农村饮用水处理中生物慢滤技术的应用

张可轩，李 杰，肖举强

(兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

农村地区集中供水率低，大部分地区都是就近从河道、水库等或地下水取水，不同地区水源水质差异较大且变化较大，还面临水源保护措施不力和农业面源污染加重的影响[1]。在加强水源地监测和保护的同时还需要开发成本低、效果好的水处理技术。

生物慢滤技术已经使用了大约150年。由于其占地面积大，不适宜在人口稠密或土地价格昂贵的地区。但是生物慢滤技术在去除水中的有机物、浊度、氮磷、细菌病毒、重金属等污染物等方面具有良好的效果。同时其出水品质高、建造方便、制水成本低、能源消耗低、运行稳定可靠、无需投加任何化学药剂和管理维护简单等优点，使其成为一种适合在农村社区的选择，来满足人们的用水需求，保障用水安全[2]。

生物慢滤是综合了机械过滤、生物吸附降解、静电吸附、沉淀等复杂的物理、化学、生物过程，是滤料、藻类、微生物和原生动物共同作用的结果[3-4]。一般认为生物慢滤技术的关键是滤料表层的生物黏膜，这层生物黏膜含有细菌、藻类及原生动物等，在慢滤中起非常重要的作用[5]。因此，生物慢滤主要靠生物群集作用来进行净化。可以看到，如温度、pH、水力停留时间等可以对滤料本身性能和生物膜产生影响的因素都会是决定最终处理效果的关键。

近年来，国内外学者对生物慢滤做了大量的研究，并取得了许多标志性成果。研究者不断研究生物慢滤技术的去除机理和特性，如滤料的吸附特性、滤池内微生物群落种群及数量、滤池内微生物抗性基因等，不断为这项技术提供理论技术支持。同时尝试对该技术进行改进，包括对滤料改性、组合调整滤料结构、改进滤池水力条件、滤池串联等或将该技术与其他技术联用[6-7]。目前，该技术作为一种适用于农村的技术，在农村具有广阔的应用前景，生物慢滤已经在全球多个国家中大力推广。

1 各类污染物处理效果

1.1 浊度及有机物

浊度和有机污染物是重要的水质指标，也是评价生物慢滤池处理效果的首要指标。自生物慢滤技术出现以来，研究人员在生物慢滤技术的除浊、除有机污染物性能方面进行了系列基础研究，且进行了一定的应用研究。

Mutemi等[8]使用生物慢滤池对浅井(深度小于10 m)进行水处理，平均进水浊度由(32.5±3.6)NTU降至(2.1±0.9)NTU，有效去除了浅井浊度并达到饮用水标准，且在整个过滤运行中，设备的出水浊度在5 NTU以内。Zhao等[9]将红黏土分别与碎石灰石和碎砖用不同比例混合用作生物滤池的过滤介质净化收集的雨水，其中碎石灰石和红黏土的混合物(体积比为7∶4)为填料时获得最佳处理效果，COD、浊度的去除率分别为74.00%、75.19%，出水水质符合饮用水水质标准。康建伟[10]以径流雨水为水源，在现有生物慢滤技术的基础上改进池型设计，将传统滤箱改进为折返式滤箱，一套装置可满足4口之家基本用水需求；改进后的装置降低了装置总高度，降低了电耗，实现了人工进水，能更快地稳定且获得更好的去除效果，出水CODMn稳定在1 mg/L，出水浊度能达到0，满足饮用水卫生标准。

总体而言，生物慢滤技术在除浊和有机物降解方面都有很好的效果。研究人员不断优化滤料、提高滤速、改进池型，改进后的装置更加稳定、廉价、易于操作，促进了该技术的推广，如今在很多地域都有了一定规模的应用[11-14]。

1.2 氮和磷

氮与磷均是重要的水质指标，生物慢滤技术除氮、磷稳定，具有一定的处理效果。

综合各实验结果，氮和磷主要是依靠藻类的吸收、生物化学作用降解以及填料的吸附作用等的共同作用达到改善水质的效果。生物慢滤能够稳定去除氮磷，可以作为处理水源水中氮的有效方法。

1.3 微生物

生物慢滤技术具有良好的除菌能力，在最佳运行条件下，几乎可以完全去除细菌、病毒。可以作为处理饮用水的高效且廉价的技术。当前有大量研究重点分析生物慢滤技术在除菌方面的原理和效能。

