生物慢滤技术在石漠化农村中的探索与实践

高璟钰，朱林阁，李晓娜(1.贵州师范大学喀斯特研究院，贵阳 550001；2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵阳 550001； 3.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵阳 550001)

水资源是人类不可缺少、至关重要的资源，是人类赖以生存的基础。据我国农村贫困监测报告显示，我国有18%的农户获取饮用水困难，14.1%的农户饮用水水源受到污染，有37.3%的农户没有安全饮用水[1]。以贵州、云南、广西、四川和重庆五省为主的西南喀斯特地区，自2009年秋季以来屡遭旱灾影响，居民饮水困难[2]。2009年9月-2010年3月期间，贵州省出现重旱以上程度气象干旱的平均日数为46 d[3]。在干旱缺水的农村地区，居民往往关注的是找水问题，对于水质安全的问题关注很少，随着气温升高和储存时间延长等问题的产生，饮用水的水质下降。李向东和陈烨(2014年)研究发现当前喀斯特地区面临两大主要的水体污染问题：由于喀斯特地区生态环境的特殊性导致地表水与地下水的硬度较高和由于喀斯特地区分布众多矿山导致矿区附近的水体重金属超标[4]。贵州省2013年对全省9个市86个县( 市)的农村安全饮水工程的水质进行了检测，检测结果发现全省总大肠菌群微生物学指标合格率最低，为28.66%，理化指标中氰化物、硝酸盐、浑浊度、肉眼可见物、pH值、铁存在不合格现象[5]。

生物慢滤技术是一种基本不需要机械动力和生物化学作用的一项技术，它具有运行简单、成本低廉、对污染物去除率高的显著优点。大量的室内实验和实地应用表明，生物慢滤是集物理、化学和生物作用为一体的复杂过程。在国外，Hijnen认为生物膜对细菌和原生动物的卵囊有较好的去除作用，但不会影响病毒的去除[6]。在中国，叶红指出生物慢滤技术对污染物的去除表现为物理吸附和生物化学过程共同作用的结果，慢滤池在运行过程中上层滤料表面形成一层微生物黏膜，黏膜中的各种细菌、藻类、原生动物以及各种微生物的分泌物，从而能够有效去除农村饮用水中常见的污染物如悬浮物、细菌、有机物、氨氮、重金属等[7]。生物慢滤技术为解决石漠化农村地区居民的饮水安全问题提供了有力的保障，可以解决农村分散人口饮水安全的难题，在农村的饮水安全工程中具有广泛应用的前景。中国对生物慢滤技术的研究较少，尤其是西南石漠化地区对生物慢滤技术的研究几乎为空白。为此，本文将推动石漠化农村地区生物慢滤技术的研究，对于开展生物慢滤技术在石漠化农村地区的示范和推广也具有重要的指导作用。

1 研究区饮水现状概况

1.1 研究区概况

毕节撒拉溪示范区位于贵州毕节地区毕节市西部六冲河流域支流区，主要涉及撒拉溪镇的撒拉村、水营村、龙凤村、沙乐村、朝营村、永丰村、钟山村、冲锋村和野角乡的茅坪村共9个行政村。到2007年为止，总面积为41.52 km2，其中石漠化(轻度、中度和强度)面积为9.77 km2占示范区总面积的23.53%[8]。气候夏秋温热湿热，冬春温凉干旱，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]。

由于研究区内无自来水供应、喀斯特地貌典型等客观原因，再加上当地居民对森林乱砍乱伐、对陡坡地随意开荒等不合理的人为原因，导致研究区内大部分居民的饮用水匮乏和水环境污染。在研究区居民饮用水的来源主要为泉水和雨水，靠近泉点的居民一般饮用泉水，离泉点较远的居民则靠收集屋面雨水作为日常饮用水，部分居民的日常饮用水来源为两者兼半。研究区内居民大部分无环保意识，不注意改善自我健康状况和生活环境。农药、化肥使用不科学，路面甚至蓄水小水窖附近随地可见家禽粪便，窖内可见枯枝落叶、藻类、昆虫等污染物，这种对小水窖的粗放管理方式易造成水体污染，而危害当地居民的身体健康。

1.2 研究区饮用水水质概况

在研究区内代表性的选取了两个时间段进行水样采集和检测分析，第一次取样时间是2014年3月份，属于枯水期，第二次取样时间是2014年6月份，处于丰水期。每次选取两份水样，一份为泉水水样、一份为雨水水样。水质检测在贵州省地质矿产中心实验室进行，将水样进行水质分析，检测指标为：浊度、色度、硬度、臭和味、肉眼可见物、氨氮、六价铬、氯化物、大肠杆菌、菌落总数、铅、汞、砷、硫化物、氰化物、COD、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、锰、铜、氟化物、铬、锌，检测结果如表1。

