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(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安710055;2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利學(xué)院,長(zhǎng)沙410076;3.深圳水務(wù)集團(tuán),廣東深圳 518031)

顫蚓是自然水體中1類常見(jiàn)的底棲類寡毛綱類動(dòng)物,在全球淡水水域內(nèi)廣泛分布,由于其耐污能力較強(qiáng),往往是大多數(shù)水體中底棲動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種屬[1-2]。水體的富營(yíng)養(yǎng)化使得顫蚓在水庫(kù)、湖泊類水源水體中大量孳生繁殖[3],進(jìn)入水廠后,由于其穿透能力較強(qiáng),可以穿透整個(gè)凈水工藝,最終進(jìn)入供水管網(wǎng)對(duì)水質(zhì)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(xiàn)場(chǎng)中試研究中發(fā)現(xiàn),BAC濾池在運(yùn)行150 d后,出水中有大量顫蚓出現(xiàn),密度最高可達(dá) 200 ind./m3。Mauclaire等[8]進(jìn)行了砂濾池中無(wú)脊椎動(dòng)物的調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)包括顫蚓在內(nèi)的寡毛蟲為砂濾池中的優(yōu)勢(shì)種屬,每升濾料中寡毛蟲及其蟲卵的數(shù)量分別高達(dá)200 ind.和50 ind.以上。盡管目前并沒(méi)有被證實(shí)顫蚓等蠕蟲會(huì)威脅到公眾健康[9],但大多數(shù)人常常把這些生物的存在和飲用水不衛(wèi)生聯(lián)系起來(lái),引起他們對(duì)水質(zhì)信心的下降。顫蚓等無(wú)脊椎動(dòng)物往往能攜帶大量的細(xì)菌,有研究表明,一個(gè)無(wú)脊椎動(dòng)物攜帶的細(xì)菌總數(shù)達(dá)10～4 000個(gè)[10]。因此水廠必須采取有效的顫蚓風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù),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(fēng)險(xiǎn)有進(jìn)一步加劇的趨勢(shì),首先臭氧接觸提高了BAC濾池內(nèi)的溶解氧濃度,有利于顫蚓生長(zhǎng),其次BAC濾池內(nèi)豐富的生物膜也為顫蚓的生長(zhǎng)繁殖提供了大量食物,顫蚓將大量孳生。目前中國(guó)南方濕熱地區(qū)部分水廠BAC濾池均存在不同程度的顫蚓孳生問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)濾池反沖洗水中甚至有成團(tuán)的顫蚓出現(xiàn)。利用凈水消毒劑對(duì)BAC濾池顫蚓進(jìn)行氧化滅活,雖然能起到明顯的滅活效果[11],但濾池內(nèi)的功能微生物也將被大量殺滅,嚴(yán)重破壞BAC濾池的正常功效。因此充分發(fā)揮常規(guī)工藝對(duì)顫蚓的攔截效果,在顫蚓進(jìn)入BAC濾池前對(duì)其進(jìn)行攔截,是一條簡(jiǎn)單有效的風(fēng)險(xiǎn)控制途徑。砂濾池作為常規(guī)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(jiàn)關(guān)于過(guò)濾工藝對(duì)顫蚓的攔截作用的報(bào)道,該研究嘗試對(duì)顫蚓在濾池中的遷移分布規(guī)律進(jìn)行研究,并探討濾池操作運(yùn)行條件對(duì)顫蚓遷移分布的影響,旨在為給水廠充分發(fā)揮砂濾池對(duì)顫蚓的攔截效果提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在中試系統(tǒng)中完成。中試系統(tǒng)規(guī)模為100～150 L/h,工藝流程為“機(jī)械混凝-平流沉淀-石英砂過(guò)濾”,流程示意圖如圖1所示。各凈水單元均為有機(jī)玻璃制造,其中過(guò)濾單元設(shè)2組,每組濾柱均為單層均質(zhì)石英砂濾柱,內(nèi)徑90mm、濾床高度 700mm。濾料規(guī)格為細(xì)砂:粒徑dmin=0.95mm、dmax=1.35mm、不均勻細(xì)數(shù)k80＜1.5;粗砂:粒徑 dmin=2.36mm、dmax=3.35mm、不均勻細(xì)數(shù)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(xì)鵝卵石50mm。

