氯-氨法去除水中剑水蚤类浮游动物的研究

哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品集503氯-氨法去除水中剑水蚤类浮游动物的研究王晓康1、刘波1、程浩毅1、司传海2、李春雨2（1．市政环境工程学院环境工程2003-1班班号：0327101；2．市政环境工程学院给水排水工程2000-6班班号：0025106）指导教师：刘冬梅摘要：水体污染导致富营养化使得剑水蚤类浮游动物在一些水源水中大量孳生，而常规的水处理工艺并不能有效地去除，这给用户的饮用水水质安全保障带来威胁，也为城市水处理工艺提出了新的问题。本文先通过正交试验法探讨各种外界环境因素对氯-氨灭活剑水蚤类浮游动物效果的影响程度，并对其进行分析，再进一步寻找灭活剑水蚤类浮游动物的最佳投药方式与投加量以及投药比例的最佳组合，以期达到安全有效的灭活效果，从而保障用户的饮用水安全性。结果表明，当投加有效氯为3.0mg/L、氯氨比例为3：1时，灭活效果最佳。关键词：浮游动物剑水蚤氯胺正交试验法1.概述1.1研究现状生态恶化所带来的负面效应已波及到人们生活的各个方面，地表淡水资源的污染问题尤为严重。在我国，自二十世纪八十年代以来地表水体富营养化使水中藻类大量繁殖，正当人们不断寻找有效的除藻工艺时，又一新的问题在我国许多城市的水处理过程中悄然发现，这就是以剑水蚤为代表的蚤类浮游动物的大量繁殖。剑水蚤类浮游动物在入户水中出现，不仅违反了生活饮用水卫生标准对感官性状指标的规定，给用户带来了不良的感官影响（肉眼可见），容易引起用户对水质的信心下降与恐慌，更重要的是大多数剑水蚤类是诸如血吸虫、线虫等水中致病生物的中间宿主，从而成为传播疾病的一个重要媒介，给人们的用水安全带来了很大的威胁[1-8]。剑水蚤类浮游动物在数量上的增加也给水处理工艺带来了新的问题。剑水蚤在水厂清水池乃至管网水中出现，说明常规的水处理工艺对其难以安全有效的去除。从工艺上看存在两个问题：（1）剑水蚤有穿透滤料的可能性，即使在采取预氯-氨法去除水中剑水蚤类浮游动物的研究504氯化的工艺中也难以降低其活性，使之在混凝、沉淀、过滤一系列后续工艺中得以去除。（2）常规的投药量、接触时间难以杀死进入清水池中的剑水蚤，使之最终通过输水管网进入用户水中。这一现象表明寻求一种有效的除蚤工艺势在必行。1.2剑水蚤生活习性1.2.1剑水蚤的生物学特性剑水蚤是一类分布地域极为广泛、食性复杂、能适应多种生存环境的甲壳型桡足类浮游动物，正因为其分布的广谱性使之成为水源水中浮游动物的代表。剑水蚤是小型桡足类浮游动物，体长0.3～2mm，身体窄长，体节透明，实际体节数不超过11个。躯体可分为较宽的头部和较窄的腹部，头部有一个眼点和两个触角；胸部无附肢；身体末端有一对尾叉，雌体腹部两侧常带有一个或一对卵囊。剑水蚤类浮游动物具有很强的抗氧化性，一方面，甲壳类动物的体壁坚硬，这种硬化的体壁称为甲壳。甲壳动物体表有一层角质膜，是一种外骨骼。一般分三层：上角膜（上表皮）、外角膜（外表皮）与内角膜（内表皮）。而内表皮又分为两层：钙化层和非钙化层。正因为它们具有如此坚硬而且较厚的外表面，可以使他们抵抗水体中的压力，同时对无机酸有较强的抵抗力，溶解于水体中的氧化剂不易穿透它们的外表面，很难发挥药剂的氧化作用；另一方面剑水蚤坚硬的外壳使它有穿透滤料的可能性，即使在采取预氯化的工艺中也难以降低其活性，使之在混凝、沉淀、过滤一系列后续工艺中得以去。因此本课题考虑用氧化性极强的臭氧作为杀蚤剂。1.2.2环境因子对剑水蚤得影响一、温度剑水蚤的发育一般要经过卵、无节幼体、桡足幼体、成长几个阶段，剑水蚤生长发育的适宜温度为20～30℃，水温越高发育时间越短，因而剑水蚤的数量随季节的变化而出现明显的差异。温度对剑水蚤的体长有一定的影响，一般低温时体形略长。另外，温度对剑水蚤的地理分布有一定的影响。按照他们对温度的适应范围，通常把剑水蚤分为光温性和狭温性两大类。