生物慢滤技术用于饮用水水质净化的研究进展

＊邢娜 韩佳 金林 张鹏举 刘贺荣 德小明 徐海明*

（1.宁夏医科大学公共卫生与管理学院 职业卫生与环境卫生学系 宁夏 750004 2.宁夏吴忠市疾病预防控制中心 宁夏 751100 3.宁夏回族自治区疾病预防控制中心 宁夏 750003 4.中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队 宁夏 750021）

1.生物慢滤池的概念和原理

随着全球经济文化的不断进步，工业技术和农业集约化的不断发展，居民生活水平的不断提高，民众对用水量和水质标准的要求在不断提高，水资源开发不合理的问题日益突出。在这个时代背景下，各国都在积极研发新的可持续的净水技术。

在诸多水处理技术中，生物慢滤技术是集综合机械过滤、静电吸附、沉淀、生物吸附降解等物理、化学和生物作用的环境友好型水处理技术。滤料对悬浮颗粒物的机械筛滤作用、滤料表面的微生物层对有机污染物的吸附、转化作用以及对病原体的捕食作用，对水质净化发挥着重要作用。生物慢滤池各层由砂石、细砂和粗砂按照一定比例构成，在慢滤池运行的最初阶段，由于各层滤料孔隙之间小于原水中固体颗粒的粒径，因此慢滤池的表层会截留部分固体物质以及部分有机物。培养一段时间后（通常情况下是15～25天左右），慢滤池表面会形成一层生物滤膜（黏膜），滤膜由有机成分、无机碎片以及颗粒物质组成，主要通过滤膜微生物的作用来完成水的净化。究其原因，是因为表层滤膜内繁殖着种类各异、数量繁多的微生物群体。此外，污染物浓度、环境温度、pH值、滤速等都是影响水质净化效果的重要因素。与其他常规水处理技术相比，生物慢滤技术具有构造简单、容易操作、经济高效等特点，对于解决水资源匮乏地区饮用水问题具有重要的现实意义[1-2]。

2.生物慢滤池的发展过程及工艺特点

早在19世纪初期，英国的工程师们就发明了生物慢滤技术。但是，任何一项新技术从诞生到广泛应用总不是一帆风顺的，生物慢滤技术亦是如此。由于生物慢滤池的水力负荷低、占地面积较大等诸多因素的限制，该项技术被快速过滤技术逐步取代（20世纪初）。快滤池技术主要是应用粒状滤料（石英砂、煤、矿石等）对自来水进行快速过滤，从而达到截留水中悬浮固体、部分细菌以及微生物的目的。经历了漫长的技术沉淀后，北美一些国家（美国、加拿大等）陆续引进了生物慢滤工艺，并开始研发操作简易、经济性好的适用于小型社区的净水设备，至此生物慢滤技术又重新被应用到生活中，并将该工艺置于快滤池之后，作为控制水中污染物质的一种有效方法。此后，亚洲一些国家（中国、日本、韩国等），甚至在一些不发达国家，都陆续引入了生物慢滤技术，将其应用到人畜饮用水处理中[3]。

在设备基础建设方面，慢滤池工艺主要有以下特点。 第一，生物慢滤池结构简单。可以根据用水人数的多少灵活选择慢滤池的大小；第二，对建筑材料没有特殊要求。可以根据具体条件灵活选择坚固耐用的建筑材料，根据选用的建筑材料的种类，选择适当的砌筑工艺；第三，对滤料没有严苛的要求。可以根据施工地区的实际条件，采用相应的均质单一的滤料，如石子、石英砂、细砂或者粗砂；第四，对地形没有严格的要求。可以根据施工地区实际的地形条件，科学设计慢滤池。上述特点为生物慢滤工程设施建设和维护带来诸多便利。

在运行管理与维护方面，生物慢滤池有以下特点。第一，生物慢滤池运行简单便捷。其运行既不需要外部的机械力，也不需要投加任何的化学药剂，操作方便，耗电量少，成本低廉，容易被经济欠发达地区居民接受；第二，生物慢滤池管理简单便捷。管理甚至可以由少数非专业人员来操作完成，管理人员只需要对进水水质、流速控制以及出水水质等情况进行监测即可，可以较大程度地降低人工管理成本；第三，生物慢滤池维护简单便捷。在运行一段时间之后，生物慢滤池的出水速度会减慢。这种情况下，需要刮掉滤料表层（生物黏膜）2～3cm的砂子，将滤料取出清洗。清洗完毕后，再将滤料按照之前的顺序重新铺好即可。通常情况下，可采用人工清洗的方式，每2～4个月清洗一次，这充分体现了生物慢滤池便于维护的特点。

