生物慢濾技術(shù)在石漠化農(nóng)村中的探索與實踐

高璟鈺，朱林閣，李曉娜(1.貴州師范大學喀斯特研究院，貴陽 550001；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地，貴陽 550001； 3.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴陽 550001)

水資源是人類不可缺少、至關(guān)重要的資源，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。據(jù)我國農(nóng)村貧困監(jiān)測報告顯示，我國有18%的農(nóng)戶獲取飲用水困難，14.1%的農(nóng)戶飲用水水源受到污染，有37.3%的農(nóng)戶沒有安全飲用水[1]。以貴州、云南、廣西、四川和重慶五省為主的西南喀斯特地區(qū)，自2009年秋季以來屢遭旱災(zāi)影響，居民飲水困難[2]。2009年9月-2010年3月期間，貴州省出現(xiàn)重旱以上程度氣象干旱的平均日數(shù)為46 d[3]。在干旱缺水的農(nóng)村地區(qū)，居民往往關(guān)注的是找水問題，對于水質(zhì)安全的問題關(guān)注很少，隨著氣溫升高和儲存時間延長等問題的產(chǎn)生，飲用水的水質(zhì)下降。李向東和陳燁(2014年)研究發(fā)現(xiàn)當前喀斯特地區(qū)面臨兩大主要的水體污染問題：由于喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境的特殊性導致地表水與地下水的硬度較高和由于喀斯特地區(qū)分布眾多礦山導致礦區(qū)附近的水體重金屬超標[4]。貴州省2013年對全省9個市86個縣( 市)的農(nóng)村安全飲水工程的水質(zhì)進行了檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)全省總大腸菌群微生物學指標合格率最低，為28.66%，理化指標中氰化物、硝酸鹽、渾濁度、肉眼可見物、pH值、鐵存在不合格現(xiàn)象[5]。

生物慢濾技術(shù)是一種基本不需要機械動力和生物化學作用的一項技術(shù)，它具有運行簡單、成本低廉、對污染物去除率高的顯著優(yōu)點。大量的室內(nèi)實驗和實地應(yīng)用表明，生物慢濾是集物理、化學和生物作用為一體的復(fù)雜過程。在國外，Hijnen認為生物膜對細菌和原生動物的卵囊有較好的去除作用，但不會影響病毒的去除[6]。在中國，葉紅指出生物慢濾技術(shù)對污染物的去除表現(xiàn)為物理吸附和生物化學過程共同作用的結(jié)果，慢濾池在運行過程中上層濾料表面形成一層微生物黏膜，黏膜中的各種細菌、藻類、原生動物以及各種微生物的分泌物，從而能夠有效去除農(nóng)村飲用水中常見的污染物如懸浮物、細菌、有機物、氨氮、重金屬等[7]。生物慢濾技術(shù)為解決石漠化農(nóng)村地區(qū)居民的飲水安全問題提供了有力的保障，可以解決農(nóng)村分散人口飲水安全的難題，在農(nóng)村的飲水安全工程中具有廣泛應(yīng)用的前景。中國對生物慢濾技術(shù)的研究較少，尤其是西南石漠化地區(qū)對生物慢濾技術(shù)的研究幾乎為空白。為此，本文將推動石漠化農(nóng)村地區(qū)生物慢濾技術(shù)的研究，對于開展生物慢濾技術(shù)在石漠化農(nóng)村地區(qū)的示范和推廣也具有重要的指導作用。

1 研究區(qū)飲水現(xiàn)狀概況

1.1 研究區(qū)概況

畢節(jié)撒拉溪示范區(qū)位于貴州畢節(jié)地區(qū)畢節(jié)市西部六沖河流域支流區(qū)，主要涉及撒拉溪鎮(zhèn)的撒拉村、水營村、龍鳳村、沙樂村、朝營村、永豐村、鐘山村、沖鋒村和野角鄉(xiāng)的茅坪村共9個行政村。到2007年為止，總面積為41.52 km2，其中石漠化(輕度、中度和強度)面積為9.77 km2占示范區(qū)總面積的23.53%[8]。氣候夏秋溫熱濕熱，冬春溫涼干旱，年降水量863 mm，降水主要集中在7-9月，占年降雨量的52.6%左右[9]。

