混凝预氧化组合工艺处理高蚤水试验研究

蔡 雪， 郭文东， 周宇轩

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168)

水体富营养化会导致大量剑水蚤孳生，破坏水体的生态结构。作为城市供水主要水源的各大湖泊和水库若发生剑水蚤污染，其特殊的生物特性导致水厂常规处理工艺很难将其有效去除。剑水蚤体型较小且具有强抗氧化性和游动性，极易穿透滤池进入给水管网中[1]，不仅会影响用户的感官体验，还会因为大部分剑水蚤是致病型微生物，严重威胁身体健康[2]。

1 剑水蚤生长的影响因素

1.1 剑水蚤孳生的原因

水体富营养化导致藻类大量繁殖，极大地降低了剑水蚤的摄食竞争压力，扩大了其生存空间。大量藻类消耗水体中溶解氧以及人为的肆意捕捞都导致鱼类数量减少，大大降低了剑水蚤的生存压力[2]。

1.2 影响剑水蚤生长的环境因子

1.2.1 营养物质

有实验表明，剑水蚤的适应性不高，只有在中度富营养化(总氮0.53～0.77 mg /L、总磷0.025～0.041 mg/L)的水体中才能大量孳生，水体中营养特别充分和营养匮乏均不利于剑水蚤生存和繁殖发育。在次重度富营养化的水体中剑水蚤可以正常进行繁殖，但新生剑水蚤无法顺利生存[2]。

1.2.2 温度

当水温在10 ℃以下及20 ℃以上时，剑水蚤的繁殖能力较差，活性正常，一般不会出现剑水蚤污染问题。温度超过10 ℃时，剑水蚤活性增强并开始大量繁殖；温度在15 ℃左右，剑水蚤的繁殖能力最强，数量和生命活性均达到阈值，此时剑水蚤污染最为严重。当温度在16 ℃以上时，剑水蚤的繁殖能力开始下降，活性减弱，数量也开始大幅度减少。因此，我国大部分的剑水蚤污染问题都出现在春、秋两季。此外，剑水蚤对温度的变化十分灵敏，温度的明显上升会导致未来几天剑水蚤的数量急剧上升[4]。因此可以利用剑水蚤的这一特点，通过实时监测水温来预警剑水蚤的暴发时间。

1.2.3 光线

剑水蚤在最接近自然光的光照强度和时间下，能够正常发育繁殖。在零光照和24 h光照的条件下均难以存活，而且随着光照时间的增加，剑水蚤被水中大量藻类包裹最终窒息死亡。剑水蚤对光照条件的变化并不灵敏，通过单纯调节光照强度来控制剑水蚤数量的方法并不可行。

1.2.4 溶解性气体

在自然情况下，水体中溶解氧不足通常会导致游离二氧化碳增多和pH值降低，因此这2个因素同时作用于有机体。水中游离二氧化碳会对剑水蚤产生毒害作用，过量时剑水蚤成体和幼体均出现死亡现象[2]。

2 试验原水与方法

2.1 原水水质

试验原水为大伙房水库来水，水质有一定幅度的波动，在不同时段内浊度、COD和蚤类数量存在变化。试验期间原水中剑水蚤维持在20～30个/L，水质见表1。

表1 原水水质Tab.1 Quality of raw water

2.2 试验方法与装置

采用混凝-预氧化组合工艺去除剑水蚤，采用如图1所示的装置模拟水厂实际处理工艺，向投药罐中投加理论最佳药剂，检测出水蚤类的浓度和存活状态。

图1 试验工艺流程与装置Fig.1 Process flow and device of the experiment

3 试验结果

3.1 混凝工艺对高浊高蚤水的处理效果

3.1.1 最佳混凝剂的确定

选取聚合氯化铝(PAC)、三氧化铁(FeCl3)和聚丙烯酰胺(PAM)这3种混凝剂，采用HACH2100Q便携式浊度仪测量浊度。由图2可知，PAC和FeCl3对浊度的去除率整体上明显优于PAM。投药量为2～10 mg/L时，两者的浊度去除率相近；投药量为10～20 mg/L时，PAC的除浊效能明显高于FeCl3；投药量为15 mg/L时，PAC的浊度去除率最高(54.6%)，此后随投药量增加而降低；投药量为20 mg/L时，FeCl3的浊度去除率最大(48.9%)，此后随投药量增大而降低。产生这一现象的主要原因是投加过多的混凝剂产生了胶体保护作用，使脱稳胶粒电性改变或胶粒被包卷而重新稳定。

图2 不同混凝剂对浊度的去除效果Fig.2 Removal effects of different coagulants on turbidity

因此，PAC在投药量和浊度去除效果两方面均优于PAM和FeCl3，选用其作为试验用混凝剂。

3.1.2 PAC对蚤类的去除效果

PAC采用液体投加方式，分别以投药量5，15和20 mg/L开展平行试验。当震荡3次烧杯肉眼观察剑水蚤仍然没有运动和生命迹象即认为其失活，用体积法测算出蚤类的去除率。

