過濾工藝中顫蚓的遷移分布規律

聶小保,黃廷林,張金松,張爽,李偉,李曉鈺

(1.西安建筑科技大學環境與市政工程學院,西安710055;2.長沙理工大學水利學院,長沙410076;3.深圳水務集團,廣東深圳 518031)

顫蚓是自然水體中1類常見的底棲類寡毛綱類動物,在全球淡水水域內廣泛分布,由于其耐污能力較強,往往是大多數水體中底棲動物的優勢種屬[1-2]。水體的富營養化使得顫蚓在水庫、湖泊類水源水體中大量孳生繁殖[3],進入水廠后,由于其穿透能力較強,可以穿透整個凈水工藝,最終進入供水管網對水質造成污染[4-5]。陳旭等[6]在天津3處用戶水龍頭曾收集到60多條顫蚓,李曉偉[7]等在深圳某水廠現場中試研究中發現,BAC濾池在運行150 d后,出水中有大量顫蚓出現,密度最高可達 200 ind./m3。Mauclaire等[8]進行了砂濾池中無脊椎動物的調查分析,發現包括顫蚓在內的寡毛蟲為砂濾池中的優勢種屬,每升濾料中寡毛蟲及其蟲卵的數量分別高達200 ind.和50 ind.以上。盡管目前并沒有被證實顫蚓等蠕蟲會威脅到公眾健康[9],但大多數人常常把這些生物的存在和飲用水不衛生聯系起來,引起他們對水質信心的下降。顫蚓等無脊椎動物往往能攜帶大量的細菌,有研究表明,一個無脊椎動物攜帶的細菌總數達10～4 000個[10]。因此水廠必須采取有效的顫蚓風險控制技術,避免水廠顫蚓及其蟲卵的泄漏。

隨著給水廠中以臭氧活性炭為代表的深度處理工藝的逐漸推廣,顫蚓污染風險有進一步加劇的趨勢,首先臭氧接觸提高了BAC濾池內的溶解氧濃度,有利于顫蚓生長,其次BAC濾池內豐富的生物膜也為顫蚓的生長繁殖提供了大量食物,顫蚓將大量孳生。目前中國南方濕熱地區部分水廠BAC濾池均存在不同程度的顫蚓孳生問題,嚴重時濾池反沖洗水中甚至有成團的顫蚓出現。利用凈水消毒劑對BAC濾池顫蚓進行氧化滅活,雖然能起到明顯的滅活效果[11],但濾池內的功能微生物也將被大量殺滅,嚴重破壞BAC濾池的正常功效。因此充分發揮常規工藝對顫蚓的攔截效果,在顫蚓進入BAC濾池前對其進行攔截,是一條簡單有效的風險控制途徑。砂濾池作為常規凈水工藝中攔截顫蚓的最后一道屏障,其攔截效果顯得尤為重要。由于目前尚未見關于過濾工藝對顫蚓的攔截作用的報道,該研究嘗試對顫蚓在濾池中的遷移分布規律進行研究,并探討濾池操作運行條件對顫蚓遷移分布的影響,旨在為給水廠充分發揮砂濾池對顫蚓的攔截效果提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗在中試系統中完成。中試系統規模為100～150 L/h,工藝流程為“機械混凝-平流沉淀-石英砂過濾”,流程示意圖如圖1所示。各凈水單元均為有機玻璃制造,其中過濾單元設2組,每組濾柱均為單層均質石英砂濾柱,內徑90mm、濾床高度 700mm。濾料規格為細砂:粒徑dmin=0.95mm、dmax=1.35mm、不均勻細數k80＜1.5;粗砂:粒徑 dmin=2.36mm、dmax=3.35mm、不均勻細數k80＜1.5。承托層分2層,上層為粒徑 4～8mm的粗砂 100mm,下層為粒徑10～12mm細鵝卵石50mm。

圖1 中試系統流程圖

1.2 試驗材料

顫蚓采自西安湯峪水庫底泥,實驗室進行放大培養。培養箱直徑500mm,高200mm,基質為湯峪水庫表層松軟底泥,基質厚度100mm,上覆水為曝氣自來水,水深80mm,溶解氧濃度為6～8mg?L-1,PH為6.5。每天換水1次。每次試驗時,從培養箱取出部分底泥,平攤于裝有少量蒸餾水的搪瓷托盤,用包裹硅膠的塑料鑷子挑取直至所需數量,剩余顫蚓棄用。

原水采用自來水配制,脫氯劑為NaHSO3,脫氯后的自來水按照100mg/L的濃度加入湯峪水庫底泥,通過慢速攪拌和進水泵回流方式控制固體顆粒在原水桶中的沉淀,中試系統進水濁度穩定在30～40 NTU之間。

