北方水庫水源凈水廠劍水蚤應急處置對策

袁雅姝，張麗偉，馬興冠，王 薇，王 東

(1.沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧沈陽 110168；2.沈陽水務集團有限公司，遼寧沈陽 110168；3.海城市水務集團有限公司，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個眼點、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、能適應多種生存環境的甲殼型橈足類浮游動物[1]，屬于節肢類浮游動物門，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，產卵量大，幼蟲的孵化期為1～5 d[2-4]。

劍水蚤的出現不但會造成人感官的不適，而且是疾病傳播的一個重要媒介。由于蚤卵與輪蟲卵具有相似的結構，表面也有大量氣孔，能吸附水中一些物質，這使雌性劍水蚤的卵囊成為細菌的重要載體，雌性劍水蚤能夠比雄性劍水蚤攜帶更多數量的細菌[5]，人們的健康將很有可能受到很大的間接危害和嚴重威脅，可能會導致一些疾病的發生。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]，它們體內可能還有大量的細菌、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系[9]。

劍水蚤通常存在于富營養化的湖泊、水庫等水資源水中產卵孵育，可以通過休眠方式度過干旱、冰凍等多種不良環境。常規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，而排泥不及時也會導致沉淀下來水蚤的大量孳生。它還具有強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入清水池中[10]，也導致其很難在消毒過程被滅活[11]，最終可能會直接進入用戶供水管網，并且出現在用戶的水龍頭中。近年來，在許多城市水源，特別是水庫、湖泊類水源水中發現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中都發現過劍水蚤。1998年，哈爾濱一家縣級自來水公司的用戶在水中發現了某種動物的活體，經過檢測后確定為劍水蚤，它們的數量有時可以高達3～4個/L。2004年11月3日，在吉林省舒蘭市一位居民的家中，管網末端的自來水里出現許多游動的劍水蚤，這件事引起了全國的關注并由央視進行報道[4]。

傳統工藝水廠現有技術措施難以應對原水中突發的微生物改變，應急措施和方法尚不夠完善，運行管理缺乏數據支撐。由此可見，凈水工程中對劍水蚤危險的管理研究在城市飲用水處理領域仍是一個重要的研究課題。近年來我國北方以水庫水為水源的多個水廠的供水系統中，水蚤在春夏交替及秋季時節大量出現，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安全以及控制和去除劍水蚤類浮游生物已是水處理技術中亟待解決問題。

1 材料與方法

1.1 水廠基本情況

甲、乙兩個水廠位于遼寧兩個不同地區，兩個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250余km輸水管線至水廠，乙水廠供水水源來自當地紅升水庫，輸水距離為2～3 km。甲、乙兩個水廠均采用常規給水處理工藝，主要生產工藝流程為混凝-沉淀-過濾-消毒，如圖1所示。甲水廠設計供水能力為10萬m3/d，現水廠運行產水量為5.5萬m3/d；乙水廠設計供水能力為2萬m3/d，目前在用水高峰期供水能力已達上限，滿負荷運轉。

圖1 廠區內工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Treatment Process of WTP

1.2 原水水質特征

大伙房水庫和紅升水庫均為典型的北方水庫，特點是冬春季低溫低濁，夏季水庫水中總氮超標，細菌、以藍綠藻為代表的藻類等微生物及浮游植物季節性大量繁殖，水中季節性出現劍水蚤等浮游動物。汛期由于水質變化較大，渾濁度升高、有機物含量增加，水體受污染程度加重。在線檢測數據顯示，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 現場調研存在的問題

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

實驗室對采集的水樣進行了顯微鏡觀察。觀察結果：原水中存在一定數量跳動性、活躍性很強的劍水蚤；濾前水中發現較原水數量多的劍水蚤，但大部分已經不具有活動性、已經死亡或肢解，個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 濾池表面水中發現的蚤卵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 調試方案