一系列研究表明，生物慢滤技术可高效去除水体中的各种致病微生物（贾第虫、隐孢子虫等）和病毒，可有效去除水体中的有机物、氨氮、铁、锰等物质，可有效改善水体浊度和色度。正是基于此，生物慢滤技术特别适用于农村小型供水系统及城镇。例如，在泰国和印度的农村饮用水处理中，广泛采用了慢滤技术；再如，在英国伦敦，部分市政供水都是通过慢滤来处理的[4-9]。

3.生物慢滤池在我国的应用现状

因为出水水质优良以及简单便捷的建设、运行管理与维护要求，生物慢滤技术逐渐得到国内工程人员的重视，并将其应用到给水处理及污水深度处理领域。一个具有代表性的例子是，大连市建成了我国第一个采用生物滤池工艺的城市污水处理厂-马栏河污水处理厂。随着生物慢滤池在国内的不断推广和普及，国内多所科研院所（如清华大学、太原理工大学、北京工业大学、湖南大学等）的研究人员对生物慢滤池进行了较为系统的研究，在慢滤池结构、滤料和功能等方面进行了较为深入的研究，取得了一定的成果。

研究表明，生物慢滤池可以有效的去除水中的细菌、大肠杆菌等微生物、有机污染物，同时对污水具有一定的净化效果[1-2]。例如，赵晶等人较为系统地研究了生物慢滤技术对邻苯二甲酸二己酯（DHP）的生物降解行为。结果表明，曝气生物滤池对DHP的降解效果良好（温度为25℃，空床接触时间为8h），去除率可高达95.5%。随着温度的升高和空床接触时间的增加，曝气生物滤池对DHP的去除率逐渐提高，空床接触时间为影响去除效果的主要因素。出水中可检测到邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸单丁酯、邻苯二甲酸二甲酯等多种降解产物[11]。再如，刘杰等人的研究结果表明，在滤速为0.1m3/h，水温为17℃～20℃，采用粒径为0.4～ 0.6mm，滤层厚度为800mm的石英砂做滤床时，慢滤池对二级出水具有较好的净化效果。进一步的研究表明，慢滤池的滤速、滤层厚度、水温均对慢滤池深度处理污水的性能有一定影响[12]。

近年来，研究人员对传统生物慢滤技术做了许多的改进。例如，在慢滤之前增加粗滤池来处理浊度较高的原水；在慢滤之前增加臭氧预处理工艺，将复杂的天然有机物变为简单易降解的有机物；在慢滤池中填加一层粒状活性炭来吸附有机物等。以上做法拓宽了慢滤工艺的应用范围，使其可以处理的水源范围更广，可以去除的污染物种类更多。除了能去除细菌、病毒以及病原性微生物外，还可高效去除人工合成有机物、天然有机物、重金属、腐殖质等污染物质[12-15]。

4.生物慢滤技术应用过程中存在的主要问题及相应对策

目前，生物慢滤技术的研究多处于实验阶段，表现出良好的处理效果。但是，在实际应用过程中，往往会面临一系列问题，最终影响生物慢滤的处理效果。现简述如下：

第一，基于生物慢滤技术的实验研究多为长期连续性实验，间歇期后的二次启动是较为突出的问题。下一步，应当重点探讨生物慢滤间歇期微生物生存条件的限制因素以及二次启动后如何快速使微生物恢复活性（如添加何种营养物质等）。第二，传统生物慢滤技术对氟、砷等污染物的去除效果不够稳定。下一步，建议重点探讨慢滤技术与其他水处理技术（如吸附）的联用，进一步提升去除效果。同时还应当考虑当地的自然环境和经济条件，因地制宜。第三，针对长时间运行后对滤料层进行清污问题，应当关注如何改进工艺参数以降低清污操作对滤料表层微生物的影响。第四，随着纳米技术的蓬勃发展，在多种环境介质（包括环境水体）中都可以检测到纳米颗粒。因此，建议关注纳米颗粒在生物慢滤体系中的迁移转化问题。第五，以往的研究表明，生物慢滤系统对病毒有一定的去除效果。下一步，建议关注生物慢滤系统对新型病毒的去除效果。另一方面，还应关注病毒对慢滤系统中微生物的不利影响[16-19]。

5.结论及展望

作为一种绿色水处理技术，传统生物慢滤技术在去除水中的细菌、有机污染物、浊度等方面比较有效。针对该技术在运行过程中存在的问题，研究人员进行了一系列改进，如对滤料表面结构及滤层结构进行优化调整，与其他技术联用（如膜技术、粗滤技术）等。改进型生物慢滤技术在污染物、重金属去除等方面进一步提升。现阶段，尽管慢滤池的使用具有局限性，但是在条件适宜的情况下，使用慢滤池来净化水质，可以获得安全、稳定、可靠的净水。从长远来看，生物慢滤技术对保障经济欠发达地区饮用水安全具有重要的意义，具有广阔的应用前景。