农村饮用水净化机制及调控研究

田 丽

(东营市小清河管理服务中心，山东 东营 257300)

0 引言

随着国家饮水安全战略的提出，计划在2035年基本完善全国范围内的饮水安全保障体系，用以保障群众的用水安全并建成符合社会主义现代化国家的饮用水保障系统[1-2]。在政策大方向的指导之下，需要对城乡饮用水供水系统做出调查研究，目前相较于城镇，农村地区由于净水设备较为落后导致居民饮水安全问题较为突出，对农村地区的饮水净化和调控成为当务之急[3]。目前对于农村地区饮水净化和处理的方式，多借鉴于城镇地区的相关调控和净化经验，即采购大量供水、净水设备。但由于农村地区饮水供给系统中所存在的污染物主要以悬浮颗粒物、氨氮、致病微生物为主[5]，且多数未考虑农村地区实际情况，因此往往造成净水工艺流程复杂化、设备维护困难、设备能耗量太大造成农村电力系统超载等一系列问题，最终反而使得饮水净化未能达到预期效果。随着生物膜技术的发展，目前以饼层过滤为核心的重力驱动膜滤饮水净化技术(GDM)以其能耗量低、净化效果高等优势逐渐推广应用，对于其实际净化效果不少学者进行了研究论证，如，赵博[6]总结了超滤在地表水、废水、灰水、雨水回收及海水预处理领域的应用，并针对重力驱动膜的运行特征进行了分析，通过对家庭饮用水和海水的处理结果发现重力驱动膜具备纳米级除污效果且依靠间歇式运作模式使得能耗量进一步降低。

本文以某地农村饮用水水源为对象，通过结合缓速滤池(GAC)与膜滤饮水净化技术(GDM)进行饮水净化试验，并针对其净水效果、膜通透量变化及污染物变化特征进行研究分析，为实际农村地区的饮用水净化及调控提供参考。

1 研究概况

饮用水源位于某市西北部的农村区域，近5年当地年均地表水资源总量达98亿m3，地下水资源总量达18.5亿m3，其合计水资源总量达116.5亿m3，人均水资源量约为3287m3，耕地平均每亩占有水资源总量约为4256m3。研究区域近5年平均降雨量为1253m3，近5年平均的径流深度约为736mm，年均产水模数达74m3/km2。当地过境水量约为357亿m3，研究区域水资源利用率约为8.4%，远低于所属地级市的平均水平。

依照GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》，2020年该地级市饮水不安全的农村人口多达121.4万人，其中所研究的农村区域饮水不安全的人口为2.65万人，约占该地级市的2.2%。其中该市饮水不安全的人口中引用地表水的人数占比为63.2%，饮用地下水的人数占比为26.8%；研究区域饮水不安全的人口引用地表水的人数占比为79.8%，饮用地下水的人数占比为20.2%。按照水质、水量、饮水方便程度、饮水保证率4个饮水安全指标进行划分，其中本文研究区域饮水水质不达标人数占饮水不安全人数总量的32.6%，引用水量不达标人数占饮水不安全人数总量的38.3%，饮水不便者占比为20.5%，饮水保证率不达标者占8.6%。在水质不达标问题中，铁锰碘等元素超标人数为1246人，细菌指标超标人数为3143人，污染水超标人数为2986人，饮水苦咸人数为1264人。

2 研究方法

2.1 试验用水水质检测

本文取当地农村区域未做加工处理的饮用水源为试验用水，采用紫外分光光度计、TOC检测仪、气相分子吸收法分别对水中的UV254浓度、可溶性有机碳(DOC)浓度、和氨氮浓度进行测定，其中测得未做任何处理的试验用水(后文简称原水)的水质各参数见表1。

表1 原水水质各参数测量结果

2.2 试验装置

考虑到GDM净水技术存在的缺陷问题，结合缓速滤池GAC对其进行优化处理并构建出了如图1所示的GAC/GDM净水工艺流对试验用水进行净化处理[7-8]。

图1 试验组合装置工艺流程

将试验用原水储存于水桶中，水桶通过重力自流的方式流入恒位水箱之中，并在水箱中停留1h，通过配水管道流入到GAC缓速滤池之中过滤处理，过滤处理完成后出水流入至超滤膜组件中进行过滤处理。其中GAC池底面积为20cm2，滤池高度为50cm，滤池内部放置GAC颗粒用以过滤，设计流动水速为0.0007L/h。超滤膜组件与缓速滤池之间设计高度差为60cm，用以作为重力驱动压力，在装置底部放置集水瓶收集净化后的水体并取样测定各参数。同时，设置对照组，即应用GDM净水技术不做GAC过滤。为了研究不同的净水运行方式对装置运行效率的影响，设置循环组(CGAC/GMD)和曝气组(AGAC/GMD)，其中循环流量设置为2.5L/h，曝气量设定为1.25m3/(m2·h)，每组分别测定3次，且每日定时查看GDM膜通量和水质变化情况。试验中GAC颗粒粒径为1.5mm，GDM中使用的超滤膜类型为平板膜。

