供水生产中水蚤类浮游生物控制技术研究.doc

供水生产中水蚤类浮游生物控制技术研究苏洪涛第1章绪论11课题背景2006年4月，南方某水厂出厂水水质常规检查中发现了剑水蚤、象鼻蚤、猛水蚤等小型浮游水生物。这不仅违反了生活饮用水卫生标准中对感官性状指标的规定，使用户对水质的信心下降，更为重要的是已经证明大多数剑水蚤目是诸如血吸虫，线虫等水中致病生物的中间宿主，从而成为疾病传播的一个重要媒介，给安全用水带来隐患。正因为如此，对影响水厂去除水蚤效率的各因素进行研究，并提出提高水厂对水蚤去除率的方案势在必行。12水蚤的生物学特征经过调查，水厂出水中出现的水蚤都可以归结为桡足类甲壳动物或枝角类甲壳动物。121桡足类甲壳动物的生物学特征桡足类水生浮游生物的基本生物学特征介绍如下：(1)桡足类水生生物隶属于节肢动物门，甲壳纲。体长0303oomm之间：(2)身体纵向较长且分节，体节数不超过11节，头部1节、胸部5节、腹部5节；(3)头部有一眼点、两对触角、三对口器；(4)胸部具5对胸足，前四对构造相同，双肢型，第五对常退化，两性有异；(5)腹部无附肢，末端具一对尾叉，其后有数根羽状刚毛。雌性腹部常带卵囊；(6)变态发育，即有无节幼体和桡足幼体。桡足类浮游生物又可以细分为：剑水蚤、猛水蚤、哲水蚤三类。哲水蚤在水厂中没有发现，剑水蚤水厂各处理构筑物中均有发现，而猛水蚤则在活性炭滤池中较多。现分别将剑水蚤和猛水蚤的基本特征介绍如下。1211剑水蚤的生物学特征剑水蚤隶属于节肢动物门，甲壳纲，桡足亚纲。体长O30300mm，一般小于2mm。身体窄长，体节分明，一般有16或17个体节组成，但是由于若干体节相互愈合，实际体节数目不超过11个。雌性第一触角多为17节，雄性第一触角左右均形成执握肢。躯体可分为较宽的头部和较窄的腹部。头部有1点眼、2对触角和3对口器：胸部具有5对胸足：腹部无附肢。身体末端具有1对尾叉：雌性腹部两侧或腹面常带1个或1对卵囊。剑水蚤体形如图11所示(a为雄体，b为雌体)：剑水蚤类浮游动物具有很强的抗氧化性。一方面，甲壳动物的体壁坚硬，这种硬化的体壁称为甲壳，甲壳动物体表有一层角质膜，是一种外骨骼，一般可以分为三层：上角膜(上表皮)，外角膜(外表皮)与内角膜(内表皮)，而内角膜有可分为两层钙化层与非钙化层。正是因为它们具有如此厚而坚硬的外壳，使他们在抵抗水体中压力的同时对溶解于水体中的氧化剂也有较强的抵抗力。另一方面，它们在水体中以急剧的跳跃作间断的游动，有时在水草或其他物体上停留一下，再作急剧的跳动。剑水蚤如在水中停止游动，它的身体就迅速下沉，所以它没有缓慢的滑行或浮荡。这种现象大大降低了水处理工艺中的沉淀过程对它们的去除效应。剑水蚤目包括掠食，刮食和混合型三种取食方式。白色大剑水蚤、棕色大剑水蚤、草绿刺剑水蚤、矮小刺剑水蚤、广布中剑水蚤为肉食动物，主要掠食摇蚊幼虫、寡毛类、枝角类以及桡足类。双色小剑水蚤、大尾真剑水蚤等食性是混合型的，取食藻类、原生动物、轮虫和动物尸体。闻名大剑水蚤取食碎屑和动物尸体，称之为刮食型。剑水蚤中的许多种类是绦虫、吸虫和线虫的宿主，我国科研工作者发表的第一篇关于剑水蚤的分类报道，就是1929年李希杰在研究孟氏裂头绦虫的中间宿主时所报道的北京地区的10种剑水蚤。1212猛水蚤的生物学特征猛水蚤体形多样，呈圆筒形、卵圆形或梨形。活动关节位于第六胸节末端，其他各节间也能自由屈伸活动。大部分生活在海洋，仅一小部分生活于淡水或半咸水中。猛水蚤类雌性腹部由4或5节组成，雄性分5节，腹部最末1节称肛节，后缘为尾又，尾叉末端具若干刚毛。胸足均同形。大多沿着水域底层爬行，取食碎屑、动物尸体、原生动物或轮虫n1。弯曲爬行，能在水中间断地跳跃。它们常是大型底栖动物或浮游动物的食物，种类繁多，己发现有2800种，分隶30余科。猛水蚤如图12所示：由于剑水蚤和猛水蚤具有很多的相似性，在以后的研究中，便将其放在一起讨论。122枝角类甲壳动物的生物学特征枝角类通称水潘，属无脊椎动物，甲壳纲，鳃足亚纲。身体短小(体长O21mm，视具体种类而定)，长圆形，分为头部和躯部，侧扁，体节不明显。除头部裸露外，身体其余部分包被于透明的介形壳瓣内。头部有2对明显的触角，第1对触角较小，第2对特别发达，可分为内枝和外枝，能在水中划动，为运动器官。胸肢46对，摆动时可产生水流，上有长刚毛，可将食物过滤后送入口中。雌雄异体，春夏两季连续多次孤雌生殖，产生大量个体。适合枝角类实行无性生殖的水质条件如下：水温：1730；pH：6585；咸度：淡水种可耐咸度23gL，海水种则可耐高咸度；溶解氧：15mg/L，溶解氧超过5mgL时，繁殖力会下降。枝角类的适应性广，繁殖力强，生长迅速。滤食性枝角类从水中滤取细小的食物，如酵母菌、细菌、单细胞藻类、原生动物以及有机腐屑，其中以细菌与腐屑最为重要。13水厂出水中水蚤增多的原因131水体的富营养化为水蚤的繁殖提供了物质条件水体的富营养化为水蚤的生长提供了良好的生存环境，据调查表明，在水库、湖泊、池塘等静水水域，水体的富营养化程度比较高，水蚤逐渐发展成为优势种群，其含量也十分大，一般数量在10100个L，有时甚至高达1000个L。