生物活性炭濾池微型動物泄漏的強化過濾控制

朱 潔，陳 晨，陳洪斌，戴曉虎

（同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

近年來，O3－BAC工藝正成為水質(zhì)性缺水地區(qū)提高供水水質(zhì)的核心凈化單元，但該工藝引發(fā)了微型動物在活性炭濾池的二次繁殖［1－2］，進而增加了后續(xù)消毒工藝的負擔(dān)和飲用水生物風(fēng)險.自來水中微型動物主要包括搖蚊幼蟲、寡毛類、溞類、輪蟲和線蟲等無脊椎動物，這些微型動物不僅影響人的感官，有些還具有致病性.目前飲用水中微生物風(fēng)險已大于化學(xué)性風(fēng)險，并成為當(dāng)前對健康風(fēng)險更大的污染物，安全飲水法的重點已由長期的致癌風(fēng)險調(diào)整到急性的微生物風(fēng)險［3］.自2004年至2010年，飲用水輸配中由水生生物引發(fā)的公共衛(wèi)生安全事件的報道多達190余起，其中20%是由于微型動物穿透水處理工藝屏障進入到輸配水管網(wǎng)中引起的［4］.WHO規(guī)定，安全的飲用水不應(yīng)該存在可導(dǎo)致人類感染的蟲卵、幼蟲以及其他有害生物［5］.

目前國內(nèi)關(guān)于微型動物泄漏的控制還處于起步階段，且普遍采用孔徑為35μm及以上孔徑的浮游生物取樣網(wǎng)來研究自來水中的微型動物［6］，該孔徑截留的微型動物是否能準確反映活性炭濾池微型動物數(shù)量和種類仍需進一步研究.因此，課題組考察了不同孔徑的微型濾網(wǎng)對微型動物的截留效果，旨在探尋更合理的微型動物取樣方法，準確反映微型動物在活性炭濾池中的分布和泄漏規(guī)律.

微型動物控制方法主要包括物理截留和化學(xué)滅殺，其中物理截留主要通過改善絮凝和過濾工藝、優(yōu)化活性炭濾池的反沖洗參數(shù)達到［7－8］，但實際運用中效果并不理想，因此考慮在A水廠的活性炭濾池和氯接觸池后增加小粒徑石英砂和微孔濾網(wǎng)等強化過濾裝置進行微型動物的控制研究.考察兩者對微型動物的截留效率，進一步分析該強化過濾裝置的有效性，從而提出生產(chǎn)上可行的強化過濾或截留措施，降低微型動物進入管網(wǎng)的風(fēng)險.

1 方法與材料

1.1 試驗方法與裝置

（1）細石英砂強化過濾試驗

石英砂濾柱設(shè)兩根，有機玻璃材質(zhì)，內(nèi)徑150 mm，高2.2m，柱體采用法蘭連接，方便拆卸及填充不同厚度石英砂層；布水板上依次鋪設(shè)粗礫石10 cm、細礫石10cm，然后鋪細石英砂，其中1號濾柱的石英砂粒徑為0.6～0.9mm，2號填充粒徑為0.3～0.5mm，砂層高度可調(diào)，試驗過程分別采用了40，50cm砂層高度.細砂柱的進水為上海地區(qū)A水廠的臭氧生物活性炭生產(chǎn)裝置出水，試驗過程中細砂柱的濾速分別為8，10和12m·h－1.

（2）微孔濾網(wǎng)過濾現(xiàn)場試驗

同樣對A水廠的臭氧生物活性炭生產(chǎn)裝置出水開展連續(xù)流試驗.分別利用活性炭濾池出水和氯消毒出水的取樣管，改造后用于掛設(shè)微孔濾網(wǎng)過濾微型動物.微孔濾網(wǎng)是由微型動物取樣器改造后使用.每次掛網(wǎng)前確定流速和水量，過濾一定時間后將過濾濃縮液收集并立即生物鏡檢.