3 结果分析

3.1 GDM膜通量变化分析

GMD净水技术能否应用于实际净水的重要标准是其膜通量的稳定性。通过持续的监测记录，得到了对照组、试验组和循环组、曝气组4者在净水过程中的超滤膜膜通量变化趋势。

装置运行过程中各组超滤膜膜通量随时间的变化趋势图和运行最后10d的膜通量统计结果如图2所示。从图2中可以看出，在装置运行的60d中，各组的膜通量变化趋势较为相近，均可分为2个阶段，其中1～7d为第1阶段，8～60d为第2阶段。在第1阶段过程中，随时间进行膜通量下降幅度较大，对照组、试验组(GAC/GMD)、循环组(CGAC/GMD)和曝气组(AGAC/GMD)的通量大小下降程度也较为接近，造成此种现象的可能原因在于试验过程中过滤膜均采用不清洗的形式，致使降污过程中污染物在膜表面累积并形成滤饼层污染；第2阶段过程中，随时间进行，各组的膜通量变化均区域稳定，不再大幅度减小，但相较于对照组，试验组、循环组和曝气阻的最终膜通量分别提高了约29%、33%和42.7%，此结果表明对比不做任何处理的GDM技术，采用GAC/GDM组合的净化工艺能够显著提高GDM的膜通量大小，且在组合工艺中采取循环和曝气处理更有利于膜通量的提高。其中曝气处理对膜通量提升效果最大，主要原因在于曝气处理提高了水中的溶解氧量，有利于水中微生物对滤饼层污染物的消除。

图2 装置运行过程中的膜通量随时间变化情况

3.2 有机质去除效能分析

对于水中有机质本文采用UV254进行表征，UV254大小为水中有机质在254nm波长中的吸光度大小，可以有效反映水中的腐殖质和芳香化合物等大分子有机质的含量。借助紫外光分光光度计测得的UV254随时间变化和其去除效果如图3(a)—(b)所示。待GDM通量稳定后，使用TOC检测仪分别对对照组、试验组、循环组和曝气组水中的可溶性有机碳(DOC)含量进行测定并得到其去除率如图3(c)所示。

图3 UV254及COD随时间变化的去除效果

从图3中可以看出在原水之中UV254浓度为0.053cm-1，在经过对照组膜滤之后，UV254浓度下降了约6%左右，但纵观整个周期内的变化过程，对照组试验中UV254浓度变化波动较大，期间可能会出现UV254含量大于原水的情况，其原因在于被截留在膜中的大分子物质在微生物的作用下分解产生小分子物质，进而透过膜体导致水质的污染程度加重。在采用GAC/GDM的组合工艺中，可以看出UV254含量显著下降，对UV254的去除率平均值达到了73%左右，主要原因在于GAC颗粒物对大分子有机质有吸附作用，且基于缓速滤池的低滤速，有利于水中微生物对有机质的充分降解。但循环组和曝气组的平均去除率均低于试验组，表明循环和曝气的作用会加速微生物水解作用，使截留的大分子有机物通过水解作用穿过超滤膜。

从图3(c)中可以看出对照组对水中有机碳DOC的去除率最低，因此在水中溶解性有机碳含量较高时，不能仅采用GDM对水质进行加工处理。而相较于对照组，试验组的DOC去除率最高，大于80%，其次为曝气组和循环组，其原因与UV254的去除效果相一致，此处不再过多赘述。

3.3 氨氮去除效能分析

氨氮作为水体常见污染物之一，由于其亲水性和小分子等特性，因此常规的滤水技术难以对其进行去除，为了评价本文GAC/GDM的组合工艺水质净化效果通过气相分子吸收法分别对对照组、试验组、循环组和曝气组处理过的水质进行氨氮浓度测定，得到了的氨氮浓度随时间的去除结果如图4所示。

图4 氨氮浓度随时间的去除率效果

从图4中可以看出在短期处理过程中，由于GAC对氨氮的吸附效果较差，因此各组对氨氮的去除效果均较低，但在10～20d阶段中，氨氮去除效果大幅提升，对照组提升至80%左右，其余各组均在96%以上，其原因在于随着过滤的进行，GDM表面产生滤饼层，使氨氮产生了硝化作用从而大幅降低氨氮浓度，GAC/GDM组合工艺则在此基础之上通过GAC缓速滤池的微生物吸附作用进一步加大了氨氮浓度的生物分解效应，循环组和曝气组则在此基础之上，强化了生物作用，使得相较于对照组，试验组、循环组和曝气组的去除率进一步提升。但在20d之后，受制于原水的氨氮浓度波动效果和水体本身的氨氮浓度已较低，使得氨氮浓度难以大幅度去除，因此维持稳定状态，结果表明在GAC缓速滤池优化下GDM净水系统能够大幅提升原水的氨氮去除效果。

4 结论

本文以某地农村饮用水水源为对象，结合缓速滤池(GAC)与重力驱动膜滤饮水净化技术(GDM)进行饮水净化试验，结果表明GAC/GMD组合工艺将最终膜通量提高约29%、增加曝气处理提高水中溶氧量增加微生物活性的方法提升42.7%；GAC颗粒物对大分子有机质有吸附作用，结合缓速滤池的低滤速大幅提高原水中有机质去除效果，但增加循环和曝气处理产生的水解作用使截留的大分子有机物通过水解作用穿过超滤膜造成水体污染；GAC/GDM组合工艺在长期作用下能够大幅截留氨氮，可应用在农村饮用水净化处理中。由于试验数据存在一定误差，在应用中需要进行再次确认。