生物慢濾技術在石漠化農村中的探索與實踐

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環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研究中心，貴陽 550001)

水資源是人類不可缺少、至關重要的資源，是人類賴以生存的基礎。據我國農村貧困監測報告顯示，我國有18%的農戶獲取飲用水困難，14.1%的農戶飲用水水源受到污染，有37.3%的農戶沒有安全飲用水[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，自2009年秋季以來屢遭旱災影響，居民飲水困難[2]。2009年9月-2010年3月期間，貴州省出現重旱以上程度氣象干旱的平均日數為46 d[3]。在干旱缺水的農村地區，居民往往關注的是找水問題，對于水質安全的問題關注很少，隨著氣溫升高和儲存時間延長等問題的產生，飲用水的水質下降。李向東和陳燁(2014年)研究發現當前喀斯特地區面臨兩大主要的水體污染問題：由于喀斯特地區生態環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分布眾多礦山導致礦區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)的農村安全飲水工程的水質進行了檢測，檢測結果發現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、鐵存在不合格現象[5]。

生物慢濾技術是一種基本不需要機械動力和生物化學作用的一項技術，它具有運行簡單、成本低廉、對污染物去除率高的顯著優點。大量的室內實驗和實地應用表明，生物慢濾是集物理、化學和生物作用為一體的復雜過程。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對污染物的去除表現為物理吸附和生物化學過程共同作用的結果，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]。生物慢濾技術為解決石漠化農村地區居民的飲水安全問題提供了有力的保障，可以解決農村分散人口飲水安全的難題，在農村的飲水安全工程中具有廣泛應用的前景。中國對生物慢濾技術的研究較少，尤其是西南石漠化地區對生物慢濾技術的研究幾乎為空白。為此，本文將推動石漠化農村地區生物慢濾技術的研究，對于開展生物慢濾技術在石漠化農村地區的示范和推廣也具有重要的指導作用。

1 研究區飲水現狀概況

1.1 研究區概況

畢節撒拉溪示范區位于貴州畢節地區畢節市西部六沖河流域支流區，主要涉及撒拉溪鎮的撒拉村、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]。

由于研究區內無自來水供應、喀斯特地貌典型等客觀原因，再加上當地居民對森林亂砍亂伐、對陡坡地隨意開荒等不合理的人為原因，導致研究區內大部分居民的飲用水匱乏和水環境污染。在研究區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。研究區內居民大部分無環保意識，不注意改善自我健康狀況和生活環境。農藥、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，而危害當地居民的身體健康。

1.2 研究區飲用水水質概況

在研究區內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。水質檢測在貴州省地質礦產中心實驗室進行，將水樣進行水質分析，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、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，菌落總數超標75%。研究區內居民不重視對飲用水的衛生儲存，有些農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、菌落總數等細菌。

表1 研究區水質概況[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等研究在生產重金屬的礦區，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]。而研究區臨近的赫章縣境內有多個礦廠生產鉛鋅，由于其技術落后、管理粗放等原因，產生重金屬污染物會隨大氣、水等介質傳播，導致研究區內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。在我國的西南地區和中南地區，因為其煤炭資源賦存條件差、瓦斯量大、建井投資和生產成本偏高，而成為了高硫煤的主要集中地[13]。在研究區5 km之內，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、通風排塵和凈化風流等安全環保裝置，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，是導致示范區內硫化物超標的重要原因。

1.3 居民凈水意愿問卷調查

由于研究區內飲用水水質不達標，嚴重危害人畜的身體健康，因此改善研究區內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、居民對飲用水水質滿意度和凈水意愿等內容，采用調查問卷的方式于2014年3-11月對研究區內8個村小組中96戶居民進行走訪調查。這8個村小組分別坐落在示范區內的不同位置，針對水源類型、經濟收入和文化程度等指標共選取了96戶居民，共發出調查問卷96份全數收回，并使用Excel和SPSS Statistics 17.0軟件對調查問卷進行統計分析，見表2。

(1)研究區無自來水，當地居民的飲用水來源為雨水和泉水，在研究區內當地居民飲用水來源為單一泉水的占48.3%，單一雨水的占18.8%，雨水和泉水共用的占33.2%。

表2 研究區居民水質調查問卷內容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在的飲用水水質。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)。根據實地勘察和調查問卷，發現當地居民對水質情況普遍感到不滿意，反應水質渾濁、口感差、燒開之后結垢嚴重，飲水后導致拉肚子等現象。

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

2 慢濾池的設計及施工

2.1 磚砌式慢濾池的設計

在畢節撒拉溪示范區，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，池內水可以利用自流的特點經由慢濾池凈化后供居民日常飲水。此外由于在畢節撒拉溪示范區內居民的住所較分散，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。在畢節撒拉溪示范區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，當地農戶就可自行修建。

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。根據調查，當地農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計圖如圖1所示。

圖1 毛栗樹組、中營組慢濾池設計圖(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，池體的側壁為磚頭砌筑而成；隔板橫向設置在池體內，且隔板上開設有濾水孔；濾層設置在隔板上，隔板下方池體的側壁上開設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部，隔板的厚度約為100 mm，如此設置，在保證隔板穩固性的條件下，無需在隔板的下端額外設置支撐結構，簡化了整體結構，節約成本。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材質的三型聚丙烯管，內徑為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冰。在采用磚砌式技術修建時，應格外注意隔板上下的鑲嵌、磨漿方面，防止慢濾池出現漏水問題。

2.3 濾料的選取與填充

在畢節石漠化農村地區，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目的環保紗網隔開，防止漏砂。在7個試點中，填充活性炭的數量各不相同，以此作為對比研究。

