西北黃土高原地區(qū)農(nóng)村集雨窖水飲水安全保障研究

徐 強，王小貞，魏奮子

（1.甘肅省膜科學技術研究院有限公司，甘肅 蘭州730020；2.中共甘肅省委黨校，甘肅 蘭州730070；3.甘肅省農(nóng)村飲水安全化工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730020）

我國人均水資源量2300m3，僅為世界人均占有量的1/4，被列為世界13個貧水國之一。其中，西北黃土高原區(qū)是水資源嚴重缺乏的地區(qū)，許多山區(qū)屬資源性缺水，地表水和地下水都極度缺乏。由于受地形地貌、水源、投資數(shù)額、受益人口等等因素的限制，這些地區(qū)也不具備修建大型骨干水利工程的條件。雨水自然成為這些地區(qū)最為重要的水資源，甘肅會寧、慶陽等地均有利用土窖、土壩、蓄水塘等收集雨水利用的傳統(tǒng)。20世紀80年代以來，我國通過興建水窖等微型水利工程，這些地區(qū)的飲用水困難問題得到有效緩解。

1995年，甘肅省委、省政府做出了在全省干旱半干旱地區(qū)實施“121雨水集流工程”的戰(zhàn)略決策，在干旱缺水的地區(qū)，給每戶農(nóng)戶建設100m2左右的屋頂和庭院集流面，建設兩口水窖，發(fā)展灌溉1處庭院經(jīng)濟。該工程的順利實施，在短短的一年多時間里解決了131.07萬人、118.7萬頭牲畜的飲水問題，取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。但是，以窖水作為飲用水只解決了給水問題，其水質及其衛(wèi)生狀況仍缺乏必要的保障手段。為了解決人飲用水水質安全問題，廣大科技工作者做出了不懈努力，提出了一系列窖水水質安全保障措施。這方面的研究，主要集中在三個方面：一是集雨窖水水質特征，二是窖水處理技術，三是水窖建造、維護及管理。

1 集雨窖水水質特征及影響因素

研究表明水窖水質主要超標指標為pH值、濁度、大腸桿菌、CODMn、氨氮等，并且窖水水質超標程度與集雨徑流面類型、集雨沉降時長、水窖類型等均有關系。

1.1 集雨徑流面的影響

據(jù)研究，集雨水水質受集流面影響，初期水質均較差，棄用初期雨水后，以磚地面、瓦屋面、水泥地面為集雨徑流面的集雨水水質均優(yōu)于庭院土地面，以瓦屋面最優(yōu)。張國珍[1]分析了黃土塬地區(qū)以庭院土地面、磚地面、瓦屋面、水泥地面為集雨面的降雨徑流水質，研究了適合水窖收集利用的集雨面類型。其研究結果表明：在徑流初期，各類集雨面的降雨徑流污染均較嚴重，隨降雨歷時的延長，各污染物濃度降低，瓦屋面、磚地面、水泥地面的降雨徑流水質優(yōu)于土地面。孫三祥[2]選取水泥土、粘土磚、機瓦3種典型下墊面進行模擬試驗，研究了下墊面對降雨地表徑流污染物的削減效果。試驗結果表明：對CODMn、NH4+-N的削減效果依次為機瓦＞粘土磚＞水泥土；對UV254的削減效果依次為粘土磚＞水泥土＞機瓦；對TP削減效果依次為水泥土＞粘土磚＞機瓦。認為此3種下墊面中機瓦最優(yōu)。武福平[3]對不同集雨面(屋頂庭院、山坡土路、打麥場)水窖進行了長期水質監(jiān)測分析，結果表明：受暴雨影響的集雨窖水水質變化規(guī)律分為3個階段：各污染物指標迅速減小的初期沉降階段(0～15d)、呈波動性下降的中間過渡階段(15～100d)和水質基本不變的后期穩(wěn)定階段(100～250d)；窖水濁度與各污染物之間極顯著性相關(P＜0.01)，濁度與NH3-N、細菌總數(shù)的相關系數(shù)達0.89以上，與CODMn的相關系數(shù)大于0.60；窖水偏堿性，水質受集雨面特征影響較大，達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間依次為：打麥場＞山坡土路＞庭院屋頂。

