砂滤池对颤蚓的拦截和去除效果研究
砂滤池对颤蚓的拦截和去除效果研究
聂小保h2 黄廷林1 张金松3 张爽1 李伟1 李晓钰1
(1西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055；2长沙理工大学水利学院，长沙410076；3深圳市水务(集团)有限公司，深圳518031) 摘要中试条件下研究了砂滤池对颤蚓的拦截效果，并考察了滤速、过滤周期和反冲洗强度等对颤蚓拦截和去除效果的影响。结果表明：砂滤池对颤蚓的拦截效果与颤蚓体长和滤料粒径有关，颤蚓体长越大、滤料粒径越小，则拦截效果越好；滤速是颤蚓迁移的主要动力，滤速的提高会增大颤蚓泄漏风险；过滤周期的延长将促进颤蚓的迁移，适当缩短过滤周期有利于水厂颤蚓泄漏风险控制；反冲洗可以实现颤蚓从净水工艺中的彻底去除，反冲洗强度越大，颤蚓的去除效果越好。从试验结果来看，为有效控制颤蚓泄漏风险，滤池滤速和过滤周期宜分别控制在11．1 m／h和12 h以下，反冲洗强度则控制在25 L／(s·m2)左右，此时颤蚓去除率为97．7％。
关键词颤蚓砂滤池拦截去除
颤蚓是自然水体中一类常见的底栖类寡毛纲动物，在全球淡水水域内广泛分布，由于其耐污能力较强，往往是大多数水体中底栖动物的优势种属。
水体的富营养化使得颤蚓在水库、湖泊类水源水体中大量孳生繁殖，进入水厂后，由于其穿透能力较强，可以穿透整个净水工艺进入供水管网。尽管目前并没有证据表明颤蚓等蠕虫会威胁到公众健康，但大多数人常常把这些生物的存在和饮用水不卫生联系起来，引起他们对水质信心的下降。颤蚓等无脊椎动物往往能携带大量的细菌，有研究表明，一个无脊椎动物携带的细菌总数达10～4 000个。
因此水厂必须采取有效的颤蚓风险控制技术，避免水厂颤蚓及其虫卵的泄漏。滤池作为净水工艺中拦截颤蚓的最后一道屏障，在水厂颤蚓风险控制中起着至关重要的作用，因此有必要进行砂滤池对颤蚓拦截和去除作用的深入研究，并探讨砂滤池操作运行条件对颤蚓拦截和去除的影响。
1材料与方法
1．1试验装置
试验在中试系统中完成。中试系统规模为100～150 L／h，工艺流程为“机械混凝一平流沉淀一石英砂过滤”，流程示意如图l所示。各净水单元均为有机玻璃制造，其中过滤单元设两组，每组滤柱均为单层均质石英砂滤柱，内径90 mm，滤床高度700 mm。滤料规格为细砂：粒径dmm＝0．95 mm，dmax＝1．35 mm，不均匀系数k80<1．5；粗砂：dmin=2．36 mm，dmax＝3．35 mm，不均匀系数k80<1．5。承托层分两层，上层为粒径4～8 mm的粗砂100mm，下层为粒径10～12 mm的细鹅卵石50 mm。
1．2试验材料
颤蚓采自西安汤峪水库底泥，实验室进行放大培养。培养箱直径500 mm，高200 mm，基质为汤峪水库表层松软底泥，基质厚度100 mm，上覆水为曝气自来水，水深80 mm，溶解氧浓度为6--8 mg／L，pH为6．5。每天换水1次。每次试验时，从培养箱取出部分底泥，平摊于装有少量蒸馏水的搪瓷托盘，用包裹硅胶的塑料镊子挑取直至所需数量，剩余颤蚓弃用。
原水采用自来水配制，脱氯剂为NaHSO3，脱氯后的自来水按照100 mg／L的浓度加入汤峪水库底泥，通过慢速搅拌和进水泵回流方式控制同体颗粒在原水桶中的沉淀，中试系统进水浊度稳定在30-40 NTU。
