鲢鱼联合常规水处理工艺除藻特性

Posted 2023-01-12 藻类

篇首语：不担三分险，难练一身胆。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了鲢鱼联合常规水处理工艺除藻特性相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

将鲢鱼引入到某水厂预沉池中用以去除藻类，并对该水厂从原水到滤后水中藻类种类和数量进行监测.结果表明，鲢鱼对水华微囊藻可进行有效滤食，但对单细胞绿藻滤食效果不佳，从而导致预沉池出水中水华微囊藻数量和比例大幅下降，使单细胞绿藻获得了更大的生长优势.预加氯对叶绿素a氧化作用显著.混凝沉淀过程对杆状藻类去除明显，具有较长突起尖刺的藻类会阻碍混凝沉淀效果.少量个体较小和突起物带有尖刺的藻类能够深入滤池.当原水中微囊藻浓度较高时，鲢鱼联合常规水处理工艺能够对藻类实现较为彻底的去除.
文章编号：0253-2468(2009)12-2519-06　中图分类号：X703.1 文献标识码：A
1.引言(Introduction)
我国的江河湖库都存在不同程度的富营养化，由此带来的藻类大量滋生使水质严重恶化(马经安等，2002).2007年6月太湖局部暴发的蓝藻水华和2008年2月汉江小环藻水华都严重地威胁到了自来水厂的正常供水.因此，原水中过高浓度藻类的控制和去除成为水处理研究的热点和难点之一(Chowetal.，1999).如果原水中藻类浓度过高，会严重地影响常规水处理效果，增加药耗，提高制水成本，而且受工艺本身的限制使自来水厂出水水质难以保证.研究表明，很多自来水水厂采用的常规水处理工艺对藻类产生的生物毒素(Hogeretal.，2005)和致嗅味产物(Huetal.，1996)去除率较低.所以，在原水进入常规工艺之前降低原水中藻类浓度是保证自来水厂安全供水的有效手段之一.
鲢鱼是一种主要滤食浮游藻类的植食性鱼类，被认为是控制藻类的有效工具之一(Smith1989；陈少莲等，1990).国内外已有将鲢鱼用于湖泊和水库等富营养化水体藻类控制的相关研究和实例(Domaizonetal.，1999；Radkeetal.，2002；谢平，2001；陆开宏等，2002)，并取得了较好的效果.范振强等(2008)曾于2005年将利用鲢鱼控制水厂原水藻类的实验研究应用于天津某自来水厂，结果发现，运行3年来，鲢鱼在蓝藻占优势时期对原水中藻类有明显的去除效果.然而，鲢鱼在控制原水中藻类的同时，也改变了藻类种群结构，使原水中藻类优势种属发生变化，而水厂的常规混凝-沉淀-过滤工艺对不同种藻类去除效果差别较大(Pieterseetal.，1997；Maetal.，2007；Drikasetal.，2001；梁恒等，2005).认识鲢鱼预处理高浓度藻类原水后，藻类数量、种群变化及该变化对后续预加氯和常规水处理工艺除藻特性的影响显得尤为必要.鉴于此，本文以天津某自来水厂原水和各处理单元中的水质为考察对象，对各处理单元内藻类数量和优势种属进行调查研究，以期为鲢鱼联合常规水处理工艺除藻特性研究提供参考.
2.材料与方法(Materialsandmethods)
2.1 预沉池及水厂工艺
本研究选取的自来水厂日处理水量为12000m3.沉淀池排泥水和滤池反冲洗水混合后，排入回用池做简单的沉淀处理，上清液排入预沉池中部，具体水处理工艺流程见图1.其中，预沉池为矩形(210m×86m)，水深3.5m，中间有导流墙，容量为50000m3，流量为12000m3.d-1，水力停留时间约为4d.于2005年5月向预沉池投放鲢鱼约9000尾，单尾重150g左右.至2007年4月，预沉池中单尾鲢鱼重约360g，放养密度约为65g.m-3.预沉池出水加氯后进入吸水井，氯投量为2～3mg.L-1，通过泵提升进入常规水处理工艺流程.絮凝池为垂直轴式机械絮凝池，沉淀池为同向流斜板沉淀池，滤池为虹吸滤池，滤料为双层滤料，上层为无烟煤，下层为石英砂.滤后水进入清水池.混凝剂采用三氯化铁，助凝剂为活化硅酸，采样期间水厂混凝剂投加量为10～12mg.L-1.

