袁雅姝，張麗偉，馬興冠，王 薇，王 東

(1.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168；2.沈陽水務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽 110168；3.海城市水務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧鞍山 114200)

劍水蚤是水源中常見的甲殼類浮游動物代表，體長約為0.3～3 mm，軀體橫斷面直徑一般小于2 mm，頭部有1個(gè)眼點(diǎn)、2對觸角，腹部5對胸足，頭部較寬腹部較窄，軀體末端有一對尾爪。它們是一類分布地域廣泛多樣、具有雜食性、能適應(yīng)多種生存環(huán)境的甲殼型橈足類浮游動物[1]，屬于節(jié)肢類浮游動物門，是甲殼綱中相對較為低級的種類，也是各種魚類的天然餌料。它們以藻類及更低級微生物為食，也可吞食魚卵、魚苗等，春季為其繁殖的高峰期，產(chǎn)卵量大，幼蟲的孵化期為1～5 d[2-4]。

劍水蚤的出現(xiàn)不但會造成人感官的不適，而且是疾病傳播的一個(gè)重要媒介。由于蚤卵與輪蟲卵具有相似的結(jié)構(gòu)，表面也有大量氣孔，能吸附水中一些物質(zhì)，這使雌性劍水蚤的卵囊成為細(xì)菌的重要載體，雌性劍水蚤能夠比雄性劍水蚤攜帶更多數(shù)量的細(xì)菌[5]，人們的健康將很有可能受到很大的間接危害和嚴(yán)重威脅，可能會導(dǎo)致一些疾病的發(fā)生。水中致病微生物中間的寄主之一便是水蚤類，如線蟲、血吸蟲等[6-7]，它們體內(nèi)可能還有大量的細(xì)菌、致病菌和其他可致病菌等[8]。已有資料表明，裂頭蚴病與劍水蚤有直接的關(guān)系[9]。

劍水蚤通常存在于富營養(yǎng)化的湖泊、水庫等水資源水中產(chǎn)卵孵育，可以通過休眠方式度過干旱、冰凍等多種不良環(huán)境。常規(guī)的水處理工藝對劍水蚤具有某些局限性，它不間斷地跳躍難以沉淀，而排泥不及時(shí)也會導(dǎo)致沉淀下來水蚤的大量孳生。它還具有強(qiáng)抗氧化性的甲殼和游動性，一些體積較小的水蚤和一些卵囊可穿透濾池進(jìn)入清水池中[10]，也導(dǎo)致其很難在消毒過程被滅活[11]，最終可能會直接進(jìn)入用戶供水管網(wǎng)，并且出現(xiàn)在用戶的水龍頭中。近年來，在許多城市水源，特別是水庫、湖泊類水源水中發(fā)現(xiàn)以劍水蚤為代表的水蚤類浮游動物，一些城市水廠的清水池乃至管網(wǎng)中都發(fā)現(xiàn)過劍水蚤。1998年，哈爾濱一家縣級自來水公司的用戶在水中發(fā)現(xiàn)了某種動物的活體，經(jīng)過檢測后確定為劍水蚤，它們的數(shù)量有時(shí)可以高達(dá)3～4個(gè)/L。2004年11月3日，在吉林省舒蘭市一位居民的家中，管網(wǎng)末端的自來水里出現(xiàn)許多游動的劍水蚤，這件事引起了全國的關(guān)注并由央視進(jìn)行報(bào)道[4]。

傳統(tǒng)工藝水廠現(xiàn)有技術(shù)措施難以應(yīng)對原水中突發(fā)的微生物改變，應(yīng)急措施和方法尚不夠完善，運(yùn)行管理缺乏數(shù)據(jù)支撐。由此可見，凈水工程中對劍水蚤危險(xiǎn)的管理研究在城市飲用水處理領(lǐng)域仍是一個(gè)重要的研究課題。近年來我國北方以水庫水為水源的多個(gè)水廠的供水系統(tǒng)中，水蚤在春夏交替及秋季時(shí)節(jié)大量出現(xiàn)，水處理工藝難度和制水成本都有一定程度的增加，對用戶用水安全帶來了威脅和隱患。如何確保供水的水質(zhì)安全以及控制和去除劍水蚤類浮游生物已是水處理技術(shù)中亟待解決問題。

