凈水工程中去除紅線蟲的工藝分析與選擇

張 鷺

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

隨著環境污染問題的日益加劇,地表水資源常受到不同程度的污染,進而引發藻類滋生、污泥營養化等現象,為水生動物的生存提供了溫床,從而引起水生動物污染供水系統的相關問題。陜西某地表水凈水廠X 設計規模1.0 萬m3/d,主要供給生活用水,在夏季雨水多發季,工藝處理系統、清水池內可檢測到紅線蟲,嚴重影響出水水質,危害了供水居民的用水安全。本文以X 水廠在提質改造工程中針對性去除紅線蟲的案例為基礎,總結常規凈水工藝對紅線蟲去除效果微弱的原理,并針對其去除提出采用超濾膜處理工藝選擇。

1 紅線蟲的特性與來源

紅線蟲又名水蚯蚓,通體紅色,幼蟲體長約2 mm～4 mm,體寬約0.1 mm～0.2 mm,成蟲體長約15 mm～50 mm,體寬0.5 mm左右。生活在水底污泥中,以污泥中的細菌、有機物為營養源。紅線蟲對氧氣環境適應性極強,在缺氧、好氧環境均能生存。生存溫度范圍較廣,5℃～30℃均可保持活性。

X 水廠水源來自一座小（一）型水庫,建設年代久遠,原水由潛水泵提升供至凈水廠工藝系統,夏季雨水多發季節,水庫水濁度上升,另由于夏季是蚊蟲繁殖茂盛期,紅線蟲及其蟲卵隨原水進入供水系統,附著于系統各構筑物死角并繁殖,最終在出水中被檢測到。

2 常規凈水工藝對紅線蟲的處理效果

目前地表水凈水廠常規凈水工藝主要為混凝、沉淀、過濾、消毒四大板塊,去除機理包括化學反應、物理沉淀等,現針對常規工藝對紅線蟲的去除原理進行總結。

2.1 常見化學藥劑對紅線蟲的去除效果

目前較為常用的化學藥劑主要為含氯化合物,如二氧化氯、次氯酸鈉等,主要用于預氧化及濾后水消毒。對于輕微污染的原水,也常用到高錳酸鉀等強氧化劑進行預處理。

李進[1]等人在關于紅線蟲的滅活試驗中發現,常見水處理藥劑對紅線蟲的滅活與接觸時間、投加濃度等息息相關。試驗發現以投加濃度2 mg/L、pH=7 為前提,次氯酸鈉、二氧化氯、高錳酸鉀對紅線蟲的滅活效果各不相同,見圖1。

圖1 濃度2 mg/L、pH=7 時對紅線蟲的滅活情況對比

由圖1 可知,在常規投加濃度,pH 中性環境下,滅活效果最好的次氯酸鈉,需要接觸時間60 min 才能將紅線蟲100%滅活,二氧化氯則需要180 min 才能滅活,而高錳酸鉀需要更久時間。

李進在試驗中還發現,投加濃度加大、pH 調整為強酸、強堿性,也可以一定程度上滅活紅線蟲,但化學藥劑濃度增加易形成水處理副產物,投加強酸、強堿在實際凈水工程中應用難度過大。

2.2 常見過濾系統對紅線蟲的去除效果

目前凈水廠常見的用于過濾構筑物有V 型濾池、無閥濾池、普通快濾池等,雖結構形式各不相同,但過濾機理相同,均采用傳統砂濾。濾料有無煙煤、石榴石、陶粒濾料、石英砂等,其中石英砂應用最為廣泛。用于過濾時,石英砂有效粒徑一般取0.85 mm～1.2 mm,不均勻系數K80≤1.4,根據資料顯示,傳統砂濾對于污染物尺寸截留分子量為0.1 mm～1 mm,對于紅線蟲的截留效果見表1。

表1 傳統砂濾對不同生命階段內紅線蟲的去除效果

圖2 紅線蟲外形及標尺圖

X 凈水廠在運行正常的無閥濾池后的清水池,仍檢測到了紅線蟲的存在,可見砂濾不能對紅線蟲完全去除,根據理論分析與實際工程案例,總結可知,傳統砂濾對紅線蟲有一定去除率,但無法根除,幼蟲、蟲卵等可隨處理水流向下一處理階段。