1．3试验方法
每次试验均在中试系统出水水质稳定后开始进行。在每组滤柱中加入300条颤蚓，并在出水口设置100目筛网对颤蚓进行拦截，过滤结束后，对筛网中颤蚓进行计数，拦截数量即为滤柱穿透数量。对于反冲洗，则在反冲洗出水口对颤蚓进行100目筛网拦截，拦截数量即为颤蚓去除数量。
首先进行不同体长颤蚓在细砂和粗砂滤池中的拦截试验，然后在细砂滤池中分别控制过滤速度、过滤周期和反冲洗强度等操作条件，考察各自对滤池拦截和去除颤蚓效果的影响。
2结果与分析
2．1砂滤池对颤蚓的拦截作用
体长小于2 cm和大于4 cm的颤蚓分别称之为小虫和大虫(下同)，控制滤速为8 m ／h，过滤时间为12 h，细砂和粗砂滤柱对颤蚓的拦截结果见图2。由图2可知，砂滤池对颤蚓有较好的拦截效果，拦截率均在90％以上，其拦截效果与颤蚓体长和滤料粒径有关。细砂滤池对小虫和大虫的拦截率分别为96％和100％，高于粗砂滤池的91．3％和99．3％；相同粒径条件下，砂滤池对大虫的拦截效果要优于小虫。
有研究表明，蠕虫类无脊椎动物的体长和体重关系密切，诸晖等发现颤蚓体长L 和体重W的关系式可用W＝a·Lb来表示，其中a为修正系数，b为相对生长系数。Lazim等研究发现颤蚓体重w与其第8体节宽度D8th有如下关系：
于是颤蚓体长Lh与其第8体节宽度D8th的关系表达式为：
由式(2)可知，随着颤蚓体长的增加，相应的第8体节宽度D8th也开始增加，这将限制颤蚓在滤床间隙中的迁移能力和范围，从而提高砂滤池对颤蚓的拦截率。陈旭等在研究颤蚓对筛网的穿透能力时，也发现体长将影响其穿透能力，7～8 cm、2．5～3 cm和1～1．5 cm长的颤蚓对100目筛网的穿透率分别为0％、60％和100％。细砂滤池对颤蚓的拦截效果要优于粗砂滤池，经分析其原因主要是随着粒径的增大，滤料间的空隙也增大，有利于颤蚓在其中钻行，导致穿透滤池颤蚓数量增加。因此减小滤料粒径有利于水厂颤蚓风险控制。试验中采用的细砂滤料粒径与水厂经常采用的粒径范围较接近，因此就粒径而言，水厂常规石英砂滤池已能满足对颤蚓的拦截要求。
2．2滤速对砂滤池拦截作用的影响
分别控制滤速为7．8 m／h、9．4 m／h、11．1 m／h和12．6 m／h，过滤周期为12 h，细砂滤池对小虫的拦截结果如图3所示。由图3可知，随着滤速的增大，砂滤池对颤蚓的拦截率降低，当滤速超过11．1m／h后，拦截率大幅降低，由11．1 m／h时的96．3％降为12．6 m／h时的87％。因此，为有效控制颤蚓的穿透泄漏风险，石英砂滤池滤速不宜超过11．1 m／h。
颤蚓对滤池的穿透作用与其在滤床中的迁移能力密切相关，对颤蚓迁移动力进行探讨有助于深入了解砂滤池对颤蚓的拦截作用规律。Christophe等人发现颤蚓在自然水体中的迁移动力主要是觅食或躲避恶劣栖息环境，一般发生在0-30 cm深度范围内。Tetsuya的研究表明，即使在极端条件下，颤蚓在底泥中的迁移深度也不会超过1 m。Christophe等人研究还表明，底质颗粒粒径对颤蚓的迁移影响显著，颤蚓在石英砂(粒径0．6～2 mm)中的迁移能力要明显小于天然底泥。本研究中各滤速下均有颤蚓穿透滤池，迁移距离超过70 cm，远高于天然水体底泥中的0～30 cm，表明觅食或躲避恶劣栖息环境已不再是此时颤蚓的主要迁移动力，而过滤水流的冲刷携带作用可能是颤蚓在滤床中发生自上向下迁移的主要动力。正是由于过滤水流的冲刷携带，颤蚓开始沿滤床深度方向迁移，并最终部分穿透滤池，滤速越大，其迁移能力也越强，砂滤池的拦截效果也越差。
