西北黄土高原地区农村集雨窖水饮水安全保障研究

徐 强，王小贞，魏奋子

（1.甘肃省膜科学技术研究院有限公司，甘肃 兰州730020；2.中共甘肃省委党校，甘肃 兰州730070；3.甘肃省农村饮水安全化工程技术研究中心，甘肃 兰州 730020）

我国人均水资源量2300m3，仅为世界人均占有量的1/4，被列为世界13个贫水国之一。其中，西北黄土高原区是水资源严重缺乏的地区，许多山区属资源性缺水，地表水和地下水都极度缺乏。由于受地形地貌、水源、投资数额、受益人口等等因素的限制，这些地区也不具备修建大型骨干水利工程的条件。雨水自然成为这些地区最为重要的水资源，甘肃会宁、庆阳等地均有利用土窖、土坝、蓄水塘等收集雨水利用的传统。20世纪80年代以来，我国通过兴建水窖等微型水利工程，这些地区的饮用水困难问题得到有效缓解。

1995年，甘肃省委、省政府做出了在全省干旱半干旱地区实施“121雨水集流工程”的战略决策，在干旱缺水的地区，给每户农户建设100m2左右的屋顶和庭院集流面，建设两口水窖，发展灌溉1处庭院经济。该工程的顺利实施，在短短的一年多时间里解决了131.07万人、118.7万头牲畜的饮水问题，取得了显著的社会和经济效益。但是，以窖水作为饮用水只解决了给水问题，其水质及其卫生状况仍缺乏必要的保障手段。为了解决人饮用水水质安全问题，广大科技工作者做出了不懈努力，提出了一系列窖水水质安全保障措施。这方面的研究，主要集中在三个方面：一是集雨窖水水质特征，二是窖水处理技术，三是水窖建造、维护及管理。

1 集雨窖水水质特征及影响因素

研究表明水窖水质主要超标指标为pH值、浊度、大肠杆菌、CODMn、氨氮等，并且窖水水质超标程度与集雨径流面类型、集雨沉降时长、水窖类型等均有关系。

1.1 集雨径流面的影响

据研究，集雨水水质受集流面影响，初期水质均较差，弃用初期雨水后，以砖地面、瓦屋面、水泥地面为集雨径流面的集雨水水质均优于庭院土地面，以瓦屋面最优。张国珍[1]分析了黄土塬地区以庭院土地面、砖地面、瓦屋面、水泥地面为集雨面的降雨径流水质，研究了适合水窖收集利用的集雨面类型。其研究结果表明：在径流初期，各类集雨面的降雨径流污染均较严重，随降雨历时的延长，各污染物浓度降低，瓦屋面、砖地面、水泥地面的降雨径流水质优于土地面。孙三祥[2]选取水泥土、粘土砖、机瓦3种典型下垫面进行模拟试验，研究了下垫面对降雨地表径流污染物的削减效果。试验结果表明：对CODMn、NH4+-N的削减效果依次为机瓦＞粘土砖＞水泥土；对UV254的削减效果依次为粘土砖＞水泥土＞机瓦；对TP削减效果依次为水泥土＞粘土砖＞机瓦。认为此3种下垫面中机瓦最优。武福平[3]对不同集雨面(屋顶庭院、山坡土路、打麦场)水窖进行了长期水质监测分析，结果表明：受暴雨影响的集雨窖水水质变化规律分为3个阶段：各污染物指标迅速减小的初期沉降阶段(0～15d)、呈波动性下降的中间过渡阶段(15～100d)和水质基本不变的后期稳定阶段(100～250d)；窖水浊度与各污染物之间极显著性相关(P＜0.01)，浊度与NH3-N、细菌总数的相关系数达0.89以上，与CODMn的相关系数大于0.60；窖水偏碱性，水质受集雨面特征影响较大，达到稳定状态所需时间依次为：打麦场＞山坡土路＞庭院屋顶。

