净水工程中去除红线虫的工艺分析与选择

张 鹭

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

随着环境污染问题的日益加剧,地表水资源常受到不同程度的污染,进而引发藻类滋生、污泥营养化等现象,为水生动物的生存提供了温床,从而引起水生动物污染供水系统的相关问题。陕西某地表水净水厂X 设计规模1.0 万m3/d,主要供给生活用水,在夏季雨水多发季,工艺处理系统、清水池内可检测到红线虫,严重影响出水水质,危害了供水居民的用水安全。本文以X 水厂在提质改造工程中针对性去除红线虫的案例为基础,总结常规净水工艺对红线虫去除效果微弱的原理,并针对其去除提出采用超滤膜处理工艺选择。

1 红线虫的特性与来源

红线虫又名水蚯蚓,通体红色,幼虫体长约2 mm～4 mm,体宽约0.1 mm～0.2 mm,成虫体长约15 mm～50 mm,体宽0.5 mm左右。生活在水底污泥中,以污泥中的细菌、有机物为营养源。红线虫对氧气环境适应性极强,在缺氧、好氧环境均能生存。生存温度范围较广,5℃～30℃均可保持活性。

X 水厂水源来自一座小（一）型水库,建设年代久远,原水由潜水泵提升供至净水厂工艺系统,夏季雨水多发季节,水库水浊度上升,另由于夏季是蚊虫繁殖茂盛期,红线虫及其虫卵随原水进入供水系统,附着于系统各构筑物死角并繁殖,最终在出水中被检测到。

2 常规净水工艺对红线虫的处理效果

目前地表水净水厂常规净水工艺主要为混凝、沉淀、过滤、消毒四大板块,去除机理包括化学反应、物理沉淀等,现针对常规工艺对红线虫的去除原理进行总结。

2.1 常见化学药剂对红线虫的去除效果

目前较为常用的化学药剂主要为含氯化合物,如二氧化氯、次氯酸钠等,主要用于预氧化及滤后水消毒。对于轻微污染的原水,也常用到高锰酸钾等强氧化剂进行预处理。

李进[1]等人在关于红线虫的灭活试验中发现,常见水处理药剂对红线虫的灭活与接触时间、投加浓度等息息相关。试验发现以投加浓度2 mg/L、pH=7 为前提,次氯酸钠、二氧化氯、高锰酸钾对红线虫的灭活效果各不相同,见图1。

图1 浓度2 mg/L、pH=7 时对红线虫的灭活情况对比

由图1 可知,在常规投加浓度,pH 中性环境下,灭活效果最好的次氯酸钠,需要接触时间60 min 才能将红线虫100%灭活,二氧化氯则需要180 min 才能灭活,而高锰酸钾需要更久时间。

李进在试验中还发现,投加浓度加大、pH 调整为强酸、强碱性,也可以一定程度上灭活红线虫,但化学药剂浓度增加易形成水处理副产物,投加强酸、强碱在实际净水工程中应用难度过大。

2.2 常见过滤系统对红线虫的去除效果

目前净水厂常见的用于过滤构筑物有V 型滤池、无阀滤池、普通快滤池等,虽结构形式各不相同,但过滤机理相同,均采用传统砂滤。滤料有无烟煤、石榴石、陶粒滤料、石英砂等,其中石英砂应用最为广泛。用于过滤时,石英砂有效粒径一般取0.85 mm～1.2 mm,不均匀系数K80≤1.4,根据资料显示,传统砂滤对于污染物尺寸截留分子量为0.1 mm～1 mm,对于红线虫的截留效果见表1。

表1 传统砂滤对不同生命阶段内红线虫的去除效果

图2 红线虫外形及标尺图

X 净水厂在运行正常的无阀滤池后的清水池,仍检测到了红线虫的存在,可见砂滤不能对红线虫完全去除,根据理论分析与实际工程案例,总结可知,传统砂滤对红线虫有一定去除率,但无法根除,幼虫、虫卵等可随处理水流向下一处理阶段。

