饮用水中预氧化剂对剑水蚤活性影响试验研究

张 敏，崔福义，刘冬梅，张 鑫，王 伟，邵纯红

(1.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，哈尔滨150050;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)

近10年，随着水体富营养化日益加剧，剑水蚤在我国江河[1]、湖泊[2]和大中型水库[3]中大量孳生，具有持续性和普遍性，已成为一种典型的季节性高发的饮用水水源污染问题.

剑水蚤具有抗药性和较强游动性，可以穿透滤池.在我国北方哈尔滨[4]、天津、石家庄、大庆及吉林舒兰[5]等大城市中的清水池或用户家中都曾发现.在深圳等南方大城市水厂水源水中也开始大量出现[6].剑水蚤在饮用水中的出现违反了《生活饮用水卫生标准》中对感官性状指标的规定，具有一定的不良感官影响，这会引起用户对水质的怀疑与恐慌.更为严重的是，剑水蚤是诸如血吸虫、线虫、裂头蚴等水中致病生物的中间宿主，是传播疾病的一个重要媒介[6－7].

水厂常规处理工艺无法彻底去除剑水蚤，我国现多采用高投量氧化剂在预氧化阶段完全灭活剑水蚤的办法，但会浪费药剂增加经济负荷，产生多种副产物造成水质安全问题，而且后续处理工艺仅起到单纯截留剑水蚤死体的作用，未发挥出对低活性剑水蚤的强除蚤能力.目前有大量研究成果表明，当剑水蚤的活性降低到某一程度时，预氧化后的存活蚤不具备穿透滤池的能力，完全可被当做杂质颗粒去除，然后采用与各种水处理工艺相结合控制剑水蚤污染[8－10].本文从剑水蚤灭活效果和降活效果入手，分析预氧化剂对剑水蚤活性影响的程度，筛选优化出较好的预氧化方案，指导后续除蚤工艺的工作.同时通过原水与蒸馏水试验结果对比考察原水中有机物质对灭活效果的影响.

1 材料与方法

1.1 原水条件

试验分别以蒸馏水和天然原水为水样，剑水蚤密度为10个/L，水温20℃.原水水质情况见表1.

表1 试验用水水质条件

1.2 剑水蚤活性分类

原水中同一时刻的剑水蚤活性存在很大差别.按剑水蚤活动范围、游动频率和活性强弱程度，把剑水蚤在1 L原水中的活性分为5个级别，具体见表2.

表2 剑水蚤活性分类

1.3 试验方法

在水厂取水口取水样1 L，同时准备1 L蒸馏水.按试验要求投加不同种类氧化剂，用玻璃棒适当搅拌至与水样充分混合，测定不同条件下的灭活效果和降活效果.试验结果列于图1～6和表3.

投加的四种氧化剂分别为液氯、氯胺、臭氧和PPC，选取的投量范围在我国大多数水厂的常规投量范围之内.其中，利用次氯酸钠溶液配制液氯;采用次氯酸钠溶液和氨水溶液配制氯胺;臭氧在试验前进行现场制备;PPC为提前配置好的稳定溶液.

2 结果与讨论

2.1 灭活效果与降活效果分析

由图1～6所示，液氯、氯胺、臭氧和PPC四种预氧化剂的灭活效果随投量和接触时间的增加而增长.但因药剂本身氧化特性不同，降活效果规律与灭活效果不一致[11－12].

在液氯原水试验中，当投量和接触时间增加时，剑水蚤灭活率随之上升，存活的水蚤活性降低程度不显著.当原水液氯从1.0 mg/L增加到3.0 mg/L时，剑水蚤去除率提高了80%，非常显著.但存活水蚤的活性降低幅度不大，液氯1.0 mg/L时，存活水蚤属于B级，液氯3.0 mg/L时存活水蚤大多属于B级和C级，变化不显著.

在臭氧原水试验中，臭氧对剑水蚤的灭活效果相对液氯要差，2.0 mg/L投量时灭活70%，存活蚤数量较多，存活蚤活性与相比之下无明显变化，归为B级;投加1.0 mg/L时，由于臭氧的氧化刺激作用，水蚤活性高于B级.

由图3可知，PPC的灭活效果不如液氯和臭氧，但是存活蚤的活性大多有所降低，且降低幅度比臭氧要明显，存活蚤可归B级和C级之间.当增加PPC投量后，存活水蚤活性能明显降低，但色度会明显增加.

由图4～6所示，氯胺的灭蚤效果较好，可明显降低存活水蚤的活性.在3.0 mg/L氯胺(氨氯比例1∶4)时灭活率效果一般(达75%)，但存活水蚤活性很低，属于D级，对后续除蚤工作非常有利.另外，剑水蚤活性随接触氧化时间增加会明显降低.如在氯胺2.0 mg/L(氨氯比例1∶3)时，在初始实验20 min内存活剑水蚤活性(B级)变化不明显，进行到30 min时活性明显降低，大部分可达C级，余下为D级.

2.2 原水试验与蒸馏水试验比较

对比图1～6可知，相同投量和接触时间条件下，蒸馏水试验结果高于原水，且灭活效果随投量和接触时间的增加而增长，但增长幅度因药剂氧化能力不同而差异较大.