而在江河等流水水域由于富营养化程度较低，以及水体的更新速度较快，蚤类的数量很少，还不至于对水处理产生严重的影响。132鱼类的过量捕捉水蚤是鱼类的天然食料，但是由于人类过量捕捉经济鱼类，打破了原有的生态平衡，最终导致各类浮游动物过量繁殖。133水蚤具有较强的生命力水蚤的甲壳具有很强的抗氧化性，可以很好地保护水蚤，致使水蚤难于灭活。而水蚤活体进入水厂后不仅难以去除，还会在水处理构筑物中孳生，这大大加重了去除的难度。14水蚤类浮游生物去除研究现状有关水蚤类浮游生物在给水厂出水中出现的问题，国内外均有报道并做了一定的研究。对于问题的解决，主要集中在对水蚤的杀灭，常规工艺的改进，以及生态控制等方面。141对水蚤的杀灭水蚤具有游动性，其活体较难在水处理中除去。因此，利用物理的、化学的方法杀灭水蚤类浮游动物，使其失活，进而对其进行去除，是国内外普遍采取的除蚤措施。在尼日利亚西部几内亚蠕虫病发区，人们为控制几内亚蠕虫的中间寄主剑水蚤，运用了不同的方法组合：使用Tenephos，一种有机磷化合物来杀死剑水蚤，并使用织物类过滤器来去除剑水蚤，同时利用对人们进行安全教育来减少水源的污染。德国的一个水厂还认为超声波技术(作用时间几分钟)在杀灭去除蚤类方面也是可取的。JohnCHoff与EdwinEGeldreich通过对大肠杆菌和病原体的灭活试验研究表明，几种水厂常用的氧化剂的氧化能力由高到低依次为：臭氧二氧化氯液氯氯氨。在我国，崔福义、林涛等人认为预投二氧化氯可以有效地杀灭剑水蚤，将预投二氧化氯与混凝、沉淀以及过滤工艺相结合，能保证对剑水蚤地有效去除0。邢宏，金树华等结合石家庄自来水公司的生产实践，提出氯氨作为灭活水蚤类浮游生物药剂也是可行的n。142常规工艺的改进在印度拉贾斯邦农村，人们在认识到剑水蚤是致病寄生虫的寄主后，研究出了一种有效的去除井水中剑水蚤的水过滤器，但这只对小水量能起到一定作用。针对较大型水厂，科研人员认为絮凝和过滤过程对饮用水中不应存在的浮游动物的去除效果取决于物种的形状、大小及其运动性。一些国家的科研人员也提出过去除浮游动物的可能方法，如德国Wahnbachtalsperrenvefband净水厂从浮游动物的生理及其在水中出现特性入手进行调查并得出了结论，认为最适宜的去除浮游动物的方法是：1)降低滤料的粒径(、超滤(VF)、微滤(MF)和纳滤(NF)除能去除水中嗅味、色度、氧化副产物前体及其他有机物和微生物外，应该能有效去除水中蚤类浮游动物，但在进行膜处理之前必须对原水进行严格的各种预处理和常规处理，其投资和运行费用很高。143生态控制长期以来人类在肆意对自然资源开采利用时，对其再生与可持续发展未给予重视，造成了资源日益枯竭的恶性后果。在我国的许多水库、湖泊中，因人为捕渔的影响使得许多水体中出现了贫鱼、无鱼的情况。当上级营养者遭到破坏时，由于捕食关系的影响，水蚤类浮游生物的生存压力得到了极大的缓解，脱离了上级捕食者的制约在下级营养物质充足的条件下(由于水体富营养化的影响藻类大量繁殖为其提供丰富的营养)，势必造成其大量繁殖。这一点已逐步为国内外学者所证实。早在60年代初期，Hrbacek等首先证实了鱼类在调节浮游生物的种类组成和大小方面具有重要作用。Afcifa等人的围圈实验表明，在无鱼的围圈中，有个体较大的枝角类存在。DremerMC等研究罗非鱼在Kinneret湖中对浮游生物的摄食选择性后指出，罗非鱼对浮游动物和大型的浮游植物具有明显的抑制作用。Brooks JL在研究美国Crystal湖滤食性鱼类时指出，在鱼种群密度较小的1、2观察站中的桡足类、枝角类浮游动物的数量明显高于种群密度较高的3观察站。杨宇峰、黄祥飞在研究武汉东湖鲢、鳙对浮游动物群落结构的影响后指出，在鲢、鳙混养的围圈中桡足类和枝角类的数量与生物量明显低于无鱼的围圈。由此，崔福义等认为鱼类的减少乃至灭绝成为水蚤类浮游动物迅猛增长的动力。利用改变鱼类的组成和密度为内容的“生物操纵技术可以达到以恢复食物链和生态平衡为最终控制目的的生态治理。在水蚤类浮游动物的生态治理中，只要合理的运用“生物操纵技术，通过在水体中投放一定数量的鱼类，尤其是以鲢、鳙为代表的以水体中浮游生物为食的鱼种并配合以其他植食性的鱼类如草鱼、杂食性的鱼类如鲫鱼、鲤鱼等来实现从捕食压力、生存空间、营养物质等多方面因素的综合治理，可以取得理想的治理效果依靠生态技术对水处理中出现的因水源恶化而引起的新问题进行治理，是一条符合可持续发展的新途径，从长远来看它也是一条解决此类问题的根本途径，不仅能解决饮用水安全问题，还具有生态、环境等多方面的效益。15课题目标1调查研究水蚤密度在水处理过程中沿程的变化情况，分析出厂水中出现水蚤类浮游生物的原因，并找到相应的对策；2通过化学试验，结合南方水源情况，找到合适的杀灭水蚤类浮游生物药剂；3针对水厂现状，提出提高水厂对水蚤类浮游生物去除效率的方案。16研究的技术路线第2章水蚤在水厂中的迁移规律21南方某水厂工艺简介南方某水厂距离其水源水库148km，原水在泵站加氯O4mgL后约经36小时进入水厂。