張 鷺

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001）

隨著環(huán)境污染問題的日益加劇,地表水資源常受到不同程度的污染,進而引發(fā)藻類滋生、污泥營養(yǎng)化等現(xiàn)象,為水生動物的生存提供了溫床,從而引起水生動物污染供水系統(tǒng)的相關(guān)問題。陜西某地表水凈水廠X 設(shè)計規(guī)模1.0 萬m3/d,主要供給生活用水,在夏季雨水多發(fā)季,工藝處理系統(tǒng)、清水池內(nèi)可檢測到紅線蟲,嚴重影響出水水質(zhì),危害了供水居民的用水安全。本文以X 水廠在提質(zhì)改造工程中針對性去除紅線蟲的案例為基礎(chǔ),總結(jié)常規(guī)凈水工藝對紅線蟲去除效果微弱的原理,并針對其去除提出采用超濾膜處理工藝選擇。

1 紅線蟲的特性與來源

紅線蟲又名水蚯蚓,通體紅色,幼蟲體長約2 mm～4 mm,體寬約0.1 mm～0.2 mm,成蟲體長約15 mm～50 mm,體寬0.5 mm左右。生活在水底污泥中,以污泥中的細菌、有機物為營養(yǎng)源。紅線蟲對氧氣環(huán)境適應(yīng)性極強,在缺氧、好氧環(huán)境均能生存。生存溫度范圍較廣,5℃～30℃均可保持活性。

X 水廠水源來自一座小（一）型水庫,建設(shè)年代久遠,原水由潛水泵提升供至凈水廠工藝系統(tǒng),夏季雨水多發(fā)季節(jié),水庫水濁度上升,另由于夏季是蚊蟲繁殖茂盛期,紅線蟲及其蟲卵隨原水進入供水系統(tǒng),附著于系統(tǒng)各構(gòu)筑物死角并繁殖,最終在出水中被檢測到。

2 常規(guī)凈水工藝對紅線蟲的處理效果

目前地表水凈水廠常規(guī)凈水工藝主要為混凝、沉淀、過濾、消毒四大板塊,去除機理包括化學(xué)反應(yīng)、物理沉淀等,現(xiàn)針對常規(guī)工藝對紅線蟲的去除原理進行總結(jié)。

2.1 常見化學(xué)藥劑對紅線蟲的去除效果

目前較為常用的化學(xué)藥劑主要為含氯化合物,如二氧化氯、次氯酸鈉等,主要用于預(yù)氧化及濾后水消毒。對于輕微污染的原水,也常用到高錳酸鉀等強氧化劑進行預(yù)處理。

李進[1]等人在關(guān)于紅線蟲的滅活試驗中發(fā)現(xiàn),常見水處理藥劑對紅線蟲的滅活與接觸時間、投加濃度等息息相關(guān)。試驗發(fā)現(xiàn)以投加濃度2 mg/L、pH=7 為前提,次氯酸鈉、二氧化氯、高錳酸鉀對紅線蟲的滅活效果各不相同,見圖1。

圖1 濃度2 mg/L、pH=7 時對紅線蟲的滅活情況對比

由圖1 可知,在常規(guī)投加濃度,pH 中性環(huán)境下,滅活效果最好的次氯酸鈉,需要接觸時間60 min 才能將紅線蟲100%滅活,二氧化氯則需要180 min 才能滅活,而高錳酸鉀需要更久時間。

李進在試驗中還發(fā)現(xiàn),投加濃度加大、pH 調(diào)整為強酸、強堿性,也可以一定程度上滅活紅線蟲,但化學(xué)藥劑濃度增加易形成水處理副產(chǎn)物,投加強酸、強堿在實際凈水工程中應(yīng)用難度過大。

2.2 常見過濾系統(tǒng)對紅線蟲的去除效果

目前凈水廠常見的用于過濾構(gòu)筑物有V 型濾池、無閥濾池、普通快濾池等,雖結(jié)構(gòu)形式各不相同,但過濾機理相同,均采用傳統(tǒng)砂濾。濾料有無煙煤、石榴石、陶粒濾料、石英砂等,其中石英砂應(yīng)用最為廣泛。用于過濾時,石英砂有效粒徑一般取0.85 mm～1.2 mm,不均勻系數(shù)K80≤1.4,根據(jù)資料顯示,傳統(tǒng)砂濾對于污染物尺寸截留分子量為0.1 mm～1 mm,對于紅線蟲的截留效果見表1。

表1 傳統(tǒng)砂濾對不同生命階段內(nèi)紅線蟲的去除效果

圖2 紅線蟲外形及標尺圖

X 凈水廠在運行正常的無閥濾池后的清水池,仍檢測到了紅線蟲的存在,可見砂濾不能對紅線蟲完全去除,根據(jù)理論分析與實際工程案例,總結(jié)可知,傳統(tǒng)砂濾對紅線蟲有一定去除率,但無法根除,幼蟲、蟲卵等可隨處理水流向下一處理階段。