由图3可知，PAC对蚤类的去除率在3个投药量下均呈不断上升趋势。5 mg/L PAC对蚤类的去除率较差，20 min后趋于平稳，基本维持在5%；15和20 mg/L PAC对蚤类有一定的去除效果，前20 min基本相同，60 min后均趋于平稳，最高去除率分别为29.1%和26.1%。从整体上看，20 mg/L PAC对蚤类的去除效果略优于15 mg/LPAC。

图3 PAC投加量对剑水蚤去除效果的影响Fig.3 Influence of PAC dosage on removal effect of Cyclops

但在20 mg/L投药量下，由于水体中产生胶体保护作用，部分絮凝体不易沉降，导致部分蚤类处于暂时性失活状态，难以彻底去除。综合考虑PAC投加量对浊度去除效果的影响，选取15 mg/L 作为PAC混凝剂最佳投加量。

3.2 预氧化工艺对蚤类的灭活效果

3.2.1 最佳预氧化剂的确定

选用NaClO和ClO2作为预氧化剂，在0.5 mg/L投药量下作对比试验，结果见图4。

图4 氧化剂NaClO和ClO2对剑水蚤的去除效果Fig.4 Removal effect of the oxidants NaClO and ClO2 on Cyclops

由图4可知，NaClO对剑水蚤的去除效果并不理想，其瞬间灭活率为10%，前5 min去除率明显升高，此后趋于平稳并维持在35%左右；60 min之后，去除率呈下降趋势。有研究表明，由于剑水蚤的生物特性，其体表甲壳的保护能力远远超过于细胞壁对细菌或病毒衣壳对病毒的保护能力[5]。通过显微镜观察，发现被NaClO灭活的不多数剑水蚤体型幼小，其自身活性较低，因此认为NaClO的氧化性不足以有效灭活剑水蚤。在60 min后去除率下降是由于NaClO浓度降低导致部分剑水蚤恢复活性。

ClO2对剑水蚤的瞬间灭活率为58%，远高于NaClO；前60 min去除率呈不断上升趋势，后续基本维持在90%，无下降趋势。说明ClO2的氧化性很强，足够破坏剑水蚤体表甲壳的细胞结构，直接破坏其体内生命物质，并且对剑水蚤有持续的氧化作用。

ClO2更能有效地灭活剑水蚤且后期无恢复活性的现象，因次选用ClO2作为预氧化剂。

3.2.2 最佳投药量的确定

向6个含有相同数目剑水蚤的水样中分别加入0.05，0.2，0.5，0.7和1.0 mg/L ClO2溶液。由图5可知，ClO2对剑水蚤的灭活效果随投药浓度的升高而逐步增强，1.0 mg/L ClO2对剑水蚤的灭活效果最佳，在1 min内为84%， 30 min内达到100%；0.7 mg/L ClO2对剑水蚤的去除率在1 min内为64%，30 min时内达到90%；1.0和0.7 mg/L ClO2对剑水蚤的去除率在30 min后基本保持不变。由Chick定律可知，在灭活速率一定时，灭活效率随接触时间的增加而提高。也有研究表明，消毒剂浓度越大，灭活效率也越高。因此，提高二氧化氯的投加量并延长接触时间可以显著增强对剑水蚤的灭活效果。

图5 不同投加量ClO2对剑水蚤的去除效果Fig.5 Removal effect of ClO2 with different dosage on Cyclops

由此，1 mg/L ClO2在30 min内可以实现对剑水蚤的完全灭活，0.7 mg/L ClO2在30 min内对剑水蚤的去除率可达到90%。因此选择1 mg/L ClO2作为预氧化剂的理论最佳投药量。

3.2.3 模拟水厂实际工艺预氧化剂的灭活作用

试验模拟水厂实际混凝、沉淀、过滤工艺，向投药罐中加入1 mg/L ClO2，检测出水蚤类。原水平均浊度为4.5 NTU，来水蚤类浓度为20个/L，试验结果如图6所示。

图6 ClO2对沉淀池出水剑水蚤的去除效果Fig. 6 Removal effect of ClO2 on Cyclops from sedimentation tank effluent

投药后0.5 h的蚤类去除率达到100%，与烧杯试验结果吻合；投药后0.5～15 h，蚤类去除率降至80%；投药后15～20 h，去除率保持在80%左右。这是因为部分剑水蚤与氧化剂接触不充分，同时沉淀池排泥周期较长，未灭活的剑水蚤在沉淀池底部大量繁殖，还存在剑水蚤对ClO2有一定的抗药性的可能。

4 结论

① 在PAC、PAM和FeCl3中，PAC和FeCl3的混凝效果较佳，且PAC对浊度的去除效果更好、更为经济。

② PAC对于蚤类有一定的去除效果，在投药量为15 和20 mg/L时对蚤类的去除率分别为26.1%和29.1%，但20 mg/L PAC由于产生胶体保护作用，混凝效果不佳且出现蚤类恢复活性的现象。因此试验混凝剂的最佳投加量为15 mg/L。

③ NaClO对于蚤类的灭活效果不理想且有蚤类恢复活性的现象。ClO2对蚤类的去除率随着投药量的增加而升高，1 mg/L ClO2可在30 min内实现对蚤类的完全灭活。

④ 模拟水厂实际运行工艺检测混凝-预氧化工艺的试验发现，对蚤类的去除效果未达到理想状态，主要因为药剂与蚤类接触不够充分，下一步将进行更深入的研究。