2.2 水样采集及藻类计数
本次调查采样时间为2007年7月和8月，每次采样点为5个，分别在原水、预沉池出水、吸水井水、滤前水(混凝沉淀池出水)和滤后水中进行采样.对所采集的水样进行藻分类计数和叶绿素a测定，藻类计数方法和叶绿素a测定方法参见《水和废水分析监测方法》(第4版).在对水样中藻类分类计数的同时，通过显微镜目镜内的测微尺测定单细胞藻类粒径，藻类种属鉴定参考《中国淡水藻类：系统、分类及生态》.
3.结果(Results)
3.1 水样中藻种类及分布
两次采样藻种类、数量级及分布近似，表1列出了7月份采样时各采样点水样中优势藻种类及分布.由表1可知，在原水中共检出藻类5门51种，其中，蓝藻门8种，占总数的86.6%；硅藻门18种，占总数的7.7%；绿藻门21种，占总数的5.4%；金藻门1种，占总数的0.23%；裸藻门3种，占总数的0.13%.在原水中，占优势的藻类有蓝藻门的微囊藻属(Microcystis)、平裂藻属(Merismopedia)、楔形藻属(Gomphosphaeria)和胶球藻属(Gloeocapsa)等；绿藻门有衣藻属(Chlamydomonas)、丝藻属(Ulotrichaceae)和栅藻属(Scenedesmus)等；硅藻门有小环藻属(Cyclotella)和脆杆藻属(Fragilaria)等.能够产生毒素的微囊藻、颤藻等在原水中也均有检出.从表1中还可以看出，原水经过预沉池后，数量上减少最为明显的藻类为水华微囊藻，其次是粉末微囊藻、广缘小环藻和星芒小环藻等，增加的藻类主要有四角角星鼓藻和不对称衣藻等.预沉池出水经过预氯化后进入吸水井，预氯化过程并没有大幅度降低藻类含量，仅能去除部分含量相对较少的单细胞微小藻类.混凝沉淀对水华微囊藻去除效果明显，对部分绿藻和大部分硅藻的去除效果也较好.过滤后，出水中绝大部分藻类被去除，仅剩余少量尺寸较小的池生胶球藻、淡红金椰藻，还有部分四角角星鼓藻.其中，四角角星鼓藻含量在吸水井和滤前水中均保持在106cells.L-1数量级左右，且在滤后水中也有检出.研究表明，该藻种尺寸较大(20μm)，且喜好铁元素，因此，具有较强的耐氯性；同时，该藻四角形的形态特征也使其能够进入滤层深处，甚至穿透滤池(刘泉志，2008).

3.2 各处理单元藻类去除特性分析
图2为两次采样中藻类及叶绿素a在各处理单元出水中的数量变化.从图2可以看出，虽然8月份蓝藻数量增加了1倍，但两次采样藻类各门种类数量在各处理单元的变化趋势却基本相同，最为明显的是预沉池出水中蓝藻数量大幅度下降，绿藻数量小幅上升.硅藻和其他藻类数量相对较少，在各水样中所占比例也较小.由于水华微囊藻在数量上占有绝对优势，因此，藻类总数的变化趋势基本和蓝藻数量变化趋势相近.水华微囊藻的减少使得藻类总数在预沉池中有大幅度降低，虽然水华微囊藻在后续处理单元中逐级减少，但是减少幅度均没有预沉池单元大.从图2还可以看出，叶绿素a的变化趋势与藻类总数并不一致，特别是在预沉池单元，微囊藻数量的大幅降低使藻类总数减少，然而叶绿素a并没有大幅减少.这可能是由于出水中绿藻有明显的增加，虽然增加的这部分绿藻数量不大，但它们引起的叶绿素a增加量却与水华微囊藻减少部分引起的叶绿素a减少量相当.与之形成对比的是，藻类在吸水井经过预氯化后，叶绿素a明显减少.