1.3 試驗方法

每次試驗均在中試系統出水水質穩定后開始進行。在每組濾柱中加入300條顫蚓,濾柱過濾或反沖洗結束后,以5cm長為1段,將濾料分段依次取出,對每段濾料中的顫蚓進行計數,并將各段顫蚓數量視為該段下斷面處顫蚓的分布數量,得到顫蚓在濾床中的遷移分布結果。

首先進行不同體長顫蚓在細砂和粗砂濾池中的遷移試驗,然后在細砂濾池中分別控制過濾速度、過濾周期和反沖洗強度等操作條件,考察各自對顫蚓在濾床中遷移分布的影響。

2 結果與分析

2.1 顫蚓在濾池中的遷移能力

體長小于2cm和大于4cm的顫蚓分別稱之為小蟲和大蟲(下同),控制濾速為8m/h,過濾時間為12 h,顫蚓在細砂和粗砂濾柱中的遷移分布結果見圖2和圖3。

圖2 不同體長顫蚓在細砂濾床中的遷移分布

圖3 不同體長顫蚓在粗砂濾床中的遷移分布

由圖2可知,對于細砂濾池,小蟲和大蟲在濾床中的分布規律均為隨濾床深度的增加,分布數量逐漸減小,只有小蟲在25～30cm段要高于20～25cm段,分別為35條和22條。小蟲在整個濾床深度范圍內均有出現,并有12條穿透了濾池,而大蟲的最大遷移深度僅為45cm,且大部分(約為70%)停留在濾床0～5cm段。有研究表明,蠕蟲類無脊椎動物的體長和體重關系密切[12-13],諸暉等[14]發現顫蚓體長L和體重W的關系式可用W=a?Lb來表示,其中a為修正系數,b為相對生長系數。Lazim等[15]研究發現顫蚓體重W 與其第8體節寬度D8th有如下關系:

于是顫蚓體長L h與其第8體節寬度D8th的關系表達式為:

由式(2)可知,隨著顫蚓體長的增加,相應的第8體節寬度D 8th也開始增加,這將限制顫蚓在濾床間隙中的遷移能力和范圍,圖2的結果也表明,體長是決定顫蚓在濾池中遷移和穿透能力的關鍵因素。陳旭等[6]在研究顫蚓對篩網穿透能力時,也發現體長將影響其穿透能力,7～8cm、2.5～3cm和1～1.5cm長的顫蚓對 100目篩網的穿透率分別為0%、60%和100%。

而在粗砂濾池中(圖3),雖然小蟲較大蟲仍表現出更強的遷移能力,濾床的中下層內小蟲的數量更多,但兩者隨濾床深度的增加其分布已無明顯規律,說明在粗砂濾床中,顫蚓體長或者說體寬不再是其遷移的主要限制因素,此時顫蚓既可在水流作用下于濾床中自上之下遷移,也可因覓食等活動發生自下至上的自主遷移,因而在濾床中的分布規律不明顯。

對照圖2和圖3可以看出,20cm以下的濾床中,粗砂濾柱中的顫蚓分布數量要明顯高于細砂濾池,這說明濾料粒徑的增大有利于顫蚓的遷移。

2.2 濾速對顫蚓遷移分布的影響

分別控制濾速為 7.8m/h、9.4m/h、11.1m/h和12.6m/h,過濾周期為12 h,小蟲在細砂濾池中的遷移結果如圖4所示。由圖4可知,隨著濾速的增大,顫蚓在濾床上部的分布數量逐漸減小,中下部分布數量則有增加的趨勢。7.8m/h和9.4m/h條件下,顫蚓在濾床中的分布結果較為接近,且均為分布數量沿濾池深度方向有明顯遞減的趨勢;11.1m/h時除20～40cm段外,其余濾床部分顫蚓數量也有自上至下遞減的趨勢,但不明顯;12.6m/h時顫蚓數量分布則隨濾床深度表現出比較明顯的波浪形,且濾床下層(35cm以下)數量要高于上層(35cm以上)。

Merle等[16]發現顫蚓在自然水體中的遷移主要發生在0～30cm范圍內,Tetsuya[17]的研究表明,即使在極端條件下,顫蚓在底泥中的遷移深度也不會超過1m。Merle等[16]研究還表明,底質顆粒粒徑對顫蚓的遷移影響顯著,顫蚓在石英砂(0.6～2mm)中的遷移能力要明顯小于天然底泥。本研究中各濾速下均有顫蚓遷移距離超過70cm,且濾床底層顫蚓數量隨濾速的增大而增大,表明濾速是顫蚓在濾床中發生自上向下遷移的主要動力。與其余濾速下顫蚓在濾床中分布規律不同的是,12.6m/h時顫蚓在濾床中沿深度方向呈波浪形分布,經分析,可能是由于此濾速超過了中試系統設計濾速,濾柱攔截的污染物較多,提早發生穿透導致配水不均、濾床中水力條件變得復雜,進而影響顫蚓在濾床中的分布。具體原因尚需進一步深入研究證實。