由于研究區(qū)內(nèi)無自來水供應(yīng)、喀斯特地貌典型等客觀原因，再加上當?shù)鼐用駥ι謥y砍亂伐、對陡坡地隨意開荒等不合理的人為原因，導致研究區(qū)內(nèi)大部分居民的飲用水匱乏和水環(huán)境污染。在研究區(qū)居民飲用水的來源主要為泉水和雨水，靠近泉點的居民一般飲用泉水，離泉點較遠的居民則靠收集屋面雨水作為日常飲用水，部分居民的日常飲用水來源為兩者兼半。研究區(qū)內(nèi)居民大部分無環(huán)保意識，不注意改善自我健康狀況和生活環(huán)境。農(nóng)藥、化肥使用不科學，路面甚至蓄水小水窖附近隨地可見家禽糞便，窖內(nèi)可見枯枝落葉、藻類、昆蟲等污染物，這種對小水窖的粗放管理方式易造成水體污染，而危害當?shù)鼐用竦纳眢w健康。

1.2 研究區(qū)飲用水水質(zhì)概況

在研究區(qū)內(nèi)代表性的選取了兩個時間段進行水樣采集和檢測分析，第一次取樣時間是2014年3月份，屬于枯水期，第二次取樣時間是2014年6月份，處于豐水期。每次選取兩份水樣，一份為泉水水樣、一份為雨水水樣。水質(zhì)檢測在貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)中心實驗室進行，將水樣進行水質(zhì)分析，檢測指標為：濁度、色度、硬度、臭和味、肉眼可見物、氨氮、六價鉻、氯化物、大腸桿菌、菌落總數(shù)、鉛、汞、砷、硫化物、氰化物、COD、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、錳、銅、氟化物、鉻、鋅，檢測結(jié)果如表1。

(1)在枯水期和豐水期時，在所取水樣中，均能看到少量白色絮狀懸浮物，色度、濁度大部分超標，大腸桿菌均超標，菌落總數(shù)超標75%。研究區(qū)內(nèi)居民不重視對飲用水的衛(wèi)生儲存，有些農(nóng)戶家的蓄水小水窖上蓋子半遮蓋甚至不遮蓋，導致飲用水的濁度、色度超標。農(nóng)戶將小水窖的水放入水缸以備飲用時，常選取較大的水缸，一般夠全家喝一周甚至更長時間。長此以往，易滋生大腸桿菌、菌落總數(shù)等細菌。

表1 研究區(qū)水質(zhì)概況[10] Tab.1 Status of drinking water quality in Salaxi Demonstration Area

注: Cd、Cu、Mn、氨氮、氰化物等指標未超標，故未列出。

(2)在枯水期時，兩份水樣中的鉛、汞均超標，在豐水期，兩份水樣中的鉛、汞未超標。Zipper C等研究在生產(chǎn)重金屬的礦區(qū)，周圍的土地由于天然的淋濾作用，含有大量的重金屬。這些重金屬會向地下水和下游水體遷移，造成水體污染，危害人和動物的健康[12]。而研究區(qū)臨近的赫章縣境內(nèi)有多個礦廠生產(chǎn)鉛鋅，由于其技術(shù)落后、管理粗放等原因，產(chǎn)生重金屬污染物會隨大氣、水等介質(zhì)傳播，導致研究區(qū)內(nèi)枯水期所檢測的飲用水中鉛、汞元素超標。而豐水期所檢測水樣中鉛、汞未超標，則考慮存在蓄水小水窖內(nèi)水量增大使鉛、汞的濃度得以稀釋這一原因。

(3)在枯水期和豐水期，所取水樣中的硫化物均超標。在我國的西南地區(qū)和中南地區(qū)，因為其煤炭資源賦存條件差、瓦斯量大、建井投資和生產(chǎn)成本偏高，而成為了高硫煤的主要集中地[13]。在研究區(qū)5 km之內(nèi)，有一座中型煤礦，兩座小型煤礦。這些煤礦或多或少的缺少抑塵網(wǎng)、通風排塵和凈化風流等安全環(huán)保裝置，而煤礦的存在會使土地遭到破壞、地下水受到污染、生物多樣性減少[14]。煤燃燒生成二氧化硫與三氧化硫，是導致示范區(qū)內(nèi)硫化物超標的重要原因。