1 材料與方法

1.1 水廠基本情況

甲、乙兩個(gè)水廠位于遼寧兩個(gè)不同地區(qū)，兩個(gè)水廠原水分別取自不同水庫。甲水廠原水取自大伙房水庫，途經(jīng)250余km輸水管線至水廠，乙水廠供水水源來自當(dāng)?shù)丶t升水庫，輸水距離為2～3 km。甲、乙兩個(gè)水廠均采用常規(guī)給水處理工藝，主要生產(chǎn)工藝流程為混凝-沉淀-過濾-消毒，如圖1所示。甲水廠設(shè)計(jì)供水能力為10萬m3/d，現(xiàn)水廠運(yùn)行產(chǎn)水量為5.5萬m3/d；乙水廠設(shè)計(jì)供水能力為2萬m3/d，目前在用水高峰期供水能力已達(dá)上限，滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 廠區(qū)內(nèi)工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Treatment Process of WTP

1.2 原水水質(zhì)特征

大伙房水庫和紅升水庫均為典型的北方水庫，特點(diǎn)是冬春季低溫低濁，夏季水庫水中總氮超標(biāo)，細(xì)菌、以藍(lán)綠藻為代表的藻類等微生物及浮游植物季節(jié)性大量繁殖，水中季節(jié)性出現(xiàn)劍水蚤等浮游動物。汛期由于水質(zhì)變化較大，渾濁度升高、有機(jī)物含量增加，水體受污染程度加重。在線檢測數(shù)據(jù)顯示，最低渾濁度為3.0～4.0 NTU，最低溫度為3.0～5.0 ℃，pH值為7～8。

1.3 現(xiàn)場調(diào)研存在的問題

在對水廠現(xiàn)場調(diào)研時(shí)，甲水廠原水中存在肉眼可見一定數(shù)量跳動性、活躍性很強(qiáng)的劍水蚤。乙水廠水庫原水總磷(以P計(jì))質(zhì)量濃度為0.71 mg/L，濾后水總磷(以P計(jì))質(zhì)量濃度為0.26 mg/L，超出地表水(Ⅱ類)10倍，說明屬于富營養(yǎng)化狀態(tài)。在水處理工藝中濾池前端、沉淀池出水中，水廠工作人員發(fā)現(xiàn)水樣中肉眼可見大量跳躍、活動性較強(qiáng)的白色劍水蚤，數(shù)量較多為沉淀池堰前水面，每年6月和9月數(shù)量最多?，F(xiàn)場原水取樣，肉眼可見游動跳躍性和活性很強(qiáng)的水蚤；沉淀池出水濾網(wǎng)攔截的水樣，在燒杯中觀察，很難見到跳躍性、活動性較強(qiáng)的水蚤。本試驗(yàn)采集了水廠原水進(jìn)水取樣口與濾前水水樣。

實(shí)驗(yàn)室對采集的水樣進(jìn)行了顯微鏡觀察。觀察結(jié)果：原水中存在一定數(shù)量跳動性、活躍性很強(qiáng)的劍水蚤；濾前水中發(fā)現(xiàn)較原水?dāng)?shù)量多的劍水蚤，但大部分已經(jīng)不具有活動性、已經(jīng)死亡或肢解，個(gè)別劍水蚤具有緩慢游動跳躍性。觀察到甲水廠和乙水廠的劍水蚤有一定的區(qū)別。顯微鏡下觀察到的劍水蚤如圖2～圖4所示。

圖2 原水中觀察到活體劍水蚤Fig.2 Living Cyclops Observed in Raw Water

圖3 濾池表面水中發(fā)現(xiàn)的蚤卵Fig.3 Cyclops Eggs Found in Water on the Surface of the Filter

圖4 濾前水觀察到的劍水蚤Fig.4 Cyclops Observed in Pre-Filtered Water

1.4 調(diào)試方案

針對水廠劍水蚤大量存在的問題，提出以下幾點(diǎn)改善措施：①增加預(yù)氧化過程，充分發(fā)揮工藝過程的協(xié)同作用，投加計(jì)量安全的預(yù)氧化劑，與水廠絮凝沉淀、過濾等凈水工藝相結(jié)合，根據(jù)不同水廠消毒方式的不同，按實(shí)際情況擇優(yōu)處理，通過燒杯小試和中試試驗(yàn)確定，對二氧化氯和次氯酸鈉兩種預(yù)氧化試劑進(jìn)行對比，確定適合的藥劑及合適準(zhǔn)確的投加量；②反應(yīng)池、沉淀池及時(shí)清理，縮短清洗周期，減少劍水蚤的繁殖、富集；③調(diào)整水廠運(yùn)行，適當(dāng)增加混凝劑投加量和調(diào)整濾池工藝參數(shù)，控制濾池中的藻類孳生；④在合適的工藝節(jié)點(diǎn)繼續(xù)采取物理攔截措施，加裝濾袋，及時(shí)清洗和更換，保證濾前有效攔截；⑤進(jìn)一步加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督管理力度，增加與企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際密切相關(guān)的質(zhì)量監(jiān)督檢測工作項(xiàng)目；⑥對水源地進(jìn)行生態(tài)治理，保護(hù)水資源生態(tài)平衡和食物鏈的完整性。