圖1 中試系統(tǒng)流程圖

1.2 試驗(yàn)材料

顫蚓采自西安湯峪水庫(kù)底泥,實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行放大培養(yǎng)。培養(yǎng)箱直徑500mm,高200mm,基質(zhì)為湯峪水庫(kù)表層松軟底泥,基質(zhì)厚度100mm,上覆水為曝氣自來(lái)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(yàn)時(shí),從培養(yǎng)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(shù)量,剩余顫蚓棄用。

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

1.3 試驗(yàn)方法

每次試驗(yàn)均在中試系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定后開(kāi)始進(jìn)行。在每組濾柱中加入300條顫蚓,濾柱過(guò)濾或反沖洗結(jié)束后,以5cm長(zhǎng)為1段,將濾料分段依次取出,對(duì)每段濾料中的顫蚓進(jìn)行計(jì)數(shù),并將各段顫蚓數(shù)量視為該段下斷面處顫蚓的分布數(shù)量,得到顫蚓在濾床中的遷移分布結(jié)果。

首先進(jìn)行不同體長(zhǎng)顫蚓在細(xì)砂和粗砂濾池中的遷移試驗(yàn),然后在細(xì)砂濾池中分別控制過(guò)濾速度、過(guò)濾周期和反沖洗強(qiáng)度等操作條件,考察各自對(duì)顫蚓在濾床中遷移分布的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 顫蚓在濾池中的遷移能力

體長(zhǎng)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(guò)濾時(shí)間為12 h,顫蚓在細(xì)砂和粗砂濾柱中的遷移分布結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 不同體長(zhǎng)顫蚓在細(xì)砂濾床中的遷移分布

圖3 不同體長(zhǎng)顫蚓在粗砂濾床中的遷移分布

由圖2可知,對(duì)于細(xì)砂濾池,小蟲和大蟲在濾床中的分布規(guī)律均為隨濾床深度的增加,分布數(shù)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(gè)濾床深度范圍內(nèi)均有出現(xiàn),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(wú)脊椎動(dòng)物的體長(zhǎng)和體重關(guān)系密切[12-13],諸暉等[14]發(fā)現(xiàn)顫蚓體長(zhǎng)L和體重W的關(guān)系式可用W=a?Lb來(lái)表示,其中a為修正系數(shù),b為相對(duì)生長(zhǎng)系數(shù)。Lazim等[15]研究發(fā)現(xiàn)顫蚓體重W 與其第8體節(jié)寬度D8th有如下關(guān)系:

于是顫蚓體長(zhǎng)L h與其第8體節(jié)寬度D8th的關(guān)系表達(dá)式為:

由式(2)可知,隨著顫蚓體長(zhǎng)的增加,相應(yīng)的第8體節(jié)寬度D 8th也開(kāi)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(jié)果也表明,體長(zhǎng)是決定顫蚓在濾池中遷移和穿透能力的關(guān)鍵因素。陳旭等[6]在研究顫蚓對(duì)篩網(wǎng)穿透能力時(shí),也發(fā)現(xiàn)體長(zhǎng)將影響其穿透能力,7～8cm、2.5～3cm和1～1.5cm長(zhǎng)的顫蚓對(duì) 100目篩網(wǎng)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(xiàn)出更強(qiáng)的遷移能力,濾床的中下層內(nèi)小蟲的數(shù)量更多,但兩者隨濾床深度的增加其分布已無(wú)明顯規(guī)律,說(shuō)明在粗砂濾床中,顫蚓體長(zhǎng)或者說(shuō)體寬不再是其遷移的主要限制因素,此時(shí)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(dòng)發(fā)生自下至上的自主遷移,因而在濾床中的分布規(guī)律不明顯。

