農(nóng)村飲用水處理中生物慢濾技術(shù)的應(yīng)用

張可軒，李 杰，肖舉強(qiáng)

(蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

農(nóng)村地區(qū)集中供水率低，大部分地區(qū)都是就近從河道、水庫等或地下水取水，不同地區(qū)水源水質(zhì)差異較大且變化較大，還面臨水源保護(hù)措施不力和農(nóng)業(yè)面源污染加重的影響[1]。在加強(qiáng)水源地監(jiān)測和保護(hù)的同時還需要開發(fā)成本低、效果好的水處理技術(shù)。

生物慢濾技術(shù)已經(jīng)使用了大約150年。由于其占地面積大，不適宜在人口稠密或土地價格昂貴的地區(qū)。但是生物慢濾技術(shù)在去除水中的有機(jī)物、濁度、氮磷、細(xì)菌病毒、重金屬等污染物等方面具有良好的效果。同時其出水品質(zhì)高、建造方便、制水成本低、能源消耗低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、無需投加任何化學(xué)藥劑和管理維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種適合在農(nóng)村社區(qū)的選擇，來滿足人們的用水需求，保障用水安全[2]。

生物慢濾是綜合了機(jī)械過濾、生物吸附降解、靜電吸附、沉淀等復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物過程，是濾料、藻類、微生物和原生動物共同作用的結(jié)果[3-4]。一般認(rèn)為生物慢濾技術(shù)的關(guān)鍵是濾料表層的生物黏膜，這層生物黏膜含有細(xì)菌、藻類及原生動物等，在慢濾中起非常重要的作用[5]。因此，生物慢濾主要靠生物群集作用來進(jìn)行凈化?？梢钥吹剑鐪囟?、pH、水力停留時間等可以對濾料本身性能和生物膜產(chǎn)生影響的因素都會是決定最終處理效果的關(guān)鍵。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對生物慢濾做了大量的研究，并取得了許多標(biāo)志性成果。研究者不斷研究生物慢濾技術(shù)的去除機(jī)理和特性，如濾料的吸附特性、濾池內(nèi)微生物群落種群及數(shù)量、濾池內(nèi)微生物抗性基因等，不斷為這項(xiàng)技術(shù)提供理論技術(shù)支持。同時嘗試對該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，包括對濾料改性、組合調(diào)整濾料結(jié)構(gòu)、改進(jìn)濾池水力條件、濾池串聯(lián)等或?qū)⒃摷夹g(shù)與其他技術(shù)聯(lián)用[6-7]。目前，該技術(shù)作為一種適用于農(nóng)村的技術(shù)，在農(nóng)村具有廣闊的應(yīng)用前景，生物慢濾已經(jīng)在全球多個國家中大力推廣。

1 各類污染物處理效果

1.1 濁度及有機(jī)物

濁度和有機(jī)污染物是重要的水質(zhì)指標(biāo)，也是評價生物慢濾池處理效果的首要指標(biāo)。自生物慢濾技術(shù)出現(xiàn)以來，研究人員在生物慢濾技術(shù)的除濁、除有機(jī)污染物性能方面進(jìn)行了系列基礎(chǔ)研究，且進(jìn)行了一定的應(yīng)用研究。

Mutemi等[8]使用生物慢濾池對淺井(深度小于10 m)進(jìn)行水處理，平均進(jìn)水濁度由(32.5±3.6)NTU降至(2.1±0.9)NTU，有效去除了淺井濁度并達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，且在整個過濾運(yùn)行中，設(shè)備的出水濁度在5 NTU以內(nèi)。Zhao等[9]將紅黏土分別與碎石灰石和碎磚用不同比例混合用作生物濾池的過濾介質(zhì)凈化收集的雨水，其中碎石灰石和紅黏土的混合物(體積比為7∶4)為填料時獲得最佳處理效果，COD、濁度的去除率分別為74.00%、75.19%，出水水質(zhì)符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？到▊10]以徑流雨水為水源，在現(xiàn)有生物慢濾技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)池型設(shè)計，將傳統(tǒng)濾箱改進(jìn)為折返式濾箱，一套裝置可滿足4口之家基本用水需求；改進(jìn)后的裝置降低了裝置總高度，降低了電耗，實(shí)現(xiàn)了人工進(jìn)水，能更快地穩(wěn)定且獲得更好的去除效果，出水CODMn穩(wěn)定在1 mg/L，出水濁度能達(dá)到0，滿足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言，生物慢濾技術(shù)在除濁和有機(jī)物降解方面都有很好的效果。研究人員不斷優(yōu)化濾料、提高濾速、改進(jìn)池型，改進(jìn)后的裝置更加穩(wěn)定、廉價、易于操作，促進(jìn)了該技術(shù)的推廣，如今在很多地域都有了一定規(guī)模的應(yīng)用[11-14]。

