农村地区水质现状分析及水处理技术应用研究

潘 晨

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广州 深圳 518000)

1 工程概况

近年来，国家高度重视“三农”问题，而解决农村饮水安全问题是建设社会主义新农村的重要内容[1]。与城市供水不同的是，城镇供水系统从水源到用户水龙头，点多面广，只要众多环节之一受到污染或破坏，就会在不同程度上影响农村地区居民饮水安全。同时，由于农村地区供水水质处理工艺技术的不完善，导致村镇水质达标情况不容乐观[2-4]。饮水安全问题的解决主要以改善饮水水质安全最为核心[5-6]，因此有效地研究适合于农村水质现状的水处理技术，有助于更好地解决农村饮水安全问题。

和平县东水镇大坝村位于广东省河源市，属低山丘陵地带，地势西北高东南低，平均温度22 ℃左右，降雨量在1650～1700 mm之间。水资源丰富，镇域内有东江干流、浰江、郎仑河等19条河流。东江河自东北向西南流经广东省龙川县、和平县、东源县、源城区、惠城区、博罗县至东莞市石龙镇进入珠江三角洲，集水面积35 340 km2，河长562 km，平均年径流量257亿m3[7-8]。浰江自西北向东南流经和平县的浰源、热水、合水、林寨、东水五镇，于和平县东水镇汇入东江，总长102 km，流域面积1677 km2。

水质研究的参数包括大肠菌群、菌落总数(用于测定需氧和厌氧微生物总数)、硝酸盐和亚硝酸盐[9-10]。本研究通过从多个点的参数分析比较了大坝村泉水和河流的水质。研究目的为：(1)了解水质。(2)将水质与质量标准进行比较。(3)了解大坝村所在子流域的水污染指数。本研究可为采用适当技术进行水处理提供实践应用。

2 研究方法

本研究通过实地调查，从图1中五个点采集水样，1为泉水B，2为东水水电站点2后的东江河，3为东水水电站点3后的浰江，4为泉水A，5为郎仑河。试验期间每天采集水样两次，上午、下午各一次。

图1 水样采集点

本文通过将所得数值与标准值进行比较，对水质结果进行分析。水污染状况计算中使用的参数是TSS、DO和COD。水污染状况由水污染指数(PIj)表示，一般参照饮用水标准或Ⅰ类标准，如式(1)、表1所示。

(1)

式中：Ci为参数i(TSS、DO 或 COD)中的水质浓度，mg/L；Lij为标准j下参数i(TSS、DO 或 COD)中的水质浓度，mg/L；(Ci/Lij)M为Ci/Lij的最大值；(Ci/Lij)R为Ci/Lij的平均值。

表1 水标准状态

当(Ci/Lij)的值为1.0时，需要用(Ci/Lij)新重新计算，如式(2)：

(Ci/Lij)新=10+5×(Ci/Lij)测定结果

(2)

参数DO与其他参数具有拮抗特性。DO越高，水质越好(污染指数越低)。因此，DO的(Ci/Lij)值应调整如下，如式(3)：

(3)

式中：Cim为最大溶解氧，室温(25 ℃)下饱和溶解氧值为8.26 mg/L。

3 结果与讨论

3.1 水的物理性质

水的物理性质如表2所示。上午和下午各点的气味、味道和颜色参数具有相同的结果，对这些参数进行定性分析。上午水样的浊度与下午水样的浊度相同，点5水样的浊度最高，这是由该位置的条件造成的，该位置含有悬浮固体。TDS参数在点1～5水样上增加受液体废物污染的影响。点1是流向点2和点3的泉水，该点尚未被生活废液污染，而点2和点3已被村民的生活污水污染。此外，点4的TDS浓度高于点1，这是因为泉水A没有像泉水B那样得到很好的保护。由于存在悬浮泥沙，点5的TDS高于其来源。当TDS含量超过安全限值时，TDS的特定成分如氯化物、硫酸盐、镁、钙和碳酸盐会影响健康。最高的TSS出现在上午的点2和下午的点3。下午水样的TDS和TSS普遍高于上午水样。这是因为村民白天的活动增加了溶解和悬浮固体，尤其是在开放的水源中。

