（环境工程专业论文）净水工艺中的生态条件与摇蚊孳生的关系研究.pdf

摘要 随着我国社会经济的快速发展，由于环境污染使生态环境不断恶化，水库和 湖泊的富营养化程度变得越来越严重，导致水体中的摇蚊幼虫大量孳生，给周围 的环境带来不利影响。特别是摇蚊的低龄幼虫随饮用水水源进入到自来水净水厂 的构筑物中，由于常规工艺不能将其有效去除和杀灭，在一些地区会发生摇蚊幼 虫在沉淀池孳生繁育，影响制水生产的问题。由于摇蚊幼虫有穿透滤池污染管网 的可能，会导致公众对水质安全的忧虑，所以寻找摇蚊幼虫孳生的原因并加以消 除是供水企业亟待解决的技术问题。 本研究课题以摇蚊与生态系统的关系为研究基础，阐述了摇蚊幼虫在水生生 态系统中与各类生物及非生物因素之间相互作用的关系，及摇蚊幼虫在不同环境 条件下的孳生规律，从生态学角度分析摇蚊幼虫在自然生态环境中的生存变化机 理，在不同净水工艺条件下孳生的规律和机理，介绍了由于摇蚊幼虫孳生对自然 环境和净水生产及供水管网带来的不利影响及治理方法的研究进展。 由于目前国际上对于摇蚊的研究还主要是在分类形态学、毒理学、生物多样 性和环境生物监测等学科领域，特别是以摇蚊幼虫作为环境生物监测材料的研究 作为热点。而对摇蚊幼虫在供水工艺中孳生规律和机理的研究才刚刚起步，大多 数研究还仅限于摇蚊幼虫在人工环境条件下的杀灭实验阶段，而净水工艺在运行 中是一个动态的、多种因素影响的过程，实现在人工试验条件下稳定运行的理想 状态十分困难。因此，寻找有效治理其在净水工艺孳生问题的途径，应首先具体 分析其发生孳生的生态学机理，结合现有工艺条件，消除沉淀池内摇蚊幼虫赖以 生存的生物和非生物因素方面的原因，才能在保障水质安全和净水生产连续稳定 运行的前提下解决好这个难题。 摇蚊的生态学特征和生活习性是本研究重点关注的核心问题，摇蚊幼虫孳生 与环境中对非生物因素如温度、光照、溶解氧、p h 、底质及水力条件密切相关。 通过比对不同工艺条件下，特别是运行参数与影响摇蚊孳生各因素的相关性，揭 示了用改变生态条件的方法来控制摇蚊幼虫孳生的新途径。 摇蚊作为一种广泛分布水的生生物，爆发性繁殖是其所生存的生态环境变化 的生物信号。在沉淀池内存在含有有机物的悬浮污泥，有利于摇蚊幼虫的生长繁 殖，而脉冲澄清池工艺的上升流度与悬浮污泥在其他因素的加合作用下，使摇蚊 的世代周期迅速缩短，是发生摇蚊污染的根本原因。 关键词：摇蚊幼虫生态环境净水工艺沉淀池 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o myi no u r c o u n t r y ，p o l l u t i o nt ot h e e n v i r o n m e n th a sma d et h ee c o l o g i c a le n v ir o n m e n tw o r s e ，a n de u t r o p h i c a t i o no f r e s e r v o i r sa n dl a k e si sg e t t i n gmo r ea n dm o r es e r i o u s ，r e s u l t i n gi nma s sp r o p a g a t i o n o fc h i r o n o mi dl a r v a ei nw at e ra n da d v e r s ee f f e c tt o s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t e s p e c i a l l yf o ry o u n g e r l a r v a e ，w h i c hc o u l d e v e nc o mei n t ow a t e rt r e a t me n tp l a n t s t r u c t u r e sa l o n gw i t hs o u r c eo fd r i n k i n gw at e ra n dc a u s es e r i o u sp r o b l e mf o rw a t e r p r o d u c t i o ni ns o mer e g i o nb e c a u s ec h i r o n o mi dl a r v a ep r o pa g a t e si ns e d i me n t a t i o n t a n k ss i n c ec o n v e n t i o n a lp r o c e s sc a nn o te f f e c t i v e l yr e m o v ea n d k i l lt h e m i ti s p o s s i b l ef o rt h ec h i ro n o m i dl a r v a et op e n e t ra t ef i l t e rc h a mb e ra n dp o i l u t et he pi p e s y s t e ma n dma yr e s u l ti np u b l i cc o n c e r n s a b o u t w a t e rs a f e t y ，s o ，s e a r c h i n gf o rt h e r e a s o