2.3 小結

綜上,以1.0 萬m3/d 處理量,地表水水源水質為例,采用濃度2 mg/L 次氯酸鈉在中性條件下,工藝前端設置一座500 m3接觸池即可滅活紅線蟲,但蟲體在絮凝沉淀段難以保證全部與水中膠體結合形成沉淀,也由于粒徑差距在過濾段無法全部截留,可認為化學藥劑+常規處理的工藝方案不適宜在實際工程中用于紅線蟲的全部去除。

3 第三代凈水工藝應用進展及對紅線蟲的處理效果

3.1 凈水工藝發展歷程

20 世紀初,城市居民飲用水安全性得不到保障,致使霍亂、痢疾等傳染病流行,對人們生命健康危害極大。第一代城市飲用水凈水工藝被研發,即混凝-沉淀-過濾-消毒凈水工藝,該工藝的研發使細菌性傳染病得到了有效控制,為人類社會發展做出了重大貢獻。

20 世紀末,由于水體環境的污染,在城市飲用水總發現了種類眾多的對人體有害的溶解性有機污染物和消毒副產物,給水的化學安全性帶來巨大隱患,部分溶解性有機污染物能致癌、致畸、致突變。比如,凈水工藝中用氯消毒時,氯與水中天然有機物作用,能生成三氯甲烷、氯乙酸等氯化消毒副產物,這些副產物大多數可致癌。在此背景下,研發出第二代城市飲用水凈化工藝,即混凝-沉淀-過濾-臭氧-活性炭-消毒。第二代工藝增加了深度處理環節,能有效去除和控制水中有機污染物和氯化消毒副產物,極大提高水的化學安全。

20 世紀末至今,隨著工業社會的飛速發展,水源中陸續發現了致病原生動物（藍氏賈第蟲和隱孢子蟲）、藻類、有害水生物（紅線蟲、劍水蚤等）等危及飲用水安全的重大問題。此類原生動物及水生物均以藻類為營養源,具有極強繁殖力及抗氯性。實際工程中發現,第二代凈水工藝無法去除此類污染物,且活性炭濾料較大的附著面積為紅線蟲等水生物提供了繁殖環境,可見第二代凈水工藝雖提高了水的化學安全,但無法提高水的生物安全。據此,第三代凈水工藝-膜工藝應運而生,膜工藝不僅能解決前兩代工藝無法解決的生物污染問題,且兼具安全、經濟等多重優點,是一種新綠色新型環保凈水工藝。

3.2 膜技術分類

市場上應用最廣的膜技術主要指以壓力驅動的膜技術。低壓力膜分為微濾（MF）、超濾（UF）；高壓力膜主要分為納濾（NF）、反滲透（RO）。低壓力膜,膜孔徑大,進水壓力低,主要應用于飲用水的凈化。高壓力膜,膜孔徑小,進水壓力大,主要用于廢水處理和海水淡化。

3.3 低壓力膜工藝對紅線蟲的去除效果及工藝選擇對比

3.3.1去除效果

微濾膜工藝及超濾膜工藝均是以跨膜壓差為推動力的物理工藝,相應壓力下,當原水經過膜表面,小于膜孔徑的分子物質通過膜孔被收集,大于膜孔徑的物質被截留,最終作為廢水排出,以此達到水體凈化的目的。

微濾膜過濾精度一般在0.05μm～5μm,超濾膜的過濾精度一般在0.01μm～0.1μm,可有效去除水中的微粒、膠體、細菌、高分子有機物質等。根據表2 中不同生命階段紅線蟲的體寬可知,紅線蟲體型明顯大于此類膜孔徑,說明采用低壓力膜工藝進行截留時,可完全去除水中紅線蟲及其蟲卵,根本性解決其帶來的水污染問題。