對(duì)照?qǐng)D2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(shù)量要明顯高于細(xì)砂濾池,這說(shuō)明濾料粒徑的增大有利于顫蚓的遷移。

2.2 濾速對(duì)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(guò)濾周期為12 h,小蟲在細(xì)砂濾池中的遷移結(jié)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(shù)量逐漸減小,中下部分布數(shù)量則有增加的趨勢(shì)。7.8m/h和9.4m/h條件下,顫蚓在濾床中的分布結(jié)果較為接近,且均為分布數(shù)量沿濾池深度方向有明顯遞減的趨勢(shì);11.1m/h時(shí)除20～40cm段外,其余濾床部分顫蚓數(shù)量也有自上至下遞減的趨勢(shì),但不明顯;12.6m/h時(shí)顫蚓數(shù)量分布則隨濾床深度表現(xiàn)出比較明顯的波浪形,且濾床下層(35cm以下)數(shù)量要高于上層(35cm以上)。

Merle等[16]發(fā)現(xiàn)顫蚓在自然水體中的遷移主要發(fā)生在0～30cm范圍內(nèi),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(huì)超過(guò)1m。Merle等[16]研究還表明,底質(zhì)顆粒粒徑對(duì)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(guò)70cm,且濾床底層顫蚓數(shù)量隨濾速的增大而增大,表明濾速是顫蚓在濾床中發(fā)生自上向下遷移的主要?jiǎng)恿?。與其余濾速下顫蚓在濾床中分布規(guī)律不同的是,12.6m/h時(shí)顫蚓在濾床中沿深度方向呈波浪形分布,經(jīng)分析,可能是由于此濾速超過(guò)了中試系統(tǒng)設(shè)計(jì)濾速,濾柱攔截的污染物較多,提早發(fā)生穿透導(dǎo)致配水不均、濾床中水力條件變得復(fù)雜,進(jìn)而影響顫蚓在濾床中的分布。具體原因尚需進(jìn)一步深入研究證實(shí)。

由于濾速的增大會(huì)導(dǎo)致濾床下層顫蚓分布數(shù)量的增加,這無(wú)疑會(huì)增大顫蚓穿透濾池的風(fēng)險(xiǎn),從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,水廠濾池濾速不宜超過(guò)9.4m/h。

2.3 過(guò)濾周期對(duì)顫蚓遷移分布的影響

濾速取9m/h,過(guò)濾周期對(duì)小蟲遷移分布的影響如圖5所示。過(guò)濾周期較短時(shí)(8 h),有超過(guò)40%的顫蚓停留在0～5cm處。過(guò)濾周期延長(zhǎng)至12 h,0～5cm處顫蚓數(shù)量明顯減小,約占總數(shù)的13%左右,同時(shí)濾床5cm以下大部分?jǐn)嗝嫣庮濖緮?shù)量都要多于過(guò)濾周期為8h時(shí),說(shuō)明過(guò)濾周期的延長(zhǎng)能夠促進(jìn)顫蚓沿濾床深度方向的遷移。繼續(xù)延長(zhǎng)過(guò)濾周期至18 h,除0～5cm除外,其余斷面處顫蚓的數(shù)量均小于過(guò)濾周期為12 h時(shí),但此時(shí)顫蚓數(shù)量的減小并不意味著遷移規(guī)模的降低。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),18 h時(shí)穿透濾柱的顫蚓數(shù)量為128條,而12 h時(shí)僅為58條,這也說(shuō)明了過(guò)濾周期延長(zhǎng)對(duì)顫蚓沿濾床濾床深度方向遷移的促進(jìn)作用,因此對(duì)于水廠而言,適當(dāng)縮短濾池過(guò)濾周期,有助于顫蚓泄露風(fēng)險(xiǎn)控制。圖5的結(jié)果表明,過(guò)濾周期不宜超過(guò)12 h。