(1)在枯水期和丰水期时，在所取水样中，均能看到少量白色絮状悬浮物，色度、浊度大部分超标，大肠杆菌均超标，菌落总数超标75%。研究区内居民不重视对饮用水的卫生储存，有些农户家的蓄水小水窖上盖子半遮盖甚至不遮盖，导致饮用水的浊度、色度超标。农户将小水窖的水放入水缸以备饮用时，常选取较大的水缸，一般够全家喝一周甚至更长时间。长此以往，易滋生大肠杆菌、菌落总数等细菌。

表1 研究区水质概况[10] Tab.1 Status of drinking water quality in Salaxi Demonstration Area

注: Cd、Cu、Mn、氨氮、氰化物等指标未超标，故未列出。

(2)在枯水期时，两份水样中的铅、汞均超标，在丰水期，两份水样中的铅、汞未超标。Zipper C等研究在生产重金属的矿区，周围的土地由于天然的淋滤作用，含有大量的重金属。这些重金属会向地下水和下游水体迁移，造成水体污染，危害人和动物的健康[12]。而研究区临近的赫章县境内有多个矿厂生产铅锌，由于其技术落后、管理粗放等原因，产生重金属污染物会随大气、水等介质传播，导致研究区内枯水期所检测的饮用水中铅、汞元素超标。而丰水期所检测水样中铅、汞未超标，则考虑存在蓄水小水窖内水量增大使铅、汞的浓度得以稀释这一原因。

(3)在枯水期和丰水期，所取水样中的硫化物均超标。在我国的西南地区和中南地区，因为其煤炭资源赋存条件差、瓦斯量大、建井投资和生产成本偏高，而成为了高硫煤的主要集中地[13]。在研究区5 km之内，有一座中型煤矿，两座小型煤矿。这些煤矿或多或少的缺少抑尘网、通风排尘和净化风流等安全环保装置，而煤矿的存在会使土地遭到破坏、地下水受到污染、生物多样性减少[14]。煤燃烧生成二氧化硫与三氧化硫，是导致示范区内硫化物超标的重要原因。

1.3 居民净水意愿问卷调查

由于研究区内饮用水水质不达标，严重危害人畜的身体健康，因此改善研究区内居民的饮用水状况显得十分必要和迫切。针对饮用水水源类型、居民对饮用水水质满意度和净水意愿等内容，采用调查问卷的方式于2014年3-11月对研究区内8个村小组中96户居民进行走访调查。这8个村小组分别坐落在示范区内的不同位置，针对水源类型、经济收入和文化程度等指标共选取了96户居民，共发出调查问卷96份全数收回，并使用Excel和SPSS Statistics 17.0软件对调查问卷进行统计分析，见表2。

(1)研究区无自来水，当地居民的饮用水来源为雨水和泉水，在研究区内当地居民饮用水来源为单一泉水的占48.3%，单一雨水的占18.8%，雨水和泉水共用的占33.2%。

表2 研究区居民水质调查问卷内容Tab.2 The questionnaire content residents'drinking water quality in Salaxi Demonstration Area

(2)从居民对雨水满意度、泉水满意度和雨泉水共用满意度的分析来看，大部分居民均不满意现在的饮用水水质。居民对雨水的满意度均值为2.611 1，对泉水的满意度均值为2.521 7，对雨、泉水共用的满意度均值为2.468 7(见表2)。根据实地勘察和调查问卷，发现当地居民对水质情况普遍感到不满意，反应水质浑浊、口感差、烧开之后结垢严重，饮水后导致拉肚子等现象。

(3)调查问卷显示，有62.2%的农户愿意净化自家饮用水水质，有29.7%的农户对净化饮用水水质抱有无所谓的态度，剩下8.1%的农户并不愿意净化水质。在不愿意净化水质的这部分人中，老年人占大多数所受教育文化水平不高，甚至是文盲。

2 慢滤池的设计及施工

2.1 砖砌式慢滤池的设计

在毕节撒拉溪示范区，家家户户均有自建的蓄水池，大部分的自建蓄水池修建的较高，池内水可以利用自流的特点经由慢滤池净化后供居民日常饮水。此外由于在毕节撒拉溪示范区内居民的住所较分散，所以考虑建立大型的集中型慢滤池可能性较小，适合建立小型的分散型慢滤池。在毕节撒拉溪示范区中的钟山村毛栗树组和钟山村中营组两个地方，选取了7个点作为慢滤池的试建运行地，慢滤池的外形构造为砖砌式。砖砌慢滤池的原料方便寻找，成本低廉，操作简单，当地农户就可自行修建。