1.2 水窖的影响

不同材质的水窖、水窖周边环境均可影响集雨窖水水质。研究发现，水窖材质可影响窖水的自净功能，在集雨水贮存后期红黏土水窖的水体自净功能最强；农户水窖周边环境恶劣，污染面广的，窖水水质超标严重。宋小三[4]通过对红粘土水窖、水泥水窖及混合水窖三类模拟水窖中实际集雨水的pH值、DO、微生物数量、CODMn等水质指标的监测，分析了在不同材质的水窖中集雨水的水质变化规律：在集雨水贮存初期15d内，红粘土水窖的酸碱度较好于水泥水窖及混合水窖，细菌总数、COD指标相比较差。在集雨水贮存后期(90d后)，红粘土水窖的酸碱度细菌总数、COD指标均略优于水泥水窖及混合水窖；窖水有机物降解速率符合一级反应动力学方程，红粘土水窖的水体自净作用最强。齐昕[5]针对西北村镇集雨窖水的水质特点，采用基于T-S模型的模糊神经网络对其进行评价分析。评价分析选用CODMn、NH3-N和DO三个水质指标为输入向量，建立了适用于窖水水质评价的T-S模糊神经网络模型，在实例分析中得出：不同集雨面所收集的窖水水质也不相同；降雨初期集雨窖水水质均为超Ⅴ类，随着时间的增长窖内水质明显改善，但在20d内水质依旧较差且不稳定。马婵媛[6]通过现场问卷调查及实验室水质指标检测，研究了甘肃农村窖水水质状况及影响窖水水质的因素。调查显示：水泥窖占80%，存水周期为6～10个月；水窖周围污染源广，43.3%的农户家禽散养；水窖清洗频率低，66.6%的居民未进行过水窖清洗。120个样本水质检测结果显示：浊度超标率13.3%、pH值超标率40%、CODMn超标率15.5%。

2 窖水处理技术

针对窖水污染物的特点，众多专家学者开展了窖水净化技术和装置研究，成果显著，目前已开发出了多种集雨窖水净化技术和装置。从窖水净化方式看，主要有四种：一是混凝沉淀；二是生物慢滤；三是超滤；四是组合工艺。

2.1 混凝沉淀

集雨窖水普遍浊度超标，并且浊度与其他污染物浓度显著相关[4]，因此降低浊度是净化水质的首要手段。针对窖水低温低浊难沉淀的特点，郭译文[7]考察了聚合氯化铝(PAC)、聚合硫酸铝(PAS)、聚合硫酸铁(PFS)和聚合氯化铝铁(PAFC)四种混凝剂对窖水中浊度去除率的影响。结果表明：PAC较其它品种更优秀，PAC投加量30mg/L，絮凝转速40r/min，絮凝时间30min时预混凝效果最好。张国珍[8]研发了一套适用窖水处理设备，该设备采用混凝-生物活性炭联用工艺对窖水进行处理，该设备出水浊度稳定在1NTU以下，平均去除率达到91.06%；出水NH3-N含量、CODMn和 UV254均符合 GB5749-2006标准，稳定运行后污染物平均去除率分别达到82.12%、82.04%和48.32%。张超[9]使用单混凝剂聚合氯化铝（PAC）混凝、助凝剂阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）-PAC复配混凝和粉末活性炭联合APAMPAC强化混凝对窖水进行处理，在PAC质量浓度为15.0mg/L，APAM质量浓度为0.15mg/L，粉末活性炭投加量为20mg/L的强化混凝条件下，窖水中的UV254、COD和浊度的去除率可分别达到66%、54%、97%，并且粉末活性炭对小分子有机物的去除效果更为明显，而APAM对有机物的去除没有分子量选择性。

