1 我國西北村鎮(zhèn)飲水安全現(xiàn)狀

近年來，我國西北地區(qū)群眾通過興建水窖等小型、微型水利工程，有效地解決了生產(chǎn)生活用水短缺問題，如甘肅“121”雨水集流工程，寧夏回族自治區(qū)“窯窖工程”，內(nèi)蒙古“112 工程”，貴州省“渴望工程”，陜西省“甘露工程”以及全國婦聯(lián)發(fā)起的“大地之愛·母親水窖”公益項目等。實踐證明，所有這些措施大大緩解了當(dāng)?shù)氐挠盟�危機，然而，與此相關(guān)的水質(zhì)問題也隨之產(chǎn)生。集雨水在降落和徑流過程中容易受到空氣沉降、面源化肥農(nóng)藥、集流面固態(tài)廢物碎屑(垃圾、動物糞便等) 以及其他由人類活動帶來的污染，水質(zhì)不達標(biāo)現(xiàn)象普遍，未經(jīng)處理直接飲用會對人畜產(chǎn)生極大危害。研究表明，集雨水中超標(biāo)因子主要包括濁度、細菌、有機物，部分地區(qū)還存在鉛、鉻等重金屬離子含量偏高的情況。

根據(jù)甘肅省2009 年調(diào)查復(fù)核報告，截至2010年底，甘肅省2 111. 74 萬農(nóng)村人口中，飲水不安全人口985. 66 萬，水質(zhì)不達標(biāo)人口358. 58 萬，占全省農(nóng)村飲水不安全人口的36% ; 其中，氟超標(biāo)71. 25 萬人，砷超標(biāo)2. 73 萬人，苦咸水126. 95 萬人，汞鎘鉻鉛超標(biāo)3 萬人，污染水等其他水質(zhì)問題121. 99 萬人，細菌學(xué)指標(biāo)超標(biāo)32. 66 萬人。水質(zhì)污染和細菌學(xué)指標(biāo)超標(biāo)主要指分散式集雨水飲用工程，其水質(zhì)超標(biāo)原因在于: (1) 雨水集蓄飲用工程屬于小型水利工程，農(nóng)戶自建自管，缺乏有效的建設(shè)運行管理機制。(2) 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，供水設(shè)施簡陋，缺少清潔、高效的集雨水收集系統(tǒng)。(3) 水源保護，供水設(shè)施維修，水質(zhì)監(jiān)測等管理措施不到位。(4)缺乏必要的凈化、消毒設(shè)備。目前，在我國西北地區(qū)集雨工程中初期雨水通常采用棄流+ 沉砂池的處理方式; 窖水水質(zhì)處理一般采用撒消毒劑或者采用石英砂柱等過濾處理。資料表明，國內(nèi)關(guān)于集雨飲用水深度處理技術(shù)研究、設(shè)備研制十分鮮見，而國外對城市初期雨水的污染問題十分重視，在美國和歐洲已經(jīng)制定了一套雨水收集、處理和管理的完整方法。

2 生物慢濾設(shè)備研發(fā)

2. 1 生物慢濾設(shè)備研制

中國水利水電科學(xué)研究院在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)慢濾技術(shù)進行優(yōu)化改進，研發(fā)了一種小型家用自動生物慢濾水處理設(shè)備，主要由高位配水箱、前置Y 型過濾器、生物慢濾濾裝置和自動化控制配電箱組成，工藝流程如圖1 所示。

(1) 高位配水箱。高位水箱中設(shè)置了一個恒流器，利用恒流器微單元水位差保證從高位水箱流出的水流速恒定，克服了傳統(tǒng)配水箱中供水依靠重力作用，流速先大后小的缺點。高位水箱底部設(shè)置排泥口，用于排出高位水箱長期運行后底部可能出現(xiàn)的沉積物。

(2) 前置Y 型過濾器。在進入高位水箱前，用一個Y 型過濾器對窖水進行粗濾(其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)慢濾工藝的前置粗濾池) ，Y 型過濾器中設(shè)置100目(約0. 2 mm) 的過濾網(wǎng)，以初步去除水中的懸浮物、泥沙等污染物，減少后續(xù)慢濾裝置的堵塞機率。

(3) 生物慢濾裝置。生物慢濾裝置分為兩部分，上部為布水器，布水器的底部設(shè)置均勻分布的小孔，以便水均勻流出，布水器中裝填粒徑為1 ～ 2 mm 的石英砂，對進入慢濾裝置的水進行預(yù)處理。從布水器流出的水進入其下面的生物慢濾裝置中，經(jīng)微生物及濾料的雙重凈化作用，處理后的水進入水缸。

(4) 自動化控制配電箱。高位水箱中設(shè)置水位測定裝置，用弱電感應(yīng)水位，當(dāng)水位低于設(shè)定的最低水位時，潛水泵自動開啟，抽水至高位水箱; 當(dāng)高位水箱中的水位達到設(shè)定的最高水位時，潛水泵自動關(guān)閉，從而實現(xiàn)了整個裝置的自動化運行，貼近農(nóng)村應(yīng)用實際。

