低成本慢沙過濾凈水研究

孟令偉 周春雨 楊林

摘要 針對高海拔地區(qū)山區(qū)和西北部農(nóng)村可飲用水源少、集雨飲用水濁度、微生物、重金屬等超標的問題，以保護集雨水源地和保障飲水安全為目標，面對水量變化劇烈、水質(zhì)復雜、建設(shè)和運行資金短缺、城鎮(zhèn)技術(shù)設(shè)施條件差等特點，開發(fā)了適合小城鎮(zhèn)的經(jīng)濟、高效、節(jié)能慢沙過濾低成本飲用水凈化技術(shù)。該技術(shù)針對不同群體構(gòu)建了分散式和集中式兩種飲水安全保障模式，保障供水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749）》的要求，提供技術(shù)支撐。也可為地震、洪澇等自然災(zāi)害發(fā)生時的應(yīng)急飲用水凈化措施提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞 集雨;慢沙過濾;飲用水;低成本

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）33-11904-02

Study on Low-cost Slow Sand Filters （SSFs） Water Purification

MENG Ling-wei， ZHOU Chun-yu， YANG Lin* （Department of Chemistry， Qinghai Normal University， Xining， Qinghai 810008）

Abstract Facing the problems of lacking potable water and overproof of microorganism and heavy metals in collected rain water in high altitude and northwest urban area of China， an economic， efficient， energy conservation and low cost water cleansing technique was developed to deal with the reality of dramatically changing of water amount， complicated water quality， shortage of fund of construction and operation and unenlightened technology condition in small town. It has two safeguard styles， distributed and centralized to make sure the water meet the criterion of hygienic standard for drinking water（GB5749）. It can provide technical support for emergency water cleansing such as earthquake or flood disaster.

Key words Collected rain water; Slow sand filters; Drinking water; Low cost

基金項目 青海省科技廳項目（2011-H-809）。

作者簡介 孟令偉（1985- ），黑龍江訥河人，碩士研究生，研究方向：分析化學及環(huán)境。*通訊作者，教授，碩士生導師，從事分析化學及環(huán)境科學研究。

收稿日期 2014-09-26

國家實施的“發(fā)展小城鎮(zhèn)，帶動農(nóng)村經(jīng)濟和社會發(fā)展戰(zhàn)略”推進了我國城鎮(zhèn)一體化進程。面對農(nóng)村飲用水存在水質(zhì)較差、水源遭受污染、衛(wèi)生管理不及時等問題，根據(jù)環(huán)境保護部下發(fā)的《關(guān)于印發(fā)〈全國典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水水源地基礎(chǔ)環(huán)境調(diào)查及評估工作方案〉的通知》（環(huán)辦〔2009〕27號），開展了全國鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中式飲用水水源的調(diào)查與評估工作，對水源地的現(xiàn)狀進行調(diào)查評估工作，針對不同區(qū)域、不同類型的飲用水水源地提出環(huán)境對策，提高廣大人民群眾的飲水安全保障水平，特別是在部分偏遠、居住極為分散的山區(qū)、半山區(qū)。針對這樣的飲水不安全群體人口采用分散式解決為主，來構(gòu)建“以集中供水為主，聯(lián)戶供水為輔，分散供水為補充”的方針政策。水利部在2010年全國農(nóng)村水利工作會議上明確提出“力爭到2020年農(nóng)村集中供水覆蓋率達到80%”，可見現(xiàn)階段農(nóng)村分散供水仍占有相當大的比例。與集中供水相比分散供水的難度更大，需要走的路更長。該研究結(jié)合農(nóng)村的實際情況從飲用水水質(zhì)安全出發(fā)，以較低的價格為山區(qū)農(nóng)民解決飲水問題。切實做到以科技幫農(nóng)、富農(nóng)，使科技成果得到有效地轉(zhuǎn)化。

1 高海拔地區(qū)及山區(qū)飲水面臨的主要問題

1.1 源水來源單一，水質(zhì)質(zhì)量較差，受氣候及降雨量影響較大 高海拔地區(qū)及山區(qū)源水一般來源于雨水收集水窖儲存，然后煮沸飲用。源水質(zhì)量遠遠低于國家飲用水源水標準。

1.2 經(jīng)濟條件落后，建設(shè)能力差 對于居住在山區(qū)、半山區(qū)的居民，經(jīng)濟發(fā)展相對落后，自然地理環(huán)境復雜，交通不便，居民的文化程度等都要差一些。由于缺乏對飲用水的凈化和消毒知識，往往飲水水質(zhì)難以達標，飲水安全性低，影響群眾身體健康[1]。

1.3 凈水、滅菌做法單一 農(nóng)民一般都是采用水窖存水自然沉降，煮沸飲用[2]。此過程水的濁度大，高海拔地區(qū)煮沸溫度根本達不到滅菌溫度，有部分細菌無法去除。對于密集人口居住區(qū)可以采用工程供水，其凈化和滅菌技術(shù)配套比較完善。但是對散居居民而言投入大，工程實施和管道鋪設(shè)困難，凈水滅菌設(shè)備安裝也造成較大的經(jīng)濟負擔，此時低成本分散供水就十分重要。

1.4 統(tǒng)一運行管理供水困難、設(shè)備建設(shè)和維護成本高 對分散居民統(tǒng)一供水初期工程投入大，設(shè)備建設(shè)維護及維護人員的開支都是挑戰(zhàn)，因此難以建立一個有效的管理機制。源水水質(zhì)差、建設(shè)成本高、凈化和殺菌設(shè)備成本高是供水成本增加的原因。

