁移.滤池内猛水蚤主要以滤池截留的浊质为食,而滤池对浊质的截留主要发生在滤床中上部.可以推测,若猛水蚤竖向迁移以主动迁移为主,则猛水蚤在滤床内的分布将主要集中在中上部.本次实验中,随着滤速和过滤时间的延长,猛水蚤集中分布在中下部,特别是过滤周期为3d时,60～90cm范围内猛水蚤所占比例高达82％,说明过滤水引起的被动迁移起主导作用.净水厂受建设和运行成本等因素制约,一般滤床厚度有限.当滤速过大或过滤周期偏长时,在过滤水作用下的被动迁移规模越大,猛水蚤泄露风险也就越大.因此,滤速和过滤周期的控制,就成为保证净水工艺猛水蚤高效去除的核心.

图6　不同过滤周期下滤床内猛水蚤逐层与累积分布曲线Fig.6 Vertical and cumulative distribution curves of Harpacticoida in sand bed under different filtration cycles

3 结论

3.1 常规净水工艺可以获得较高的猛水蚤去除率.实验条件下,通过优化操作运行条件,混凝沉淀和过滤对猛水蚤的最高去除率均可达到99％.混凝沉淀的最佳工况是搅拌方案3,PAC投加量10mg/L,沉淀时间0.5h;过滤的最佳工况是滤速9m/h,过滤周期1d.

3.2 混凝对猛水蚤去除效果,主要与絮体颗粒形态特性有关,絮体颗粒粒径越大,分形维数越低,猛水蚤去除率越高.猛水蚤的沉降去除过程,是猛水蚤被絮体黏附后与其共沉降的过程.该过程主要决定于猛水蚤与絮体的有效吸附.

3.3 猛水蚤在过滤水冲刷携带作用下,沿滤床深度方向进行的被动迁移,是导致其穿透砂滤池的主要原因.滤速越大,过滤周期越长,猛水蚤越容易穿透滤池.净水厂可以通过适当降低滤速和缩短过滤周期,控制猛水蚤的被动迁移规模,达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

作者简介：聂小保(1979-),男,江西新干人,讲师,博士,主要从事饮用水安全保障和水环境修复研究.发表论文20余篇.

基金项目：国家自然科学基金项目(51408068);西北水资源与环境生态教育部重点实验室开放项目(14JS063)

收稿日期：2015-08-01

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)02-0453-07