图21是其处理过程的简图。如图所示，原水进入厂区后，经配水井直接进入格栅井除渣，然后流入预臭氧接触池。预臭氧的投加采用文丘里管射流曝气，臭氧的投加率为0515mg/L。预臭氧接触池出水进入混合池，在池内投加混凝剂碱式聚合铝；絮凝区采用折板反应池，停留时间为15分钟；平流沉淀池的沉淀区长80m，水平流速16mms，停留时间146h，采用虹吸式吸泥车排泥。沉淀池出水进入V型滤池，滤池采用单层均质石英砂滤料，粒径0812mm，厚15m，滤速837mh。反冲洗方式为三段式气水联合反冲洗，反冲洗过程中伴随有表面冲洗。砂滤池出水进入主臭氧接触池进行处理。臭氧的投加率为1025mL，接触时间106分钟，水中剩余臭氧浓度控制在O2mgL左右。主臭氧接触池出水进入活性炭滤池，活性炭滤池采用V型滤池，炭层厚度185m，滤速109mh，反冲采用先气冲，再气一水联合反冲，最后水冲的三段的方式。截至调查时南方某水厂活性炭滤池运行15年。出水加氯1illgL，进入清水池。生产废水全部回收处理。共设有四座回收水沉淀池，沉淀区长度40米，水平流速约11mms。上清液回流至配水井再次进入水处理系统。22水厂各水处理构筑物对水蚤的去除情况调查221絮凝池出水中水蚤情况调查混凝工艺包括投药、混合、反应等环节。水厂进水中投加混凝剂和其他药剂后，经过几秒钟的强烈混合，药剂迅速而均匀地分布于水中，使水中的污染物胶体颗粒失去稳定性，从相互排斥转变为相互吸引，然后脱稳的胶体颗粒在絮凝池中因相互碰撞而结合，最后生成有一定大小、密度和强度的絮凝体。沉淀池起端采样发现，混凝剂也可以附着在水蚤体表，如图22至25所示。图22表现的是一只没有被混凝剂附着的剑水蚤活体，其通体几近透明；图23同样是剑水蚤活体，其头部出现褐色斑点是在水中的泥土以及混凝剂共同作用下产生的结果；图24则是象鼻蚤活体，体表出现大面积的杂物，其“象鼻上的矾花尤为明显；图25是一只剑水蚤死体和一只象鼻蚤死体由于尾部被矾花覆盖而和矾花结合成一体。222沉淀工艺去除水蚤情况调查沉淀池作为水厂重要的处理构筑物，其作用是将水中的大颗粒物质沉淀以去除。为研究沉淀池对水蚤的去除情况，2006年6月对南方某水厂平流沉淀池进行了为期两周的采样。采样结果如图26所示。由图26可知，去除效率最低点是6月2日的9073，最高点是6月19日，达到9874，这说明沉淀池可以去除大部分水蚤。在水蚤爆发期，尽管去除效率高于90，由于水中水蚤基数大，沉淀池出水之中其密度仍然会维持在较高水平。同时图26表明，去除效率的最低点和最高点并不与原水水蚤密度变化相对应，所以原水中水蚤总密度并非影响沉淀池去除效率的主要因素。223砂滤工艺去除水蚤情况调查过滤工艺在水处理过程中占有非常重要的地位，它直接影响到出水水质的高低。过滤的作用不仅在于可以进一步降低水的浊度，还可以去除有机物、细菌乃至病毒。由于水蚤的个体特别是成体体积等于甚至大于滤料，理论上可以被砂层所拦截，然而Lupi等人研究指出，混凝和过滤工艺无法有效地去除地表原水中存在的浮游生物堙。故对砂滤池去除水蚤效果进行研究尤为必要。图27所示为2006年6月初的采样结果。采样结果表明砂滤不能完全拦截水蚤，砂滤池出水中所采水蚤不仅有幼体，也有本身体积大于粒径的成体。去除效率时有起伏，最低时只有6786，最高亦可达9784。显然在提高砂滤池对水蚤的去除效率上有很大的空间，找到滤池去除水蚤的影响因素，对控制出厂水中的水蚤密度具有重要的意义。224深度处理工艺去除水蚤情况调查生物活性炭工艺是一种有效的给水深度处理方法。它是由臭氧和活性炭吸附相结合的水处理方法。特点是：完成生物硝化作用，将NH+4一N转化为NO-3；将有机物氧化：增加水中的溶解氧，有利于好氧微生物活动，使活性炭部分再生，从而延长了再生周期。若将臭氧投加在滤池前还可防止藻类和浮游植物在滤池中孳生。南方某水厂的活性炭池自2005年初开始使用。2006年6月对其进出水中的水蚤密度进行监测，结果如图28所示：调查数据表明经过炭滤池处理后，水蚤密度不降反升，部分时间炭池出水中水蚤密度是砂滤池出水的7倍。活性炭池出水总管中水蚤密度最高点达到了34个100L，且以活体居多，显然炭滤池中孳生了水蚤。炭滤池是水厂处理的最后环节，水蚤在此孳生必然导致出厂水中水蚤密度难以控制。225回收水池水蚤密度调查回收水池的作用是收集絮凝池、沉淀池排泥水和滤池反冲洗水等自用水。排泥水和反冲洗废水进入回收水泵井截留调节，然后用泵提升送入回收水沉淀池沉淀，其上清液进入回收出水泵井，经潜水泵送回水厂的配水井回用。由于反冲洗水以及排泥水中均含有一定密度的水蚤，回收水池中水蚤密度较高，2006年5月对其中的水蚤经行了监测，结果如图29所示：调查结果显示，回收水池中水蚤的密度较大，保持在140280个100L之间，活体密度较低，一般保持在10个100L以下，而同期原水中水蚤的密度大多在1000个100L以上，而活体密度则是回收水池中的10倍左右。无论回收水池中的活体密度还是水蚤总数均远低于原水。