3.3.2工藝選擇

從原理來看,微濾、超濾兩種膜均能實現紅線蟲的截留,達到凈水的效果,但超濾工藝更適宜實際應用,原因有以下三點：

（1）超濾工藝較微濾工藝去除效果更好

微濾膜孔徑大,雖能截留紅線蟲,但不能充分截留并去除病毒和細菌,超濾膜孔徑小于水中病毒、細菌、原生動物等,能將水中微生物幾乎全部去除,從方法上最有效。

（2）超濾工藝較微濾工藝政策及規范指導性更強

隨著國家節能減排政策的出臺,給膜技術這種綠色凈水工藝提供了巨大前景與市場,而超濾較微濾去除效果較強,較反滲透能耗低,綜合應用性更好,范圍更廣,更適宜于中國凈水市場。在2019 年8 月起實施的《室外給水設計標準》（GB 50013-2018）中,新增加了超濾膜過濾相應章節與規定,指導了超濾工藝在凈水工程中設計原則與方法,進一步推動了超濾膜工藝的廣泛應用。

（3）超濾工藝較微濾工藝經濟性更高

鑒于以上兩點,超濾膜技術已在我國形成強大的生產能力,性能和質量也媲美國外知名膜品牌。單從膜價格來看,目前微濾膜雖比超濾膜價格略低,但在科技突飛猛進的背景下,在政策、規范的引導下,在廣泛應用的影響下,超濾工藝比微濾工藝更具經濟性與發展性,已成為第三代凈水工藝的主要應用工藝。

3.4 超濾工藝在 X 凈水廠提質改造工程中的工藝設計

X 凈水廠原設計進水水塔一座；常規鋼制一體化凈水設備一套,共4 組；地埋式清水池一套,共2 座。在提質改造工程中,盡可能保障原有工藝不變,利用廠區預留用地,以原工藝出水為原水,建設超濾膜凈水設施一套,有效截留原出水中紅線蟲,濾后水接入原清水池中。

圖3 X 凈水廠改造前工藝流程

圖4 X 凈水廠改造后工藝流程

3.5 超濾工藝對紅線蟲的去除效果

從理論數據上看,超濾膜孔徑為μm級別,而紅線蟲成蟲、蟲卵尺寸均為mm 級別,從理論上超濾膜可物理截留紅線蟲及蟲卵,達到凈化水質的目的。

從工程實踐上看,X 凈水廠曾在夏季蚊蟲高發季,引進一套處理量為1000 m3/d 超濾膜設備作為試驗,經過為期1 個月的運行,出水水質優良,水質穩定,有效去除了原水中紅線蟲及其他污染物,蟲卵在觀測中也并未發現。

3.6 超濾工藝該工程中的優點

超濾膜工藝在該工程中的設置有以下幾點優勢：

1）對原工藝系統無改動,改造成本小。在水廠現狀工藝系統運行正常的前提下,增設的超濾工藝對原有工藝流程線不造成改動,僅在原凈水設備至清水池段增設超濾系統,待深度處理產水達標后,返回清水池中。

2）超濾膜設備結構緊湊,占地節約。超濾膜設備設計先進,集成化程度高,占地面積小,減少了征地投資。

3）自動化程度高,后期運行維護方便。除運行初期需人工操作外,運行穩定后,超濾膜系統內各環節均可自動化作業,減少了運行管理成本,也避免了因系統復雜而導致的誤判斷誤操作現象。

4）出水水質穩定,副產物少。與常規化學凈化水原理不同,膜工藝屬于利用跨膜壓差達到水質凈化的物理過程,凈水過程無需添加額外藥劑,達到深度凈化的同時也不增加副產物負擔。

4 總結

1）常規化學藥劑中,對于紅線蟲滅火效果最好的次氯酸鈉,需要接觸時間60 min,實際凈水工程中,以日處理量1萬m3/d 的凈水廠為例,為滿足停留時間,需在工藝前端設置約500 m3水池一座,此種方法不適合于老舊水廠的提質改造工程,且常規加氯預處理與去除紅線蟲目的結合后,前加氯濃度增加,帶來了較大副產物負擔。

2）傳統砂濾作為一種物理凈化設施,孔徑大,雖能去除紅線蟲成蟲,但幼蟲及蟲卵并不能完全去除。

3）以超濾為主的第三代凈水工藝, 以較高的過濾精度完全去除水中紅線蟲, 同時截留常規濾后水中殘余懸浮物及大分子顆粒, 出水水質穩定, 濁度降低明顯, 充分說明超濾膜工藝在凈水處理廠深度處理工藝中的應用是非常有效的。