2.3 小结

综上,以1.0 万m3/d 处理量,地表水水源水质为例,采用浓度2 mg/L 次氯酸钠在中性条件下,工艺前端设置一座500 m3接触池即可灭活红线虫,但虫体在絮凝沉淀段难以保证全部与水中胶体结合形成沉淀,也由于粒径差距在过滤段无法全部截留,可认为化学药剂+常规处理的工艺方案不适宜在实际工程中用于红线虫的全部去除。

3 第三代净水工艺应用进展及对红线虫的处理效果

3.1 净水工艺发展历程

20 世纪初,城市居民饮用水安全性得不到保障,致使霍乱、痢疾等传染病流行,对人们生命健康危害极大。第一代城市饮用水净水工艺被研发,即混凝-沉淀-过滤-消毒净水工艺,该工艺的研发使细菌性传染病得到了有效控制,为人类社会发展做出了重大贡献。

20 世纪末,由于水体环境的污染,在城市饮用水总发现了种类众多的对人体有害的溶解性有机污染物和消毒副产物,给水的化学安全性带来巨大隐患,部分溶解性有机污染物能致癌、致畸、致突变。比如,净水工艺中用氯消毒时,氯与水中天然有机物作用,能生成三氯甲烷、氯乙酸等氯化消毒副产物,这些副产物大多数可致癌。在此背景下,研发出第二代城市饮用水净化工艺,即混凝-沉淀-过滤-臭氧-活性炭-消毒。第二代工艺增加了深度处理环节,能有效去除和控制水中有机污染物和氯化消毒副产物,极大提高水的化学安全。

20 世纪末至今,随着工业社会的飞速发展,水源中陆续发现了致病原生动物（蓝氏贾第虫和隐孢子虫）、藻类、有害水生物（红线虫、剑水蚤等）等危及饮用水安全的重大问题。此类原生动物及水生物均以藻类为营养源,具有极强繁殖力及抗氯性。实际工程中发现,第二代净水工艺无法去除此类污染物,且活性炭滤料较大的附着面积为红线虫等水生物提供了繁殖环境,可见第二代净水工艺虽提高了水的化学安全,但无法提高水的生物安全。据此,第三代净水工艺-膜工艺应运而生,膜工艺不仅能解决前两代工艺无法解决的生物污染问题,且兼具安全、经济等多重优点,是一种新绿色新型环保净水工艺。

3.2 膜技术分类

市场上应用最广的膜技术主要指以压力驱动的膜技术。低压力膜分为微滤（MF）、超滤（UF）；高压力膜主要分为纳滤（NF）、反渗透（RO）。低压力膜,膜孔径大,进水压力低,主要应用于饮用水的净化。高压力膜,膜孔径小,进水压力大,主要用于废水处理和海水淡化。

3.3 低压力膜工艺对红线虫的去除效果及工艺选择对比

3.3.1去除效果

微滤膜工艺及超滤膜工艺均是以跨膜压差为推动力的物理工艺,相应压力下,当原水经过膜表面,小于膜孔径的分子物质通过膜孔被收集,大于膜孔径的物质被截留,最终作为废水排出,以此达到水体净化的目的。

微滤膜过滤精度一般在0.05μm～5μm,超滤膜的过滤精度一般在0.01μm～0.1μm,可有效去除水中的微粒、胶体、细菌、高分子有机物质等。根据表2 中不同生命阶段红线虫的体宽可知,红线虫体型明显大于此类膜孔径,说明采用低压力膜工艺进行截留时,可完全去除水中红线虫及其虫卵,根本性解决其带来的水污染问题。