23本章小结本章主要对南方某水厂的生产工艺进行了调查，并对水处理沿程的水蚤密度经行了监测。监测结果表明：沉淀池可以稳定的去除大量的水蚤；尽管砂滤池滤料的粒径只有08mm12mm，还是不能完全拦截水蚤成体；而炭滤池出水中的水蚤密度高于砂滤池出水，初步判断是活性炭池孳生了水蚤；回收水池中含有一定密度的水蚤活体，在其密度较大时，将回收水池上清液直接回流可能会对生产带来负面效果。1第3章水处理工艺对去除水蚤的影响31混凝沉淀工艺对去除水蚤的影响为研究水蚤在沉淀池中的沉降情况及其影响因素，分别对水蚤的自由沉降情况以及经过混凝后的沉淀情况进行考察。311水蚤在静水中的沉降情况活的水蚤个体可以在水中自由活动，没有沉降的概念。为研究水蚤死体的沉降状态，在原水中取未被水中悬浮物附着的水蚤死体做沉降试验。试验中将水蚤死体分成两组，分别放入经煮沸后放置一天的水中以及新取的自来水中。观察发现，水蚤在煮沸后的水中直接沉降至容器底部。而在新鲜水中，水蚤的沉降过程分为三个阶段：第一阶段水蚤直接下沉；第二阶段水蚤下沉速度减慢并到达一定高度后逐渐上浮直至水面；第三阶段时在水面停留一段时间后水蚤重新下降直至容器底，个别水蚤仍然浮在水面。这主要是由于水蚤密度较小，仅略大于水，新取的自来水中含有气泡，一旦气泡附着在下沉的水蚤上形成水蚤和气泡的结合体，其密度将小于水，这样在浮力的作用下水蚤反而上浮。当其浮到水面上时大部分水蚤在和气泡分离后沉淀至水底，而部分未和气泡分离的水蚤则继续漂浮于水面。经过煮沸而又放置一天的水中溶解的气体很少，没有气泡逸出，仅有重力作用于水蚤从而水蚤下沉直至容器底部。试验表明，失去活性的水蚤可以自然沉淀。但是由于水蚤密度和水接近，其沉降过程易受水中气泡、水力扰动等因素的影响，改善水蚤的沉降条件将有助于水蚤在沉淀池中的去除效率。312混凝过程中矾花在水蚤体表的附着本试验旨在考察在混凝过程中矾花对水蚤的附着情况，桡足类和枝角类分别进行。试验中水质条件如下：水温18，pH值6871，浊度1015NTU，平均浮游藻类生物总量41103个L，CODMn=186mgL，混凝剂采用聚合氯化铝，快搅1min，转速250rmin，慢搅15min，转速50rmin，静止沉淀15min，最后取出水蚤并置于显微镜下观察，试验结果如下表：由上表可以看到，试验条件下该原水采用PAC作为混凝剂时，最佳投加量为2mgL，但是混凝剂投加量在一定的范围内，水中的矾花均可以和水蚤附着，其附着情况和混凝剂的投加量没有关系。水蚤与矾花的作用情况见下图所示。如图相对于桡足类，矾花更加容易和枝角类接触并附着在其体表，活体尤为明显。桡足类活体体表出现矾花的最高比例是500，而同样条件下，附着于枝角类上的比例最低为30。这主要是由于枝角类游动速度慢，身体扁圆，容易被附着，身体上可见大的絮凝物。同时对比发现，在絮体附着较多的时候枝角类的行动会受到一定程度的影响，而桡足类游动快，身体细长，故絮体难于附着在水蚤体表，部分颗粒甚至附着在桡足类活体后，经过一段时间脱落下来。同时絮体附着在活体体表的比例大大小于死体，死体和矾花相互作用的比例最低亦达8750，而矾花附着在枝角类活体表面的比例在40左右浮动，而桡足类活体则最高仅500，且部分死体表面出现大范围的杂物，甚至死体本身成为絮体的一部分，而这些情况在水蚤活体身上均不曾出现。313影响混凝沉淀工艺去除水蚤效率的因素分析以上试验表明，影响混凝沉淀工艺去处效率的因素主要是水蚤的活性。失去活性的水蚤不仅可以在重力的作用下沉降下去，而且更容易和矾花结合从而改善水蚤的沉降条件。值得注意的是生产采样表明，即使失去活性的水蚤，也并不能通过沉淀池予以全部去除。该情况的出现应该是和平流沉淀池的水力条件有关系。首先，平流沉淀池的尾端，在出水堰附近形成上升流，部分本已下沉的水蚤会随着水流流出。其次，平流沉淀池中水流的雷诺数一般为400015000，属于紊流状态，此时水流除水平流速外，尚有上、下、左、右的脉动分速，且伴有小的涡流体，这都不利于水蚤的沉淀。最后，加上池体表面风的影响，池面水层出现两类波纹：一类是在风的作用下而产生，它们顺着风向；还有一类是由于沉淀池侧边凸凹不平，从而激荡出以凸凹点为中心向池中扩散的波纹，在这两种波纹的作用下水蚤在水面上下振荡，不能沉下。32砂滤对去除水蚤的影响321粒径对去除效果的影响我国规范中所采用的滤料粒径范围是：单层石英砂滤料0512mm；双层滤料中无烟煤为0818mm，石英砂0512mm弛鄹。理论上假设滤料直径为d，则通过筛除作用即可以去除粒径大于d65的颗粒。也即水厂所采用的滤料通过筛除作用可以去除00770185mm范围内的物体，而水蚤体长均在0230mm之间，也即理论上滤池完全可以截留水中的水蚤，至少滤后水中不会出现水蚤成体。但是在该水厂滤后水中采样表明，不仅个体较小的水蚤幼体可以穿透滤池，水蚤成体也时有发现。为研究粒径对去除效果的影响，利用大涌试验基地的1#、2#和3#滤柱做过滤试验。1#砂滤柱中为双层滤料，下层是石英砂，粒径04mm08mm，厚40cm；上层为无烟煤，粒径为1Omm16mm，厚为55cm，滤速72mh。