1.3 居民凈水意愿問卷調(diào)查

由于研究區(qū)內(nèi)飲用水水質(zhì)不達標，嚴重危害人畜的身體健康，因此改善研究區(qū)內(nèi)居民的飲用水狀況顯得十分必要和迫切。針對飲用水水源類型、居民對飲用水水質(zhì)滿意度和凈水意愿等內(nèi)容，采用調(diào)查問卷的方式于2014年3-11月對研究區(qū)內(nèi)8個村小組中96戶居民進行走訪調(diào)查。這8個村小組分別坐落在示范區(qū)內(nèi)的不同位置，針對水源類型、經(jīng)濟收入和文化程度等指標共選取了96戶居民，共發(fā)出調(diào)查問卷96份全數(shù)收回，并使用Excel和SPSS Statistics 17.0軟件對調(diào)查問卷進行統(tǒng)計分析，見表2。

(1)研究區(qū)無自來水，當?shù)鼐用竦娘嬘盟畞碓礊橛晁腿?，在研究區(qū)內(nèi)當?shù)鼐用耧嬘盟畞碓礊閱我蝗恼?8.3%，單一雨水的占18.8%，雨水和泉水共用的占33.2%。

表2 研究區(qū)居民水質(zhì)調(diào)查問卷內(nèi)容Tab.2 The questionnaire content residents'drinking water quality in Salaxi Demonstration Area

(2)從居民對雨水滿意度、泉水滿意度和雨泉水共用滿意度的分析來看，大部分居民均不滿意現(xiàn)在的飲用水水質(zhì)。居民對雨水的滿意度均值為2.611 1，對泉水的滿意度均值為2.521 7，對雨、泉水共用的滿意度均值為2.468 7(見表2)。根據(jù)實地勘察和調(diào)查問卷，發(fā)現(xiàn)當?shù)鼐用駥λ|(zhì)情況普遍感到不滿意，反應(yīng)水質(zhì)渾濁、口感差、燒開之后結(jié)垢嚴重，飲水后導致拉肚子等現(xiàn)象。

(3)調(diào)查問卷顯示，有62.2%的農(nóng)戶愿意凈化自家飲用水水質(zhì)，有29.7%的農(nóng)戶對凈化飲用水水質(zhì)抱有無所謂的態(tài)度，剩下8.1%的農(nóng)戶并不愿意凈化水質(zhì)。在不愿意凈化水質(zhì)的這部分人中，老年人占大多數(shù)所受教育文化水平不高，甚至是文盲。

2 慢濾池的設(shè)計及施工

2.1 磚砌式慢濾池的設(shè)計

在畢節(jié)撒拉溪示范區(qū)，家家戶戶均有自建的蓄水池，大部分的自建蓄水池修建的較高，池內(nèi)水可以利用自流的特點經(jīng)由慢濾池凈化后供居民日常飲水。此外由于在畢節(jié)撒拉溪示范區(qū)內(nèi)居民的住所較分散，所以考慮建立大型的集中型慢濾池可能性較小，適合建立小型的分散型慢濾池。在畢節(jié)撒拉溪示范區(qū)中的鐘山村毛栗樹組和鐘山村中營組兩個地方，選取了7個點作為慢濾池的試建運行地，慢濾池的外形構(gòu)造為磚砌式。磚砌慢濾池的原料方便尋找，成本低廉，操作簡單，當?shù)剞r(nóng)戶就可自行修建。

在修建慢濾池之前要注意選址，選擇相對平坦的路面同時要保證慢濾池上端受到光照。根據(jù)調(diào)查，當?shù)剞r(nóng)戶家庭一般常住人口為4～6人，按照人均用水量為80 L/d來計算，一戶人家大概一天的用水量為480 L。修建池內(nèi)面積為0.64 m2的磚砌式慢濾池，足夠一戶6口之家的日常用水量。具體的慢濾池工藝設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 毛栗樹組、中營組慢濾池設(shè)計圖(單位：mm)Fig.1 Design chart of Bio-slow sand filtration in Salaxi Demonstration Area