1.2 微型動物取樣、鏡檢計數(shù)方法及主要儀器

試驗過程微型動物的取樣采用微孔濾網(wǎng)過濾水樣，收集濃縮液鏡檢.微孔濾網(wǎng)有兩種：①PTNS500型微型浮游生物網(wǎng).網(wǎng)口直徑20cm，網(wǎng)高50 cm，濾網(wǎng)孔徑為25μm，如圖1a所示.② Hydro－Bios浮游生物取樣網(wǎng).濾網(wǎng)上口直徑25cm，下口直徑5 cm，網(wǎng)高50cm，網(wǎng)孔直徑有兩種，分別為10μm和5 μm，如圖1b所示.

圖1 PTN－S500和 Hydro－bios浮游生物網(wǎng)Fig.1 ptn－S500and Hydro－bios plankton sampling network

微型椎動物采用如圖2a所示的Olympus BX51生物顯微鏡觀測、計數(shù)和測量，計數(shù)框采用如圖2b所示的北京普利特儀器公司CC－F浮游生物計數(shù)框，玻璃材質(zhì)，計數(shù)框的體積為0.1mL.

圖2 顯微鏡和浮游生物計數(shù)框Fig.2 Microscope and plankton counting chamber

水中微型動物的密度計算方法為掛網(wǎng)濃縮后的水樣用顯微鏡計數(shù)后按下式計算：

式中：N為水中微型動物的密度，個·（100L）－1；V為采樣過濾水樣體積，L；Vs為濃縮水樣體積，mL；Va為顯微鏡檢水樣體積，mL；n為顯微鏡檢六次的微型動物數(shù)量平均值，個.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 關(guān)于生物活性炭濾池微型動物泄漏檢測的準確度探討

目前國內(nèi)文獻［6－10］關(guān)于自來水中微型動物的研究只涉及到溞類和寡毛類等體型較大的微型動物，對體型較小的輪蟲和線蟲極少涉及，究其原因是孔徑為35μm及以上的浮游生物網(wǎng)只能截留到搖蚊幼蟲、寡毛類、溞類等體型較大的微型動物.采用10 μm的浮游生物網(wǎng)測得國外某水廠活性炭濾池出水微型動物的密度最高可達680個·（100L）－1［1］，而李小偉等［6］采用孔徑為35μm的浮游生物取樣網(wǎng)測得南方某水廠炭濾后水最高密度僅為82.5個·（100L）－1.鑒于取樣工具的差異很大程度上決定了樣品中微型動物數(shù)量與種類差異，因此考察不同孔徑的浮游生物取樣網(wǎng)對微型動物取樣的準確性，有利于更加準確地掌握國內(nèi)自來水廠活性炭濾池微型動物分布和泄漏規(guī)律.

以A水廠秋冬季節(jié)生物活性炭濾池出水為例，不同濾網(wǎng)孔徑（5，10，25μm）對微型動物種類和數(shù)量檢出效果的差異見圖3.

圖3 不同孔徑濾網(wǎng)檢出的微型動物種類和數(shù)量Fig.3 The variety and quantity of Metazoan detected by micro－strainers of different diameters

由圖3可以看出，5和10μm濾網(wǎng)對生物活性炭池出水檢測出的微型動物總數(shù)量基本相當(dāng)，均遠遠高于25μm的濾網(wǎng)，約為25μm濾網(wǎng)的25倍.在微型動物檢出種類方面，5和10μm濾網(wǎng)檢出的原生動物包括鞭毛綱的眼蟲，纖毛綱的楯纖蟲、急游蟲，以及肉足綱的放射太陽蟲和變形蟲等，后生動物包括輪蟲、線蟲、腹毛蟲、寡毛類與甲殼類.其中輪蟲為主要族群，5和10μm濾網(wǎng)檢測結(jié)果中輪蟲的密度分別為546.0 個·（100L）－1和531.0 個·（100 L）－1，約占微型動物總數(shù)的一半左右.而25μm濾網(wǎng)僅能檢測到后生動物，且數(shù)量較少，輪蟲和腹毛蟲密度各為25.0 個·（100L）－1，寡毛類和甲殼類僅2.0～3.0個·（100L）－1.