nt h a tc h i r o n o mi dl a r v a ep r o p a g a t e sa n dt a k i n ga c t i o nt oe l i mi n a t et h e ma r e t e c h n i c a lpr o b l e m st ha tn e e dt ob es ol v e db yt hew a t e rs u p p l ye nt e r p r i s e s i m m e d i a t e l y t h i ss t u d yi sb a s e do nt h er e l a t i on s h i pb et w e e nc h i r o n o m i da n de c o l o g i c a l s y s t e m ，e l a b o r a t e st h ei n t e r ac t i v er e l a t i o n s h i po fc h i r o n o mi dl a r v a ew i t ha l lk i n d so f b i o t i ca n da b i o t i cf a c t o r si na q u a t i ce c o s ys t e m sa sw e l la st h ep r o p a g a t i o nr u l e so f c h i r o n o m i dl a r v a ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s i ti st h es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t a l m e c h a n i s mo ft h ec h i r on o m i dl a r v aei nt h en a t u r a le c o l o g i c a le n v i r o n me n ta n dt h e c h i r o n o m i dl a r v a ep r o p a g a t i o nr u l e su n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tw a t e rt r e a t me n t p r o c e s st h a tb ea n a l y z e df r o m t h ep o i n to fe c o l o g y f u r t h e rm o r e ，i ti n t r o d u c e st h e a d v e r s ee f f e c to nn a t u r a le n v i r o n m e n t ，w a t e rp u r i f i c a t i o na n ds u p p l yp i p es y s t e m r e s u l t i n gf r om c h i r o n o m i dl a r v a ep r o p a g a t i o n ，a sw e l la st her e c e n td e v e l o p m e n to f r e s e a r c hf o rt h ec o n t r o lm e t h o d s c u r r e n t l y ，i n t e r n a t i o n a ls tu d yo nc h i r o n o mi di sm a i n l yl i m i t e dw i t h i nt h es c o p e o fc l a s s i f i c a t i o nmo r p h o l o g y ，t o x i c o l o g y ， b i o l o g i c a ld i v e r s i t ya n de n v i r o n m e n t b i o l o g i c a lm o n i t o r i n ge t c ，a n df o c u s e so nt hes t u d yt h a tt a k e sc h i r o n o mi dl a r v a ea s t h ema t e r i a lf o re n v i r o n me n tb i o l o g i c a lm o n i t o r i n g t h es t u d yo nt h ep r o p a g a t i o n r e g u l a r i t ya n dm e c h a n i s mi nw a t e rs u p p l yp ro c e s sh a sj u s ts t a r t e d ，a n dmo s to ft h e s t u d i e sa r es t i l li nt h et e s ts t a g eo f c h i r o n o m i dl a r v a ee l i mi n a t i o nu n d e ra r t i f i c i a l c o n d i t i o n ho w e v e r ，w a t e rt r e a t me n tp r o c e ssi sa d y n a mi cp r o c e s sd u r i n go p e r a t i o n ， a n di si n f l u e n c e db ym u l t i p l ee l e me n t s i ti s di f f i c u l tt ore a l i z et h ei d e a lst a t u so f s t a b l eo p e r a t i o nu n d e ra r t i f i c i a lt e s tc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，i no r d e rt of i n dt h e e f f e c t i v e w a yo fe l im i n a t i n gc h i r o n o m i dl a r v a ep r o p a g a t i o ni nw a t e r t r e at m e n tp r o c e s s ，f i r s t l y a n a l v z et h ee c o l o g i c a lme c h a n i s mo f c h i ro n o m i dl a r v a ep r o p a g a t i o n t h e ni nt h e e x i s t i n gp r o c e s sc o n d i t i o n ，e l i mi n a t et h eb i o lo g i c a la n dn o n b i o l o g i c a le l e me n t so f c h i r o n o m i dl a r v a ep r o p a g a t i o n i nt h i sw a y ，t h ep r o b l e m w i l lb es o l v e dw h i l ee n s u r i n g t h es e c u r i t yo fw at e rq u a l i t ya n dc o n t i n u o u s s t a b l eo p e r a t i o no fw a t e rt r e a t m e n t p r o d u c t i o n t h ee c o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i csa n dl i f eh a b i t so fc h i r o n o mi di st h ec o r eq u e s t i o n o ft h i ss t u d y 。i e c h i r o n o m i dl a r v a el i f ea c t i v i t i e sh a v i n gr e q u i r e m e n t sf o r n o n b i o l o g i c a le l e m e n t si nt he e n v i r o n m e n te g t e mp e r a t u r e ，i l l u m i n a t i o n ，d i s s o l v e d o x y g e n ，p h ，b o t t o mq u a l i t ya n dh y d r a u l i c p o w e rc o n d i t i o n s b yc o n t r a s t i n ga n d c o r r e s p o n d i n g d i f f e r e n tp r o c e s sc o nd i t i o n s ，e s p e c i a l l yt h eo p e r a t i o np a r a m e t e ra n di t s c o r r e s p o n d i n gi n f l u e n c eo ne a c he l e m e n to fc h i r o n o m i dp r o p a g a t i o n ，t h es t u d yp a pe r d i s c o v e r san e wa p p r o a c ht oc o n t r o lc h i r o n o m i dl a r v a ep r o p a g a t i o nb yc h a n g i n g e c o l o g i c a lc o n d i t i o n c h i r o n o m i di saw i d es p r e a da q u a t i co rg a n i s ma n di t sb r e a k i n g o u tp r o p a g a t i o n i st h eb i o l o g i c a ls i g n a lo fc h a n g e si nt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw h e r ei te x i s t s i nt