2 慢沙過濾簡介及原理

慢沙過濾是由2個20 L左右的塑料桶（每個10元）豎直堆疊起來，桶內(nèi)部鋪滿規(guī)定目數(shù)的細砂，并洗凈以免影響重金屬含量，距離水桶上端留有一定高度，這決定靜態(tài)時水桶中水面的高度。在水桶的底部放有用網(wǎng)布包裹的絮凝劑壓餅、連接水管（水管、絮凝劑壓餅總計30元），從水桶的上邊緣引出通入下邊的水桶上端，下端水桶與上端水桶相同裝置，在進水管的另一端引出出水管。一般一套裝置8 h出水10 L左右，出水中微生物超標可以適當添加漂白劑，具體因水質(zhì)而言。試驗源水來源于青海省互助縣壯族自治區(qū)。具體裝置如圖1所示，水樣處理后對比如圖2所示。

圖1 慢沙過濾裝置

圖2 水樣處理后效果對比

慢沙過濾原理主要是利用微生物菌群在沙粒表面富集，一定時間內(nèi)通過微生物利用水體中的營養(yǎng)物質(zhì)變成自身物質(zhì)的消耗分解水中有機物[3]，去除水中有機物的目的，即礦化作用。同時通過絮凝作用的電位變化去除水中重金屬[4]，一段時間后會在水層上方出現(xiàn)粘膜層這是正常情況，且有助于去除顆粒物。

3 慢沙過濾設(shè)備操作與維護

裝置連接完畢后保證沙層與水面2 cm的距離，防止破壞沙層。加水時要慢，一次性緩慢倒入5 L水，然后收集排出的5 L水，如此操作2次，收集10 L水停止，對于日常生活飲用足以滿足。至少8 h內(nèi)不要再過濾來保證微生物富集在沙子上消耗水中的有機物。如果濾出的水仍有色，可以再次過濾，并延長過濾周期，10 h左右即可。如果水流出速度慢，可取出沙子并且用水潤洗以去除堵塞濾器的無機物質(zhì)（粘土物質(zhì)）。

4 慢沙過濾處理后水質(zhì)變化

4.1 微生物菌群檢測

我國現(xiàn)行的飲用水微生物監(jiān)測指標只設(shè)定了大腸菌群和細菌總數(shù)的檢測，采用平板傾注法計數(shù)細菌總數(shù)，根據(jù)ISO11731推薦方法分離水中軍團菌屬[5]，上述指標在正常檢測范圍內(nèi)。為排除其他致病菌隱患，根據(jù)GB/T 4789標準和常規(guī)微生物國標檢測方法，對試驗水樣進行病原學檢測，結(jié)果表明，細菌總數(shù)正常，致病菌未檢出，耗氧量正常。

4.2 重金屬檢測 第三方水質(zhì)監(jiān)測報告表明，處理前水樣電導率偏高，過濾后水樣接近自來水且高于飲用水標準。pH偏弱酸性，約為6～7之間。對于處理后的含量偏高的重金屬進行多次試驗測定，分析原因可能是沙子清洗不夠影響了處理結(jié)果，但是符合礦物質(zhì)水標準，可以飲用（圖3）。慢沙過濾處理后出水水質(zhì)能夠滿足國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2009）。

圖3 處理前后水中重金屬含量變化

4.3 濁度變化

由圖4可見，處理7 h之后，濁度值趨于穩(wěn)定，不再變化，因此建議濾水周期時長8 h。特別渾濁水質(zhì)可以延長過濾周期時長為10 h或更長時間，例如洪澇災(zāi)害時源水。

圖4 濁度隨過濾間隔時長的變化曲線

5 結(jié)論

近年來我國云貴高原、四川盆地、青藏高原等地的干旱、地震和洪澇等自然災(zāi)害給當?shù)卣绾蝺?yōu)化利用水資源敲響了警鐘。慢沙過濾以最小的投入將科技成果運用到實際生活中，對于解決我國西北干旱缺水地區(qū)，乃至我國西南山區(qū)等缺水地區(qū)飲水安全問題都具有重要意義。隨著國家對農(nóng)村飲水安全的重視，針對我國西北和西南一些山區(qū)由于地理條件限制仍直接飲用窖水、坑塘水，水質(zhì)不達標危害了當?shù)剞r(nóng)民的身體健康情況，研發(fā)了慢沙過濾設(shè)備。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，易于運行維護等特點，為農(nóng)村村民減輕經(jīng)濟負擔的同時解決了健康飲水問題。

參考文獻

[1]孫長貴，艾陽泉，魏新平.農(nóng)村小集中和分散供水的水處理技術(shù)與設(shè)備[J].中國農(nóng)村水利水電，2013（2）：52-54.

[2] 劉玲花，劉來勝，吳雷祥，等.西北村鎮(zhèn)集雨飲用水安全保障適用技術(shù)研究與示范[J].給水排水，2013，39（12）：21-25.

[3] 喬培培，陳丕茂，秦傳新，等.利用微生物凈水研究進展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2014（1）：149-154.

[4] 柳志剛，姚學俊.聚丙烯酰胺在不同水處理應(yīng)用中的探討[J].廣東化工，2008，35（3）：98-100.

[5] 周昭彥，胡必杰，于玲玲，等.3種方法對供水系統(tǒng)嗜肺軍團菌、阿米巴原蟲及生物膜消毒效果的比較[J].中華醫(yī)院感染學雜志，2010，20（12）：1657-1660.