混凝預(yù)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(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽110168)

水體富營養(yǎng)化會導(dǎo)致大量劍水蚤孳生，破壞水體的生態(tài)結(jié)構(gòu)。作為城市供水主要水源的各大湖泊和水庫若發(fā)生劍水蚤污染，其特殊的生物特性導(dǎo)致水廠常規(guī)處理工藝很難將其有效去除。劍水蚤體型較小且具有強(qiáng)抗氧化性和游動性，極易穿透濾池進(jìn)入給水管網(wǎng)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(yán)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(yǎng)化導(dǎo)致藻類大量繁殖，極大地降低了劍水蚤的攝食競爭壓力，擴(kuò)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(dǎo)致魚類數(shù)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(huán)境因子

1.2.1 營養(yǎng)物質(zhì)

有實驗表明，劍水蚤的適應(yīng)性不高，只有在中度富營養(yǎng)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(yǎng)特別充分和營養(yǎng)匱乏均不利于劍水蚤生存和繁殖發(fā)育。在次重度富營養(yǎng)化的水體中劍水蚤可以正常進(jìn)行繁殖，但新生劍水蚤無法順利生存[2]。

1.2.2 溫度

當(dāng)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(xiàn)劍水蚤污染問題。溫度超過10 ℃時，劍水蚤活性增強(qiáng)并開始大量繁殖；溫度在15 ℃左右，劍水蚤的繁殖能力最強(qiáng)，數(shù)量和生命活性均達(dá)到閾值，此時劍水蚤污染最為嚴(yán)重。當(dāng)溫度在16 ℃以上時，劍水蚤的繁殖能力開始下降，活性減弱，數(shù)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(xiàn)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(dǎo)致未來幾天劍水蚤的數(shù)量急劇上升[4]。因此可以利用劍水蚤的這一特點(diǎn)，通過實時監(jiān)測水溫來預(yù)警劍水蚤的暴發(fā)時間。

1.2.3 光線

劍水蚤在最接近自然光的光照強(qiáng)度和時間下，能夠正常發(fā)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(diào)節(jié)光照強(qiáng)度來控制劍水蚤數(shù)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(dǎo)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(jī)體。水中游離二氧化碳會對劍水蚤產(chǎn)生毒害作用，過量時劍水蚤成體和幼體均出現(xiàn)死亡現(xiàn)象[2]。

2 試驗原水與方法

2.1 原水水質(zhì)

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

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Quality of raw water

2.2 試驗方法與裝置

采用混凝-預(yù)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(tài)。

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

3 試驗結(jié)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(yōu)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，F(xiàn)eCl3的濁度去除率最大(48.9%)，此后隨投藥量增大而降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是投加過多的混凝劑產(chǎn)生了膠體保護(hù)作用，使脫穩(wěn)膠粒電性改變或膠粒被包卷而重新穩(wěn)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(yōu)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(dāng)震蕩3次燒杯肉眼觀察劍水蚤仍然沒有運(yùn)動和生命跡象即認(rèn)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(wěn)，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(wěn)，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(yōu)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(chǎn)生膠體保護(hù)作用，部分絮凝體不易沉降，導(dǎo)致部分蚤類處于暫時性失活狀態(tài)，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(yù)氧化工藝對蚤類的滅活效果

3.2.1 最佳預(yù)氧化劑的確定

選用NaClO和ClO2作為預(yù)氧化劑，在0.5 mg/L投藥量下作對比試驗，結(jié)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(wěn)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(hù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過于細(xì)胞壁對細(xì)菌或病毒衣殼對病毒的保護(hù)能力[5]。通過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)被NaClO滅活的不多數(shù)劍水蚤體型幼小，其自身活性較低，因此認(rèn)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(dǎo)致部分劍水蚤恢復(fù)活性。

ClO2對劍水蚤的瞬間滅活率為58%，遠(yuǎn)高于NaClO；前60 min去除率呈不斷上升趨勢，后續(xù)基本維持在90%，無下降趨勢。說明ClO2的氧化性很強(qiáng)，足夠破壞劍水蚤體表甲殼的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，直接破壞其體內(nèi)生命物質(zhì)，并且對劍水蚤有持續(xù)的氧化作用。

ClO2更能有效地滅活劍水蚤且后期無恢復(fù)活性的現(xiàn)象，因次選用ClO2作為預(yù)氧化劑。

3.2.2 最佳投藥量的確定

向6個含有相同數(shù)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(qiáng)，1.0 mg/L ClO2對劍水蚤的滅活效果最佳，在1 min內(nèi)為84%， 30 min內(nèi)達(dá)到100%；0.7 mg/L ClO2對劍水蚤的去除率在1 min內(nèi)為64%，30 min時內(nèi)達(dá)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(qiáng)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(nèi)可以實現(xiàn)對劍水蚤的完全滅活，0.7 mg/L ClO2在30 min內(nèi)對劍水蚤的去除率可達(dá)到90%。因此選擇1 mg/L ClO2作為預(yù)氧化劑的理論最佳投藥量。

3.2.3 模擬水廠實際工藝預(yù)氧化劑的滅活作用

試驗?zāi)M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(jié)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(dá)到100%，與燒杯試驗結(jié)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(jié)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(jīng)濟(jì)。

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(chǎn)生膠體保護(hù)作用，混凝效果不佳且出現(xiàn)蚤類恢復(fù)活性的現(xiàn)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(fù)活性的現(xiàn)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(nèi)實現(xiàn)對蚤類的完全滅活。

④ 模擬水廠實際運(yùn)行工藝檢測混凝-預(yù)氧化工藝的試驗發(fā)現(xiàn)，對蚤類的去除效果未達(dá)到理想狀態(tài)，主要因為藥劑與蚤類接觸不夠充分，下一步將進(jìn)行更深入的研究。