2#砂滤柱中装填石英砂滤料，粒径为O5mm10mm，厚15m，滤速8mh。3#砂滤柱中装填石英砂滤料，粒径为O8mm12mm，厚15m，滤速837mh。为排除砂层中可能含有的水蚤的干扰，加大反冲洗的力度，反冲洗时1#砂柱的膨胀度控制为50，其他为45，反冲洗持续一个小时。待过滤开始1小时后用浮游生物网富集4吨滤后水中的水蚤，试验过程中水蚤密度为2550个100L。采样数据记录于下表，为单位统一，所以数据均换算为每100L中的水蚤个数。试验表明，直径在04mm12mm之间的滤料都不能完全将水蚤截留在砂层中。由1#滤柱水蚤的穿透率和2#、3#滤柱对比可知，厚度仅为O95m的双层滤料对水蚤的去除效率即可和厚度达15m的单层滤料相同，这主要是因为尽管1#滤柱中含有粒径较大、厚度为55cm的无烟煤滤料，但是其石英砂滤料的粒径仅为O4O8mm，这部分滤料拦截水蚤的效率高于其他两个滤柱中的滤料，从而造成3个滤柱对水蚤的去除效率基本相同，显然粒径较小的滤料对水蚤的去除效率也就较高。2#滤柱和3#滤柱尽管在粒径上略有差别，但是对水蚤的去除没有明显差别，穿透率均维持在0814之间，这可能是由于两根滤柱中滤料的差别不大，而水蚤穿透滤层是随机的，细小的差距没有被显示出来。322水蚤密度对去除效果的影响本试验旨在考察滤柱进水中水蚤密度对去除效果的影响，试验装置为大涌试验基地1#砂滤柱，滤料不变。试验中滤柱进水中水蚤密度控制在88130个100L。并将所得结果与321中在1#滤柱上的数据做对比。试验数据记录如表32所示，其中的所有数据均按照每百升水中的水蚤密度统计，试验一代表水蚤密度为2948个100L者，试验二代表水蚤密度为88131个100L者。将穿透率以及出水中水蚤的密度分别整理，得到以下曲线图。如图，尽管试验2中水蚤穿透滤池的比例有所下降，但是试验2出水中水蚤的密度高于试验1。这是因为在理想状态中(为方便讨论，假定所有的滤料均是球状)，滤料是紧密相连的，如图36所示，相互挤压在一起的。但是填料时滤料的排列方式并非如此，如果某些滤料相互形成稳定的结构，就可能在滤层中留下空隙，使原本可以截留下来的颗粒穿透滤层，如图37即是一个较为稳定的结构。这些空隙随机形成，反冲洗只能改变这些空隙的位置而不能将其消除，图38便是在透过有机玻璃滤柱实拍的照片，可以看到，滤料并非紧密排列，中间有很多较大的空隙，部分水蚤也正是通过这些空隙沿着水流逐渐穿透滤料。随着进水中水蚤密度的增加，水蚤穿透个数增加的同时，被截留下来的水蚤个数也增多了，这样被截留下来的水蚤将空隙堵塞的概率也就变大，致使水蚤穿透滤层的比例随之下降。323水蚤在砂滤池中的孳生在水厂的运营过程中水蚤会在砂滤池中孳生，大量水蚤在滤池中出现不仅会堵塞滤料，缩短反冲洗时间，还会造成滤后水中水蚤密度急剧增加。普通反冲洗可以去除滤池中的大部分水蚤，却不能从根本上解决水蚤在滤池中的孳生问题。33活性炭池对去除水蚤的影响臭氧一活性炭法有时也叫做生物活性炭法，它的有机物去除机理，首先是活性炭吸附作用，使那些可吸附的有机物吸附在活性炭上，随后在温度、营养物浓度、微生物和炭粒的作用下，滤池中逐渐形成了生物量，滤料表面有了一层不均匀的细菌生物膜，这时活性炭除了有吸附有机物的作用外，还有细菌对有机物的生物降解作用。水厂采样表明，活性炭池中不仅含有细菌等微生物，还含有轮虫、桡足类、枝角类等水生生物。且常规工艺段，水蚤的密度以及活性均是沿程降低的，而活性炭池中的水蚤密度相较于砂滤池出水却急剧上升，活性也大大增强。通过调查发现，活性炭池中具有适合的温度，含有充足的溶解氧(主臭氧分解得到的氧)，一定的有机物，并生存着细菌、轮虫、桡足类、枝角类等生物，并由此构成了一个生态系统。生态系统是开放系统，当能量和物质的输入大于输出时，生物量增加；反之，生物量减少。如果输入和输出在较长的时间趋于相等，生态系统的组成、结构和功能将长期处于稳定状态。虽然各生物群落有各自的生长、发育、繁殖以及死亡过程，但动物、植物和微生物等群落的种群、数量、它们之间的数量比均保持相对恒定。即使有外来干扰，生态系统能通过自行调节的能力恢复到原来的稳定状态，这就是所谓的生态平衡。然而，生态平衡的自行调节能力是有限度的，超过了生态阀限，自行调节能力的降低或丧失就会导致各生物群落的种群和数量减少，各生物群落间的数量比例失调，能量流动和物质循环发生障碍，整个生态平衡系统平衡失调。所以对于确定的活性炭池，其中的水蚤一旦长出，通过采取相应的措施将其中的水蚤灭活，经过一段时间后还是会长出水蚤，并恢复到原有密度。但是活性炭池的环境不易改变，所以此时只有周期性地向活性炭池中加入灭活药剂以将水蚤灭活，以使出水中的水蚤密度保持在较低的水平。因此选择合适的药剂投加在活性炭池中，是解决其中水蚤孳生的问题关键。34回收水对去除水蚤的影响随着水资源的紧缺，占相当比例的反冲洗水必须予以回流。取样发现反冲洗水中含有一定密度的水蚤活体，曾有报道部分水厂因为反冲洗水中水蚤密度较大，影响水厂对水蚤的去除。