1 我國西北村鎮飲水安全現狀

近年來，我國西北地區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“窯窖工程”，內蒙古“112 工程”，貴州省“渴望工程”，陜西省“甘露工程”以及全國婦聯發起的“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地的用水危機，然而，與此相關的水質問題也隨之產生。集雨水在降落和徑流過程中容易受到空氣沉降、面源化肥農藥、集流面固態廢物碎屑(垃圾、動物糞便等) 以及其他由人類活動帶來的污染，水質不達標現象普遍，未經處理直接飲用會對人畜產生極大危害。研究表明，集雨水中超標因子主要包括濁度、細菌、有機物，部分地區還存在鉛、鉻等重金屬離子含量偏高的情況。

根據甘肅省2009 年調查復核報告，截至2010年底，甘肅省2 111. 74 萬農村人口中，飲水不安全人口985. 66 萬，水質不達標人口358. 58 萬，占全省農村飲水不安全人口的36% ; 其中，氟超標71. 25 萬人，砷超標2. 73 萬人，苦咸水126. 95 萬人，汞鎘鉻鉛超標3 萬人，污染水等其他水質問題121. 99 萬人，細菌學指標超標32. 66 萬人。水質污染和細菌學指標超標主要指分散式集雨水飲用工程，其水質超標原因在于: (1) 雨水集蓄飲用工程屬于小型水利工程，農戶自建自管，缺乏有效的建設運行管理機制。(2) 建設標準低，供水設施簡陋，缺少清潔、高效的集雨水收集系統。(3) 水源保護，供水設施維修，水質監測等管理措施不到位。(4)缺乏必要的凈化、消毒設備。目前，在我國西北地區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，國內關于集雨飲用水深度處理技術研究、設備研制十分鮮見，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 生物慢濾設備研發

2. 1 生物慢濾設備研制

中國水利水電科學研究院在大量試驗研究的基礎上，對傳統慢濾技術進行優化改進，研發了一種小型家用自動生物慢濾水處理設備，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。高位水箱底部設置排泥口，用于排出高位水箱長期運行后底部可能出現的沉積物。

(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(其作用相當于傳統慢濾工藝的前置粗濾池) ，Y 型過濾器中設置100目(約0. 2 mm) 的過濾網，以初步去除水中的懸浮物、泥沙等污染物，減少后續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處理。從布水器流出的水進入其下面的生物慢濾裝置中，經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。高位水箱中設置水位測定裝置，用弱電感應水位，當水位低于設定的最低水位時，潛水泵自動開啟，抽水至高位水箱; 當高位水箱中的水位達到設定的最高水位時，潛水泵自動關閉，從而實現了整個裝置的自動化運行，貼近農村應用實際。

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備的核心，基本操作步驟包括: (1) 啟動。為了防止邊壁效應和空隙中殘留氣泡，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，持續運行約10 d，隨后逐步增加流速至設計濾速。(2) 日常運行。農戶根據具體情況既可連續運行也可間歇運行。(3) 濾料更換。運行2 ～ 3 個月后，慢濾裝置發生堵塞，需要清除表層濾料。關閉進水閥，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，剛入水時，出水水質會有所變化，但一般2 ～ 3 d 時間后，出水水質又可以恢復到原來狀態。(4) Y 型過濾器清洗。定期取下Y 型過濾器中的濾網，清洗濾網表面的淤泥與灰塵。

2. 3 工藝去污機理

生物慢濾技術對污染物的去除是物理吸附過程和生物化學過程共同作用的結果。研究結果表明，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，氨氮轉化為硝酸鹽氮，然后在反硝化細菌的作用下，硝酸鹽轉化為氮氣; 在細菌的異化作用下，有機物轉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，如此循環。由此可見，生物粘膜在生物慢濾技術中具有雙重作用，生物粘膜的物理吸附、截留作用和粘膜中微生物的捕食、被捕食及生物化學作用。

3 工藝應用

3. 1 運行效果

家用自動生物慢濾水處理設備在甘肅省會寧縣會師鎮和新添堡鄉進行了技術示范，并于2011 年7 月至9 進行了6 次取樣檢驗。超標污染物主要包括濁度、菌落總數和總大腸菌群，其進出水水質情況如表1 所列，其中，菌落總數為每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; 對菌落總數的去除效果顯著，出水均低于500 CFU/mL; 出水水質均滿足《生活飲用水衛生標準》(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) 設備費折舊費(按照20 年折舊) = 1 500 元/20 年= 0. 205 元/d; (2) 設備產水量= 0. 2 m/h × 0. 09 m2 × 24 h/d = 0. 432 m3/d;(3) 生產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.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

4 結論

隨著社會經濟的飛速發展，我國西北地區面臨愈發嚴重的水資源短缺問題，雨水集蓄利用為這些地區探尋了新的途徑。我國集雨水利用主要側重于人畜解困，以解決水量安全為基本出發點，鮮有集雨飲水工程配套水處理設施，而水質安全事關人民群眾健康，也成為了“十二五”期間能否全面完成飲水安全目標的制約因素。

家用自動生物慢濾水處理設備具有投入成本低、操作簡單、方便衛生、出水水質達標、不需要投加藥劑等優點，可以有效解決農村地區一家一戶分散供水的飲水安全問題，其社會、經濟和環境效益顯著，在我國新農村建設中具有廣闊的推廣應用前景。