2.3 小結(jié)

綜上,以1.0 萬m3/d 處理量,地表水水源水質(zhì)為例,采用濃度2 mg/L 次氯酸鈉在中性條件下,工藝前端設(shè)置一座500 m3接觸池即可滅活紅線蟲,但蟲體在絮凝沉淀段難以保證全部與水中膠體結(jié)合形成沉淀,也由于粒徑差距在過濾段無法全部截留,可認為化學(xué)藥劑+常規(guī)處理的工藝方案不適宜在實際工程中用于紅線蟲的全部去除。

3 第三代凈水工藝應(yīng)用進展及對紅線蟲的處理效果

3.1 凈水工藝發(fā)展歷程

20 世紀初,城市居民飲用水安全性得不到保障,致使霍亂、痢疾等傳染病流行,對人們生命健康危害極大。第一代城市飲用水凈水工藝被研發(fā),即混凝-沉淀-過濾-消毒凈水工藝,該工藝的研發(fā)使細菌性傳染病得到了有效控制,為人類社會發(fā)展做出了重大貢獻。

20 世紀末,由于水體環(huán)境的污染,在城市飲用水總發(fā)現(xiàn)了種類眾多的對人體有害的溶解性有機污染物和消毒副產(chǎn)物,給水的化學(xué)安全性帶來巨大隱患,部分溶解性有機污染物能致癌、致畸、致突變。比如,凈水工藝中用氯消毒時,氯與水中天然有機物作用,能生成三氯甲烷、氯乙酸等氯化消毒副產(chǎn)物,這些副產(chǎn)物大多數(shù)可致癌。在此背景下,研發(fā)出第二代城市飲用水凈化工藝,即混凝-沉淀-過濾-臭氧-活性炭-消毒。第二代工藝增加了深度處理環(huán)節(jié),能有效去除和控制水中有機污染物和氯化消毒副產(chǎn)物,極大提高水的化學(xué)安全。

20 世紀末至今,隨著工業(yè)社會的飛速發(fā)展,水源中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了致病原生動物（藍氏賈第蟲和隱孢子蟲）、藻類、有害水生物（紅線蟲、劍水蚤等）等危及飲用水安全的重大問題。此類原生動物及水生物均以藻類為營養(yǎng)源,具有極強繁殖力及抗氯性。實際工程中發(fā)現(xiàn),第二代凈水工藝無法去除此類污染物,且活性炭濾料較大的附著面積為紅線蟲等水生物提供了繁殖環(huán)境,可見第二代凈水工藝雖提高了水的化學(xué)安全,但無法提高水的生物安全。據(jù)此,第三代凈水工藝-膜工藝應(yīng)運而生,膜工藝不僅能解決前兩代工藝無法解決的生物污染問題,且兼具安全、經(jīng)濟等多重優(yōu)點,是一種新綠色新型環(huán)保凈水工藝。

3.2 膜技術(shù)分類

市場上應(yīng)用最廣的膜技術(shù)主要指以壓力驅(qū)動的膜技術(shù)。低壓力膜分為微濾（MF）、超濾（UF）；高壓力膜主要分為納濾（NF）、反滲透（RO）。低壓力膜,膜孔徑大,進水壓力低,主要應(yīng)用于飲用水的凈化。高壓力膜,膜孔徑小,進水壓力大,主要用于廢水處理和海水淡化。

3.3 低壓力膜工藝對紅線蟲的去除效果及工藝選擇對比

3.3.1去除效果

微濾膜工藝及超濾膜工藝均是以跨膜壓差為推動力的物理工藝,相應(yīng)壓力下,當(dāng)原水經(jīng)過膜表面,小于膜孔徑的分子物質(zhì)通過膜孔被收集,大于膜孔徑的物質(zhì)被截留,最終作為廢水排出,以此達到水體凈化的目的。

微濾膜過濾精度一般在0.05μm～5μm,超濾膜的過濾精度一般在0.01μm～0.1μm,可有效去除水中的微粒、膠體、細菌、高分子有機物質(zhì)等。根據(jù)表2 中不同生命階段紅線蟲的體寬可知,紅線蟲體型明顯大于此類膜孔徑,說明采用低壓力膜工藝進行截留時,可完全去除水中紅線蟲及其蟲卵,根本性解決其帶來的水污染問題。

3.3.2工藝選擇

從原理來看,微濾、超濾兩種膜均能實現(xiàn)紅線蟲的截留,達到凈水的效果,但超濾工藝更適宜實際應(yīng)用,原因有以下三點：

（1）超濾工藝較微濾工藝去除效果更好

微濾膜孔徑大,雖能截留紅線蟲,但不能充分截留并去除病毒和細菌,超濾膜孔徑小于水中病毒、細菌、原生動物等,能將水中微生物幾乎全部去除,從方法上最有效。

（2）超濾工藝較微濾工藝政策及規(guī)范指導(dǎo)性更強

隨著國家節(jié)能減排政策的出臺,給膜技術(shù)這種綠色凈水工藝提供了巨大前景與市場,而超濾較微濾去除效果較強,較反滲透能耗低,綜合應(yīng)用性更好,范圍更廣,更適宜于中國凈水市場。在2019 年8 月起實施的《室外給水設(shè)計標準》（GB 50013-2018）中,新增加了超濾膜過濾相應(yīng)章節(jié)與規(guī)定,指導(dǎo)了超濾工藝在凈水工程中設(shè)計原則與方法,進一步推動了超濾膜工藝的廣泛應(yīng)用。