但是对本水厂的数次采用结果都表明回收水池中水蚤活体密度远低于原水中的，不足以对出厂水造成不利影响。35本章小结混凝沉淀工艺对水蚤的去除效率和水蚤活性有关。有效的灭活水蚤不仅可以提高水蚤在沉淀池中的去除效率，而且可以减少水蚤在滤池的孳生并减轻滤池的除蚤负荷。目前水厂采用的滤料不能完全截留水蚤，但是增加滤层厚度，减小滤径都可以提高滤池对水蚤类浮游生物的去除效率。生物活性炭池为水蚤的孳生提供了较为良好的环境，减少其孳生对出厂水中水蚤密度的降低起着重要的作用。在水蚤爆发期回收水池中水蚤活体密度应及时监测，一旦威胁水厂的生产应采取相应的措施。第4章水蚤的灭活41水蚤失去活性的评估标准水蚤经过化学药剂处理后，按照其行动的状态，大致可以分为以下五个阶段：(1)加药后的初始阶段，这个阶段活动状况与未加药剂前一样，没有明显变化；、(2)行动变慢，休息频繁，但是每次休息并时间没有延长；(3)歇息时间长，振荡烧杯，受到刺激以后水蚤继续活动，活动范围由整个烧杯变成附近狭小范围；(4)其运动肉眼不可见，但是在显微镜下可以观察到部分器官仍然有活动；(5)死亡，所有器官不再活动。显然，水蚤死亡发生在第五阶段，但是处于第四阶段的水蚤已经对水处理的效果没有影响，而且到达第四阶段的时间只是到达第五阶段的三分之二左右，所以在本试验中就以水蚤在第四阶段时死亡。，这样，在本试验中水中浮游类甲壳动物死亡的标准是：通过肉眼看不到其有运动迹象，虽反复振荡烧杯三次仍没有动静。42水蚤的采集及培养在原水取水口用浮游生物网富集水蚤类浮游生物，并洗入桶中。加入曝气装置，以保持水中有足够的溶解氧。每两天更换一次新鲜的原水。试验时，用烧杯取出即可。试验过程中将水蚤按照桡足、枝角以及成虫、幼虫几种类别，每次随机挑出10只水蚤，加入配置好的化学药剂进行杀灭试验。43灭活机理研究431氯的灭活机理氯预氧化和氯消毒是大多数水厂采用的方法，具有高效、快速、广谱、经济等优点。氯的作用机理是氯溶于水后，迅速发生水解反应，生成次氯酸和盐酸：生成的次氯酸起杀菌作用，因为它是一种很强的氧化剂，极易穿透微生物的细胞壁，与细胞的原生质化合，破坏细胞的代谢机能，从而导致微生物的死亡。由方程式可以看出，经过预氯化的水体中含有一定量的ClO-，近代观点认为，氯的作用主要通过次氯酸起作用心引。次氯酸是中性分子，易于扩散到带负电的细菌表面，并渗入细菌体内，借助其强氧化性破坏细菌体内的酶，从而杀灭细菌。次氯酸根虽然也具有强氧化性，但是难于接近表面带负电的细菌，杀菌能力比次氯酸差得多。当温度一定时，pH值的高低决定了次氯酸和次氯酸根的比例，pH值越低次氯酸所占比例越大。国外有人研究了不同pH值条件下氯去除生物膜的情况，结果表明氯对生物膜的去除效率在pH=9时比pH=67时高24倍。国内也有人作了氯在不同pH值条件下的杀菌试验，发现氯的杀菌效果作用随着pH值的升高而降低，但是变化幅度不如人们通常所认为的那样大。432二氧化氯灭活的机理二氧化氯是黄绿色到橙色的气体，是有类似氯的刺激性气味。二氧化氯之所以具有强氧化性，由于二氧化氯中的氯的氧化数为+4，从有效氯的含量来看：其有效氯为263，而液氯的有效氯含量只有100，可见二氧化氯的有效氯含量是液氯的26倍。二氧化氯的氧化能力与溶液的酸碱性有关，溶液的酸性越强，二氧化氯的氧化能力越强。在pH=70时：二氧化氯的氧化电位很高，比液氯的氧化电位高出O37V，因此，二氧化氯具有很强的氧化能力，是液氯的两倍多，能有效地氧化去除水中的各种污染物并降解水中的大分子有机化合物。二氧化氯杀菌消毒的机理是，二氧化氯和微生物接触时，对细胞壁有很强的吸附与穿透能力，能有效地氧化细胞内含硫基的酶，还可以快速地抑制蛋白质的合成。同时，二氧化氯不易使细菌产生抗药性b羽。433氯氨灭活的机理氯氨是公共给水消毒剂之一。由于氯氨消毒所产生的三卤甲烷等氯化消毒副产物比较少，己成为液氯的重要替代性消毒剂。氯氨的主要生成反应是：C12+H20HOCl+HCl (47)NH3+HOC 1NH2Cl+HCl (48)NH2Cl+HOC1一NHCl2+HCl (49)NHCl2+HOCl-NCl3+HCl (410)NH2C1，NHCl2和NCl3统称为氯氨。氯氨消毒可理解为通过次氯酸起消毒作用，包括次氯酸的氧化作用及新生态氧作用。目前普遍认为HOCl氧化作用是主要的。由于次氯酸为很小的中性分子，能很容易地扩散到带负电的细菌面，并通过细菌的细胞壁渗到细菌内部，与蛋白质发生氧化作用或破坏磷酸脱氢酶，使糖代谢失调而使细菌死亡。氯氨对于病毒的灭活则在于其破坏了病毒的蛋白质外壳和RNA(核糖核酸)。434食盐灭活的机理水生生物的水一盐代谢方式与陆生动物不同，经常存在着与外环境间的渗透关系。水生生物对水的含盐量有一定的适应范围，不同种类生物的适应范围不同。水中稳定的含盐量是保持生物体液一定渗透压的需要，超过了生物渗透压的调节能力，生物就会“渴死”或胀死。因为，有机体为了执行正常的生理机能，身体化学组成的稳定性是必要的条件之一。因此，在进化过程中，水生生物形成了一系列保持水一盐代谢稳定性的机能。