值得注意的是，水华微囊藻的增加导致8月份原水中蓝藻数量比7月份增加了1倍，同时，8月份原水中绿藻的数量比7月份减少了近34%，硅藻数量相近，但是两个月原水绿叶素a数量较为接近.这表明绿藻减少部分带走的叶绿素a与水华微囊藻增加部分产生的叶绿素a数量相当，这与上述预沉池叶绿素a变化情形类似.由此可以推断，绿叶素a值对绿藻数量变化的响应值要远高于对蓝藻数量变化的响应值.
表2为原水和预沉池出水中不同粒径藻类在单细胞藻类中所占比例.从表2可以看出，预沉池内藻类粒径也有较大的变化，出水中小于10μm藻类在单细胞藻类中的比例明显增加.这与绿藻在预沉池内的增加是对应的，因为绿藻中的衣藻属尺寸大部分小于10μm.

4.讨论(Discussion)
鲢鱼对藻类群落结构的直接影响主要表现为两方面，一方面，鲢鱼的鳃耙能够滤食10μm至数mm的浮游藻类，但不能有效滤食10μm以下的小型浮游藻类(Smith，1989；Cremeretal.，1980；Vrsetal.，1997).对于像以群体方式存在的微囊藻(Microcystis)、楔形藻(Gomphosphaeria)、丝藻(Ulotrichaceae)和个体尺寸较大的小环藻(Cyclotella)、脆杆藻(Fragilaria)等能够有效截留，而像绿藻中的衣藻(Chlamydomonas)等尺寸较小的藻类则能够穿过鲢鱼的鳃耙，不能或不完全能被鲢鱼滤食.另一方面，被鲢鱼滤食的藻类能否被鲢鱼充分消化与鲢鱼肠内消化液的消化特异性也有很大关系，鲢鱼体内消化酶能够对蓝藻进行快速分解，对硅藻和隐藻分解也很有效，但对于大部分绿藻不能进行很好的消化(Vrsetal.，1997).在预沉池出水中，粒径小于10μm的单细胞藻类占所有单细胞藻类的比例明显增加，而这部分藻类主要为单细胞的绿藻(主要是四角角星鼓藻和不对称衣藻等)，还有部分硅藻，这也表明在预沉池内，对尺寸小于10μm的单细胞藻类去除效果不佳.因此，预沉池内放养鲢鱼可有效地降低微囊藻数量，并去除部分硅藻，但同时会使单细胞绿藻数量有所增加，造成藻类向小型化转变.单细胞绿藻数量的增加可以从鲢鱼的滤食特性和不同种藻类对营养物质的利用两方面进行解释：①鲢鱼不能有效滤食单细胞绿藻，即使对于能被滤食的少部分绿藻也不能进行很好的消化，这就意味着鲢鱼所能滤食的单细胞绿藻在通过鲢鱼的肠管排入水中后仍能够生长；②鲢鱼对群体性微囊藻和大尺寸藻类的有效滤食会造成藻类种群中缺少与单细胞绿藻进行营养竞争的藻类，即单细胞绿藻能够获得更大的生长优势.由于叶绿素a对绿藻数量变化响应要高于蓝藻，因此，微囊藻的急剧减少并没有使预沉池出水叶绿素a明显降低.预沉池中藻类的去除效果还依赖于预沉池鲢鱼的放养密度、鲢鱼随环境条件而改变的滤食特性、原水中藻类数量、优势藻种属及不同藻类的生长特性.适用于水厂预处理的鲢鱼最佳放养密度和放养方式还需进一步的探索研究.
经过预氯化处理，吸水井中叶绿素a数量明显降低，而藻类数量却并没有明显减少，这与预氯化杀藻机理和藻类计数方法有关(马华等，2007).氯对叶绿素a氧化作用明显，导致大部分藻类失去活性，使藻类不具备光合作用能力，但藻类细胞并没有完全溶裂，还残留在吸水井中，而藻类计数只是通过藻细胞外观来判别计数.所以，很多失去活性、不具备光合作用的藻类也被计算在内.预氯化对尺度较小的单细胞绿藻灭活更为有效(马华等，2007)，从而导致吸水井水中叶绿素a数量明显降低，相应的藻类数量并没有减少.