1.5 檢測項(xiàng)目及方法

具體檢測項(xiàng)目及方法如表1所示。

表1 檢測項(xiàng)目及方法Tab.1 Testing Items and Methods

2 結(jié)果與討論

2.1 劍水蚤產(chǎn)生原因分析及氧化試驗(yàn)

大伙房水庫和紅升水庫均為典型的北方水庫，冬春季低溫低濁，夏季水庫水中總氮超標(biāo)，細(xì)菌、以藍(lán)綠藻為代表的藻類等微生物及浮游植物季節(jié)性大量繁殖，水中季節(jié)性出現(xiàn)劍水蚤等浮游動物。汛期洪水水質(zhì)變化較大，渾濁度增加、水中有機(jī)物含量高，水體受污染程度加重。在線檢測數(shù)據(jù)顯示，最低渾濁度為3.0～4.0 NTU。大伙房水庫屬多水源混合聯(lián)動，具有夏季水量豐沛、冬季水位低、會發(fā)生枯水、春秋過渡的季節(jié)特點(diǎn)?；旌纤此|(zhì)的季節(jié)性變化以及漁業(yè)的過度捕撈已經(jīng)影響了水體的生態(tài)平衡，因水體富營養(yǎng)化，浮游動物獲得了充足的餌料，生存壓力降低，使其得到了迅猛的孳生、繁殖[12]。北方地區(qū)原水多來自地下水和水庫水。由于春天溫度適宜、庫容較小、稀釋功能相對較差、濾食性魚類的過度捕獲等，水中劍水蚤大量生長并且為其繁殖高峰期。常規(guī)的水處理技術(shù)對于體型較小的水蚤及其蚤卵去除效果不佳，導(dǎo)致水蚤在沉淀池和濾池上層二次繁殖[13]。同時(shí)濾池反沖洗水周期過長及沖洗不徹底，會導(dǎo)致劍水蚤富集于濾池，一些體型較小個(gè)體及其卵囊有可能穿透濾層進(jìn)入到管網(wǎng)水尤其是一些管網(wǎng)末梢。由于其很強(qiáng)的抗氧化生物特性，傳統(tǒng)的消毒方法(如氯消毒)不能有效地滅活[5]，有再次出現(xiàn)或增殖的可能，對供水安全性造成極大的威脅。如果采用鑄鐵、鋼等金屬鐵制管材作為輸配水管網(wǎng)管材，在輸配水長期使用過程中，嚴(yán)重腐蝕、沉積的管材管壁為細(xì)菌等微生物提供了附著以及躲避消毒劑作用的棲身之所，并從水中汲取營養(yǎng)，加劇微生物的生長繁殖。供水管網(wǎng)在余氯不足的條件下，也會出現(xiàn)原生動物等微生物，為水蚤的繁殖提供良好的條件，對供水的安全性埋下安全隱患。

預(yù)氧化藥劑采用次氯酸鈉和二氧化氯，加藥點(diǎn)設(shè)在混合池前端。對次氯酸鈉和二氧化氯滅活劍水蚤進(jìn)行燒杯小試和現(xiàn)場中試試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)藥劑濃度高、投加量足夠大時(shí)，兩種藥劑都在短時(shí)間內(nèi)獲得很好的滅活效果；當(dāng)投加藥量濃度降低時(shí)，次氯酸鈉滅活作用時(shí)間優(yōu)于二氧化氯，但時(shí)間過長，滅活時(shí)間達(dá)到5 h以上，不能滿足實(shí)際運(yùn)行要求。所以在原水中出現(xiàn)水蚤的春夏之際，無論使用哪一種預(yù)氧化劑，投加藥劑時(shí)，均要保證在濾池前端將水蚤有效滅活。影響水蚤滅活效果的主要因素是藥劑投加濃度，投加濃度越高，滅活時(shí)間就越短。嚴(yán)格按照試驗(yàn)結(jié)果的藥劑濃度及投加劑量，這一點(diǎn)至關(guān)重要，需確定合適準(zhǔn)確的預(yù)氧化藥劑投加量，指導(dǎo)運(yùn)行操作，保證供水安全。根據(jù)燒杯試驗(yàn)，預(yù)投加次氯酸鈉(1.0～2.0 mg/L)、二氧化氯(0.5～2.0 mg/L)(圖5)，對劍水蚤的滅活均可起到較好的作用，但二氧化氯的成本相對較高。

