近年来, 由于地表水体富营养化, 微型动物在一些水源水中大量滋生, 该现象已在南方许多城市水源中出现^[1], 水厂的微型动物生长和泄漏现象越来越受到关注, 摇蚊幼虫、寡毛类、线虫、枝角类、桡足类和轮虫等无脊椎动物均能被发现^[2], 嘉兴地区和上海黄浦江水源的水厂夏季可观察到活性炭池出水的无脊椎动物高达10²～10⁴个/m^3[2], 哈尔滨某县自来水公司管网水中剑水蚤有时数量高达3～4个/L, 给用户的用水安全带来威胁^[3]。水处理系统中无脊椎动物的来源主要有两类, 包括以原水带入形式进入的外源性污染以及在水处理构筑物中二次繁殖引起的内源性污染^[4]。水厂无脊椎动物的泄漏不仅会使饮用水的感官受到影响, 且其自身的致病性及携带的病原性细菌均会对饮用水安全产生影响^[2]。

　　 本文通过中试, 考察了南方水处理系统中不同处理工艺对水中无脊椎动物的控制效果, 其中包括缩短排泥周期、预加氯、减小滤料粒径、加氯水反冲洗、干池处理及增设拦截网等, 为水厂控制无脊椎动物的泄漏提供技术参考。

　　 试验在南方某水厂内中试基地进行, 该中试基地以东江水为原水, 共有4组平行流程, 每组流程处理水量为5 m³/h, 其工艺流程见图1。

　　 通过检测无脊椎动物密度考察不同处理工艺的控制效果。无脊椎动物密度采用200目滤兜进行拦截富集, 经洗脱后浓缩定容至50 mL, 加入固定溶液后通过显微镜进行观察计数并计算其密度。其中, 各组试验中为检测无脊椎动物密度所拦截富集的水量均为2 m³。

　　 中试基地正常运行期间, 在排泥周期分别为0.5 d、1 d、2 d时, 对沉淀池出水的无脊椎动物密度进行检测, 结果如图2所示。

　　 在水处理过程中, 原水加入混凝剂后, 经过混凝、沉淀, 水中的悬浮颗粒会逐渐沉降下来形成底泥, 底泥积累过多会影响水处理的效果, 因此需要定期进行排泥。

　　 从图2可以看出, 当排泥周期为0.5 d时, 沉淀池出水的无脊椎动物密度仅为5 068～8 654个/m³, 而当排泥周期延长至2 d时, 沉淀池出水的无脊椎动物密度增加至23 118～34 559个/m³, 2次试验沉淀池出水的无脊椎动物密度均随着排泥周期的延长而显著增大。其原因可能有2点, 一方面是投加混凝剂后原水中的无脊椎动物随着悬浮颗粒一同沉降下来, 在底泥中进行积累, 挣脱絮体后重新进入水体导致其密度增加;另一方面是底泥中含有的部分有机物成为水中无脊椎动物的营养物质, 在底泥增加的过程中无脊椎动物也充分繁殖从而导致其密度增加。因此, 缩短排泥周期在保证水处理效果的同时也能有效控制出水的无脊椎动物密度。

　　 中试基地正常运行期间, 在混凝工艺前分别投加0.5 mg/L及1.0 mg/L次氯酸钠和氯胺进行预加氯试验, 对沉淀池出水的无脊椎动物密度进行检测, 结果如表1所示。

　　 在混凝工艺前增加预加氯, 可通过消毒剂对无脊椎动物进行灭活, 使其沉降成为底泥后无法再次进入水体, 同时抑制其繁殖从而达到控制效果。

　　 从表1可以看出, 在投加消毒剂前, 沉淀池出水的无脊椎动物密度维持在3 000个/m³以上, 在消毒剂投加量为0.5 mg/L时, 次氯酸钠消毒对无脊椎动物的去除率为76.80%, 而氯胺消毒对无脊椎动物的去除率为55.74%;在消毒剂投加量为1 mg/L时, 次氯酸钠消毒对无脊椎动物的去除率达到92.58%, 而氯胺消毒对无脊椎动物的去除率达到91.98%, 两者均能保证沉淀池出水的无脊椎动物密度低于500 个/m³, 大大降低了其出水密度, 表明采用次氯酸钠或氯胺进行预加氯均能有效对水中无脊椎动物进行控制。

　　 为考察减小滤料粒径对无脊椎动物的控制效果, 中试基地2组平行流程的石英砂滤池分别采用2种不同粒径的石英砂滤料, 其中A组石英砂滤料有效粒径d₁₀=0.80 mm, 不均匀系数k₈₀=1.81, 填装高度为1 200 mm, B组石英砂滤料有效粒径d₁₀=0.52 mm, 不均匀系数k₈₀=1.69, 填装高度为700 mm。中试基地正常运行期间, 对2组流程石英砂滤池进水及出水的无脊椎动物密度进行检测, 结果如图3所示。

　　 选择滤料粒径的原则是在保证水质的条件下, 尽量选择较大粒径的滤料, 但由于较大粒径的滤料其孔隙尺寸也比较大, 对水中的无脊椎动物容易产生泄漏问题, 因此可考虑减小滤料粒径提高其对无脊椎动物的截留效果。