（3）超濾工藝較微濾工藝經(jīng)濟性更高

鑒于以上兩點,超濾膜技術(shù)已在我國形成強大的生產(chǎn)能力,性能和質(zhì)量也媲美國外知名膜品牌。單從膜價格來看,目前微濾膜雖比超濾膜價格略低,但在科技突飛猛進的背景下,在政策、規(guī)范的引導(dǎo)下,在廣泛應(yīng)用的影響下,超濾工藝比微濾工藝更具經(jīng)濟性與發(fā)展性,已成為第三代凈水工藝的主要應(yīng)用工藝。

3.4 超濾工藝在 X 凈水廠提質(zhì)改造工程中的工藝設(shè)計

X 凈水廠原設(shè)計進水水塔一座；常規(guī)鋼制一體化凈水設(shè)備一套,共4 組；地埋式清水池一套,共2 座。在提質(zhì)改造工程中,盡可能保障原有工藝不變,利用廠區(qū)預(yù)留用地,以原工藝出水為原水,建設(shè)超濾膜凈水設(shè)施一套,有效截留原出水中紅線蟲,濾后水接入原清水池中。

圖3 X 凈水廠改造前工藝流程

圖4 X 凈水廠改造后工藝流程

3.5 超濾工藝對紅線蟲的去除效果

從理論數(shù)據(jù)上看,超濾膜孔徑為μm級別,而紅線蟲成蟲、蟲卵尺寸均為mm 級別,從理論上超濾膜可物理截留紅線蟲及蟲卵,達到凈化水質(zhì)的目的。

從工程實踐上看,X 凈水廠曾在夏季蚊蟲高發(fā)季,引進一套處理量為1000 m3/d 超濾膜設(shè)備作為試驗,經(jīng)過為期1 個月的運行,出水水質(zhì)優(yōu)良,水質(zhì)穩(wěn)定,有效去除了原水中紅線蟲及其他污染物,蟲卵在觀測中也并未發(fā)現(xiàn)。

3.6 超濾工藝該工程中的優(yōu)點

超濾膜工藝在該工程中的設(shè)置有以下幾點優(yōu)勢：

1）對原工藝系統(tǒng)無改動,改造成本小。在水廠現(xiàn)狀工藝系統(tǒng)運行正常的前提下,增設(shè)的超濾工藝對原有工藝流程線不造成改動,僅在原凈水設(shè)備至清水池段增設(shè)超濾系統(tǒng),待深度處理產(chǎn)水達標后,返回清水池中。

2）超濾膜設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,占地節(jié)約。超濾膜設(shè)備設(shè)計先進,集成化程度高,占地面積小,減少了征地投資。

3）自動化程度高,后期運行維護方便。除運行初期需人工操作外,運行穩(wěn)定后,超濾膜系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)均可自動化作業(yè),減少了運行管理成本,也避免了因系統(tǒng)復(fù)雜而導(dǎo)致的誤判斷誤操作現(xiàn)象。

4）出水水質(zhì)穩(wěn)定,副產(chǎn)物少。與常規(guī)化學(xué)凈化水原理不同,膜工藝屬于利用跨膜壓差達到水質(zhì)凈化的物理過程,凈水過程無需添加額外藥劑,達到深度凈化的同時也不增加副產(chǎn)物負擔(dān)。

4 總結(jié)

1）常規(guī)化學(xué)藥劑中,對于紅線蟲滅火效果最好的次氯酸鈉,需要接觸時間60 min,實際凈水工程中,以日處理量1萬m3/d 的凈水廠為例,為滿足停留時間,需在工藝前端設(shè)置約500 m3水池一座,此種方法不適合于老舊水廠的提質(zhì)改造工程,且常規(guī)加氯預(yù)處理與去除紅線蟲目的結(jié)合后,前加氯濃度增加,帶來了較大副產(chǎn)物負擔(dān)。

2）傳統(tǒng)砂濾作為一種物理凈化設(shè)施,孔徑大,雖能去除紅線蟲成蟲,但幼蟲及蟲卵并不能完全去除。

3）以超濾為主的第三代凈水工藝, 以較高的過濾精度完全去除水中紅線蟲, 同時截留常規(guī)濾后水中殘余懸浮物及大分子顆粒, 出水水質(zhì)穩(wěn)定, 濁度降低明顯, 充分說明超濾膜工藝在凈水處理廠深度處理工藝中的應(yīng)用是非常有效的。