圖5 二氧化氯和次氯酸鈉對劍水蚤的滅活作用Fig.5 Inactivation of Cyclops by Sodium Hypochlorite and Chlorine Dioxide

劍水蚤的游動性導(dǎo)致其活體在水處理中去除難度較大。國內(nèi)外普遍采取的除蚤措施是利用化學(xué)氧化法降低劍水蚤的活性，殺滅劍水蚤類浮游動物，將其滅活。與水廠絮凝沉淀、過濾等凈水工藝相結(jié)合，增加預(yù)氧化過程，充分發(fā)揮工藝過程的協(xié)同作用。次氯酸鈉普遍取代其他氯消毒措施，所以建議未使用次氯酸鈉的水廠，預(yù)氧化劑可以選用安全可靠、易于實(shí)現(xiàn)、存放管理方便的次氯酸鈉，可以將次氯酸鈉的最大投加量控制在2.5 mg/L，保證濾后水余氯為0.05 mg/L，以控制劍水蚤類浮游動物的孳生。增大次氯酸的投加量會增加消毒副產(chǎn)物，混凝工藝可以去除消毒副產(chǎn)物，次氯酸投加位置可設(shè)置在水廠內(nèi)輸水管檢查井處，即投加混凝劑的操作井處，此處有預(yù)留加藥管閥門，可操作性強(qiáng)。Sun等[14]研究了采用氯胺消毒對劍水蚤進(jìn)行去除時(shí)對DBPs影響，表明氯胺消毒能更好地控制DBPs，建議可采用小試試驗(yàn)測試消毒能力。通過預(yù)氧化手段滅活水蚤是提高沉淀池去除效率的最有效手段，滅活水蚤同時(shí)可以緩解水蚤在各個(gè)處理構(gòu)筑物中的孳生。

2.2 水廠運(yùn)行的調(diào)整

根據(jù)現(xiàn)在生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際情況，因水廠實(shí)際處理水量為設(shè)計(jì)水量的一半，混凝強(qiáng)度不足，速度梯度達(dá)不到要求，絮凝效果難以保證，故關(guān)閉一套工藝系統(tǒng)，單獨(dú)運(yùn)行一套系統(tǒng)，保證水力運(yùn)行條件。此外，適當(dāng)改變?yōu)V池的工藝參數(shù)，適當(dāng)縮短濾池工作周期。根據(jù)現(xiàn)在生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際情況減少濾池處理水量，降低穿透濾層的劍水蚤；調(diào)整反沖洗強(qiáng)度，增加反沖洗時(shí)間，濾池的良好沖洗效果能夠避免濾后水出現(xiàn)劍水蚤泄露。水廠現(xiàn)在運(yùn)行過濾工藝周期為72 h，劍水蚤蚤卵經(jīng)過0.5～5 d即可孵化為幼蟲，為防止蚤卵孳生，調(diào)整濾池過濾時(shí)間≤24 h?？s短運(yùn)行周期，同時(shí)延長每次沖洗時(shí)間，保證蚤卵及幼蚤及時(shí)被沖洗掉。從沉淀池出水濾網(wǎng)攔截的劍水蚤來看，沉淀池不能有效去除水蚤尸體及部分水蚤活體?？刹捎锰岣咝跄齽┦褂昧康姆绞浇鉀Q水蚤泄露的問題，礬花附著于水蚤體，沉降時(shí)會攜帶漂浮性微型動物的尸體進(jìn)行沉降，尤其是對經(jīng)過預(yù)處理而被殺死的水蚤有效。

一般情況下，當(dāng)濾料級配不當(dāng)時(shí)，卵囊和較小的劍水蚤都有可能會穿透濾料層，所以降低濾料的粒徑(<0.5 mm)，通過濾料的調(diào)整，降低濾料間的空隙，產(chǎn)生表面過濾效果，降低水蚤穿透濾層的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 其他有效措施

2.3.1 對濾池的清理

由水廠以往沉淀池清洗出的底泥可知，底泥呈墨綠色，說明底泥中含有大量微生物，尤其是藻類，為劍水蚤提供食物來源；又因春季水溫適宜，產(chǎn)卵量大，水廠實(shí)際運(yùn)行中底泥清洗周期過長，每年清洗次數(shù)有限，最長可達(dá)半年之久，為劍水蚤及蚤卵的生存和大量繁殖提供了良好的生存環(huán)境條件，而且劍水蚤可能會大量繁殖并游到上部的清水區(qū)。