由以上結(jié)果可知，采用小孔徑5和10μm的濾網(wǎng)提高了后生動物如輪蟲、腹毛蟲、寡毛類和甲殼類動物的檢出率，同時可檢測到25μm孔徑濾網(wǎng)檢測不到的原生動物等，其中5μm濾網(wǎng)的檢出率總體上又略高于10μm濾網(wǎng)，但由于5μm的濾網(wǎng)對水樣的截留阻力較大，濃縮定量所需時間較長，綜合考慮檢測結(jié)果的準確性和取樣的便捷程度，選用10μm濾網(wǎng)作為取樣工具更為合適.后續(xù)試驗將采用10μm濾網(wǎng)測定A水廠活性炭濾池微型動物的分布規(guī)律及泄漏情況，并將其作為分析手段考查細砂和微孔濾網(wǎng)過濾前后水中微型動物的總數(shù)，用于計算強化過濾裝置的截留率.

2.2 生物活性炭濾池出水的微型動物密度及其泄漏

以A水廠為例，該水廠以青草沙水庫原水為進水，采用10μm采樣器進行采樣，考察不同季節(jié)條件下生物活性炭濾池出水的微型動物多樣性，試驗結(jié)果見圖4.

圖4 生物活性炭濾池總出水中微型動物的密度變化趨勢Fig.4 The density change of Metazoan in the GAC outflow

由圖4可知，A水廠生物活性炭濾池總出水的優(yōu)勢微型后生動物為輪蟲、線蟲、寡毛類和甲殼類.生物活性炭濾池出水的微型動物優(yōu)勢種類和數(shù)量呈季節(jié)性變化，春秋季（2011年4月－6月，2011年9月－12月）輪蟲數(shù)量較多，最高可達980.0個·（100 L）－1；夏季高溫（2011年6月－9月）條件下寡毛類和甲殼類較多，寡毛類最高可達177.1個·（100 L）－1；冬季低溫（2012年1月－3月）條件下，微型動物種類較少，輪蟲和寡毛類基本絕跡，此時線蟲是優(yōu)勢動物種群，水溫為5～10℃時線蟲個數(shù)最高可達510.0個·（100L）－1.有研究表明，低溫會直接影響某些微型動物的生長發(fā)育，延長胚胎發(fā)育時間［11－12］，同時由細菌組成的生物膜的生物活性和生長率均下降，微型動物的食物來源也會受到限制［13］，因而低溫時微型動物數(shù)量和種類極少；低溫條件下線蟲的孵化期較長，但孵出后的二齡線蟲幼蟲在低溫條件下存活時間更長，5℃時可達到60天［14］，因此線蟲在低溫下競爭者減少、食物充足的條件下容易大量存活并泄漏到清水池.

為進一步探索生物活性炭濾池一個運行周期內(nèi)（72h）的微型動物泄漏規(guī)律，在夏季微型動物的種類豐富、數(shù)量較多的情況下選取了單獨一格濾池進行監(jiān)測，結(jié)果如圖5所示.

圖5 一個工作周期內(nèi)活性炭濾池出水中泄漏的微型動物種類和密度變化Fig.5 The change of variety and density of leaking Metazoan in an operation circle of GAC

由圖5可知，一個周期內(nèi)，單格濾池出水微型動物總密度呈先下降后上升的趨勢，初濾水中的微型動物密度是穩(wěn)定后微型動物密度的3倍左右，這是因為被反沖洗從活性炭表面沖脫而殘留在濾池中的微型動物進入初濾水；活性炭濾池運行的24h內(nèi)，穿透濾池的微型動物數(shù)量基本趨于穩(wěn)定；運行24h后活性炭濾池出水的微型動物密度開始增加，運行至末期，微型動物的泄漏更為嚴重，達到603.0個·（100L）－1.分析原因認為，經(jīng)過反沖洗后，活性炭上的微型動物數(shù)量稀少，24h生物活性炭濾池進水重新引入的微型動物和活性炭濾池原有的微型動物在活性炭濾池中重新生長和繁殖，且由于活性炭濾池過濾截留的雜質(zhì)等也起到了強化過濾的作用，因此出水的檢出數(shù)量不高；此后大量繁殖的微型動物和部分老化的生物膜會在水流的沖刷和自身的運動下穿過濾池，使得泄漏問題逐漸加劇.