由于濾速的增大會導致濾床下層顫蚓分布數量的增加,這無疑會增大顫蚓穿透濾池的風險,從試驗結果來看,水廠濾池濾速不宜超過9.4m/h。

2.3 過濾周期對顫蚓遷移分布的影響

濾速取9m/h,過濾周期對小蟲遷移分布的影響如圖5所示。過濾周期較短時(8 h),有超過40%的顫蚓停留在0～5cm處。過濾周期延長至12 h,0～5cm處顫蚓數量明顯減小,約占總數的13%左右,同時濾床5cm以下大部分斷面處顫蚓數量都要多于過濾周期為8h時,說明過濾周期的延長能夠促進顫蚓沿濾床深度方向的遷移。繼續延長過濾周期至18 h,除0～5cm除外,其余斷面處顫蚓的數量均小于過濾周期為12 h時,但此時顫蚓數量的減小并不意味著遷移規模的降低。進一步分析可以發現,18 h時穿透濾柱的顫蚓數量為128條,而12 h時僅為58條,這也說明了過濾周期延長對顫蚓沿濾床濾床深度方向遷移的促進作用,因此對于水廠而言,適當縮短濾池過濾周期,有助于顫蚓泄露風險控制。圖5的結果表明,過濾周期不宜超過12 h。

圖4 過濾速度對顫蚓遷移分布的影響

圖5 過濾周期對顫蚓遷移分布的影響

2.4 反沖洗后顫蚓在濾床中的遷移分布

在濾柱中投放小蟲,進行12 h過濾,濾速9m/h,然后進行反沖洗,反沖洗時間10min,強度分別為15 L/s?m2、20 L/s?m2和25 L/s?m2。反沖洗后顫蚓在濾床中的分布結果如圖6所示。經反沖洗后,有較多的顫蚓集中于0～5cm段,5cm以下顫蚓沿濾床深度方向的分布并無明顯規律,這可能與反沖洗引起的濾層膨脹有關。對于相同斷面處,經反沖洗后顫蚓的分布數量大致隨著反沖洗強度的增加而降低。

進一步分析可以發現,15 L/s?m2、20 L/s?m2和25 L/s?m2沖洗條件下,濾床中剩余顫蚓數量分別為139、28和7條,表明反沖洗強度越大,對濾床中顫蚓的去除效果越好。對凈水廠過濾工藝而言,濾床對顫蚓的攔截并不意味著去除,被攔截的顫蚓還可能在濾床中二次繁殖,引起新的顫蚓泄漏風險,無脊椎動物的二次繁殖導致的泄漏風險在臭氧活性炭濾池顯得尤為突出,因為由細菌組成的生物膜可以為其生長繁殖提供豐富的食物[18]。反沖洗則能實現顫蚓從凈水系統真正意義上的去除。由圖6可知,保證一定的反沖洗強度是實現顫蚓徹底去除的關鍵。25 L/s?m2的反沖洗強度下,顫蚓的去除率可達97.7%,基本可以滿足凈水工藝對顫蚓風險控制的要求。

常規工藝中單層石英砂濾池單獨水沖時的反沖洗強度一般在12～15 L/s?m2左右[19],與之相比,為達顫蚓去除目的所采用的反沖洗強度要大很多。李小偉等[7]嘗試采用加氯水對BAC濾池進行反沖洗,試圖利用氯對無脊椎動物的滅活作用來降低反沖洗強度,但效果不明顯。因此,研究濾池反沖洗與其它顫蚓風險控制技術有機結合,協同去除顫蚓以達到減小反沖洗用水量,這對于水廠顫蚓風險控制的順利實施有重要的實際意義。

圖6 反沖洗強度對顫蚓遷移分布的影響

3 結論

1)顫蚓在濾池中的遷移能力與顫蚓的體長和濾料粒徑有關。顫蚓體長越大,其在濾床中的遷移能力也越小;濾料粒徑越大,顫蚓的遷移能力也越強。

2)濾速是顫蚓在濾床中發生自上向下遷移的主要動力,隨著濾速的增大,濾床上層顫蚓分布數量逐漸減小,中下部分布數量則有增加的趨勢;過濾周期的延長也能促進顫蚓在濾床中的自上向下遷移,適當縮短濾池過濾周期,有助于顫蚓泄露風險控制。

3)反沖洗能夠實現顫蚓從凈水系統真正意義上的去除,反沖洗強度越大,去除效果越好,反沖洗強度為25 L/s?m2時,顫蚓的去除率可達97.7%。

[1]MOSLEH Y Y,PARIS-PALACIOS S,BIAGIANTIRISBOURY S.Metallothioneins induction and antioxidativEresponsEin aquatic worms Tubifex tubifex(Oligochaeta,Tubificidae)exposed to copper[J].Chemosphere,2006,64(1):121-128.