及時(shí)清洗反應(yīng)池和沉淀池可以有效地去除池中底泥所裹挾的大量水生生物，減少它們在池中的擴(kuò)散和增殖。為使得后續(xù)工藝的負(fù)荷降低，避免劍水蚤長期地在積泥土壤區(qū)富集，排泥的周期一定要盡量地縮短，必要時(shí)每月至少可以進(jìn)行1～2次清洗。

2.3.2 增加物理攔截措施

沉淀池出水處加裝濾袋，確保劍水蚤在濾池前得到有效攔截。在水廠進(jìn)水口的穩(wěn)壓井處、沉淀池出水集水槽處加裝100目或180目的濾袋，保證每天清洗更換濾袋1～2次，水蚤數(shù)量多時(shí)可4～6 h更換，確保在處理工藝前及濾池前有效攔截，同時(shí)可以減少預(yù)氧劑的使用劑量，保證滅蚤效果。

2.3.3 加強(qiáng)檢測力度并增加與實(shí)際生產(chǎn)相關(guān)的檢測項(xiàng)目

對原水中的水生生物的監(jiān)控和管理力度一定要有所加強(qiáng)，對工段用水特別是過濾池中的反沖水進(jìn)行生物的監(jiān)控也很重要。水質(zhì)狀態(tài)情況一定要準(zhǔn)時(shí)、精確地掌握，及時(shí)發(fā)現(xiàn)劍水蚤產(chǎn)生，工藝操作參數(shù)也要及時(shí)調(diào)整。

2.3.4 對水源進(jìn)行生態(tài)治理，保護(hù)生態(tài)平衡和食物鏈的完整

人為等原因打破了水蚤原有的自然生態(tài)平衡，造成了水蚤過量繁殖。利用“生物操縱”技術(shù)[15-16]，在水庫水體中投放一定數(shù)量以浮游生物為食的魚類并配合以其他植食性的魚類，實(shí)現(xiàn)捕食壓力、生存空間、營養(yǎng)物質(zhì)等諸多方面影響因素的綜合管理，將生態(tài)平衡盡可能地恢復(fù)。該技術(shù)符合可持續(xù)發(fā)展的理念，是長期解決這一問題的根本方法。不僅解決了飲水安全問題，而且還具備了生態(tài)環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。

3 調(diào)試運(yùn)行效果

經(jīng)過運(yùn)行調(diào)試，劍水蚤孳生問題得到了有效控制。在預(yù)氧化過程中，次氯酸鈉的最大投加量控制在2.5 mg/L，劍水蚤被有效滅活，難以觀察到活體劍水蚤；在絮凝過程中，絮凝劑的用量相應(yīng)增加，一些劍水蚤的尸體隨著礬花沉降，降低了后續(xù)沉淀池的出水?dāng)r截阻力。過濾時(shí)間縮短為24 h，反沖洗時(shí)間相應(yīng)延長，對濾池每個(gè)月進(jìn)行了兩次清洗，避免了劍水蚤二次繁殖。

通過一系列措施，劍水蚤暴發(fā)問題得到有效解決，在后續(xù)劍水蚤少量存在的情況下，水廠采用增加濾袋的方式去除，兩重濾袋過濾，一層100目和一層180目濾袋，并且及時(shí)更換和清洗，去除效果良好(表2)。

表2 兩水廠處理前后水質(zhì)對比Tab.2 Comparison of Water Quality before and after Treatment in Two WTPs

4 結(jié)論

(1)劍水蚤出現(xiàn)是具有季節(jié)性的，特別是春夏交替之際，對人體有著很大的潛在危害，是疾病傳播的媒介，在供飲用的水源與給水技術(shù)的過程中必須全方位綜合預(yù)防和控制劍水蚤，防治它的孳生，以保證供水安全。

(2)經(jīng)過運(yùn)行調(diào)試，劍水蚤問題得到有效控制，水廠要根據(jù)建議堅(jiān)持調(diào)試運(yùn)行，防止劍水蚤再次出現(xiàn)。

(3)要盡可能地恢復(fù)水源原有的生態(tài)平衡，對水源地進(jìn)行生態(tài)治理，提供良好的水體生物鏈關(guān)系，使其富營養(yǎng)化的程度得到減輕，保護(hù)水源原有的生態(tài)平衡及食物鏈健康完整性，保護(hù)環(huán)境及水資源管理部門都應(yīng)該引起足夠重視。