首先是保证渗透压的稳定，也就是说能够防止体内过分的脱水或充水以及化学组成的变化。这时细胞不仅要保存大量离子不被外液冲淡，还要按照生理需要有选择地调节各种离子的浓度。但是这种调节是有限度的，一旦体外的条件变化过大，超过一定的限值，水生生物就会死亡。例如盐的浓度在58gl000ml时，大致是水生生物耐盐性的一个生理界限。435氨灭活的机理氨氮(NH3一N)是水体中无机氮的主要存在形式，而氨主要以NH4+离子状态存在，并包括未电离的NH3H2O。用一般的化学分析方法(纳氏试剂法)测定的氨的含量，实际上是离子氨(NH4+、也称铵离子)和分子氨(NH3、也称非离子氨)二者的总和。氨极易溶解于水，并在水中建立化学平衡：NH3+H20NH4+OH-(411)平衡时分子氨(NH3)与离子氨(NH4+)的含量主要取决于水的pH值和水温b钉。pH值增加，分子氨的比率增大，随水温的升高分子氨的比率也稍有增加。当pH值大于11时几乎全以分子氨的形式存在。分子氨与离子氨在水中可以相互转化，但它们是性质不同的两类物质。水合NH3H2O能通过生物表面渗入体内，降低血液的载氧能力，使呼吸机能下降，从而导致生物死亡。渗入的数量决定于水与生物体内(如血液、水分)pH值的差异。任何一边液体的pH值发生变化时，生物表面两边的未电离NH3的浓度就会发生变化。NH3总是从pH值高的一边渗入到pH值低的一边。如NH3从组织液中排出这是正常的生理排泄现象；相反，若水生生物长期生活在含NH3量较高的水体中，不利于体内氮废物的排泄，再若NH3从水体渗入组织液内，就会形成血氨中毒。NH4+不能渗过生物表面，它对生物无明显的毒害。因此在pH值等水质条件不同时，即使总氨量一样，毒性也可能相差很大。436臭氧灭活的机理臭氧是氧的同素异形体，具有很强的氧化能力。臭氧技术于1905年应用于水处理，随着相关技术的进步，臭氧化法成本的降低，被普遍认为是很有发展前景的水处理方法。近年来，臭氧在水深度处理中越来越广泛的得到应用，特别是臭氧与生物处理结合去除三卤甲烷前驱物质等等。臭氧作为一种强氧化剂，能使水中的有机物、无机物发生氧化。但许多研究表明，水中以腐殖酸为代表的自然有机物一般不能被臭氧彻底氧化生成简单的无机物，而主要是在臭氧的作用下有机物性质发生改变，大分子量有机物在某些结合部位断裂，成为分子量较小的有机物，含氧量小的有机官能团氧化成含氧量多的官能团，非饱和键转化为饱和键从而使有机物的生化降解性提高。这些作用错综复杂，不能用简单的化学方程式来描述。大量的研究结果表明臭氧在水中通过极其复杂的自由基连锁反应发生自我分解生成具有很强氧化力的氢氧自由基(OH)。因此，臭氧反应过程中起作用的不仅仅是臭氧分子，还有其自我分解产生的氢氧自由基(OH)。对于同样的原水，臭氧浓度和反应条件不同，生成物的性状也不同。有些人认为臭氧氧化没有最终物，只有中间产物。其中的某些产物对人体健康会产生不良影响，即臭氧处理的副产物。臭氧副产物从其起源来说可分为两种：腐殖酸类自然有机化合物被氧化而产生的副产物和水中有溴离子存在的条件下生成的副产物。前者的生成是由臭氧分子和氢氧自由基参与的反应引起的，后者则是由二次氧化物次溴酸引起的。后者的情况下当水中有氨氮、氨基酸等共存时副产物成分更加复杂。臭氧的杀生作用是与微生物细胞壁脂类双键反应，穿入微生物体内，作用于脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细胞溶解死亡，而且臭氧和对其敏感的氨基酸残基(半光氨酸、色氨酸、蛋氨酸残基)发生反应可直接破坏微生物的蛋白质。另外有人认为臭氧可以通过破坏病毒衣壳蛋白的多肽键使病毒的核糖核酸(RNA)受到损伤。臭氧可使RNA从细菌体内释放出来，还可以使构成核酸的嘌呤和嘧啶结构发生改变。臭氧作为灭活药剂的主要特点是：(1)氧化能力强；(2)可氧化生物难以降解的有机物；(3)臭氧分解产生氧气可增加水中的溶解氧；(4)改善水的理化性质，有良好的脱色、除臭、除味效果；(5)具有很强杀生能力。44次氯酸钠对水蚤的化学杀灭441试验药剂与仪器(1)试验药剂：次氯酸钠溶液，氢氧化钠溶液，醋酸溶液，O05molL硫代硫酸钠标准溶液，1淀粉溶液，(1+5)硫酸溶液，碘化钾，重铬酸钾标准溶液(16K：Cr：0，=00250molL)。(2)试验仪器：酸度计，碘量瓶，容量瓶，烧杯若干，显微镜。442试验方法试验时用碘量法测定有效氯，并用氢氧化钠溶液和醋酸溶液调节pH值至所需酸碱度。将水蚤加入预先装有一定浓度次氯酸钠溶液的烧杯中后，开始计时，记录在各时段水蚤的死亡率，并整理数据。443桡足类的杀灭(1)氯对桡足类成体和幼体的杀灭效果投氯量分为05，10，15mgL三个梯度，试验对象为桡足类幼体和成体，在此基础上，研究桡足类成体和幼体对氯的耐药性。结果如图1所示：如图所示，氯的投加量在试验范围之内时，水蚤幼体的死亡时间都在45min之内。投加氯为05mgL时，灭活时间也仅比15mgL多15分钟。