3 慢濾池的水質凈化效果與運行管理

3.1 試建情況

本著農戶自覺自愿的原則，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、定期檢測水質和對慢濾池進行維護管理。修建一個月后，部分農戶家的慢濾池內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、人為干擾等外部環境影響，生物膜的生長速度不同，有的農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 研究區慢濾池填料設計剖面圖(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地水質中的濁度、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仍無法控制在國家飲用水標準之內(見表3)。

表3 慢濾池使用后水質情況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，出水水質的白色懸浮物、色度和濁度具有不減反增的現象。導致這一現象的原因是由于蓄水小水窖中的水從進水管流經池內濾料，在短時間內慢濾池中的懸浮物、顆粒吸附物、灰塵等雜質增多。在慢濾池運行近兩月后，慢濾池內已長出大面積的生物膜。對出水終端水質進行檢測，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。之后對慢濾池的出水水質定期檢測，截止2015年3月水質監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)水質監測結果顯示，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實驗研究發現，慢濾池對水質中的重金屬去除主要發生在池體上端，與濾料的高度關系不大[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。

(3)水質監測結果顯示，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定在77.8%，均控制在了國標之內。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，池體內的大腸桿菌和菌落總數不減反增。這是因為在慢濾池運行了一段時間后，池內菌類和雜質增多，再加上當地農戶忽視對慢濾池定期排污，會導致出水水質下降。慢濾池對大腸桿菌和菌落總數的去除主要是由濾料的傳統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超標現象，必須對當地農戶普及安全衛生常識，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，剛使用時對于水質凈化的效果不明顯。經過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，當地村民自己即可完成。一般運行半年到一年的時候，需要小規模的清洗一次。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處增設滿足衛生條件的無紡布，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，根據出水水質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 語

(1)生物慢濾池因為其修建簡單、運行方便、成本低廉，去除率高等優點，是解決農村飲水安全問題的一項重要技術，在石漠化農村地區具有非常廣闊的前景，對農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”科技支撐計劃對農村飲水安全工程的要求。

(2)生物慢濾技術可以用于集中供水，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個關鍵方面。只有這5個方面協調好，生物慢濾池的水質凈化效果才能達到預想的效果。

(3)在采用磚砌式技術具體修建時，應格外注意隔板上下的鑲嵌、抹漿方面，防止慢濾池出現漏水問題。根據慢濾池的受力情況，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，應注意以修成圓形慢濾池為佳。

(4)農村的居民大部分文化程度不高，對于水質凈化的重要性體會不高。因此，要加強對當地居民健康教育的宣傳以及著重強調飲用水需符合國家飲用水標準。對于修建慢濾池的居民，要注意強調即修即用的問題，以防止修好不用甚至棄用的結果。

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[1] 劉紅盼,朱 俊,范 東,等.中國農村飲用水水質現狀分析[J].環境科技,2011,(S2):88-91.

[2] 莫 濤,高 干,張樂昕,等.西南地區農村工程性缺水成因分析[J].中國水利,2013,(8):25-27.

[3] 王興菊.2009-09-2010-03貴州特大干旱分析[J].貴州氣象,2010,(S1):27-28.

[4] 李向東,陳 燁.喀斯特地區高硬度水質和重金屬污染對人體健康的影響[J].微量元素與健康研究,2014,(2):71-73.

[5] 陳 剛,向 紅,蔣 勵,等.2013年貴州省農村飲水安全工程水質監測結果[J].職業與健康,2014,21:3 111-3 115.

[6] Hijnen WAM,Schijven JF,Bonne P,Visser A.Elimination of viruses, bacteria and protozoan oocysts by slow sandfiltration[J].Water Science &Technology.2004,50(1):147-154.

[7] 葉 紅,周 蕓,楊 平.淺層地下水生物慢濾水處理工程的運行維護技術[J].中國農村水利水電,2010,(2):48-50.

[8] 熊康寧,陳起偉.基于生態綜合治理的石漠化演變規律與趨勢討論[J].中國巖溶,2010,(3):267-273.

[9] 胡 寧.貴州喀斯特農村地區生物慢濾技術研究及應用[D].貴陽:貴州師范大學,2013.

[10] 朱林閣.石漠化農村生物慢濾技術初步研究[D].貴陽:貴州師范大學,2015.

[11] GB 5749-2006.生活飲用水衛生標準[S].2006.

[12] Zipper C,Balfour W,Roth R.Domestic water supply impacts by undergroud coal mining in Virginia,USA[J].Environmental Geology,1997(29):84-93.

[13] 劉炳江,郝吉明,賀克斌,等.中國酸雨和二氧化硫污染控制區區劃及實施政策研究[J].中國環境學,1998,(1):2-8.

[14] 劉海龍.采礦廢棄地的生態恢復與可持續景觀設計[J].生態學報,2004,(2):323-329.

[15] 劉玲花,周懷東,王衛紅,等.生物慢濾技術用于農村飲水處理的研究[J].安全與環境學報,2004,(1):12-17.

[16] 池勇志,李亞新.硫化物的危害與治理進展[J].天津城市建設學院學報,2001,(2):105-108.

[17] 李 鵬.家用型生物慢濾裝置在窖水處理中的應用研究[D].蘭州：甘肅農業大學,2012.

[18] 康永濱.生物慢濾水處理技術在農村安全飲水中的應用研究[J].水利科技,2006,(1):55-57.

[19] 康永濱,葉燕群,陳安芬.生物慢濾水處理技術在閩北農村安全飲水中的應用[J].中國水利,2007,(10):122-127.