表2 水的物理性质

3.2 水的生物学特性

通常，测试水质的生物学特性包括大肠菌群、底栖生物和浮游生物。本研究仅检测了大肠菌群总量(每100 mL(g)样品中大肠菌群的最近似数)，见表3。作为饮用水的大肠杆菌必须为0 MPN/100 mL。地球表面的水体可能含有大肠菌群，这与地表水与阳光的穿透密切相关。在大坝村，水的物理性质不浑浊，悬浮液含量相对较低，在阳光穿透水下，支持水生生物(包括大肠杆菌)的生长和发育。因此使用标准为I类，原水中大肠杆菌的耐受性高达100 MPN/100 mL，总大肠菌群为1000 MPN/100 mL，该类原水为待处理的饮用水。

表3 水样的生物学特性 MPN·100mL-1

研究区域水样的生物学特性(大肠杆菌)在<3～28 MPN/100 mL的范围内变化。尽管1.1水样超过了质量标准，但水样仍符合饮用水质量标准。与其他数据相比，1.1水样或早上的泉水B有一个异常值。大肠杆菌必须在采集水样后30 h进行分析，并在低于10 ℃的温度下保存。如果所有水样都在超过样品保存时间后进行检测，则所测得的大肠杆菌都是过量的，因为会在储存期间的一段时间内形成。数据显示，1.1水样中大肠杆菌的发展速度非常快。基于传统水处理技术表明，100 MPN/100 mL的大肠杆菌是可以耐受的，因此传统或更复杂的水处理技术可以减少或破坏大肠杆菌以供饮用。

3.3 水的化学性质

表4显示研究区域水的化学性质。大坝村水样的pH值范围为6.14～7.03，符合饮用水标准，但并非所有点都符合标准。在上午和下午水样中，泉水A的pH值均低于6.50。这可能是由于泉水A中存在大量死水和相当平静的水。

水的pH值是水质和污染水平的指标。pH值低于6.50或高于8.50的水会导致某些化合物对人体产生剧毒。根据世界卫生组织的数据，如果pH值高于10.00或低于4.00，就会导致健康问题，pH>11.00的水会刺激眼睛和皮肤，pH值为10.00～12.50会导致头发纤维肿胀，并对敏感个体造成胃肠道刺激。pH值低于4.00会导致眼睛发红和刺激，并随着pH值的降低而增加。根据所有水样的pH值测量结果来看，目前采集点的水仍可以安全使用。

研究区域的溶解氧DO测量值在6.48～8.10 mg/L之间(DO>6.00，符合标准)。五个点的最高溶解氧来自郎仑河。最高水位是由大水流引起的，水流动有助于氧气和水之间的扩散过程。郎仑河岩石多，水流湍急，这些特征增加了氧气在水中的扩散。5个点中DO的最低值是在泉水A，上午的DO浓度值为6.93 mg/L，下午为6.48 mg/L。这是因为溶解氧在静水中的扩散速度较低。此外，泉水A的水生生物群和微生物数量降低了DO水平，鱼类和蝌蚪等水生生物的存在会随着生物消耗氧气而降低DO水平。

树木的覆盖作用导致了光照强度降低，减少了水生植被和光合微生物的光合作用。一般来说，溶解氧水平在下午下降，这是由于排水量减少和低光照强度造成的。然而，泉水B的溶解氧水平在下午升高，是因为水流湍急，水流建筑物呈阶梯状，光照强度高，水流地面被苔藓覆盖所致，这些特性增加了氧的扩散。

COD表示为将有机物化学氧化为CO2和H2O所需的氧气量。COD在含有耐生物降解有机物的水中进行更精确地分析，如纤维素、单宁、木质素、苯酚、多糖和苯。COD浓度的测定比生物需氧量(BOD)的测定速度更快，是研究区域水质污染的重要指标。研究区域上午水样中的COD浓度为9.05～15.09 mg/L，下午水样中的COD浓度为8.42～14.45 mg/L。COD最低值在点1，其次是点3，最高值在点4。COD浓度值低于20.00 mg/L的水样仍符合标准。