二、光线剑水蚤的趋光性随种类而异，一般生活在有光线的场所，光线的刺激，可以哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品集505引起剑水蚤的昼夜间垂直移动。如剑水蚤夜间在最表层，而白天的分布主要取决于水的透明度[8]。所以这些种类在非常透明贫营养湖的垂直移动幅度较大，而在透明度小的富营养湖移动幅度较小（在贫营养湖中昼间可降至30～40m水深处，而在水色很深的富营养湖中仅在2～4m水深处）。另据研究表明，剑水蚤的桡足幼体垂直迁移能力较成体弱，至于无节幼体几乎无垂直迁移的能力。三、水体pH值水体pH值对剑水蚤的影响可以是直接的，也可以是间接的，如由于游离二氧化碳的作用。按对pH值的适应范围，可分为三类：广化类、酸性水类和中性—碱性水类[9]。不少种类偏重于碱性水。在自然条件下，水中一系列其它因子的综合影响也是十分复杂的。四、溶解性气体在自然条件下，水体中的溶解氧不足通常伴随着游离二氧化碳的积聚和pH值的降低，因此这几个因素同时起作用。目前这方面的研究甚少，业已证明当外界环境恶化时，剑水蚤可以利用休眠这一生理特性来达到生存的目的[10]。其他的环境因子对剑水蚤的生长发育也有一定的影响，如营养物质的水平、营养竞争者的摄食压力和捕食者（鱼类）的摄食强度的增加都会导致其数量的降低。1.2.3剑水蚤的生理特性一、食性剑水蚤目包括掠食、刮食、和混合型三种取食方式。白色大剑水蚤、棕色大剑水蚤、草绿刺剑水蚤、矮小剑水蚤、广布中剑水蚤为肉食动物，主要掠食双翅目昆虫（摇蚊幼虫）、寡毛类（水蚯蚓）、枝角类以及桡足类。它们的肠道中多为动物性食料，如白色大剑水蚤的肠道内含物中，动物性食料超过73%，植物性食料约占总量的四分之一强，且大部分系由被吃进去的植食性动物中分离出来的。双色小剑水蚤、大尾真剑水蚤的食性是混合型的，取食藻类、原生动物、轮虫和动物尸体。闻名大剑水蚤取食碎屑和动物尸体，称之为刮食型。二、生长和发育剑水蚤一般进行两性生殖。卵受精后立即开始胚胎发育，完成胚胎发育所需的时间，一般为2-5天。当环境不利时延缓发育，如草绿刺剑水蚤的胚胎发育可延长至15天。幼体从卵孵出后，一般要经过6个无节幼体期和5-6个桡足幼体期方才发育为成体。氯-氨法去除水中剑水蚤类浮游动物的研究506三、休眠剑水蚤的休眠特性早就有人做过报道，剑水蚤通过休眠以度过干旱、冰冻等各种不良环境。以幼体期和雌、雄成体休眠的种类更普遍，如常见的真剑水蚤、中剑水蚤、温剑水蚤、大剑水蚤、刺剑水蚤等属的许多种类在春、夏之交或秋季开始夏眠或冬眠，或在湿土中度过水域的干涸期。正因为剑水蚤有休眠这种适应性，所以在排水后的鱼池一注入新水就很快出现了性成熟的剑水蚤，北方到了春季在融雪的积水中也立即能看到剑水蚤的成体。1.3课题研究的目的和意义从保证饮用水质安全的角度，有两条可能的途径来解决剑水蚤类浮游动物的威胁：一是从改进与强化水处理工艺入手，研究行之有效的水处理工艺技术与条件，达到使浮游动物被有效的去除的目的；另一途径则是采用生态学手段，致力于建立水体正常的食物链关系，恢复水体原有的生态平衡，从根本上解除威胁。通过生态防治的方法，即通过不同手段减少水体中的浮游植物、细菌、底栖生物的数量及营养物质，增加鱼类种类和数量，从原水水质上减少剑水蚤类浮游动物的含量，控制原水中的浮游动物含量保持在较低的数量范围内，降低水厂的处理工艺负担，但该方法会产生一系列的关于水体生态平衡的问题。国内外对剑水蚤类浮游动物研究主要限于生物学的范畴，从水处理的角度解决其对饮用水水质影响的问题尚缺乏专门的研究[11-25]。为此，本课题就是试图在这一方面做深入研究。氯-氨能减少消毒过程中的消毒副产物的含量，在管网中持续时间长，能更有效的控制管网中的细菌及残余细菌的繁殖[26]，而且投加的氨能被氯氧化，不会造成氨氮超标，保证了水质的安全。本试验拟采用氯-氨灭活水中剑水蚤类浮游动物，通过正交试验寻找影响氯-氨灭活剑水蚤的主要因素，并对其进行进一步考察，确定氯-氨灭活水中剑水蚤的最佳运行方案。2.试验设计试验分两步骤：首先通过正交试验，确定各外界环境因素对氯-氨灭活剑水蚤效果的影响程度，找出重要环境影响因素。