活性炭濾池為微型動物提供了良好的生境，不僅適合細菌生長，同樣適合微型動物生長并繁殖，優(yōu)化混凝、過濾和反沖洗參數(shù)等方法都因無法抑制微型動物在活性炭濾池的二次繁殖而達不到預(yù)期效果，可見在整個運行周期內(nèi)，只要活性炭濾池進水中存在微型動物，活性炭濾池正常運行就會發(fā)生微型動物的二次繁殖和泄漏問題.長期監(jiān)測A水廠的出廠水發(fā)現(xiàn)，活性炭濾池出水泄漏嚴重時，出廠水中的輪蟲最高可達126.0個·（100L）－1，線蟲最高可達50.6個·（100L）－1，即使經(jīng)過消毒工藝有時還可在出廠水中檢測到微型動物活體.因此，采用強化過濾裝置攔截微型動物，對最大限度減少進入后續(xù)工藝的微型動物數(shù)量和減輕后續(xù)消毒工藝的負擔(dān)十分必要.

2.3 細砂過濾對微型動物的強化截留

目前國內(nèi)關(guān)于微型動物泄漏及控制方面僅對甲殼類和寡毛類的截留效率有研究，如趙建樹［15］利用級配為0.8～1.2mm的石英砂層（30cm）截留甲殼類后生動物，出水的甲殼類數(shù)量僅下降了39.0%.本研究考慮采用粒徑更?。?.6～0.9mm和0.3～0.5 mm）的石英砂進行強化過濾，在中試條件下，一個運行周期內(nèi)（96h）不同濾速和石英砂層厚度對輪蟲、線蟲、甲殼類和寡毛類的平均截留率見圖6.

圖6 細砂濾柱對不同微型動物的截留率Fig.6 The interception rate of fine sand column for different Metazoan

由圖6可知，粒徑為0.3～0.5mm的細砂層對輪蟲、線蟲、甲殼類和寡毛類的截留效果均明顯優(yōu)于粒徑為0.6～0.9mm的粗砂層，前者對甲殼類的截留率達到60%～100%，輪蟲的截留率超過55%；兩種粒徑石英砂對輪蟲、甲殼類和寡毛類微型動物的截留效果均隨砂層厚度的增加而增加，隨過濾速度的升高而降低.從圖6d來看，兩種粒徑的石英砂對線蟲截留效果均不理想，當(dāng)厚度為50cm、濾速為8 m·h－1時，截留率達到20%～40%，有的工況還出現(xiàn)出水?dāng)?shù)量高于進水的現(xiàn)象.這可能與線蟲細長的體型和較強的鉆穿能力有關(guān)，同時石英砂層為線蟲提供了再繁殖的生境，增加了出水線蟲的檢出率.

試驗過程中還考察了不同工況條件下過濾時水頭損失的變化.結(jié)果表明，水頭損失與石英砂粒徑、砂層厚度以及濾速均成正比.由于活性炭濾池出水的濁度僅為0.1NTU左右，石英砂層連續(xù)過濾96h內(nèi)水頭損失較小，最高只有0.08m，所以即使在活性炭層底部增加一層細砂，也不會對活性炭濾池的水頭損失造成明顯影響.水廠活性炭濾池的濾速通?？刂圃?0～12m·h－1，試驗發(fā)現(xiàn)兩種粒徑的石英砂在該流速范圍內(nèi)對輪蟲和甲殼類均有較好的截留率；從水頭損失來看，石英砂層厚度達到40cm或50cm均可行.對于原水質(zhì)量較差的水廠，建議在活性炭層底部鋪設(shè)細砂層，能夠在一定程度上控制微型動物進入消毒清水池的數(shù)量，降低微型動物泄漏風(fēng)險，從試驗得出的具體參數(shù)可以看出其具有一定的現(xiàn)實可操作性.至于鋪設(shè)細砂層對活性炭濾池的布水板設(shè)計、反沖洗強度要求以及濾料流失等問題，還需進一步在生產(chǎn)性試驗中驗證.

