低成本慢沙過濾凈水研究

孟令偉 周春雨 楊林

摘要 針對高海拔地區山區和西北部農村可飲用水源少、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、水質復雜、建設和運行資金短缺、城鎮技術設施條件差等特點，開發了適合小城鎮的經濟、高效、節能慢沙過濾低成本飲用水凈化技術。該技術針對不同群體構建了分散式和集中式兩種飲水安全保障模式，保障供水水質滿足《生活飲用水衛生標準（GB5749）》的要求，提供技術支撐。也可為地震、洪澇等自然災害發生時的應急飲用水凈化措施提供技術保障。

關鍵詞 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：分析化學及環境。*通訊作者，教授，碩士生導師，從事分析化學及環境科學研究。

收稿日期 2014-09-26

國家實施的“發展小城鎮，帶動農村經濟和社會發展戰略”推進了我國城鎮一體化進程。面對農村飲用水存在水質較差、水源遭受污染、衛生管理不及時等問題，根據環境保護部下發的《關于印發〈全國典型鄉鎮飲用水水源地基礎環境調查及評估工作方案〉的通知》（環辦〔2009〕27號），開展了全國鄉鎮集中式飲用水水源的調查與評估工作，對水源地的現狀進行調查評估工作，針對不同區域、不同類型的飲用水水源地提出環境對策，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、半山區。針對這樣的飲水不安全群體人口采用分散式解決為主，來構建“以集中供水為主，聯戶供水為輔，分散供水為補充”的方針政策。水利部在2010年全國農村水利工作會議上明確提出“力爭到2020年農村集中供水覆蓋率達到80%”，可見現階段農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。該研究結合農村的實際情況從飲用水水質安全出發，以較低的價格為山區農民解決飲水問題。切實做到以科技幫農、富農，使科技成果得到有效地轉化。

1 高海拔地區及山區飲水面臨的主要問題

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

1.2 經濟條件落后，建設能力差 對于居住在山區、半山區的居民，經濟發展相對落后，自然地理環境復雜，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可以采用工程供水，其凈化和滅菌技術配套比較完善。但是對散居居民而言投入大，工程實施和管道鋪設困難，凈水滅菌設備安裝也造成較大的經濟負擔，此時低成本分散供水就十分重要。

1.4 統一運行管理供水困難、設備建設和維護成本高 對分散居民統一供水初期工程投入大，設備建設維護及維護人員的開支都是挑戰，因此難以建立一個有效的管理機制。源水水質差、建設成本高、凈化和殺菌設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，桶內部鋪滿規定目數的細砂，并洗凈以免影響重金屬含量，距離水桶上端留有一定高度，這決定靜態時水桶中水面的高度。在水桶的底部放有用網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，具體因水質而言。試驗源水來源于青海省互助縣壯族自治區。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，一定時間內通過微生物利用水體中的營養物質變成自身物質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粘膜層這是正常情況，且有助于去除顆粒物。

3 慢沙過濾設備操作與維護

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（粘土物質）。

4 慢沙過濾處理后水質變化

4.1 微生物菌群檢測

我國現行的飲用水微生物監測指標只設定了大腸菌群和細菌總數的檢測，采用平板傾注法計數細菌總數，根據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。為排除其他致病菌隱患，根據GB/T 4789標準和常規微生物國標檢測方法，對試驗水樣進行病原學檢測，結果表明，細菌總數正常，致病菌未檢出，耗氧量正常。

4.2 重金屬檢測 第三方水質監測報告表明，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果，但是符合礦物質水標準，可以飲用（圖3）。慢沙過濾處理后出水水質能夠滿足國家《生活飲用水衛生標準》（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，濁度值趨于穩定，不再變化，因此建議濾水周期時長8 h。特別渾濁水質可以延長過濾周期時長為10 h或更長時間，例如洪澇災害時源水。

圖4 濁度隨過濾間隔時長的變化曲線

5 結論

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害給當地政府如何優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，乃至我國西南山區等缺水地區飲水安全問題都具有重要意義。隨著國家對農村飲水安全的重視，針對我國西北和西南一些山區由于地理條件限制仍直接飲用窖水、坑塘水，水質不達標危害了當地農民的身體健康情況，研發了慢沙過濾設備。該設備具有結構簡單，造價低廉，易于運行維護等特點，為農村村民減輕經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.農村小集中和分散供水的水處理技術與設備[J].中國農村水利水電，2013（2）：52-54.

[2] 劉玲花，劉來勝，吳雷祥，等.西北村鎮集雨飲用水安全保障適用技術研究與示范[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].廣東農業科學，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].中華醫院感染學雜志，2010，20（12）：1657-1660.