图2 上午采集水样中阳离子和阴离子的刚性图

图3 下午采集水样中阳离子和阴离子的刚性图

水中常见的阳离子是Na+、K+和Ca2+，硬水中含有大量的金属离子Ca2+和Mg2+。泉水A获得的Ca2+含量最高，上午水样中为10.100 mg/L，下午水样中为10.504 mg/L。与泉水B相比，泉水A的Ca2+含量更高。东水水电站点3后的浰江和泉水A在上午获得的Mg2+含量最高，约为2.6997 mg/L。郎仑河在下午获得的Mg2+含量约为2.4543 mg/L，且无论是在上午还是下午，Mg2+含量都低于东水水电站点3后的浰江、泉水A和泉水B。世卫组织指出，硬水会导致牙垢、心血管问题和尿石症。研究区域内的Ca2+和Mg2+仍符合标准。

郎仑河含铁量最高，上午的浓度为0.03 mg/L，下午的浓度为0.04 mg/L，因为该河距离上游相对较远，导致其与周围环境的物理接触累积增加。地下水中的铁是由水与含铁岩石接触引起的，如黄铁矿矿物、微斜长石和黏土矿物风化的结果。郎仑河不是地下水，但在河流沉积物中发现了铁成分矿物。铁是人体营养的基本元素，但铁过量会引起中毒，导致呕吐、腹泻和肠道损伤。

东水水电站点2后的东江河和泉水A的水样中Cl-含量最高，上午的浓度为19.70 mg/L(东水水电站)，下午的浓度为19.17 mg/L(泉水A)。水中氯化物的存在是由工业活动和生活垃圾造成的。东水水电站点2中的Cl-高于东水水电站点3，因为东水水电站点2中有大量盐分解。而泉水A靠近居住区，渗入水中的废物分解导致水中含有大量氯化物，因此泉水A的氯化物含量高于泉水B。高浓度的氯化物对皮肤和设备均有腐蚀性，并可能损害人类和动物的呼吸系统。

CaCO3含量最高是泉水A，上午的浓度为36.36 mg/L，下午的浓度为35.35 mg/L。CaCO3的存在是由水和岩石之间物理接触引起的。泉水A的CaCO3高于泉水B，因为泉水A远离子流域，且泉水A的水和岩石之间的物理接触持续时间比泉水B长。水中的CaCO3称为硬度，这种化合物会破坏管壁。高硬度主要是由钙、镁、锶和镁引起的。高硬度的水非常有害，会导致由铁制成的设备腐蚀，加工容器结皮。

3.4 水污染现状及水处理

将表2、表4中的水质处理后形成表5。所使用的标准遵循了Ⅰ类和由国家标准委和卫计委联合发布的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)的组合，以判断是否能将大坝村的水转化为饮用水。结果表明，污染指数从高到低依次为：泉水A、郎仑河、东水水电站点3后的浰江、东水水电站点2后的东江和泉水B。这五个点的水未受污染或仍符合TSS、DO和COD的质量标准。

表5 大坝村的水标准状况(上午和下午采集水样的平均值)

泉水A和泉水B的pH值低于最低标准，导致污染的原因可能不是来自TSS、DO和COD。当计划将其用作饮用水来源时，应考虑污染状态。处理时应考虑调理，使pH值达到6.50～8.50。

将选择的五个取水样点进行处理。点1和点4是泉水，不建议作为替代水源；点2是东水水电站的输入，不能将其作为水处理地；点3是东水水电站的输出；点5位于深谷，交通不便，因此其也不能作为水处理地。因此点3是最有可能通过处理来培育饮用水，因为其已被用作日常需要。

将水处理成饮用水有物理方法、化学方法和能源密集型技术。本研究所在区域大坝村推荐的水处理方法是去矿化，尤其是去离子或离子交换。由于水不硬或钠、钾和碳酸氢盐含量低，因此操作相对容易，并且不会造成腐蚀，但去离子会减少水中的矿物质。

4 结 论

(1)大坝村所在子流域的水质因地点和时间而异，但并不显著。

(2)污染指数从高到低依次为：泉水A、郎仑河、东水水电站点3后的浰江、东水水电站点2后的东江和泉水B。

(3)目前大坝村使用的水源仍处于安全水平，符合质量标准或没有受到污染。

(4)本文建议的水处理方法为去矿化，水处理在东水水电站点3后的浰江中进行，其可作为替代水源。