混凝預氧化組合工藝處理高蚤水試驗研究

蔡 雪， 郭文東， 周宇軒

(沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧沈陽110168)

水體富營養化會導致大量劍水蚤孳生，破壞水體的生態結構。作為城市供水主要水源的各大湖泊和水庫若發生劍水蚤污染，其特殊的生物特性導致水廠常規處理工藝很難將其有效去除。劍水蚤體型較小且具有強抗氧化性和游動性，極易穿透濾池進入給水管網中[1]，不僅會影響用戶的感官體驗，還會因為大部分劍水蚤是致病型微生物，嚴重威脅身體健康[2]。

1 劍水蚤生長的影響因素

1.1 劍水蚤孳生的原因

水體富營養化導致藻類大量繁殖，極大地降低了劍水蚤的攝食競爭壓力，擴大了其生存空間。大量藻類消耗水體中溶解氧以及人為的肆意捕撈都導致魚類數量減少，大大降低了劍水蚤的生存壓力[2]。

1.2 影響劍水蚤生長的環境因子

1.2.1 營養物質

有實驗表明，劍水蚤的適應性不高，只有在中度富營養化(總氮0.53～0.77 mg /L、總磷0.025～0.041 mg/L)的水體中才能大量孳生，水體中營養特別充分和營養匱乏均不利于劍水蚤生存和繁殖發育。在次重度富營養化的水體中劍水蚤可以正常進行繁殖，但新生劍水蚤無法順利生存[2]。

1.2.2 溫度

當水溫在10 ℃以下及20 ℃以上時，劍水蚤的繁殖能力較差，活性正常，一般不會出現劍水蚤污染問題。溫度超過10 ℃時，劍水蚤活性增強并開始大量繁殖；溫度在15 ℃左右，劍水蚤的繁殖能力最強，數量和生命活性均達到閾值，此時劍水蚤污染最為嚴重。當溫度在16 ℃以上時，劍水蚤的繁殖能力開始下降，活性減弱，數量也開始大幅度減少。因此，我國大部分的劍水蚤污染問題都出現在春、秋兩季。此外，劍水蚤對溫度的變化十分靈敏，溫度的明顯上升會導致未來幾天劍水蚤的數量急劇上升[4]。因此可以利用劍水蚤的這一特點，通過實時監測水溫來預警劍水蚤的暴發時間。

1.2.3 光線

劍水蚤在最接近自然光的光照強度和時間下，能夠正常發育繁殖。在零光照和24 h光照的條件下均難以存活，而且隨著光照時間的增加，劍水蚤被水中大量藻類包裹最終窒息死亡。劍水蚤對光照條件的變化并不靈敏，通過單純調節光照強度來控制劍水蚤數量的方法并不可行。

1.2.4 溶解性氣體

在自然情況下，水體中溶解氧不足通常會導致游離二氧化碳增多和pH值降低，因此這2個因素同時作用于有機體。水中游離二氧化碳會對劍水蚤產生毒害作用，過量時劍水蚤成體和幼體均出現死亡現象[2]。

2 試驗原水與方法

2.1 原水水質

試驗原水為大伙房水庫來水，水質有一定幅度的波動，在不同時段內濁度、COD和蚤類數量存在變化。試驗期間原水中劍水蚤維持在20～30個/L，水質見表1。

表1 原水水質Tab.1 Quality of raw water

2.2 試驗方法與裝置

采用混凝-預氧化組合工藝去除劍水蚤，采用如圖1所示的裝置模擬水廠實際處理工藝，向投藥罐中投加理論最佳藥劑，檢測出水蚤類的濃度和存活狀態。

圖1 試驗工藝流程與裝置Fig.1 Process flow and device of the experiment

3 試驗結果

3.1 混凝工藝對高濁高蚤水的處理效果

3.1.1 最佳混凝劑的確定

選取聚合氯化鋁(PAC)、三氧化鐵(FeCl3)和聚丙烯酰胺(PAM)這3種混凝劑，采用HACH2100Q便攜式濁度儀測量濁度。由圖2可知，PAC和FeCl3對濁度的去除率整體上明顯優于PAM。投藥量為2～10 mg/L時，兩者的濁度去除率相近；投藥量為10～20 mg/L時，PAC的除濁效能明顯高于FeCl3；投藥量為15 mg/L時，PAC的濁度去除率最高(54.6%)，此后隨投藥量增加而降低；投藥量為20 mg/L時，FeCl3的濁度去除率最大(48.9%)，此后隨投藥量增大而降低。產生這一現象的主要原因是投加過多的混凝劑產生了膠體保護作用，使脫穩膠粒電性改變或膠粒被包卷而重新穩定。

圖2 不同混凝劑對濁度的去除效果Fig.2 Removal effects of different coagulants on turbidity

因此，PAC在投藥量和濁度去除效果兩方面均優于PAM和FeCl3，選用其作為試驗用混凝劑。

3.1.2 PAC對蚤類的去除效果

PAC采用液體投加方式，分別以投藥量5，15和20 mg/L開展平行試驗。當震蕩3次燒杯肉眼觀察劍水蚤仍然沒有運動和生命跡象即認為其失活，用體積法測算出蚤類的去除率。