在此基础上，分别以蒸馏水和腐植酸配置水为实验底物，进一步考察各重要影响因素对剑水蚤的灭活效果的影响。哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品集507实验选取5个对剑水蚤灭活可能有直接影响的外界环境因素进行考察：配制氯-氨的NaClO溶液和氨水的投加量、投加顺序、氯氨投加比例、水体pH值和剑水蚤密度。各因素水平确定如下：a.为了对比氯-氨和单独加氯的灭活效果，确定正确的投加方式，选取先氨后氯、先氯后氨、同时投加和单独加氯四种投加方式；b.氯-氨投加量：以NaClO溶液中有效氯量为绝对数值，氯氨投加比例调整氨水的含量。为使效果显著扩大取值范围，有效氯为2.0～5.0mg/L之间，取2.0、3.0、4.0、5.0mg/L四个数值；c.考虑水体正常pH值范围，选取pH值在6.0～8.0之间的偏酸性至偏碱性环境进行试验，pH值分别取6.0、6.5、7.0、8.0；d.剑水蚤的密度由小到大为5、10、15、20个/L；试验采用5因素4位级正交试验（表1），列L16(45)正交表，结果见表2。采用蒸馏水为试验底物，温度为20℃，用次氯酸钠（NaClO）溶液和氨水配制氯-氨溶液，用低浓度氢氧化钠和稀醋酸溶液调节试验底物所需要的pH值，试验使用的剑水蚤来自哈尔滨宾县二龙山水库刘氏中剑水蚤经试验室培养繁殖后供实验使用。试验按照正交表所列内容进行，先取1L蒸馏水放入烧杯中，调节所需的pH值，再放入不同密度的剑水蚤，然后按照表中所列的氯-氨投加组合，向烧杯中投加氨水和NaClO溶液，同时开始计时。每隔5min观察剑水蚤的灭活情况，记录死体数目,总计30min。死体以失活为标准。表1因素位级列表因素位级投加量（mgCl/L）投加顺序pH值蚤密度（个/L）氯氨投加比例（氯：氨）14.0先氯后氨6.051：123.0同时投加6.5102：135.0先氨后氯7.0153：142.0仅投加氯8.0204：1氯-氨法去除水中剑水蚤类浮游动物的研究5083．试验结果和分析3.1正交试验结果和分析表2L16(45)正交试验结果实验编号杀灭率％5min10min15min20min25min30min102040708090200030406030000713413273347678053060801001001006406060801001007204040606060800000709001333478010276066809310011105070909090120010202030130000206014020404080100150103030506016000000由上述试验结果每5min作正交分析，结果如下：投药顺序、投药量为主要影响因素，投药比例次之，pH值和剑水蚤密度为次要因素。时间（min）位级和级差投加量投加顺序pH值蚤密度氯氨投加比时间（min）位级和级差投加量投加顺序pH值蚤密度氯氨投加比5Ⅰ406063308310Ⅰ8010012770137Ⅱ503327400Ⅱ10077707020Ⅲ7787504057Ⅲ1401809087120哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品集509Ⅳ130407040Ⅳ3707013080R6487364083R103180576011710Ⅰ13312316311013620Ⅰ213193237150227Ⅱ14014310613083Ⅱ180187140210133Ⅲ176246130112146Ⅲ230310190160210Ⅳ7310123170130Ⅳ10740163210160R103236576080R12327097609425Ⅰ24722726722027730Ⅰ330270300290317Ⅱ207277183230197Ⅱ223337250270270Ⅲ313343247217233Ⅲ360360273273263Ⅳ14767217250207Ⅳ180126270260243R1662768