　　 从图3可以看出, 当A组流程滤池进水的无脊椎动物密度为3 611个/m³时, 其出水的无脊椎动物密度为833个/m³, 去除率为76.93%;而当B组流程滤池进水的无脊椎动物密度为4 439个/m³时, 其出水的无脊椎动物密度为49个/m³, 去除率达到98.90%, 显著提高了水中无脊椎动物的去除效果, 表明减小滤料粒径能够更好地对无脊椎动物进行截留, 有效控制出水中无脊椎动物的数量。但要注意滤料粒径减小后可能会引起滤速降低、缩短过滤周期、增加水头损失等问题, 因此滤料粒径的选择需控制在合理范围内。

　　 中试基地正常运行期间, 保持反冲洗参数不变, 分别采用滤后水及加氯水对石英砂滤池进行反冲洗, 其中加氯水余氯为0.6 mg/L, 对石英砂滤池出水的无脊椎动物密度进行检测, 结果如图4所示。

　　 从图4可以看出, 经滤后水反冲洗后, 当滤池进水的无脊椎动物密度为3 733个/m³时, 出水无脊椎动物密度为826个/m³, 去除率为77.87%;而经加氯水反冲洗后, 当滤池进水的无脊椎动物密度为4 870个/m³时, 出水无脊椎动物密度为231个/m³, 去除率为95.26%, 表明采用加氯水替代滤后水对滤池进行反冲洗能够有效提高出水中无脊椎动物的控制效果。其原因可能是, 采用滤后水进行反冲洗时, 主要是通过水力作用将截留在滤层中的颗粒进行洗脱, 而无法对粘附在滤料表面的部分无脊椎动物进行去除, 因此在反冲洗结束后滤层中的无脊椎动物数量仍较大, 在过滤时容易造成泄漏, 而采用加氯水进行反冲洗时, 在对滤料进行冲刷的同时, 能够对无脊椎动物进行灭活, 使其能够随着水流一同排出滤层, 大大减少了截留在滤层中的无脊椎动物数量, 使滤池出水中的无脊椎动物密度显著降低。

　　 将中试基地其中一组流程的石英砂滤池干池10 d后重新运行, 与另一组正常运行的平行流程进行对比, 对2组流程石英砂滤池进出水的无脊椎动物进行检测, 结果如图5所示。

　　 干池的方法是指在滤池的运行时间接近反冲洗时排干池内的积水, 适当自然干池几天后, 再进行反冲洗重新运行。从图5可以看出, 未进行干池处理的石英砂滤池对无脊椎动物的去除率为79.06%, 而对石英砂滤池进行干池处理重新运行后, 其对无脊椎动物的去除率提高到95.38%, 表明干池能够提高滤池对无脊椎动物的控制效果。

　　 对滤池进行干池处理后, 能够使滤层中截留的无脊椎动物在干池过程中自然死亡, 从而提高了反冲洗时对滤层中无脊椎动物的去除效率, 降低了滤池出水的无脊椎动物数量。但干池处理耗时较长, 需要滤池停产并会对滤料本身造成一定的损害, 因此需综合考虑是否采用干池工艺。

　　 在中试基地其中一组流程的石英砂滤池后增设一道200目的不锈钢拦截网, 在中试基地正常运行期间分别检测拦截网前后的无脊椎动物密度, 结果如图6所示。

　　 从图6可以看出, 当滤池出水的无脊椎动物密度为958～975个/m³时, 通过拦截网进行截留后, 水中无脊椎动物的密度降低至219～243个/m³, 有效提高了对无脊椎动物的控制效果。

　　 经拦截网截留后水中仍有无脊椎动物检出, 一方面是由于拦截网无法做到完全拦截, 部分无脊椎动物随水流从拦截网边缘通过, 另一方面是由于水流对拦截网的冲击, 使截留在网上的部分无脊椎动物被挤压通过网孔从而进入水中。增设拦截网能够有效截留滤池出水的无脊椎动物, 但需要定期对其进行清洗, 从而增加了水厂的运行管理成本。

　　 (1) 针对无脊椎动物易在混凝、沉淀过程的底泥中富集与繁殖, 将排泥周期从2 d缩短至0.5 d, 可以将沉淀池出水的无脊椎动物密度从23 118～34 559个/m³降低至5 068～8 654 个/m³, 有效减小后续工艺处理负荷。

　　 (2) 采用次氯酸钠或氯胺进行预加氯均能有效降低沉淀池出水的无脊椎动物密度, 当消毒剂投加量为1.0 mg/L时, 两者对无脊椎动物的去除率均能达到90%以上。

　　 (3) 减小滤料粒径能够更好地截留水中无脊椎动物, 用有效粒径d₁₀=0.52 mm的石英砂滤料替代d₁₀=0.80 mm的石英砂滤料, 能够将滤池对无脊椎动物的去除率从76.93%提高至98.90%, 但要注意滤料粒径减小后可能会引起滤速降低、缩短过滤周期、增加水头损失等问题。

　　 (4) 加氯水反冲洗通过水中氯的杀灭作用提高了反冲洗过程对滤层中无脊椎动物的去除效果, 有效提高了滤池反冲洗后对无脊椎动物的截留效果。

　　 (5) 干池处理能够使滤层中截留的无脊椎动物自然灭活, 再经反冲洗后能够有效降低出水中的无脊椎动物密度, 但干池工艺耗时较长, 使用前需综合考虑。

　　 (6) 对于穿透滤池的无脊椎动物, 可在滤池后增设拦截网, 通过物理截留作用对其进行去除, 需注意定期对拦截网进行清洗, 保证其截留效果。