藻体表面的电负性对藻类的去除产生着重要的影响(Pieterseetal.，1997)，然而更多的研究发现，藻类形态结构(如形状、尺寸、细胞排列、尖刺和鞭毛等特殊结构)、藻类活性、藻类多样性和藻类种群结构也会严重影响不同种藻类的去除效果(Pieterseetal.，1997；Maetal.，2007；Hendersonetal.，2008).原水通过预沉池和预氯化处理后，藻类种群结构和藻类活性都发生了变化，也使后续混凝沉淀过滤单元对藻类的去除方式和效果有所改变.后续常规水处理工艺主要去除的藻类也由群体性微囊藻转变为单细胞藻类.具有特殊形状的藻类，如脆杆藻、针杆藻等杆状藻类、群体性的微囊藻及细胞数量较多且整齐排列的平裂藻，它们的个体相对较大，氯化使其活性降低，因此，更容易在混凝沉淀过程中被去除(表1).滤前水中还含有较大比例的绿藻，这部分藻类耐氯性较强，具有活性和较多突起的尖刺(如栅藻、角星鼓藻等)，这些尖刺阻碍了大絮体的形成，造成絮体不密实，从而降低了藻类的去除率.过滤作为保障饮用水卫生安全的重要措施，在对剩余藻类的去除上发挥了关键的作用，滤池本身的水力负荷、反冲洗方式及反冲强度对藻类去除效率起着决定性的作用.从各处理单元的藻类去除率来看，过滤对硅藻去除率为100%，对绿藻和蓝藻的去除率都在96%以上，而淡红金椰藻和池生胶球藻去除率较低.淡红金椰藻和池生胶球藻不能被彻底去除的主要原因是这两种藻类个体较小(4～8μm)，容易穿透滤池.绿藻中的四角角星鼓藻等这种个体较大藻类能够穿透滤池则是由于其特殊的形态结构.对滤料内藻类组成的分析研究(Liu，2008)表明，四角角星鼓藻滤层藻类的比例超过60%，在滤料表层中的比例更高.显微镜下观测发现，该藻具有4个突起物，且在突起物尖端和表面有尖刺，这样的表面特征更有利于其与滤料的粘附，使其难以被冲洗下来，且会在反冲洗结束时随滤料沉降，进而进入滤层深处.所以，在原水藻类含量较高的时期，除少量个体较小或具有特殊表面形态的藻类外，绝大部分单细胞藻类均能够在混凝沉淀过滤单元中得到较为彻底的去除.
5.结论(Conclusions)
1)在预沉池内放养鲢鱼可大幅度减少原水中微囊藻数量，对尺度较大的硅藻也有一定的去除效果，但对于绿藻去除效果较差，同时会造成藻类向小型化转变的趋势.这与鲢鱼的滤食和消化特性及各种藻的生长特性有关，鲢鱼对微囊藻的有效滤食和对单细胞绿藻的滤食效果不佳造成了单细胞绿藻具有更大的生长优势，导致预沉池出水中单细胞绿藻数量有所增加，尺寸小于10μm藻类比例增大，但出水叶绿素a数量并未明显减少.
2)预加氯对预沉池出水中单细胞藻类的灭活更为有效，氯对叶绿素a氧化作用显著；混凝沉淀过程对具有特殊形状的藻类，如杆状藻类等的去除效果明显，而表面具有较长突起和尖刺的藻类会阻碍混凝效果，极少量个体较小的藻类和表面突出物带有尖刺的藻类甚至能够穿透滤池.
3)在原水藻类浓度较高时，特别是原水中微囊藻浓度较高时，鲢鱼联合常规水处理工艺能够对藻类实现较为彻底的去除.