1.2 氮和磷

氮與磷均是重要的水質(zhì)指標(biāo)，生物慢濾技術(shù)除氮、磷穩(wěn)定，具有一定的處理效果。

綜合各實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氮和磷主要是依靠藻類的吸收、生物化學(xué)作用降解以及填料的吸附作用等的共同作用達(dá)到改善水質(zhì)的效果。生物慢濾能夠穩(wěn)定去除氮磷，可以作為處理水源水中氮的有效方法。

1.3 微生物

生物慢濾技術(shù)具有良好的除菌能力，在最佳運(yùn)行條件下，幾乎可以完全去除細(xì)菌、病毒?？梢宰鳛樘幚盹嬘盟母咝伊畠r的技術(shù)。當(dāng)前有大量研究重點(diǎn)分析生物慢濾技術(shù)在除菌方面的原理和效能。

Urfer[19]將普通慢濾柱與不同含量鋁土礦作為填料的慢濾柱串聯(lián)運(yùn)行，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濾柱的鋁土礦含量越高，大腸桿菌和腸球菌穿透濾柱的時間越長，同時認(rèn)為，鋁土礦層不會導(dǎo)致鋁含量超標(biāo)且具有良好的微生物去除能力。高璟鈺等[20]在貴州畢節(jié)撒拉溪喀斯特石漠化農(nóng)村地區(qū)建立生物慢濾池作為試點(diǎn)，運(yùn)行9個月并定期檢測發(fā)現(xiàn)，生物慢濾池對大腸桿菌和菌落總數(shù)有良好的去除作用。D'Alessio等[21]研究藥物活性化合物(PhAC)對生物慢濾池的除菌能力的影響，對比不同phAC，認(rèn)為雌性激素和咖啡因可能會影響生物膜層去除大腸菌群的能力；且試驗(yàn)結(jié)束時，生物膜層內(nèi)細(xì)菌去除率從95%降至小于20%，去除率的下降可能與生物膜層內(nèi)微生物群落的變化有關(guān)。

許多研究證明，多數(shù)菌類及病毒等微生物可以通過生物慢濾技術(shù)去除，可以通過控制運(yùn)行條件獲得最佳去除效果。雖然有些濾池可以近乎穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)去除大腸桿菌等具有標(biāo)志性的微生物，但是在長時間的運(yùn)行中依然能檢測到少量大腸桿菌等微生物。同時運(yùn)營管理原因或其他污染物質(zhì)可能影響去除效果，盡管生物慢濾技術(shù)具有優(yōu)秀的除菌能力，依然不能成為一種令人放心的充分去除水中微生物的方法[19,22-23]，所以可以與其他消毒技術(shù)聯(lián)用，在保證出水滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)并減少消毒副產(chǎn)物。

1.4 重金屬

水體中的重金屬和其他污染物不同，不會自然降解，微量即能對動植物產(chǎn)生很大的毒害作用。同樣可以應(yīng)用生物慢濾技術(shù)作為去除重金屬的凈水方法[24-25]。

Liu等[18]用生物慢濾柱對收集的雨水進(jìn)行處理，穩(wěn)定后對Cu2+、Fe2+、Zn2+、Cd2+、Mn2+、Pb2+的去除率分別達(dá)96%、95%、80%、95%、70%、60%以上，同時發(fā)現(xiàn)過濾器中形成成熟的生物膜所需時間與砂粒粒徑成正比。Lucila等[26]將具有Mn2+氧化能力的MOB-181菌株介入濾池，對比發(fā)現(xiàn)該菌株可以縮短啟動時間，實(shí)現(xiàn)了生物強(qiáng)化，改善了低溫下Mn的去除過程。King-Nyamador等[27]設(shè)置不同深度的生物慢濾池處理近郊排水中的重金屬(鉛、鐵和銅)用于灌溉蔬菜，當(dāng)砂床厚度為30 cm時，鉛、鐵、銅去除率分別為61.23%、37.73%、66.17%；當(dāng)砂床厚度提高至50 cm時，去除率相應(yīng)提高至98.80%、84.07%、85.33%；床層厚度越厚，去除污染物的效率越高；同時觀察到，生物膜層形成后，廢水的重金屬去除率更高，這突出了生物膜層對重金屬吸附的重要性。

可以發(fā)現(xiàn)重金屬在生物慢濾池中通過填料和微生物的共同作用下被去除，但是依然不夠穩(wěn)定和高效，且處理效果很可能不令人滿意。在使用該技術(shù)去除重金屬時，應(yīng)當(dāng)考慮與其他技術(shù)聯(lián)用。

1.5 其他

生物慢濾技術(shù)在去除上述物質(zhì)的同時還可以有效去除氟、色度及難降解化合物等污染物，為出水水質(zhì)提供進(jìn)一步的保障。但是對這些污染物質(zhì)的去除大多還停留在試驗(yàn)階段。