針對水廠劍水蚤大量存在的問題，提出以下幾點改善措施：①增加預氧化過程，充分發揮工藝過程的協同作用，投加計量安全的預氧化劑，與水廠絮凝沉淀、過濾等凈水工藝相結合，根據不同水廠消毒方式的不同，按實際情況擇優處理，通過燒杯小試和中試試驗確定，對二氧化氯和次氯酸鈉兩種預氧化試劑進行對比，確定適合的藥劑及合適準確的投加量；②反應池、沉淀池及時清理，縮短清洗周期，減少劍水蚤的繁殖、富集；③調整水廠運行，適當增加混凝劑投加量和調整濾池工藝參數，控制濾池中的藻類孳生；④在合適的工藝節點繼續采取物理攔截措施，加裝濾袋，及時清洗和更換，保證濾前有效攔截；⑤進一步加強質量監督管理力度，增加與企業生產現場實際密切相關的質量監督檢測工作項目；⑥對水源地進行生態治理，保護水資源生態平衡和食物鏈的完整性。

1.5 檢測項目及方法

具體檢測項目及方法如表1所示。

表1 檢測項目及方法Tab.1 Testing Items and Methods

2 結果與討論

2.1 劍水蚤產生原因分析及氧化試驗

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，細菌、以藍綠藻為代表的藻類等微生物及浮游植物季節性大量繁殖，水中季節性出現劍水蚤等浮游動物。汛期洪水水質變化較大，渾濁度增加、水中有機物含量高，水體受污染程度加重。在線檢測數據顯示，最低渾濁度為3.0～4.0 NTU。大伙房水庫屬多水源混合聯動，具有夏季水量豐沛、冬季水位低、會發生枯水、春秋過渡的季節特點?；旌纤此|的季節性變化以及漁業的過度捕撈已經影響了水體的生態平衡，因水體富營養化，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。常規的水處理技術對于體型較小的水蚤及其蚤卵去除效果不佳，導致水蚤在沉淀池和濾池上層二次繁殖[13]。同時濾池反沖洗水周期過長及沖洗不徹底，會導致劍水蚤富集于濾池，一些體型較小個體及其卵囊有可能穿透濾層進入到管網水尤其是一些管網末梢。由于其很強的抗氧化生物特性，傳統的消毒方法(如氯消毒)不能有效地滅活[5]，有再次出現或增殖的可能，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管材，在輸配水長期使用過程中，嚴重腐蝕、沉積的管材管壁為細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，加劇微生物的生長繁殖。供水管網在余氯不足的條件下，也會出現原生動物等微生物，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。

預氧化藥劑采用次氯酸鈉和二氧化氯，加藥點設在混合池前端。對次氯酸鈉和二氧化氯滅活劍水蚤進行燒杯小試和現場中試試驗研究。試驗結果表明，當藥劑濃度高、投加量足夠大時，兩種藥劑都在短時間內獲得很好的滅活效果；當投加藥量濃度降低時，次氯酸鈉滅活作用時間優于二氧化氯，但時間過長，滅活時間達到5 h以上，不能滿足實際運行要求。所以在原水中出現水蚤的春夏之際，無論使用哪一種預氧化劑，投加藥劑時，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，滅活時間就越短。嚴格按照試驗結果的藥劑濃度及投加劑量，這一點至關重要，需確定合適準確的預氧化藥劑投加量，指導運行操作，保證供水安全。根據燒杯試驗，預投加次氯酸鈉(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

劍水蚤的游動性導致其活體在水處理中去除難度較大。國內外普遍采取的除蚤措施是利用化學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合，增加預氧化過程，充分發揮工藝過程的協同作用。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，預氧化劑可以選用安全可靠、易于實現、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物，混凝工藝可以去除消毒副產物，次氯酸投加位置可設置在水廠內輸水管檢查井處，即投加混凝劑的操作井處，此處有預留加藥管閥門，可操作性強。Sun等[14]研究了采用氯胺消毒對劍水蚤進行去除時對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測試消毒能力。通過預氧化手段滅活水蚤是提高沉淀池去除效率的最有效手段，滅活水蚤同時可以緩解水蚤在各個處理構筑物中的孳生。