[2]MERMILLOD-BLONDIN F,NOGARO G,GIBERT J.Laboratory study highlights thEkey influences of stormwater sediment thickness and bioturbation by tubificid worms on dynamics of nutrients and pollutants in stormwater retention systems[J].Chemosphere,2008,72(2):213-223.

[3]MOSLEH Y Y,PARIS-PALACIOS S,AHMEDM T,et al.Effects of chitosan on oxidativEstress andmetallothioneins in aquatic worm Tubifex tubifex(Oligochaeta,Tubificidae)[J].Chemosphere,2007,67(1):167-175.

[4]何文杰.安全飲用水保障技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.669-722.

[5]黃廷林,武海霞,陳千嬌.水中顫蚓滅活試驗研究[J].西安建筑科技大學學報:自然科學版,2006,38(2):263-268.HUANG T L,WU H X,CHEN Q J.Experimental study on killing tubifex in drinking water[J].Jof Xi'an University of ArchitecturE&Technology:Natural SciencEEdition,2006,38(2):263-268.

[6]陳旭,朱琳,王啟山,等.紅蟲生長發育及繁殖的生物學研究[J].給水排水,2005,31(6):38-40.CHEN X,ZHU L,WANG Q S,et al.Pilot study on growth and reproduction of red worm[J].Water&Wastewater Engineering,2005,31(6):38-40.

[7]李小偉.生物活性碳濾池無脊椎動物群落分析及控制技術[D].廣州:暨南大學,2007.

[8]MANCLAIREL,SCHURMANN A,MERMILLODBLONDIN F.InfluencEof hydraulic conductivity on communities ofmicroorganisms and invertebrates in porousmedia:a casEstudy in drinking water slow sand filters[J].Aquat.Sci,2006,68(1):100-108.

[9]VAN LIEVERLOO J Hm,BOSBOOM D W,BAKKER G L,et al.Sampling and quantifying invertebrates form drinking water distributionmains[J].Water Res,2004,38(3):1101-1112.

[10]WOLMARANS E,DU PREEZ H H,DEWETcm E,et al.SignificancEof bacteria associated with invertebrates in drinking water distribution networks[J].Water Science&Technology,2005,52(8):171-175.

[11]黃廷林,聶小保,張金松,等.銅對顫蚓的快速滅活作用機制及其在水廠應用分析[J].環境科學,2010,31(2):331-337.HUANG T L,NIEX B,ZHANG J S,et al.Rapid inactivationmechanism of copper to Tubifex tubifex and its application analysis in water plant[J].Environmental Science,2010,31(2):331-337.

[12]FIGUEIREDO-BARROSM P,LEAL JJF,ESTERES F D A,et al.LifEcycle,secondary production and nutrient stockin Heleobia australis(d'Orbigny 1835)(Gastropoda:Hydrobiidae)in a tropical coastal lagoon[J].EstuarinECoastal and Shelf Science,2006,69(1-2):87-95.

[13]KEUN C.ThELifEcyclEand secondary production of cincticostella levanidovae(Tshernova)collected from a headwater stream inm t.Jumbong,Korea[J].J.Asia-Pacific Entomol,2005,8(4):367-374.

[14]諸暉,魏源送,劉俊新.顫蚓在活性污泥中的生長研究[J].環境科學,2008,29(5):1342-1347.ZHU H,WEI Y S,LIU J X.Growth of tubificidaEin activated sludge[J].Environmental Science,2008,29(5):1342-1347.

[15]LAZIMm N,LEARNERm A.ThElife-cyclEand productivity of Tubifex tubifex (Oligochaeta;Tubificidae)in themoat-Feeder Stream,Cardiff,South Wales[J].Holarctic Ecology,1986,9:185-192.

[16]MERLEC,DANIELOPOL D L,WATANAMAHART P.Impact of environmental conditions on thEhabitat selection of interstitial-dwelling tubificids(oligochaeta).An experimental study[J].Geobios, 1997,30(supplement 2):91-97.

[17]TETSUYA N.Seasonal verticalmigration and aestivation of Rhyacodrilus hiemalis(Tubificidae,Clitellata)in thEsediment of LakEBiwa,Japan[J].Hydrobiologia,2006,564(1):87-93.

[18]SCHERIBER H,SCHOENEN D,Traunspurger W.InvertebratEcolonization of granular activated carbon filters[J].Water Research,1997,31(4):743-748.

[19]嚴煦世,范瑾初.給水工程[M].4版.北京:中國建筑工業出版社,1999.