徐海明等[28]探討用活性氧化鋁作為濾料時對飲用水中氟的凈化效果，在進(jìn)水10 mg/L的條件下，該慢濾池對氟的去除效果較為穩(wěn)定，第5天時，瞬時去除率和處理24 h后去除率為75.35%和90.15%，雖然不能穩(wěn)定達(dá)到1 mg/L以下，但是依然可以認(rèn)為以活性氧化鋁濾料對飲用水中氟具有良好的凈化效果。Kumar 等[29]使用實(shí)驗(yàn)室合成的氧化石墨烯(GO)和還原的氧化石墨烯(rGO)涂覆沙子增強(qiáng)其表面性能，以增強(qiáng)濾池對目標(biāo)污染物微囊藻毒素(MC-LR)的吸附，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用rGO涂層的砂在生物降解階段MC-LR去除率最高達(dá)91%，與物理吸附階段相比，MC-LR去除率提高了47.2%，而普通的砂作為濾料時最大MC-LR去除率為54.7%。Li等[30]在實(shí)驗(yàn)室以不同深度的顆?；钚蕴?GAC)夾心慢砂濾池為對象，探究不同過濾速率(即0.05、0.10、0.20 m/h)下對藥品和個人護(hù)理產(chǎn)品(PPCP)(二乙甲苯酰胺，對乙酰氨基酚，咖啡因和三氯生，濃度為25 μg/L)的去除效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有20 cmGAC的夾心式過濾器在0.1 m/h的速率下獲得了最佳的平均去除率(98.2%)，并且最難以被降解的二乙甲苯酰胺也被GAC夾心過濾器有效去除。

在污染物質(zhì)種類日益增多的環(huán)境下，該技術(shù)可以有效去除各類微量污染物質(zhì)或難降解物質(zhì)，這對生物慢濾技術(shù)的推廣和運(yùn)行具有積極意義。這也將是生物慢濾技術(shù)今后重要的研究方向之一。

2 技術(shù)比較與聯(lián)用

通過對比幾種處理技術(shù)的去除效果可以發(fā)現(xiàn)，各種處理技術(shù)都可以發(fā)揮較好的作用，但是各種技術(shù)都存在局限。生物慢濾可以較為全面且有效地去除各類污染物質(zhì)，適應(yīng)各類水源水，且具有運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，但其受濾速影響難以應(yīng)對人數(shù)眾多的地區(qū)，且有基建面積較大的缺點(diǎn)。所以可以在土地和基建費(fèi)用較低且要求運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低的地區(qū)廣泛使用。因此，應(yīng)充分考慮各工藝特點(diǎn)及實(shí)際情況，綜合考慮選擇合適的工藝。各技術(shù)比較見表1。

表1 各技術(shù)處理效果及比較

同時，生物慢濾技術(shù)可以作為預(yù)處理裝置與其他處理工藝聯(lián)用，達(dá)到改善水質(zhì)或延長后續(xù)設(shè)備使用壽命的目的。Guo等[42]使用上流式慢速生物濾池作為超濾預(yù)處理裝置，該預(yù)處理裝置可以去除約80%的溶解性有機(jī)物和60%以上的生物聚合物，有效降低了超濾膜的跨膜壓力的增長速度，有助于延緩膜污染。Xu等[7]用氯和二氧化氯對生物濾池出水進(jìn)行消毒處理，通過與超濾的比較，認(rèn)為生物濾池對化合物、腐殖質(zhì)類物質(zhì)和蛋白類物質(zhì)有更好的去除率，其能進(jìn)一步減少消毒副產(chǎn)物的形成。

3 結(jié)論

生物慢濾技術(shù)作為一種低成本、可靠且運(yùn)行簡單的技術(shù)，可以有效去除各類污染物質(zhì)。而對重金屬等難降解物質(zhì)雖然有較好的去除效果，卻依然有不少出水難以滿足標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，并且其出水難以確保滿足微生物的相關(guān)指標(biāo)。但即便如此，生物慢濾技術(shù)依然可以通過其建造方便、制水成本低、能源消耗低的優(yōu)勢，在有上述情況時使用，以減少后續(xù)處理環(huán)節(jié)的處理成本或穩(wěn)定優(yōu)化水質(zhì)。所以，今后的研究方向是進(jìn)一步強(qiáng)化生物慢濾技術(shù)對重金屬和其他難降解物質(zhì)的去除能力，以確保設(shè)備出水達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或進(jìn)一步改善水質(zhì)。生物慢濾技術(shù)可以充分處理濁度、有機(jī)物、氨氮、金屬物質(zhì)等指標(biāo)超標(biāo)的水源水或處理雨水使其成為可靠的飲用水。可以預(yù)計，該技術(shù)將會在單戶或幾戶的小型處理設(shè)備中廣泛應(yīng)用，同時如果土地資源充足，該技術(shù)可以開發(fā)為集中式大型設(shè)備向更多家庭或整個村子供水。同時，可以憑借其優(yōu)勢，與其他技術(shù)聯(lián)用進(jìn)一步提高設(shè)備的處理效能。可以看到，生物慢濾技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，有利于保障農(nóng)村飲用水水質(zhì)，并對城市飲用水處理具有重要借鑒意義。