在修建慢滤池之前要注意选址，选择相对平坦的路面同时要保证慢滤池上端受到光照。根据调查，当地农户家庭一般常住人口为4～6人，按照人均用水量为80 L/d来计算，一户人家大概一天的用水量为480 L。修建池内面积为0.64 m2的砖砌式慢滤池，足够一户6口之家的日常用水量。具体的慢滤池工艺设计图如图1所示。

图1 毛栗树组、中营组慢滤池设计图(单位：mm)Fig.1 Design chart of Bio-slow sand filtration in Salaxi Demonstration Area

2.2 施工工艺流程

砖砌式生物慢滤池包括池体、隔板和滤层，池体的侧壁为砖头砌筑而成；隔板横向设置在池体内，且隔板上开设有滤水孔；滤层设置在隔板上，隔板下方池体的侧壁上开设有贯通池壁的出水管，隔板上方的池体上方引入有进水管。慢滤池的地基高度根据每户的具体情况而定，用C20混凝土配合比的混凝土作为地基的主要材料。隔板的四周嵌置在池体内部，隔板的厚度约为100 mm，如此设置，在保证隔板稳固性的条件下，无需在隔板的下端额外设置支撑结构，简化了整体结构，节约成本。慢滤池的主体部分是用长24 cm、宽12 cm、高5 cm的青砖和混凝土修建而成，内直径为80 cm、外直径为128 cm、池体总高度为175 cm。隔板是用C15混凝土配合比的混凝土和直径为6.5 mm的钢筋在慢滤池25 cm处浇筑而成，高度为10 cm，在隔板上开16个直径为1.5 cm左右大小的滤水孔。图5中的进水管、出水管和放空管均为PPR材质的三型聚丙烯管，内径为12.7 mm的四分管。将进水管与浮球阀热熔后，控制池体内水位。在池体底部安装放空管用于定期排污，在放空管上安装出水管。在慢滤池的顶部，做一个长宽均为128 cm的盖子，盖子由透光性好的有色耐力板和不锈钢条加工而成，目的是为了既能遮挡枯枝落叶等杂物又不阻碍生物膜的生长，同时也防止冬季上层水结冰。在采用砖砌式技术修建时，应格外注意隔板上下的镶嵌、磨浆方面，防止慢滤池出现漏水问题。

2.3 滤料的选取与填充

在毕节石漠化农村地区，慢滤池的最底层滤料选取10 cm厚度的1.5～3 cm的瓜米石作为承托层，自下而上依次填充为10 cm厚的陶粒，50 cm厚的石英砂与活性炭混合，40 cm厚的石英砂(见图2)。在每层均用100目的环保纱网隔开，防止漏砂。在7个试点中，填充活性炭的数量各不相同，以此作为对比研究。

3 慢滤池的水质净化效果与运行管理

3.1 试建情况

本着农户自觉自愿的原则，作者分别在朝营村毛栗树组和钟山村中营组选取了7个试建点，于2014年6月份开始修建生物慢滤池、对慢滤池填装滤料。于2014年7月份，开始正式运行、定期检测水质和对慢滤池进行维护管理。修建一个月后，部分农户家的慢滤池内已能看到黄褐色的薄薄的一层生物膜。但因慢滤池的修建位置不同，受太阳光照、人为干扰等外部环境影响，生物膜的生长速度不同，有的农户家的生物慢滤池两个月才可以肉眼观察到生物膜的生长。

图2 研究区慢滤池填料设计剖面图(单位：mm)Fig.2 Design filling materials cross-section diagram of Bio-slow sand filtration in Salaxi Demonstration Area

3.2 水质净化效果

于2014年7月修建7个生物慢滤池，并选取2个试点的水样进行水质检测。在运行的9个月中通过定期检测水样，证明生物慢滤池对于当地水质中的浊度、色度、硫化物和铅汞超标物具有良好的去除作用，但对于大肠杆菌和菌落总数仍无法控制在国家饮用水标准之内(见表3)。