1.2 水窖的影響

不同材質的水窖、水窖周邊環(huán)境均可影響集雨窖水水質。研究發(fā)現(xiàn)，水窖材質可影響窖水的自凈功能，在集雨水貯存后期紅黏土水窖的水體自凈功能最強；農(nóng)戶水窖周邊環(huán)境惡劣，污染面廣的，窖水水質超標嚴重。宋小三[4]通過對紅粘土水窖、水泥水窖及混合水窖三類模擬水窖中實際集雨水的pH值、DO、微生物數(shù)量、CODMn等水質指標的監(jiān)測，分析了在不同材質的水窖中集雨水的水質變化規(guī)律：在集雨水貯存初期15d內，紅粘土水窖的酸堿度較好于水泥水窖及混合水窖，細菌總數(shù)、COD指標相比較差。在集雨水貯存后期(90d后)，紅粘土水窖的酸堿度細菌總數(shù)、COD指標均略優(yōu)于水泥水窖及混合水窖；窖水有機物降解速率符合一級反應動力學方程，紅粘土水窖的水體自凈作用最強。齊昕[5]針對西北村鎮(zhèn)集雨窖水的水質特點，采用基于T-S模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡對其進行評價分析。評價分析選用CODMn、NH3-N和DO三個水質指標為輸入向量，建立了適用于窖水水質評價的T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型，在實例分析中得出：不同集雨面所收集的窖水水質也不相同；降雨初期集雨窖水水質均為超Ⅴ類，隨著時間的增長窖內水質明顯改善，但在20d內水質依舊較差且不穩(wěn)定。馬嬋媛[6]通過現(xiàn)場問卷調查及實驗室水質指標檢測，研究了甘肅農(nóng)村窖水水質狀況及影響窖水水質的因素。調查顯示：水泥窖占80%，存水周期為6～10個月；水窖周圍污染源廣，43.3%的農(nóng)戶家禽散養(yǎng)；水窖清洗頻率低，66.6%的居民未進行過水窖清洗。120個樣本水質檢測結果顯示：濁度超標率13.3%、pH值超標率40%、CODMn超標率15.5%。

2 窖水處理技術

針對窖水污染物的特點，眾多專家學者開展了窖水凈化技術和裝置研究，成果顯著，目前已開發(fā)出了多種集雨窖水凈化技術和裝置。從窖水凈化方式看，主要有四種：一是混凝沉淀；二是生物慢濾；三是超濾；四是組合工藝。

2.1 混凝沉淀

集雨窖水普遍濁度超標，并且濁度與其他污染物濃度顯著相關[4]，因此降低濁度是凈化水質的首要手段。針對窖水低溫低濁難沉淀的特點，郭譯文[7]考察了聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚合硫酸鐵(PFS)和聚合氯化鋁鐵(PAFC)四種混凝劑對窖水中濁度去除率的影響。結果表明：PAC較其它品種更優(yōu)秀，PAC投加量30mg/L，絮凝轉速40r/min，絮凝時間30min時預混凝效果最好。張國珍[8]研發(fā)了一套適用窖水處理設備，該設備采用混凝-生物活性炭聯(lián)用工藝對窖水進行處理，該設備出水濁度穩(wěn)定在1NTU以下，平均去除率達到91.06%；出水NH3-N含量、CODMn和 UV254均符合 GB5749-2006標準，穩(wěn)定運行后污染物平均去除率分別達到82.12%、82.04%和48.32%。張超[9]使用單混凝劑聚合氯化鋁（PAC）混凝、助凝劑陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）-PAC復配混凝和粉末活性炭聯(lián)合APAMPAC強化混凝對窖水進行處理，在PAC質量濃度為15.0mg/L，APAM質量濃度為0.15mg/L，粉末活性炭投加量為20mg/L的強化混凝條件下，窖水中的UV254、COD和濁度的去除率可分別達到66%、54%、97%，并且粉末活性炭對小分子有機物的去除效果更為明顯，而APAM對有機物的去除沒有分子量選擇性。

2.2 生物慢濾

生物慢濾即利用粗濾、砂濾截留水中的有機物及雜質使其表面形成生物黏膜，再通過生物黏膜的吸附、截留、消化等作用凈化水質的方法，該技術無需投加任何藥劑、操作管理方便，適用于村鎮(zhèn)地區(qū)集雨窖水的水質安全處理。張國珍[10]采用粗濾慢濾組合凈水工藝制造出粗濾慢濾小型凈水裝置，對窖水的濁度、有機物、氨氮及微生物學指標有良好的去除效果。該裝置在濾速0.1m/h的情況下，生物膜生長期為40～50d。生物膜形成之后，產(chǎn)出水氨氮平均0.285mg/L，去除率最高達78.35%；CODMn平均2.27mg/L，去除率最高達到61.58%；濁度平均0.56NTU，去除率最高達到98.99%。楊浩[11]對粗濾/生物慢濾水質凈化技術進行技術優(yōu)化及集成，并在西北干旱村鎮(zhèn)地區(qū)進行了工程化應用。應用結果表明，粗濾/生物慢濾水質凈化技術能有效處理集雨窖水，對常見的污染物指標均有很好的去除效果。在設備濾速為0.2m/h的情況下，生物膜的生長周期為40d左右。生物膜形成后，平均產(chǎn)水濁度為0.8NTU、CODMn為2.5mg/L、氨氮為 0.47mg/L，平均濁度去除率分別為90%、CODMn為34%、氨氮為31%，出水水質滿足國家飲用水水質標準。李鵬[12]利用生物慢濾技術，在傳統(tǒng)的窖水水質處理基礎上研發(fā)了實用型家庭窖水水質處理裝置，試驗結果表明：在濾速為0.1m/h的情況下，生物膜成長期為15～25d。該裝置對濁度、CODMn、氨氮、菌落總數(shù)、總大腸菌群的平均去除率 分別為 95.7%、36.8%、85.9%、95.7%及100%，產(chǎn)水水質滿足國家飲用水水質標準，適合農(nóng)村地區(qū)推廣使用。張國珍[13]采用水力旋流除砂器/人工生態(tài)截污系統(tǒng)/粗濾/慢濾集成工藝，進行窖水飲水處理工程實踐，該處理模式對農(nóng)村集雨窖水中濁度、色度、有機物、氨氮和細菌等微生物學指標均有很好的去除效果，并且該裝置具有操作簡單、運行費用低、便于維護等特點，出水各項指標均達到國家飲用水水質標準，具有較大推廣價值。