2.4 微孔濾網(wǎng)對活性炭濾池出水和氯消毒出水的微型動物的截留

盡管砂濾在一定程度上可緩解微型動物泄漏的風(fēng)險，但其對于線蟲等穿透力較強的微型動物截留效果不佳；微濾或超濾能夠有效去除濾池反沖洗水中的原生動物如賈第蟲、隱孢子蟲［16］，推測其可以完全攔截尺寸更大的微型后生動物，但微濾和超濾均需在壓力條件下進行，投資和運行成本高，應(yīng)用難度大.由第2.1節(jié)可知，5和10μm的微孔濾網(wǎng)對各種微型動物均有良好的截留效果，且能夠自壓運行，而5μm濾網(wǎng)的水頭損失增加很快，連續(xù)工作12h就需要反沖洗，因此不適合長期連續(xù)過濾，因此選擇將10 μm濾網(wǎng)作為強化過濾工具進行連續(xù)流微型動物截留試驗.A水廠活性炭濾池出水濁度維持在0.1 NTU左右，圓臺形濾網(wǎng)總體積為10.1L，連續(xù)流條件下，流速隨時間變化，維持流量為300L·h－1時10μm可連續(xù)過濾48h不溢流.圖7為過濾周期為48h時10μm微孔濾網(wǎng)對活性炭濾池出水中微型動物的截留效果.

圖7 連續(xù)流條件下10μm濾網(wǎng)對活性炭濾池出水微型動物截留效果Fig.7 The interception effect of 10 μm microstrain for Metazoan after GAC filter in continuing flow condition

由圖7可知，48h內(nèi)10μm濾網(wǎng)對甲殼類微型動物的截留率保持在100%；對輪蟲的截留率維持在81.5%～99.5%之間；過濾初期10μm濾網(wǎng)對寡毛類微型動物的截留率達到100%，此后有所降低，48 h后降低到64.0%.過濾前期線蟲的截留率最高達到84.4%，隨過濾時間增加，線蟲截留率逐漸降低，最低僅有33.7%.由于過濾初期微孔濾網(wǎng)截留的雜質(zhì)附在濾網(wǎng)內(nèi)壁，形成了一層更細的濾膜，起到強化過濾的作用，截留效果良好；隨著過濾周期增加，濾網(wǎng)的水頭損失增加，寡毛類和線蟲的運行能力強，能夠收縮前進［17］，可以在水壓和自身收縮運動作用下穿過比自身直徑小的孔縫，而體表堅硬、體型較大的甲殼類則難以穿透10μm的濾網(wǎng)，少數(shù)輪蟲在長期水力沖刷下也可以穿透10μm濾網(wǎng).

由上可知，10μm濾網(wǎng)對活性炭濾池出水中大多數(shù)微型動物均具有顯著的截留效果，但對于某些體型小且穿透力極強的線蟲的去除效果較差，且運行周期較短.為進一步考察其在生產(chǎn)裝置應(yīng)用的可能性，采用10μm濾膜對氯消毒出水進行連續(xù)過濾試驗，結(jié)果見圖8.