圖4 過(guò)濾速度對(duì)顫蚓遷移分布的影響

圖5 過(guò)濾周期對(duì)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(jìn)行12 h過(guò)濾,濾速9m/h,然后進(jìn)行反沖洗,反沖洗時(shí)間10min,強(qiáng)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(jié)果如圖6所示。經(jīng)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(wú)明顯規(guī)律,這可能與反沖洗引起的濾層膨脹有關(guān)。對(duì)于相同斷面處,經(jīng)反沖洗后顫蚓的分布數(shù)量大致隨著反沖洗強(qiáng)度的增加而降低。

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),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(shù)量分別為139、28和7條,表明反沖洗強(qiáng)度越大,對(duì)濾床中顫蚓的去除效果越好。對(duì)凈水廠過(guò)濾工藝而言,濾床對(duì)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(fēng)險(xiǎn),無(wú)脊椎動(dòng)物的二次繁殖導(dǎo)致的泄漏風(fēng)險(xiǎn)在臭氧活性炭濾池顯得尤為突出,因?yàn)橛杉?xì)菌組成的生物膜可以為其生長(zhǎng)繁殖提供豐富的食物[18]。反沖洗則能實(shí)現(xiàn)顫蚓從凈水系統(tǒng)真正意義上的去除。由圖6可知,保證一定的反沖洗強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)顫蚓徹底去除的關(guān)鍵。25 L/s?m2的反沖洗強(qiáng)度下,顫蚓的去除率可達(dá)97.7%,基本可以滿足凈水工藝對(duì)顫蚓風(fēng)險(xiǎn)控制的要求。

常規(guī)工藝中單層石英砂濾池單獨(dú)水沖時(shí)的反沖洗強(qiáng)度一般在12～15 L/s?m2左右[19],與之相比,為達(dá)顫蚓去除目的所采用的反沖洗強(qiáng)度要大很多。李小偉等[7]嘗試采用加氯水對(duì)BAC濾池進(jìn)行反沖洗,試圖利用氯對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物的滅活作用來(lái)降低反沖洗強(qiáng)度,但效果不明顯。因此,研究濾池反沖洗與其它顫蚓風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合,協(xié)同去除顫蚓以達(dá)到減小反沖洗用水量,這對(duì)于水廠顫蚓風(fēng)險(xiǎn)控制的順利實(shí)施有重要的實(shí)際意義。

圖6 反沖洗強(qiáng)度對(duì)顫蚓遷移分布的影響

3 結(jié)論

1)顫蚓在濾池中的遷移能力與顫蚓的體長(zhǎng)和濾料粒徑有關(guān)。顫蚓體長(zhǎng)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(qiáng)。

2)濾速是顫蚓在濾床中發(fā)生自上向下遷移的主要?jiǎng)恿?隨著濾速的增大,濾床上層顫蚓分布數(shù)量逐漸減小,中下部分布數(shù)量則有增加的趨勢(shì);過(guò)濾周期的延長(zhǎng)也能促進(jìn)顫蚓在濾床中的自上向下遷移,適當(dāng)縮短濾池過(guò)濾周期,有助于顫蚓泄露風(fēng)險(xiǎn)控制。

3)反沖洗能夠?qū)崿F(xiàn)顫蚓從凈水系統(tǒng)真正意義上的去除,反沖洗強(qiáng)度越大,去除效果越好,反沖洗強(qiáng)度為25 L/s?m2時(shí),顫蚓的去除率可達(dá)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(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.669-722.

[5]黃廷林,武海霞,陳千嬌.水中顫蚓滅活試驗(yàn)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)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(zhǎng)發(fā)育及繁殖的生物學(xué)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?zé)o脊椎動(dòng)物群落分析及控制技術(shù)[D].廣州:暨南大學(xué),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(duì)顫蚓的快速滅活作用機(jī)制及其在水廠應(yīng)用分析[J].環(huán)境科學(xué),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(zhǎng)研究[J].環(huán)境科學(xué),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(yán)煦世,范瑾初.給水工程[M].4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.