2.2 施工工藝流程

磚砌式生物慢濾池包括池體、隔板和濾層，池體的側(cè)壁為磚頭砌筑而成；隔板橫向設(shè)置在池體內(nèi)，且隔板上開設(shè)有濾水孔；濾層設(shè)置在隔板上，隔板下方池體的側(cè)壁上開設(shè)有貫通池壁的出水管，隔板上方的池體上方引入有進水管。慢濾池的地基高度根據(jù)每戶的具體情況而定，用C20混凝土配合比的混凝土作為地基的主要材料。隔板的四周嵌置在池體內(nèi)部，隔板的厚度約為100 mm，如此設(shè)置，在保證隔板穩(wěn)固性的條件下，無需在隔板的下端額外設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，簡化了整體結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本。慢濾池的主體部分是用長24 cm、寬12 cm、高5 cm的青磚和混凝土修建而成，內(nèi)直徑為80 cm、外直徑為128 cm、池體總高度為175 cm。隔板是用C15混凝土配合比的混凝土和直徑為6.5 mm的鋼筋在慢濾池25 cm處澆筑而成，高度為10 cm，在隔板上開16個直徑為1.5 cm左右大小的濾水孔。圖5中的進水管、出水管和放空管均為PPR材質(zhì)的三型聚丙烯管，內(nèi)徑為12.7 mm的四分管。將進水管與浮球閥熱熔后，控制池體內(nèi)水位。在池體底部安裝放空管用于定期排污，在放空管上安裝出水管。在慢濾池的頂部，做一個長寬均為128 cm的蓋子，蓋子由透光性好的有色耐力板和不銹鋼條加工而成，目的是為了既能遮擋枯枝落葉等雜物又不阻礙生物膜的生長，同時也防止冬季上層水結(jié)冰。在采用磚砌式技術(shù)修建時，應(yīng)格外注意隔板上下的鑲嵌、磨漿方面，防止慢濾池出現(xiàn)漏水問題。

2.3 濾料的選取與填充

在畢節(jié)石漠化農(nóng)村地區(qū)，慢濾池的最底層濾料選取10 cm厚度的1.5～3 cm的瓜米石作為承托層，自下而上依次填充為10 cm厚的陶粒，50 cm厚的石英砂與活性炭混合，40 cm厚的石英砂(見圖2)。在每層均用100目的環(huán)保紗網(wǎng)隔開，防止漏砂。在7個試點中，填充活性炭的數(shù)量各不相同，以此作為對比研究。

3 慢濾池的水質(zhì)凈化效果與運行管理

3.1 試建情況

本著農(nóng)戶自覺自愿的原則，作者分別在朝營村毛栗樹組和鐘山村中營組選取了7個試建點，于2014年6月份開始修建生物慢濾池、對慢濾池填裝濾料。于2014年7月份，開始正式運行、定期檢測水質(zhì)和對慢濾池進行維護管理。修建一個月后，部分農(nóng)戶家的慢濾池內(nèi)已能看到黃褐色的薄薄的一層生物膜。但因慢濾池的修建位置不同，受太陽光照、人為干擾等外部環(huán)境影響，生物膜的生長速度不同，有的農(nóng)戶家的生物慢濾池兩個月才可以肉眼觀察到生物膜的生長。

圖2 研究區(qū)慢濾池填料設(shè)計剖面圖(單位：mm)Fig.2 Design filling materials cross-section diagram of Bio-slow sand filtration in Salaxi Demonstration Area

3.2 水質(zhì)凈化效果

于2014年7月修建7個生物慢濾池，并選取2個試點的水樣進行水質(zhì)檢測。在運行的9個月中通過定期檢測水樣，證明生物慢濾池對于當?shù)厮|(zhì)中的濁度、色度、硫化物和鉛汞超標物具有良好的去除作用，但對于大腸桿菌和菌落總數(shù)仍無法控制在國家飲用水標準之內(nèi)(見表3)。

表3 慢濾池使用后水質(zhì)情況Tab.3 Water quality after use bio-slow sand filtration

注: Cd、Cu、Mn、氨氮、氰化物等指標未超標，故未列出。

(1)慢濾池剛開始運行時，出水水質(zhì)的白色懸浮物、色度和濁度具有不減反增的現(xiàn)象。導致這一現(xiàn)象的原因是由于蓄水小水窖中的水從進水管流經(jīng)池內(nèi)濾料，在短時間內(nèi)慢濾池中的懸浮物、顆粒吸附物、灰塵等雜質(zhì)增多。在慢濾池運行近兩月后，慢濾池內(nèi)已長出大面積的生物膜。對出水終端水質(zhì)進行檢測，肉眼觀測到水樣中已無白色懸浮物等肉眼可見物，濁度和色度已在國家飲用水標準之內(nèi)。之后對慢濾池的出水水質(zhì)定期檢測，截止2015年3月水質(zhì)監(jiān)測顯示生物慢濾池對肉眼可見物的去除率為100%，對色度的去除率高于83.3%，對濁度的去除率高于97.1%。這說明生物慢濾池對水質(zhì)中的肉眼可見物、色度和濁度具有良好的去除作用，使其符合國家飲用水標準。