2.2 水廠運行的調整

根據現在生產運行實際情況，因水廠實際處理水量為設計水量的一半，混凝強度不足，速度梯度達不到要求，絮凝效果難以保證，故關閉一套工藝系統，單獨運行一套系統，保證水力運行條件。此外，適當改變濾池的工藝參數，適當縮短濾池工作周期。根據現在生產運行實際情況減少濾池處理水量，降低穿透濾層的劍水蚤；調整反沖洗強度，增加反沖洗時間，濾池的良好沖洗效果能夠避免濾后水出現劍水蚤泄露。水廠現在運行過濾工藝周期為72 h，劍水蚤蚤卵經過0.5～5 d即可孵化為幼蟲，為防止蚤卵孳生，調整濾池過濾時間≤24 h?？s短運行周期，同時延長每次沖洗時間，保證蚤卵及幼蚤及時被沖洗掉。從沉淀池出水濾網攔截的劍水蚤來看，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，沉降時會攜帶漂浮性微型動物的尸體進行沉降，尤其是對經過預處理而被殺死的水蚤有效。

一般情況下，當濾料級配不當時，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)，通過濾料的調整，降低濾料間的空隙，產生表面過濾效果，降低水蚤穿透濾層的風險。

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，產卵量大，水廠實際運行中底泥清洗周期過長，每年清洗次數有限，最長可達半年之久，為劍水蚤及蚤卵的生存和大量繁殖提供了良好的生存環境條件，而且劍水蚤可能會大量繁殖并游到上部的清水區。

及時清洗反應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散和增殖。為使得后續工藝的負荷降低，避免劍水蚤長期地在積泥土壤區富集，排泥的周期一定要盡量地縮短，必要時每月至少可以進行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。在水廠進水口的穩壓井處、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，水蚤數量多時可4～6 h更換，確保在處理工藝前及濾池前有效攔截，同時可以減少預氧劑的使用劑量，保證滅蚤效果。

2.3.3 加強檢測力度并增加與實際生產相關的檢測項目

對原水中的水生生物的監控和管理力度一定要有所加強，對工段用水特別是過濾池中的反沖水進行生物的監控也很重要。水質狀態情況一定要準時、精確地掌握，及時發現劍水蚤產生，工藝操作參數也要及時調整。

2.3.4 對水源進行生態治理，保護生態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平衡，造成了水蚤過量繁殖。利用“生物操縱”技術[15-16]，在水庫水體中投放一定數量以浮游生物為食的魚類并配合以其他植食性的魚類，實現捕食壓力、生存空間、營養物質等諸多方面影響因素的綜合管理，將生態平衡盡可能地恢復。該技術符合可持續發展的理念，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，而且還具備了生態環境等諸多優點。

3 調試運行效果

經過運行調試，劍水蚤孳生問題得到了有效控制。在預氧化過程中，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，絮凝劑的用量相應增加，一些劍水蚤的尸體隨著礬花沉降，降低了后續沉淀池的出水攔截阻力。過濾時間縮短為24 h，反沖洗時間相應延長，對濾池每個月進行了兩次清洗，避免了劍水蚤二次繁殖。

通過一系列措施，劍水蚤暴發問題得到有效解決，在后續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，并且及時更換和清洗，去除效果良好(表2)。

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

4 結論

(1)劍水蚤出現是具有季節性的，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的過程中必須全方位綜合預防和控制劍水蚤，防治它的孳生，以保證供水安全。

(2)經過運行調試，劍水蚤問題得到有效控制，水廠要根據建議堅持調試運行，防止劍水蚤再次出現。

(3)要盡可能地恢復水源原有的生態平衡，對水源地進行生態治理，提供良好的水體生物鏈關系，使其富營養化的程度得到減輕，保護水源原有的生態平衡及食物鏈健康完整性，保護環境及水資源管理部門都應該引起足夠重視。