2.3 超濾

超濾是以超濾膜為核心的加壓膜分離技術，超濾膜過濾孔徑在0.05um～1nm之間，操作壓力在0.1～0.5MPa之間，主要用于截留水中的懸浮物、膠體、微粒、細菌和病毒等大分子物質，超濾膜設備因其操作簡單、成本低廉、分離效率高等特點，已廣泛應用于水處理行業(yè)。張國珍[14]以顆?；钚蕴?納米金屬簇-超濾-紫外線的集成凈水工藝對窖水凈化處理，考察其對濁度、CODMn、氨氮的去除效果。結果表明：該集成工藝產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在1NTU以下，對CODMn和氨氮的平均去除率分別為29.86%和50.95%，出水水質達到了GB5749-2006標準的要求。在短時間內較高濁度的進水條件下，不會對超濾膜造成不可逆的污染，但在持續(xù)較高濁度進水條件下，膜阻力會快速提高并最終造成膜污染，有效的預處理能減緩膜污染的進程，膜污染發(fā)生后進行有針對性的化學清洗亦能恢復膜通量。顏曉飛[15]采用電絮凝與浸沒式超濾聯(lián)用工藝處理集雨窖水，考察了影響氨氮和TP去除效果的主要因素，并與單獨超濾進行比較。結果表明：電絮凝與超濾聯(lián)用工藝對氨氮的去除主要以電吸附為主，兼有C1-間接電氧化的作用，而對TP的去除主要是電解產(chǎn)生的Al3+與PO43-反應生成難溶的ALPO4。當在極板間距10mm、電流密度18.51A/㎡、電絮凝時間15min的優(yōu)化條件下時，對氨氮和TP的去除率分別為47%和90.1%，比單獨超濾分別提高了36.9和80.7個百分點，電絮凝對超濾具有明顯的強化作用。王應平[16]開發(fā)的微濾+精濾集成集雨飲水凈化裝置，具有結構簡單、運行費用低、操作維護方便等特點，該產(chǎn)品在甘肅會寧等地推廣應用，取得了良好的經(jīng)濟、社會效益。

2.4 其他組合工藝

針對改善窖水水質的問題，除以上工藝外，還有不少學者做了嘗試，如電凝聚技術、生物曝氣濾池、生物活性炭、光催化技術以及一些聯(lián)合工藝，不同程度的開拓了窖水凈化技術的領域，并取得了一定成果。張國珍[17]采用臭氧-BAF（生物曝氣濾池）組合工藝處理窖水，使用比紫外吸收值（SUVA）、有機物分子量分布和三維熒光光譜等指標分析了臭氧預氧化對微污染窖水有機物特性的影響。結果表明：窖水經(jīng)臭氧預氧化后類腐殖質降低65%、類色氨酸物質含量降低18%，水中小分子有機物含量增加，可生化性提高；經(jīng)臭氧預氧化后BAF反應器產(chǎn)水 TOC、UV254和 TN去除率分別為 55%、53%和45%，產(chǎn)出水CODMn、NH3-N濃度分別為2.97mg/L、0.12mg/L，滿足生活飲用水衛(wèi)生標準的要求。徐強[18]開發(fā)了一種應用光催化技術凈化窖水的集成裝置，具有自動運行、能耗低、操作簡單、成本低廉的特點，可快速處理集雨窖水，去除水中膠體、懸浮物等雜質，殺滅水中的病原微生物，降解水中的有機物，裝置的出水水質可滿足國家飲水標準。電絮凝技術是以鋁、鐵等合金金屬作為主電極，借助外加脈沖高電壓作用產(chǎn)生電化學反應，把電能轉化為化學能，以犧牲陽極金屬電極產(chǎn)生金屬陽離子絮凝劑，通過凝聚、浮除、還原和氧化分解將污染物從水體中分離，達到凈化水體的一種技術，應用改技術對集雨水進行處理，水中的濁度、氨氮、UV254、COD去除率分別達 95%、63%、48%、80%[19]。臭氧-生物活性炭工藝將臭氧預氧化、活性炭吸附、生物降解3種工藝結合在一起，進行窖水處理可有效去除CODMn、氨氮，去除率分別為81.02%、77.21%，產(chǎn)水各指標達到國家飲水標準[20]。