2. 2 工藝操作流程

生物慢濾裝置是本套家用自動生物慢濾水處理設(shè)備的核心，基本操作步驟包括: (1) 啟動。為了防止邊壁效應(yīng)和空隙中殘留氣泡，按照濕法裝填濾料。所謂濕法裝填是指裝填濾料時，邊填加濾料邊加水，以擠出過濾層中的氣泡。裝填完畢后，將表層濾料抹平。為了減少表層濾料擾動，以利于微生物粘膜的形成，開始采用正常濾速的1/4，持續(xù)運行約10 d，隨后逐步增加流速至設(shè)計濾速。(2) 日常運行。農(nóng)戶根據(jù)具體情況既可連續(xù)運行也可間歇運行。(3) 濾料更換。運行2 ～ 3 個月后，慢濾裝置發(fā)生堵塞，需要清除表層濾料。關(guān)閉進水閥，停止進水，將慢濾裝置中的水放至露出濾料表層時，用平板鏟將表層濾料(約2 cm) 和附著在表層濾料上的生物粘膜移走。由于表層生物粘膜已被鏟掉，剛?cè)胨畷r，出水水質(zhì)會有所變化，但一般2 ～ 3 d 時間后，出水水質(zhì)又可以恢復(fù)到原來狀態(tài)。(4) Y 型過濾器清洗。定期取下Y 型過濾器中的濾網(wǎng)，清洗濾網(wǎng)表面的淤泥與灰塵。

2. 3 工藝去污機理

生物慢濾技術(shù)對污染物的去除是物理吸附過程和生物化學(xué)過程共同作用的結(jié)果。研究結(jié)果表明，在生物慢濾上層的濾料表面形成了一層含有多種微生物的生物粘膜，生物粘膜中含有各種細菌(球菌、桿菌等) 、藻類、原生動物以及各種微生物的分泌物，在水的凈化過程中，這些微生物形成了良性循環(huán)食物鏈: (1) 原生動物捕食藻類和細菌。(2) 藻類生長需要吸收水中的N 和P，同樣細菌生長也需要吸收水中的N 和P 以合成細菌細胞，這是細菌的同化作用，此外在硝化細菌的作用下，氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，然后在反硝化細菌的作用下，硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣; 在細菌的異化作用下，有機物轉(zhuǎn)化為二氧化碳被除去。(3) 死亡的原生動物、細菌、藻類等又成為新生微生物的營養(yǎng)，如此循環(huán)。由此可見，生物粘膜在生物慢濾技術(shù)中具有雙重作用，生物粘膜的物理吸附、截留作用和粘膜中微生物的捕食、被捕食及生物化學(xué)作用。

3 工藝應(yīng)用

3. 1 運行效果

家用自動生物慢濾水處理設(shè)備在甘肅省會寧縣會師鎮(zhèn)和新添堡鄉(xiāng)進行了技術(shù)示范，并于2011 年7 月至9 進行了6 次取樣檢驗。超標(biāo)污染物主要包括濁度、菌落總數(shù)和總大腸菌群，其進出水水質(zhì)情況如表1 所列，其中，菌落總數(shù)為每mL 的量，總大腸菌群為每100 mL 的量。由表1 可知，家用自動生物慢濾水處理設(shè)備對濁度的去除效果明顯，原水濁度為5 ～20. 36 NTU，出水濁度均低于1 NTU; 對菌落總數(shù)的去除效果顯著，出水均低于500 CFU/mL; 出水水質(zhì)均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006) 的要求。

3. 2 制水成本核算

家用自動生物慢濾水處理設(shè)備按照1 500 元/套，潛水泵抽水量2 m3/h，功率0. 37 kW，電費0. 547 元/度。其中: (1) 設(shè)備費折舊費(按照20 年折舊) = 1 500 元/20 年= 0. 205 元/d; (2) 設(shè)備產(chǎn)水量= 0. 2 m/h × 0. 09 m2 × 24 h/d = 0. 432 m3/d;(3) 生產(chǎn)1 m3水的折舊費= (0. 205 元/d)/(0. 432 m3/d) =0. 47 元/m3 ; (4) 運行費(只有潛水泵耗電費) =0. 37 kW/(2 m3/h) ×0. 547 元/度=0. 1 元/m3 ; 綜合制水成本= 生產(chǎn)1 m3水的折舊費+ 運行費= 0. 47 元/m3+0. 1 元/m3 =0. 57 元/m3。具體參見http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

4 結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國西北地區(qū)面臨愈發(fā)嚴(yán)重的水資源短缺問題，雨水集蓄利用為這些地區(qū)探尋了新的途徑。我國集雨水利用主要側(cè)重于人畜解困，以解決水量安全為基本出發(fā)點，鮮有集雨飲水工程配套水處理設(shè)施，而水質(zhì)安全事關(guān)人民群眾健康，也成為了“十二五”期間能否全面完成飲水安全目標(biāo)的制約因素。

家用自動生物慢濾水處理設(shè)備具有投入成本低、操作簡單、方便衛(wèi)生、出水水質(zhì)達標(biāo)、不需要投加藥劑等優(yōu)點，可以有效解決農(nóng)村地區(qū)一家一戶分散供水的飲水安全問題，其社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益顯著，在我國新農(nóng)村建設(shè)中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。