由图1知，液氯每增加1.0 mg/L，灭活率会提高5%～30%.液氯在蒸馏水中的灭活率一般比同条件下原水试验要高6～%14%.这种差距会随液氯量增加而变小，当投加1.0、2.5、3.0 mg/L 时，原水实验灭活率比蒸馏水的分别低30%、15%、5%.原因在于原水中含有的天然还原类有机物，先与部分液氯反应，使得实际液氯质量浓度降低，导致灭活率低于蒸馏水试验.当液氯量增加后，液氯可把这少量有机物氧化完全氧化，余下大部分液氯与水蚤反应使灭活率增长，两种水质下灭活效果差距则逐渐缩小.

图1 液氯灭蚤试验结果

投加臭氧时，原水中灭活率明显低于蒸馏水，臭氧2.0 mg/L时两者相差了25%，差值明显大于液氯.这是因为原水中有机物等的氧化消耗和分解消耗所致.

氯胺灭蚤实验中，投量每增加1.0 mg/L，灭活率可平均提高约30%.剑水蚤灭活率还会随氨氯比例增加而上升，因为氨氯比例的改变导致了氯胺中物种成分的变化，且氨本身也有一定的灭蚤效果.

当氯胺量同时增加，原水试验中的灭活率低于蒸馏水试验，且差距不断增加.1.5 mg/L氯胺(氨氯比例1∶4)时，原水试验低了 12.5%;2.5 mg/L氯胺(氨氯比例 1∶1)时增加到 18.75%;至 3.0 mg/L(氨氯比例1∶1)时差值达25%.这说明与原水有机物质反应会消耗氯胺，且随着投量增加消耗量也增加，氧化作用于剑水蚤的量相应减少.故，氯胺预氧化时要根据水质条件选择适宜投量，投量过大会与原水中有机物质反应消耗，投量过小则达不到预定灭活效果.

图2 臭氧灭蚤试验结果

图3 高锰酸钾灭蚤试验结果

图4 有效氯1.0 mg/L时氯胺灭蚤试验结果

图6 有效氯3.0 mg/L时氯胺灭蚤试验结果

2.3 预氧化剂对剑水蚤活性影响分析

液氯、臭氧、氯胺和PPC四种预氧化剂中，液氯和氯胺对剑水蚤的灭活效果好于臭氧和PPC.从降活效果考虑，氯胺和PPC的效果好于液氯和臭氧.

这是因为，一般情况下氯胺中 NH2Cl和以NHCl2同时存在.但氨氯比例变化会导致氯胺物种主要成分变化:氨氯比例在1∶1～1∶5内，主要成分为 NH2Cl;当氨氯比例在1∶5 ～1∶7.6 之间，以氧化性强的NHCl2居多，但NHCl2本身不稳定.氨氯比例在1∶1～1∶5时氯胺具有较好的灭活和降活试验效果说明，虽然此时氯胺中NH2Cl占主要成分，其氧化作用能持续几个小时甚至更长时间[11]，即使剑水蚤的坚硬厚实外壁对氧化剂具有较强抵抗能力，但在30 min接触时间下NH2Cl氧化作用也持续充分发挥出来.此外，氨对剑水蚤也有一定的灭活效果.

液氯是一种强氧化剂，主要靠HOCl氧化破坏细胞膜进入体内进行破坏.但是剑水蚤本身具有坚硬的外壳，抗氧化性较强.液氯的氧化持续能力不足以支持其完成破坏作用.相比之下，氯胺虽然氧化能力稍弱，但是氧化持续能力大大超过液氯.

臭氧对剑水蚤的降活效果不理想是因为臭氧氧化能力不稳定且持续能力差.一方面，臭氧在原水中自我分解.原水中大量天然有机物、细菌和藻类等微生物等与臭氧可在约20 min内反应结束，且原水中某些物质还可加速臭氧的反应速度，使臭氧质量浓度快速降低.另一方面，剑水蚤有坚硬外壳，需30 min以上才可能产生破坏作用，而臭氧有效作用时间相对要短，所以臭氧灭蚤效果不显著.

PPC虽然在降活效果方面较好，但由于投量较低对剑水蚤灭活效果较差.可以考虑与其他预氧化剂联用进行除蚤.

2.4 去除剑水蚤预氧化剂的比较选择

当预氧化后的存活水蚤活性低到一定程度(C级及C级以下)，就可以被后续处理工艺当作杂质颗粒完全去除，不必必须采用高投量的彻底杀灭方法.因此从活性和经济性两方考虑，选取一种理想的预氧化剂，达到低投量、高灭活、高降活、利安全的效果即可.从表3的试验结果中可知，液氯虽然灭活效果显著但是降活效果一般;臭氧的降活和灭活效果均不理想，而且需要现场制备，成本较高;PPC由于投量较低灭活效果不佳;氯胺(2.0 mg/L，氨氮比例1∶3～1∶4)投量不高，灭活和降活效果相对较好，是一种比较理想的氧化剂.

表3 存活剑水蚤活性试验结果表(原水试验)

3 结论

通过对四种氧化剂的在蒸馏水和原水中的除蚤试验研究，可以得到以下结论:

1)采用预氧化氧化后，存活蚤活性可以低到C级和D级，活动能力较低.

2)氯胺和PPC对剑水蚤的降活效果好于臭氧和液氯.2.0 mg/L氯胺和1.0 mg/L PPC可使活性分别降至C+D级和B+C级.

3)四种氧化剂的灭活效果强弱顺序为:液氯、氯胺、臭氧、PPC.原水中的有机物质等对剑水蚤的灭活效果有显著影响.

4)氯胺(2.0 mg/L，氨氮比例 1∶3 ～1∶4)具有较好的氧化能力和较强的持续接触能力，对剑水蚤的灭活和降活效果相对较好，是一种比较理想的氧化剂.

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