2.2 生物慢滤

生物慢滤即利用粗滤、砂滤截留水中的有机物及杂质使其表面形成生物黏膜，再通过生物黏膜的吸附、截留、消化等作用净化水质的方法，该技术无需投加任何药剂、操作管理方便，适用于村镇地区集雨窖水的水质安全处理。张国珍[10]采用粗滤慢滤组合净水工艺制造出粗滤慢滤小型净水装置，对窖水的浊度、有机物、氨氮及微生物学指标有良好的去除效果。该装置在滤速0.1m/h的情况下，生物膜生长期为40～50d。生物膜形成之后，产出水氨氮平均0.285mg/L，去除率最高达78.35%；CODMn平均2.27mg/L，去除率最高达到61.58%；浊度平均0.56NTU，去除率最高达到98.99%。杨浩[11]对粗滤/生物慢滤水质净化技术进行技术优化及集成，并在西北干旱村镇地区进行了工程化应用。应用结果表明，粗滤/生物慢滤水质净化技术能有效处理集雨窖水，对常见的污染物指标均有很好的去除效果。在设备滤速为0.2m/h的情况下，生物膜的生长周期为40d左右。生物膜形成后，平均产水浊度为0.8NTU、CODMn为2.5mg/L、氨氮为 0.47mg/L，平均浊度去除率分别为90%、CODMn为34%、氨氮为31%，出水水质满足国家饮用水水质标准。李鹏[12]利用生物慢滤技术，在传统的窖水水质处理基础上研发了实用型家庭窖水水质处理装置，试验结果表明：在滤速为0.1m/h的情况下，生物膜成长期为15～25d。该装置对浊度、CODMn、氨氮、菌落总数、总大肠菌群的平均去除率 分别为 95.7%、36.8%、85.9%、95.7%及100%，产水水质满足国家饮用水水质标准，适合农村地区推广使用。张国珍[13]采用水力旋流除砂器/人工生态截污系统/粗滤/慢滤集成工艺，进行窖水饮水处理工程实践，该处理模式对农村集雨窖水中浊度、色度、有机物、氨氮和细菌等微生物学指标均有很好的去除效果，并且该装置具有操作简单、运行费用低、便于维护等特点，出水各项指标均达到国家饮用水水质标准，具有较大推广价值。

2.3 超滤

超滤是以超滤膜为核心的加压膜分离技术，超滤膜过滤孔径在0.05um～1nm之间，操作压力在0.1～0.5MPa之间，主要用于截留水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌和病毒等大分子物质，超滤膜设备因其操作简单、成本低廉、分离效率高等特点，已广泛应用于水处理行业。张国珍[14]以颗粒活性炭-纳米金属簇-超滤-紫外线的集成净水工艺对窖水净化处理，考察其对浊度、CODMn、氨氮的去除效果。结果表明：该集成工艺产水浊度稳定在1NTU以下，对CODMn和氨氮的平均去除率分别为29.86%和50.95%，出水水质达到了GB5749-2006标准的要求。在短时间内较高浊度的进水条件下，不会对超滤膜造成不可逆的污染，但在持续较高浊度进水条件下，膜阻力会快速提高并最终造成膜污染，有效的预处理能减缓膜污染的进程，膜污染发生后进行有针对性的化学清洗亦能恢复膜通量。颜晓飞[15]采用电絮凝与浸没式超滤联用工艺处理集雨窖水，考察了影响氨氮和TP去除效果的主要因素，并与单独超滤进行比较。结果表明：电絮凝与超滤联用工艺对氨氮的去除主要以电吸附为主，兼有C1-间接电氧化的作用，而对TP的去除主要是电解产生的Al3+与PO43-反应生成难溶的ALPO4。当在极板间距10mm、电流密度18.51A/㎡、电絮凝时间15min的优化条件下时，对氨氮和TP的去除率分别为47%和90.1%，比单独超滤分别提高了36.9和80.7个百分点，电絮凝对超滤具有明显的强化作用。王应平[16]开发的微滤+精滤集成集雨饮水净化装置，具有结构简单、运行费用低、操作维护方便等特点，该产品在甘肃会宁等地推广应用，取得了良好的经济、社会效益。

2.4 其他组合工艺

针对改善窖水水质的问题，除以上工艺外，还有不少学者做了尝试，如电凝聚技术、生物曝气滤池、生物活性炭、光催化技术以及一些联合工艺，不同程度的开拓了窖水净化技术的领域，并取得了一定成果。张国珍[17]采用臭氧-BAF（生物曝气滤池）组合工艺处理窖水，使用比紫外吸收值（SUVA）、有机物分子量分布和三维荧光光谱等指标分析了臭氧预氧化对微污染窖水有机物特性的影响。结果表明：窖水经臭氧预氧化后类腐殖质降低65%、类色氨酸物质含量降低18%，水中小分子有机物含量增加，可生化性提高；经臭氧预氧化后BAF反应器产水 TOC、UV254和 TN去除率分别为 55%、53%和45%，产出水CODMn、NH3-N浓度分别为2.97mg/L、0.12mg/L，满足生活饮用水卫生标准的要求。徐强[18]开发了一种应用光催化技术净化窖水的集成装置，具有自动运行、能耗低、操作简单、成本低廉的特点，可快速处理集雨窖水，去除水中胶体、悬浮物等杂质，杀灭水中的病原微生物，降解水中的有机物，装置的出水水质可满足国家饮水标准。电絮凝技术是以铝、铁等合金金属作为主电极，借助外加脉冲高电压作用产生电化学反应，把电能转化为化学能，以牺牲阳极金属电极产生金属阳离子絮凝剂，通过凝聚、浮除、还原和氧化分解将污染物从水体中分离，达到净化水体的一种技术，应用改技术对集雨水进行处理，水中的浊度、氨氮、UV254、COD去除率分别达 95%、63%、48%、80%[19]。臭氧-生物活性炭工艺将臭氧预氧化、活性炭吸附、生物降解3种工艺结合在一起，进行窖水处理可有效去除CODMn、氨氮，去除率分别为81.02%、77.21%，产水各指标达到国家饮水标准[20]。