由圖3可知，PAC對蚤類的去除率在3個投藥量下均呈不斷上升趨勢。5 mg/L PAC對蚤類的去除率較差，20 min后趨于平穩，基本維持在5%；15和20 mg/L PAC對蚤類有一定的去除效果，前20 min基本相同，60 min后均趨于平穩，最高去除率分別為29.1%和26.1%。從整體上看，20 mg/L PAC對蚤類的去除效果略優于15 mg/LPAC。

圖3 PAC投加量對劍水蚤去除效果的影響Fig.3 Influence of PAC dosage on removal effect of Cyclops

但在20 mg/L投藥量下，由于水體中產生膠體保護作用，部分絮凝體不易沉降，導致部分蚤類處于暫時性失活狀態，難以徹底去除。綜合考慮PAC投加量對濁度去除效果的影響，選取15 mg/L 作為PAC混凝劑最佳投加量。

3.2 預氧化工藝對蚤類的滅活效果

3.2.1 最佳預氧化劑的確定

選用NaClO和ClO2作為預氧化劑，在0.5 mg/L投藥量下作對比試驗，結果見圖4。

圖4 氧化劑NaClO和ClO2對劍水蚤的去除效果Fig.4 Removal effect of the oxidants NaClO and ClO2 on Cyclops

由圖4可知，NaClO對劍水蚤的去除效果并不理想，其瞬間滅活率為10%，前5 min去除率明顯升高，此后趨于平穩并維持在35%左右；60 min之后，去除率呈下降趨勢。有研究表明，由于劍水蚤的生物特性，其體表甲殼的保護能力遠遠超過于細胞壁對細菌或病毒衣殼對病毒的保護能力[5]。通過顯微鏡觀察，發現被NaClO滅活的不多數劍水蚤體型幼小，其自身活性較低，因此認為NaClO的氧化性不足以有效滅活劍水蚤。在60 min后去除率下降是由于NaClO濃度降低導致部分劍水蚤恢復活性。

ClO2對劍水蚤的瞬間滅活率為58%，遠高于NaClO；前60 min去除率呈不斷上升趨勢，后續基本維持在90%，無下降趨勢。說明ClO2的氧化性很強，足夠破壞劍水蚤體表甲殼的細胞結構，直接破壞其體內生命物質，并且對劍水蚤有持續的氧化作用。

ClO2更能有效地滅活劍水蚤且后期無恢復活性的現象，因次選用ClO2作為預氧化劑。

3.2.2 最佳投藥量的確定

向6個含有相同數目劍水蚤的水樣中分別加入0.05，0.2，0.5，0.7和1.0 mg/L ClO2溶液。由圖5可知，ClO2對劍水蚤的滅活效果隨投藥濃度的升高而逐步增強，1.0 mg/L ClO2對劍水蚤的滅活效果最佳，在1 min內為84%， 30 min內達到100%；0.7 mg/L ClO2對劍水蚤的去除率在1 min內為64%，30 min時內達到90%；1.0和0.7 mg/L ClO2對劍水蚤的去除率在30 min后基本保持不變。由Chick定律可知，在滅活速率一定時，滅活效率隨接觸時間的增加而提高。也有研究表明，消毒劑濃度越大，滅活效率也越高。因此，提高二氧化氯的投加量并延長接觸時間可以顯著增強對劍水蚤的滅活效果。

圖5 不同投加量ClO2對劍水蚤的去除效果Fig.5 Removal effect of ClO2 with different dosage on Cyclops

由此，1 mg/L ClO2在30 min內可以實現對劍水蚤的完全滅活，0.7 mg/L ClO2在30 min內對劍水蚤的去除率可達到90%。因此選擇1 mg/L ClO2作為預氧化劑的理論最佳投藥量。

3.2.3 模擬水廠實際工藝預氧化劑的滅活作用

試驗模擬水廠實際混凝、沉淀、過濾工藝，向投藥罐中加入1 mg/L ClO2，檢測出水蚤類。原水平均濁度為4.5 NTU，來水蚤類濃度為20個/L，試驗結果如圖6所示。

圖6 ClO2對沉淀池出水劍水蚤的去除效果Fig. 6 Removal effect of ClO2 on Cyclops from sedimentation tank effluent

投藥后0.5 h的蚤類去除率達到100%，與燒杯試驗結果吻合；投藥后0.5～15 h，蚤類去除率降至80%；投藥后15～20 h，去除率保持在80%左右。這是因為部分劍水蚤與氧化劑接觸不充分，同時沉淀池排泥周期較長，未滅活的劍水蚤在沉淀池底部大量繁殖，還存在劍水蚤對ClO2有一定的抗藥性的可能。

4 結論

① 在PAC、PAM和FeCl3中，PAC和FeCl3的混凝效果較佳，且PAC對濁度的去除效果更好、更為經濟。

② PAC對于蚤類有一定的去除效果，在投藥量為15 和20 mg/L時對蚤類的去除率分別為26.1%和29.1%，但20 mg/L PAC由于產生膠體保護作用，混凝效果不佳且出現蚤類恢復活性的現象。因此試驗混凝劑的最佳投加量為15 mg/L。

③ NaClO對于蚤類的滅活效果不理想且有蚤類恢復活性的現象。ClO2對蚤類的去除率隨著投藥量的增加而升高，1 mg/L ClO2可在30 min內實現對蚤類的完全滅活。

④ 模擬水廠實際運行工藝檢測混凝-預氧化工藝的試驗發現，對蚤類的去除效果未達到理想狀態，主要因為藥劑與蚤類接觸不夠充分，下一步將進行更深入的研究。