氯对于成体的灭活则有明显的灭活时间梯度，在有效氯为05mgL时，lOO灭活需要90min，10mgL需要105min，而15mgL时则需要150min。幼体对氯的耐药性明显低于成体，成体在15mgL的有效氯的作用下，灭活时间也大大高于幼体在05mg/L的有效氯作用。这主要是由于生物处于生命的幼体阶段体内微生态平衡尚未完全建立，抵抗疾病以及抵抗外界侵袭的能力较弱，所以如果以灭活桡足类成体为试验目标，结果必然满足灭活幼体所需。(2)pH值对化学杀灭的影响对桡足类的成体做pH分别为50、60、70、8O和90的氯杀灭试验。有效氯浓度为2OmgL，在此基础上研究pH值对以氯为灭活药剂时对灭活效果的影响，结果如图所示：由上图可知，在酸性条件下灭活效果略好于碱性条件，这也说明了次氯酸分子更容易进入水蚤体内并更好地起到氧化灭活的作用。有效氯为20mgL时，100灭活桡足类所需要的时间，在pH=50时比pH=90时少10min。pH值在6080之间时加药后6570min即可达到完全灭活桡足类的目的。水厂运营中的pH一般在6880之间，在此范围内pH的变化对灭活效果的影响很小，所以没有必要为了提高灭活桡足类的效率而调节pH值。(3)氯对桡足类成体杀灭试验在pH=70时，浓度梯度为O5mgL，10mgL，15mgL，20mgL，25mgL，30mgL，做桡足类的杀灭情况试验，在此基础上研究以氯作为灭活药剂时氯的浓度对灭活效果的影响，得到桡足类个体在各时段死亡率如下图所示：由图可知，氯灭活桡足类所需时间随着浓度的增加而减少。低浓度的氯灭活桡足类时间较长，05mgL的氯需要140min才能将桡足类完全灭活。氯的浓度超过1mgL后，灭活效果提高迅速，每增加O5mgL，桡足类的灭活时间都能够缩短10。20。当有效氯浓度达到30mgL时灭活桡足类的时间只需要42min，是有效氯浓度为05mgL时所需时间的13不到。444枝角类的杀灭(1)pH值对化学杀灭的影响以枝角类为对象，做pH分别为50、6O、70、80和90的氯杀灭试验，有效氯浓度为2OmgL，在此基础上研究pH值对以氯为灭活药剂时对灭活效果的影响，结果如图所示：如图所示，pH值在6080之间氯对枝角类的杀灭效果没有明显的差别，均在45min时完全被灭活。所以在水厂正常处理条件下pH对灭活枝角类的影响不大，为提高灭蚤效果而调pH值没有必要。(2)氯灭活枝角类试验在pH=70时，浓度梯度为O5mgL，10mgL，15mg/L，20mgL，25mgL，3OmgL，做氯灭活枝角类的试验，在此基础上研究以氯作为灭活药剂时氯的浓度对灭活效果的影响，得到枝角类个体在各时段死亡率如下图所示：由图可知，灭活效率随着浓度的增加而增大。有效氯浓度在15mgL以下时，对水蚤的灭活效率随着有效氯浓度的增加而增幅明显；有效氯浓度在15mg/L以上时，有效氯浓度的变化对灭活效率提高的帮助则变得微小起来。灭活枝角类时，将有效氯浓度从15mgL提高至30mL死亡时间仅缩短了10min，而将有效氯浓度由05mg/L提高到10mgL即可将灭活时间缩短10min。45二氧化氯对水蚤的化学杀灭451试验药剂与仪器深圳市萃杰环保技术有限公司生产的稳定性二氧化氯溶液，QYJ一1型便携式二氧化氯一余氯比色器，烧杯若干，显微镜。452试验方法按照稳定性二氧化氯的使用说明配制二氧化氯溶液，并采用QYJ一1型便携式二氧化氯一余氯比色器测定其中二氧化氯的浓度。用氢氧化钠溶液和醋酸溶液调节pH值至所需酸碱度，将水蚤加入到预先装有一定浓度的二氧化氯溶液的烧杯中后，开始计时，记录水蚤的死亡时间。并依据加药后灭活率随着时间的变化情况做曲线图。453二氧化氯对桡足类的化学杀灭(1)pH值对化学杀灭的影响在pH分别为60、7O、8O的条件下做二氧化氯杀灭桡足类成体的试验，二氧化氯浓度为10mgL，在此基础上研究以二氧化氯为灭活药剂时pH值对灭活效果的影响，结果如下图所示：在pH值为60时，桡足类均可以在40min内被灭活，将pH调整至70和80，桡足类也能够在45min内完全灭活。灭活时间仅相差五分钟，所以pH值对二氧化氯灭活桡足类的影响不大。(2)二氧化氯对桡足类成体的杀灭试验在pH值为7O时，浓度梯度为025mgL，O5mg/L，075mg/L，1OmgL，125mgL的条件下做二氧化氯对桡足类的杀灭情况试验。在此基础上研究二氧化氯为灭活药剂时浓度对灭活效果的影响，得到桡足类个体在各时段死亡率如下列各图所示：试验表明，二氧化氯灭活桡足类的效率较氯高，当投加浓度和有效氯相同时在较短时间就可以达到完全灭活桡足类的目的。二氧化氯的投加浓度为025mgL时，经过130min桡足类全部死亡。随着投加浓度的增加，完全灭活时间逐渐缩短。当投加浓度为125mgL时，40min之内便可以将桡足类完全灭活。454二氧化氯对枝角类的化学杀灭(1)pH值对化学杀灭的影响在二氧化氯浓度为10mgL，pH分别为60、70、8O时，做灭活枝角类的试验，并在此基础上研究pH值对以二氧化氯为灭活药剂时对灭活枝角类效果的影响，结果如图所示：试验表明，1mgL的二氧化氯在pH值6O8O之