表3 慢滤池使用后水质情况Tab.3 Water quality after use bio-slow sand filtration

注: Cd、Cu、Mn、氨氮、氰化物等指标未超标，故未列出。

(1)慢滤池刚开始运行时，出水水质的白色悬浮物、色度和浊度具有不减反增的现象。导致这一现象的原因是由于蓄水小水窖中的水从进水管流经池内滤料，在短时间内慢滤池中的悬浮物、颗粒吸附物、灰尘等杂质增多。在慢滤池运行近两月后，慢滤池内已长出大面积的生物膜。对出水终端水质进行检测，肉眼观测到水样中已无白色悬浮物等肉眼可见物，浊度和色度已在国家饮用水标准之内。之后对慢滤池的出水水质定期检测，截止2015年3月水质监测显示生物慢滤池对肉眼可见物的去除率为100%，对色度的去除率高于83.3%，对浊度的去除率高于97.1%。这说明生物慢滤池对水质中的肉眼可见物、色度和浊度具有良好的去除作用，使其符合国家饮用水标准。

(2)水质监测结果显示，生物慢滤池对铅、汞重金属的去除作用明显。刘玲花等人通过室内实验研究发现，慢滤池对水质中的重金属去除主要发生在池体上端，与滤料的高度关系不大[15]。因此指出慢滤池对重金属的去除机理主要是与滤料表面形成的黏膜对重金属的吸附和生物富集有关。

(3)水质监测结果显示，在生物慢滤池刚开始运行时对硫化物的去除作用不明显，硫化物含量均超标。水源为泉水的慢滤池试点在运行两个月后，对硫化物的去除率稳定在60%；水源为雨水的慢滤池试点在运行两个月后，对硫化物的去除率稳定在77.8%，均控制在了国标之内。生物慢滤池对硫化物的去除过程主要包含了物理吸附和化学吸附作用，通过活性炭、陶粒等吸附性能高的滤料将水中的硫化物吸附于滤料中从而去除硫化物[16]。

(4)生物慢滤池对大肠杆菌和菌落总数也有良好的去除作用，但仍达不到国家饮用水标准。并且随着运行时间的增长，池体内的大肠杆菌和菌落总数不减反增。这是因为在慢滤池运行了一段时间后，池内菌类和杂质增多，再加上当地农户忽视对慢滤池定期排污，会导致出水水质下降。慢滤池对大肠杆菌和菌落总数的去除主要是由滤料的传统过滤和生物膜的生物化学降解共同主导完成的[17]。针对大肠杆菌和菌落总数超标现象，必须对当地农户普及安全卫生常识，避免直接饮用生水或未烧开的水[18]。

3.3 运行与维护管理

慢滤池修建填料后，冲洗12 h之后即可投入使用，刚使用时对于水质净化的效果不明显。经过1～2个月的时间，慢滤池中长出生物膜后，即可去除几乎所有常见的致病污染物。慢滤池的运行和维护工作，比较简单方便，当地村民自己即可完成。一般运行半年到一年的时候，需要小规模的清洗一次。慢滤池清洗时，将表层生物滤膜收集，并用水养护。刮出慢滤池滤料表层2～3 cm厚的砂层，并补充相似厚度大约3 cm左右的新细砂就可以了。为了提高管理效率，可以尝试在生物慢滤池滤层表面以下 2～3 cm处增设满足卫生条件的无纺布，清洗时将无纺布和上面的滤料全部翻出清洗即可 19 。一般3～5 a，根据出水水质需要对慢滤池进行一次大清洗，将滤料全部挖出进行淘洗，再重新填入。

4 结 语

(1)生物慢滤池因为其修建简单、运行方便、成本低廉，去除率高等优点，是解决农村饮水安全问题的一项重要技术，在石漠化农村地区具有非常广阔的前景，对农村居民的身体健康也有着举足轻重的意义，符合国家“十二五”科技支撑计划对农村饮水安全工程的要求。

(2)生物慢滤技术可以用于集中供水，也可以用于分散供水，方式灵活多样。在修建生物慢滤池时要注意选址、控制滤速、滤料选取、滤层厚度和粒径选取5个关键方面。只有这5个方面协调好，生物慢滤池的水质净化效果才能达到预想的效果。

(3)在采用砖砌式技术具体修建时，应格外注意隔板上下的镶嵌、抹浆方面，防止慢滤池出现漏水问题。根据慢滤池的受力情况，长方形或者正方形的慢滤池没有圆形的慢滤池受力均匀。在修建慢滤池时，应注意以修成圆形慢滤池为佳。

(4)农村的居民大部分文化程度不高，对于水质净化的重要性体会不高。因此，要加强对当地居民健康教育的宣传以及着重强调饮用水需符合国家饮用水标准。对于修建慢滤池的居民，要注意强调即修即用的问题，以防止修好不用甚至弃用的结果。

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