2．3过滤周期对砂滤池拦截作用的影响
过滤周期对砂滤池拦截小虫效果的影响如图4所示。可以发现，随着过滤周期的延长，滤池对颤蚓的拦截率逐渐降低，过滤周期为18 h时，拦截率仅为57．3％，说明过滤周期的延长能够促进颤蚓沿滤床深度方向的迁移，导致颤蚓泄漏数量增大。因此对于水厂而言，适当缩短滤池过滤周期，有助于颤蚓泄漏风险控制。图4的结果表明，过滤周期不宜超过12 h。
虽然随着过滤周期的延长，滤床将截留更多的颗粒污染物引起滤层空隙的减小，从而可能阻碍颤蚓沿滤床深度方向的迁移，但由于砂滤池对颗粒污染物的截留主
要发生在上层滤床，当上层滤床的颗粒污染物阻塞还不致影响颤蚓迁移时，可能大部分颤蚓已经迁移至滤床中下层，因而阻碍作用微小。
2．4反冲洗对颤蚓去除效果的影响
在滤柱中投放小虫，进行12 h过滤，然后进行反冲洗，反冲洗时间10 min，强度分别为15 L／(s·m2)、20 L／(s·m2)和25 L／(s·m2)。反冲洗对颤蚓去除结果如图5所示。图5表明反冲洗强度越大，对滤床中颤蚓的去除效果越好。在25 L ／(s·m2)的反冲洗强度下，颤蚓的去除率可达97．7％，基本可以满足净水工艺对颤蚓风险控制的要求。
值得注意的是，对净水厂过滤工艺而言，滤床对颤蚓的拦截并不意味着去除，被拦截的颤蚓还可能在滤床中二次繁殖，引起新的颤蚓泄漏风险，无脊椎动物的二次繁殖导致的泄漏风险在臭氧活性炭滤池显得尤为突出，因为南细菌组成的生物膜可以为其生长繁殖提供丰富的食物。反冲洗则能实现颤蚓从净水系统真正意义上的去除。由图5可知，保证一定的反冲洗强度是实现彻底去除颤蚓的关键。
常规工艺中单层石英砂滤池单独水冲时的反冲洗强度一般在12--一15 L／(S·m2)，与之相比，为达到颤蚓去除目的所采用的反冲洗强度要大很多。
其原因可能是颤蚓的密度要大于常规颗粒污染物，加上体长较长，反冲洗过程中易被滤料所阻碍。为降低反冲洗用水量，李小伟等尝试采用加氯水对BAC滤池进行反冲洗，试图利用氯对无脊椎动物的灭活作用来降低反冲洗强度，但效果不明显。因此，研究滤池反冲洗与其他颤蚓风险控制技术有机结合，协同去除颤蚓以达到减少反冲洗用水量，这对于水厂颤蚓风险控制的顺利实施有重要的实际意义。
3结论
(1)砂滤池对颤蚓的拦截效果与颤蚓的体长和滤料粒径有关。颤蚓体长越大，则第8体节宽度D8th出越大，砂滤池对其拦截效果越好；滤料粒径越大，砂滤池的拦截效果越差。
(2)滤速是颤蚓在滤床中发生自上向下迁移的主要动力，滤速的增大会降低砂滤池对颤蚓的拦截效果；过滤周期的延长也能促进颤蚓在滤床中的自上向下迁移，适当缩短滤池过滤周期，有助于颤蚓泄漏风险控制。
(3)反冲洗能够实现颤蚓从净水系统真正意义上的去除，反冲洗强度越大，去除效果越好，反冲洗强度为25 L／(s·m2)时，颤蚓的去除率可达97．7％。