(2)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示，生物慢濾池對鉛、汞重金屬的去除作用明顯。劉玲花等人通過室內(nèi)實驗研究發(fā)現(xiàn)，慢濾池對水質(zhì)中的重金屬去除主要發(fā)生在池體上端，與濾料的高度關(guān)系不大[15]。因此指出慢濾池對重金屬的去除機理主要是與濾料表面形成的黏膜對重金屬的吸附和生物富集有關(guān)。

(3)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示，在生物慢濾池剛開始運行時對硫化物的去除作用不明顯，硫化物含量均超標。水源為泉水的慢濾池試點在運行兩個月后，對硫化物的去除率穩(wěn)定在60%；水源為雨水的慢濾池試點在運行兩個月后，對硫化物的去除率穩(wěn)定在77.8%，均控制在了國標之內(nèi)。生物慢濾池對硫化物的去除過程主要包含了物理吸附和化學吸附作用，通過活性炭、陶粒等吸附性能高的濾料將水中的硫化物吸附于濾料中從而去除硫化物[16]。

(4)生物慢濾池對大腸桿菌和菌落總數(shù)也有良好的去除作用，但仍達不到國家飲用水標準。并且隨著運行時間的增長，池體內(nèi)的大腸桿菌和菌落總數(shù)不減反增。這是因為在慢濾池運行了一段時間后，池內(nèi)菌類和雜質(zhì)增多，再加上當?shù)剞r(nóng)戶忽視對慢濾池定期排污，會導致出水水質(zhì)下降。慢濾池對大腸桿菌和菌落總數(shù)的去除主要是由濾料的傳統(tǒng)過濾和生物膜的生物化學降解共同主導完成的[17]。針對大腸桿菌和菌落總數(shù)超標現(xiàn)象，必須對當?shù)剞r(nóng)戶普及安全衛(wèi)生常識，避免直接飲用生水或未燒開的水[18]。

3.3 運行與維護管理

慢濾池修建填料后，沖洗12 h之后即可投入使用，剛使用時對于水質(zhì)凈化的效果不明顯。經(jīng)過1～2個月的時間，慢濾池中長出生物膜后，即可去除幾乎所有常見的致病污染物。慢濾池的運行和維護工作，比較簡單方便，當?shù)卮迕褡约杭纯赏瓿?。一般運行半年到一年的時候，需要小規(guī)模的清洗一次。慢濾池清洗時，將表層生物濾膜收集，并用水養(yǎng)護。刮出慢濾池濾料表層2～3 cm厚的砂層，并補充相似厚度大約3 cm左右的新細砂就可以了。為了提高管理效率，可以嘗試在生物慢濾池濾層表面以下 2～3 cm處增設(shè)滿足衛(wèi)生條件的無紡布，清洗時將無紡布和上面的濾料全部翻出清洗即可 19 。一般3～5 a，根據(jù)出水水質(zhì)需要對慢濾池進行一次大清洗，將濾料全部挖出進行淘洗，再重新填入。

4 結(jié) 語

(1)生物慢濾池因為其修建簡單、運行方便、成本低廉，去除率高等優(yōu)點，是解決農(nóng)村飲水安全問題的一項重要技術(shù)，在石漠化農(nóng)村地區(qū)具有非常廣闊的前景，對農(nóng)村居民的身體健康也有著舉足輕重的意義，符合國家“十二五”科技支撐計劃對農(nóng)村飲水安全工程的要求。

(2)生物慢濾技術(shù)可以用于集中供水，也可以用于分散供水，方式靈活多樣。在修建生物慢濾池時要注意選址、控制濾速、濾料選取、濾層厚度和粒徑選取5個關(guān)鍵方面。只有這5個方面協(xié)調(diào)好，生物慢濾池的水質(zhì)凈化效果才能達到預(yù)想的效果。

(3)在采用磚砌式技術(shù)具體修建時，應(yīng)格外注意隔板上下的鑲嵌、抹漿方面，防止慢濾池出現(xiàn)漏水問題。根據(jù)慢濾池的受力情況，長方形或者正方形的慢濾池沒有圓形的慢濾池受力均勻。在修建慢濾池時，應(yīng)注意以修成圓形慢濾池為佳。

(4)農(nóng)村的居民大部分文化程度不高，對于水質(zhì)凈化的重要性體會不高。因此，要加強對當?shù)鼐用窠】到逃男麄饕约爸貜娬{(diào)飲用水需符合國家飲用水標準。對于修建慢濾池的居民，要注意強調(diào)即修即用的問題，以防止修好不用甚至棄用的結(jié)果。

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