h e s e d i m e n t a t i o nt a n ko fw a t e rt r e a t m e n tp ro c e s s t h e r ei st hep h e n o m e n ao fo r g a n i c s l u d g ep i l e u pw h i c h i sa d v a n t a g e o u sf o rt h eg r o w t ha n dp r o p a g a t i o no fc h i r o n o mi d l a r v a e t h eu p w a r df l u i d i t yo fp u l s es e d i m e n t a t i o n t a n kp r o c e s sa n dt h es u s p e n d e d s l u d g e 。u n d e rt h ea d d u c t i o no f o t h e re l e me n t s ，h a ss h o r t e n e dt h eg e n e r a t i o np e r i o do f c h i r o n o m i df a s t t h er a d i c a lr e a s o nf o rc h i r o n o m i dp o l l u t i o n k e yw o r d s ：c h i r o n o m i dl a r v a e ，e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ， s e d i m e n t a t i o nt a n k 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论弟一旱殖比 从上世纪九十年代中期开始，随着饮用水水源进入微污染时代，水体的富营 养化加重，不仅使原水中有机物指标越来越高，也使原水生态系统发生了悄悄的 变化，在水库湖泊底质中生活的底栖原生动物的数量和生物量都在不断增长。传 统的处理工艺主要是去除原水中的颗粒、杂质、胶体和细菌，在污水处理着力解 决废水中有机化学指标超标的问题后，净水厂把水体生态系统中的水生植物一一 藻类作为去除的重点，近些年来，一些水体中底栖的原生动物、后生动物被发现 在水处理工艺中孳生。摇蚊幼虫是水体中底栖后生动物的一种，九十年代，摇蚊 幼虫孳生对净水工艺中产生困扰主要发生在南方，特别是在广东、深圳等城市的 净水工艺的沉淀池内，近些年来，在北方的和西北部城市也出现了这个问题。由 于摇蚊幼虫是水生生物中次高级类的动物，对其生存规律与环境影响因素研究比 较复杂，目前其在净水工艺中发生、发展机理不明确，季节性污染的特点，使常 规工艺无法去除，给供水企业的正常生产带来了困难，提高了水质安全的风险。 关于摇蚊幼虫污染的治理，一些有效杀灭摇蚊幼虫的的研究方法大多都只形 成于实验室或中试条件下，限于净水生产连续、量大、影响因素众多，工艺单元 组合复杂的特点，能够在生产实际中应用的有效杀虫方法并不多见。需要从生态 学角度去研究摇蚊生命活动规律与其生存环境的关系，根据这些特点寻找其在净 水工艺过程，特别是沉淀池内发生、发展、孳生污染的形成机理，找出影响这些 过程和机理的主要因素，结合生产运行过程的实际，通过净水工艺参数的调整来 改变导致摇蚊孳生的生态环境因素，达到从根本上治理的目的。 1 2 摇蚊与生态系统 1 2 1生态系统 生态系统是自然界一定空间的生物与环境之间的相互作用、相互影响、不断 演变、不断进行着物质和能量的交换，并在一定时间内达到动态平衡，形成相对 稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的单位。一个生物物种在一定范围内所 有个体的总和在生态学中称为种群，在一定的自然区域内许多种不同种群的生物 总和则称为群落。任何一个生物群落与其周围非生物环境的综合体就是生态系 统。 水生生态系统由生物和非生物环境两大部分组成，非生物环境组分包括有： 第一章绪论 ( 1 ) 光照，即来自太阳的直射辐射和散射辐射。 ( 2 ) 大气环境，空气中的组分，如二氧化碳和氧气与水生生物的关系系密 切。 ( 3 ) 水体环境，环境中水体的存在形式有湖泊、溪流、海洋、地下水、江 水等，也可以以弥散在空中的水蒸气，渗透在土壤中的水的形式出现。 自然环境通过其物理性状况( 如辐射强度、温度、湿度、压力、风速等) 和 化学状况( 如酸碱度、氧化还原电位、阳离子、阴离子等) 对水生生物的生命活 动产生综合影响。生态系统中的生物部分由四种基本成分构成：生产者，消费者， 分解者和非生物成分。 水生生物与其生存的水环境之间，以及水生生物群落内不同种群生物之间不 断进行着物质交换和能量流动，并处于互相作用和互相影响的动态平衡之中，构 成了水生生态系统。与陆地生态系统的环境相比，水生生态系统是以水作为系统 的环境因素。水生生态系统由环境条件和水生生物这两大要素组成( 见图1 - 1 ) 。 r 气候因子：光照、温度、水分、空气等 r 环境条件 臭氧 稳定性二氧化氯 臭氧 液氯 过氧化氢。 