3 水窖建造、维护及管理

影响窖水水质的因素较多，包括集流面、水窖材料、水窖周边环境、水窖维护措施等，其中科学的水窖维护措施是提高窖水水质重要手段。马婵媛的调查指出，水窖集雨场周围建有厕所、垃圾场、农业废弃物堆积场的家庭分别占5.8%、6.3%和8.6%，有43.3%的家庭存在家禽散养现象，这无疑对窖水的卫生安全造成了极大地影响。付建林[21]针对西北的干旱地区，对窖水的水质维护和水窖管理进行了研究，认为水泥地面、瓦屋面受污染最小，水质均达到了或优于水质Ⅲ类标准，可作为西北村镇集雨窖水水源地优选集雨场地，红粘土水窖对有机物自然降解和微生物数量控制方面略有优势，在窖水自然净化方面红粘土和水泥窖在根本上差别不是很显著，两种材料的选择应根据客观条件，因地制宜，就地取材。赵文君[22]通过对水泥砂浆抹面水窖、固化土水窖、橡塑水窖3种不同材质的水窖贮存雨水的浊度、pH值、COD等指标的变化过程进行分析，研究了雨水集蓄生活型水窖水水质变化趋势。结果表明：贮存雨水初期水质各指标波动较大水质难确定，而后在长期贮存中水质各指标逐渐趋于稳定平衡。浊度、COD、微生物指标之间互相关，收集低浊度的雨水对水的自净、微生物生长的限制及消毒有重要作用，建议应加强集流面管理，或通过过滤池实施应用，将浊度降低在初期。不同材质水窖对雨水水质净化各有优劣，基本能满足饮用水标准，实际采用时应因地制宜。沙鲁生[23]对我国西北、华北、西南部分地区水窖水质的检测数据、结果和污染成因作了分析，指出雨水在形成、降落、收集过程、存储、取用过程中都会受到污染，提出通过雨水初期弃流，设置沉砂池、沉淀池预处理等方式降低污染；修建雨水集蓄工程时应合理规划集流场、厕所、畜圈等的布局；日常维护水窖周边环境、定期清理水窖淤泥等措施降低污染。

4 结语

我国西北地区干旱缺水历史久远，清同治年间，时任陕甘总督的左宗棠曾在奏折中写道“陇中苦瘠甲于天下”[24]，陇中地区苦瘠，最重要的根源是干旱缺水且降水季节分配不均。自“121”雨水集流工程实施以来，经过多年的努力探索和实践，广大西部偏远地区群众吃水难用水难的问题已基本得到解决。但是，饮水水质安全问题尚未得到保障。现在看来，水窖水地区饮用窖水的情况至少还要延续数年或十几年。影响水质的因素主要有集流面、水窖材料、水窖周边环境、水窖维护措施等，通过科学合理的集雨水窖建设方案，改善水窖周边环境，合理布局水窖位置，科学的水窖维护措施及应用高效先进的窖水净化技术等手段，定可以实现集雨窖水的水质安全。从现有的关于水窖水地区农村饮用水资源安全保障研究看，成果很丰富，这些研究基本上是技术层面的研究，这当然是非常重要的、是基础性的，还需要继续深入研究。但是，如何将窖水安全的技术性与经济性、方便实用性相结合，如何界定政府、社会和个人在水窖水地区农村饮用水资源安全保障方面的责任和义务，在全面建成小康社会的大背景下如何修订水窖水地区农村饮用水相关政策，现有研究成果不多，这都是学术界值得关注的研究方向。