3 水窖建造、維護及管理

影響窖水水質的因素較多，包括集流面、水窖材料、水窖周邊環(huán)境、水窖維護措施等，其中科學的水窖維護措施是提高窖水水質重要手段。馬嬋媛的調查指出，水窖集雨場周圍建有廁所、垃圾場、農(nóng)業(yè)廢棄物堆積場的家庭分別占5.8%、6.3%和8.6%，有43.3%的家庭存在家禽散養(yǎng)現(xiàn)象，這無疑對窖水的衛(wèi)生安全造成了極大地影響。付建林[21]針對西北的干旱地區(qū)，對窖水的水質維護和水窖管理進行了研究，認為水泥地面、瓦屋面受污染最小，水質均達到了或優(yōu)于水質Ⅲ類標準，可作為西北村鎮(zhèn)集雨窖水水源地優(yōu)選集雨場地，紅粘土水窖對有機物自然降解和微生物數(shù)量控制方面略有優(yōu)勢，在窖水自然凈化方面紅粘土和水泥窖在根本上差別不是很顯著，兩種材料的選擇應根據(jù)客觀條件，因地制宜，就地取材。趙文君[22]通過對水泥砂漿抹面水窖、固化土水窖、橡塑水窖3種不同材質的水窖貯存雨水的濁度、pH值、COD等指標的變化過程進行分析，研究了雨水集蓄生活型水窖水水質變化趨勢。結果表明：貯存雨水初期水質各指標波動較大水質難確定，而后在長期貯存中水質各指標逐漸趨于穩(wěn)定平衡。濁度、COD、微生物指標之間互相關，收集低濁度的雨水對水的自凈、微生物生長的限制及消毒有重要作用，建議應加強集流面管理，或通過過濾池實施應用，將濁度降低在初期。不同材質水窖對雨水水質凈化各有優(yōu)劣，基本能滿足飲用水標準，實際采用時應因地制宜。沙魯生[23]對我國西北、華北、西南部分地區(qū)水窖水質的檢測數(shù)據(jù)、結果和污染成因作了分析，指出雨水在形成、降落、收集過程、存儲、取用過程中都會受到污染，提出通過雨水初期棄流，設置沉砂池、沉淀池預處理等方式降低污染；修建雨水集蓄工程時應合理規(guī)劃集流場、廁所、畜圈等的布局；日常維護水窖周邊環(huán)境、定期清理水窖淤泥等措施降低污染。

4 結語

我國西北地區(qū)干旱缺水歷史久遠，清同治年間，時任陜甘總督的左宗棠曾在奏折中寫道“隴中苦瘠甲于天下”[24]，隴中地區(qū)苦瘠，最重要的根源是干旱缺水且降水季節(jié)分配不均。自“121”雨水集流工程實施以來，經(jīng)過多年的努力探索和實踐，廣大西部偏遠地區(qū)群眾吃水難用水難的問題已基本得到解決。但是，飲水水質安全問題尚未得到保障?，F(xiàn)在看來，水窖水地區(qū)飲用窖水的情況至少還要延續(xù)數(shù)年或十幾年。影響水質的因素主要有集流面、水窖材料、水窖周邊環(huán)境、水窖維護措施等，通過科學合理的集雨水窖建設方案，改善水窖周邊環(huán)境，合理布局水窖位置，科學的水窖維護措施及應用高效先進的窖水凈化技術等手段，定可以實現(xiàn)集雨窖水的水質安全。從現(xiàn)有的關于水窖水地區(qū)農(nóng)村飲用水資源安全保障研究看，成果很豐富，這些研究基本上是技術層面的研究，這當然是非常重要的、是基礎性的，還需要繼續(xù)深入研究。但是，如何將窖水安全的技術性與經(jīng)濟性、方便實用性相結合，如何界定政府、社會和個人在水窖水地區(qū)農(nóng)村飲用水資源安全保障方面的責任和義務，在全面建成小康社會的大背景下如何修訂水窖水地區(qū)農(nóng)村飲用水相關政策，現(xiàn)有研究成果不多，這都是學術界值得關注的研究方向。