圖8 連續(xù)流條件下10μm濾網(wǎng)對氯池出水微型動物截留效果Fig.8 The interception effect of 10 μm microstrain for Metazoan after chlorination chamber in continuing flow condition

氯消毒出水（下面簡稱氯后水）的濁度低于活性炭濾池出水，流速為300L·h－1時，連續(xù)流條件下10μm濾網(wǎng)過濾氯后水的工作周期達到96h仍未發(fā)生溢流現(xiàn)象.與活性炭濾池出水相比，氯后水的微型動物大部分為死體.由圖8可知，48h內(nèi)10μm濾網(wǎng)對氯后水的輪蟲截留效果與生物活性炭濾池出水的效果相近，截留率均在90%左右，表明輪蟲是否為活體對濾膜過濾效果影響不大.濾網(wǎng)對氯后水的線蟲截留率最高為93.0%，最低為54.8%，優(yōu)于活性炭濾池出水直接過濾.線蟲對次氯酸鈉的抗性較強，80mg·L－1的NaClO濃度仍不能使線蟲100%滅活［18］，因此氯消毒出水的線蟲僅有部分死亡，死亡線蟲由于不具有伸縮性可直接被濾網(wǎng)攔截，但是活體仍能穿透10μm濾網(wǎng)，由于氯后水的線蟲活體數(shù)量相對較少，因此攔截率高.由于寡毛類對氯的抗性弱，氯后水的寡毛類動物全部死亡，有些完全解體［5］，因此氯后水中寡毛類數(shù)量遠低于生物活性炭濾池出水，發(fā)生部分解體的寡毛殘體基本能被10 μm濾網(wǎng)截留，因而截留率基本為100%.與生物活性炭濾池出水相比，10μm濾網(wǎng)對氯后水甲殼類的截留率較低，主要是由于氯消毒出水的甲殼類基本死亡且身體發(fā)生部分解體，濾網(wǎng)運行至后期，少數(shù)甲殼類殘體在水流壓力下穿透濾網(wǎng).

目前，某些以湖泊高藻類水體作為原水的水廠已有采用微孔濾網(wǎng)過濾藻類，降低后續(xù)處理的難度.從本研究結(jié)果來看，將微孔濾網(wǎng)用于攔截微型動物，也具有現(xiàn)實可操作性，且對微型動物截留率可達90%或更高，也就說微型動物泄漏的風(fēng)險降低了一個數(shù)量級.從過濾活性炭出水和氯后水的效果來看，微孔濾網(wǎng)放置于氯消毒后不僅能顯著提高微型動物的截留效率，并且效果更穩(wěn)定、運行周期更長.水廠如果考慮設(shè)置微孔濾網(wǎng)過濾微型動物，建議將微孔濾網(wǎng)放置于氯消毒池之后，實際操作中還需考慮濾網(wǎng)反沖洗水排放等問題，避免發(fā)生微生物的二次污染.

3 結(jié)論

（1）采用孔徑為10μm的濾網(wǎng)對水廠凈化過程和活性炭濾池出水的微型動物取樣，能夠準確反映微型動物種類和數(shù)量，可以滿足水廠常規(guī)檢測和科學(xué)研究的要求.

（2）水廠生物活性炭濾池泄漏的微型動物優(yōu)勢種類是輪蟲、線蟲和寡毛類.不同季節(jié)活性炭濾池出水的微型動物種類和數(shù)量差異很大，春秋季輪蟲數(shù)量最高達到980.0個·（100L）－1，冬季低溫時線蟲數(shù)量達到510.0個·（100L）－1.從活性炭濾池的一個運行周期（72h）的微型動物泄漏趨勢看，運行后期的微型動物泄漏數(shù)量大幅增加.

（3）在活性炭層底部增加厚度為40或50cm粒徑為0.3～0.5mm的石英砂層，當(dāng)流速為10～12 m·h－1時，水頭損失不超過10cm，對輪蟲、甲殼類和寡毛類等體型較大的微型動物能夠截留55%以上，能夠在一定程度上降低微型動物泄漏的風(fēng)險，具有現(xiàn)實可操作性.

（4）孔徑為10μm的微孔濾網(wǎng)對各類微型動物的截留效果均遠優(yōu)于石英砂過濾，微型動物穿透進入供水管網(wǎng)的風(fēng)險可降低一個數(shù)量級；微孔濾網(wǎng)對氯后水微型動物的截留效果優(yōu)于直接對活性炭濾池出水過濾，且工作周期延長，實際應(yīng)用中還需考慮反沖洗排放避免二次污染.

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