2 1 第四章净水工艺中摇蚊污染治理的研究发展现状 沉淀池是一个开放的系统，如果在沉淀池生产实际中动态投加，达到以上氧 化剂的浓度会受环境温度、加药设备的制约，而且幼摇蚊幼虫在沉淀池做巢对其 自身就是一个保护，氧化剂浓度在穿过生物粘泥时也还要被消耗一部分而降低浓 度。 如果采用静态投加的方式，需要停止生产运行，必须在对沉淀池进行彻底的 清洗，除去池内的沉泥的基础上进行，否则原水和有机污泥中的还原性物质对氧 化剂的消耗会使有效浓度大大降低，达不到预期的效果。这样净水生产就不能连 续进行，尤其在摇蚊污染的季节正值夏季供水高峰到来的阶段，频繁停池消毒也 是不现实的。 4 3 生物操纵法 微污染水源中由于生物种类的多样性降低，摇蚊幼虫的上一级营养者的减少 会将摇蚊的生存压力降低，进入净水工艺的摇蚊幼虫脱离了鱼类的捕食威胁，混 凝沉淀过程中藻类和胶体类有机物成为其丰富的营养供给。 用人工干预的方法，即生物操纵技术通过改变水体群落结构来减少浮游生物 的现存生物量，达到改善水质的目的引，国内的相关试验研究已证明了鱼类对摇 2 取x ) 、e1 5 0 ) 墼i ( x x ) 两： 5 ( ” 0 2 35 。2 l62 271 27 2 781 590 7 卜崩f d a t e j 图4 1 摇蚊幼虫密度的季节变动 第四章净水工艺中摇蚊污染治理的研究发展现状 一l 毒囫2 _ i 筝 口3 舅口4 蠢 笔。凡凯。 一。一 ，一。j 一 4 2 ) 2l“2 2 7l2 7 2 ， kl ，“l l7 f 1 糍fd a l e ) 图4 2 摇蚊幼虫密度的季节变动 蚊幼虫数量的影响瞳( 见图4 - 1 ，4 - 2 ) ，以1 # 作为对照池，分别在2 # 3 # 4 # 的同底质 池塘放养鲢鱼、罗非鱼和草鱼，对池内底质的生物量进行对比试验，底质中底栖 动物数量和生物量的9 5 - - 9 9 8 为摇蚊。在摇蚊幼虫的生物量大小变化如图5 2 ， 所以鱼类这个生物因素的缺失，使摇蚊幼虫成为净水工艺过程水环境中唯一没有 被抑制的生物物种，这是其孳生的另一个重要因素。 生物操纵的方法在净水工艺中的调节池内被广泛采用，不仅可以抑制摇蚊幼 虫的生物量，对减少藻类数量也可以发挥较好的作用，但是当被用于沉淀池内时， 鱼类对净水工艺过程中各种净水剂的适应性还有待于研究，在生产实践中，一般 来说沉淀后的池水中常规絮凝剂的浓度都符合饮用水的指标要求，所以对鱼类的 影响较小，但是如果工艺中增加了预氧化手段，如液氯、二氧化氯、臭氧、高锰 酸钾等氧化性化学物质，如果浓度掌握不好，就容易带来问题。已有研究证明鱼 类在余氯小于1 0 m g l 的水中生长良好，余氯量达到2 0 m g l 时对摇蚊幼虫的也没 有杀灭作用。而随之产生的问题是鱼类的代谢产物在后期工艺中没有去除的途 径，在夏季高藻期这些含氮物质还容易带来沉淀池藻类生长的副作用，同时鱼类 活动会对沉淀池水中絮体沉降带来扰动，带来出水水质高的不利影响，所以有一 定的局限性。 以上这些治理摇蚊幼虫孳生的方法都重点关注了对工艺过程中己生成摇蚊 的杀灭和控制，没有去研究产生摇蚊污染的深层次原因。 4 2 0 8 。 4 2 0 第五章不同工艺系统环境对摇蚊幼虫孳生的影响研究 第五章不同工艺系统环境对摇蚊幼虫孳生的影响研究 5 1 试验方法研究 分别选取连续运行的两个净水车间，采用预氧化+ 强化混凝工艺，在摇蚊高 发期进行不同运行，结合不同工艺特点和摇蚊幼虫污染的一般规律，进行分别以 预臭氧+ 强化混凝工艺与预加氯+ 强化混凝工艺为基础的生产性试验，通过改变工 艺参数通过各项参数调整影响的的生态环境因素变化与摇蚊幼虫生长发育的关 系，考察摇蚊幼虫的生长状态。 5 1 1 工艺流程选择 ( 1 ) 预加氯及强化混凝工艺 采用“预加氯+ 静态混合+ 双层回转隔板反应池+ 斜管沉淀池+ 滤前加氯+ v 型滤 池+ 主加氯+ 清水池”的水处理系统，该系统建成于2 0 0 0 年，设计产水能力1 0 万吨 日，此系统具体流程图如下： 图5 - i预加氯及强化混凝工艺 采用常规处理工艺，管道式静态混合器，双层回转隔板反应池，斜管沉淀池 和滤前滤后两点加氯消毒。预加氯浓度为l o m g l ，投加的混凝剂种类为三氯化铁 与聚合氯化铝复合投加，铁盐铝盐比例约2 ：l ，助凝剂为泡花碱。原水在重力流 作用下通过静态混合器时在静态混合器的前端与混凝剂迅速混合，静态混合器的 出口与助凝剂混合，使混凝药剂与原水充分混合后进入通过反应池的下层孔室和 上层隔板反应区后，沿导流渠进入了斜管沉淀池。 斜管沉淀池共分为4 组池，单池斜管区有效面积为4 7 8 m 2 。采用虹吸式自动机 械排泥机，设计流量为3 8 2 m 3 s ，清水区上升流速为2 m m s ，斜管有效面积为 1 9 1 0 m 2 。 2 4 第五章不同工艺系统环境对摇蚊幼虫孳生的影响研究 斜管沉淀池的设计上升流速为2 2 m 秒。斜管区长度为1 m ，斜管的上层有0 5 m 的清水区，底部缓冲层高度为1 o m ，斜管下为废水分布区，高度不小于0 7 m ，配 水区下部为积泥区。沉淀池清水区的出水由条形集水槽均匀收集汇流的溢面清 水，上表层清水以平移溢流的表扫方式流入长条状的集水槽，在池面上几乎没有 滞水区，沉淀池出水的浊度指标一般控制在1 0 n t u 以下。 ( 1 ) 预臭氧及强化混凝工艺 采用“预臭氧+ 机械混合+ 上向流碳吸附脉冲澄清池+ 整体滤板v 型滤池+ 紫外 线消毒系统+ 主加氯+ 清水池+ 补氯”的水处理系统，该系统建成于2 0 0 9 年，设