3.3.2工艺选择

从原理来看,微滤、超滤两种膜均能实现红线虫的截留,达到净水的效果,但超滤工艺更适宜实际应用,原因有以下三点：

（1）超滤工艺较微滤工艺去除效果更好

微滤膜孔径大,虽能截留红线虫,但不能充分截留并去除病毒和细菌,超滤膜孔径小于水中病毒、细菌、原生动物等,能将水中微生物几乎全部去除,从方法上最有效。

（2）超滤工艺较微滤工艺政策及规范指导性更强

随着国家节能减排政策的出台,给膜技术这种绿色净水工艺提供了巨大前景与市场,而超滤较微滤去除效果较强,较反渗透能耗低,综合应用性更好,范围更广,更适宜于中国净水市场。在2019 年8 月起实施的《室外给水设计标准》（GB 50013-2018）中,新增加了超滤膜过滤相应章节与规定,指导了超滤工艺在净水工程中设计原则与方法,进一步推动了超滤膜工艺的广泛应用。

（3）超滤工艺较微滤工艺经济性更高

鉴于以上两点,超滤膜技术已在我国形成强大的生产能力,性能和质量也媲美国外知名膜品牌。单从膜价格来看,目前微滤膜虽比超滤膜价格略低,但在科技突飞猛进的背景下,在政策、规范的引导下,在广泛应用的影响下,超滤工艺比微滤工艺更具经济性与发展性,已成为第三代净水工艺的主要应用工艺。

3.4 超滤工艺在 X 净水厂提质改造工程中的工艺设计

X 净水厂原设计进水水塔一座；常规钢制一体化净水设备一套,共4 组；地埋式清水池一套,共2 座。在提质改造工程中,尽可能保障原有工艺不变,利用厂区预留用地,以原工艺出水为原水,建设超滤膜净水设施一套,有效截留原出水中红线虫,滤后水接入原清水池中。

图3 X 净水厂改造前工艺流程

图4 X 净水厂改造后工艺流程

3.5 超滤工艺对红线虫的去除效果

从理论数据上看,超滤膜孔径为μm级别,而红线虫成虫、虫卵尺寸均为mm 级别,从理论上超滤膜可物理截留红线虫及虫卵,达到净化水质的目的。

从工程实践上看,X 净水厂曾在夏季蚊虫高发季,引进一套处理量为1000 m3/d 超滤膜设备作为试验,经过为期1 个月的运行,出水水质优良,水质稳定,有效去除了原水中红线虫及其他污染物,虫卵在观测中也并未发现。

3.6 超滤工艺该工程中的优点

超滤膜工艺在该工程中的设置有以下几点优势：

1）对原工艺系统无改动,改造成本小。在水厂现状工艺系统运行正常的前提下,增设的超滤工艺对原有工艺流程线不造成改动,仅在原净水设备至清水池段增设超滤系统,待深度处理产水达标后,返回清水池中。

2）超滤膜设备结构紧凑,占地节约。超滤膜设备设计先进,集成化程度高,占地面积小,减少了征地投资。

3）自动化程度高,后期运行维护方便。除运行初期需人工操作外,运行稳定后,超滤膜系统内各环节均可自动化作业,减少了运行管理成本,也避免了因系统复杂而导致的误判断误操作现象。

4）出水水质稳定,副产物少。与常规化学净化水原理不同,膜工艺属于利用跨膜压差达到水质净化的物理过程,净水过程无需添加额外药剂,达到深度净化的同时也不增加副产物负担。

4 总结

1）常规化学药剂中,对于红线虫灭火效果最好的次氯酸钠,需要接触时间60 min,实际净水工程中,以日处理量1万m3/d 的净水厂为例,为满足停留时间,需在工艺前端设置约500 m3水池一座,此种方法不适合于老旧水厂的提质改造工程,且常规加氯预处理与去除红线虫目的结合后,前加氯浓度增加,带来了较大副产物负担。

2）传统砂滤作为一种物理净化设施,孔径大,虽能去除红线虫成虫,但幼虫及虫卵并不能完全去除。

3）以超滤为主的第三代净水工艺, 以较高的过滤精度完全去除水中红线虫, 同时截留常规滤后水中残余悬浮物及大分子颗粒, 出水水质稳定, 浊度降低明显, 充分说明超滤膜工艺在净水处理厂深度处理工艺中的应用是非常有效的。