Urfer[19]将普通慢滤柱与不同含量铝土矿作为填料的慢滤柱串联运行，试验发现，滤柱的铝土矿含量越高，大肠杆菌和肠球菌穿透滤柱的时间越长，同时认为，铝土矿层不会导致铝含量超标且具有良好的微生物去除能力。高璟钰等[20]在贵州毕节撒拉溪喀斯特石漠化农村地区建立生物慢滤池作为试点，运行9个月并定期检测发现，生物慢滤池对大肠杆菌和菌落总数有良好的去除作用。D'Alessio等[21]研究药物活性化合物(PhAC)对生物慢滤池的除菌能力的影响，对比不同phAC，认为雌性激素和咖啡因可能会影响生物膜层去除大肠菌群的能力；且试验结束时，生物膜层内细菌去除率从95%降至小于20%，去除率的下降可能与生物膜层内微生物群落的变化有关。

许多研究证明，多数菌类及病毒等微生物可以通过生物慢滤技术去除，可以通过控制运行条件获得最佳去除效果。虽然有些滤池可以近乎稳定地实现去除大肠杆菌等具有标志性的微生物，但是在长时间的运行中依然能检测到少量大肠杆菌等微生物。同时运营管理原因或其他污染物质可能影响去除效果，尽管生物慢滤技术具有优秀的除菌能力，依然不能成为一种令人放心的充分去除水中微生物的方法[19,22-23]，所以可以与其他消毒技术联用，在保证出水满足饮用水标准并减少消毒副产物。

1.4 重金属

水体中的重金属和其他污染物不同，不会自然降解，微量即能对动植物产生很大的毒害作用。同样可以应用生物慢滤技术作为去除重金属的净水方法[24-25]。

Liu等[18]用生物慢滤柱对收集的雨水进行处理，稳定后对Cu2+、Fe2+、Zn2+、Cd2+、Mn2+、Pb2+的去除率分别达96%、95%、80%、95%、70%、60%以上，同时发现过滤器中形成成熟的生物膜所需时间与砂粒粒径成正比。Lucila等[26]将具有Mn2+氧化能力的MOB-181菌株介入滤池，对比发现该菌株可以缩短启动时间，实现了生物强化，改善了低温下Mn的去除过程。King-Nyamador等[27]设置不同深度的生物慢滤池处理近郊排水中的重金属(铅、铁和铜)用于灌溉蔬菜，当砂床厚度为30 cm时，铅、铁、铜去除率分别为61.23%、37.73%、66.17%；当砂床厚度提高至50 cm时，去除率相应提高至98.80%、84.07%、85.33%；床层厚度越厚，去除污染物的效率越高；同时观察到，生物膜层形成后，废水的重金属去除率更高，这突出了生物膜层对重金属吸附的重要性。

可以发现重金属在生物慢滤池中通过填料和微生物的共同作用下被去除，但是依然不够稳定和高效，且处理效果很可能不令人满意。在使用该技术去除重金属时，应当考虑与其他技术联用。

1.5 其他

生物慢滤技术在去除上述物质的同时还可以有效去除氟、色度及难降解化合物等污染物，为出水水质提供进一步的保障。但是对这些污染物质的去除大多还停留在试验阶段。

徐海明等[28]探讨用活性氧化铝作为滤料时对饮用水中氟的净化效果，在进水10 mg/L的条件下，该慢滤池对氟的去除效果较为稳定，第5天时，瞬时去除率和处理24 h后去除率为75.35%和90.15%，虽然不能稳定达到1 mg/L以下，但是依然可以认为以活性氧化铝滤料对饮用水中氟具有良好的净化效果。Kumar 等[29]使用实验室合成的氧化石墨烯(GO)和还原的氧化石墨烯(rGO)涂覆沙子增强其表面性能，以增强滤池对目标污染物微囊藻毒素(MC-LR)的吸附，实验发现，使用rGO涂层的砂在生物降解阶段MC-LR去除率最高达91%，与物理吸附阶段相比，MC-LR去除率提高了47.2%，而普通的砂作为滤料时最大MC-LR去除率为54.7%。Li等[30]在实验室以不同深度的颗粒活性炭(GAC)夹心慢砂滤池为对象，探究不同过滤速率(即0.05、0.10、0.20 m/h)下对药品和个人护理产品(PPCP)(二乙甲苯酰胺，对乙酰氨基酚，咖啡因和三氯生，浓度为25 μg/L)的去除效果，结果发现具有20 cmGAC的夹心式过滤器在0.1 m/h的速率下获得了最佳的平均去除率(98.2%)，并且最难以被降解的二乙甲苯酰胺也被GAC夹心过滤器有效去除。

在污染物质种类日益增多的环境下，该技术可以有效去除各类微量污染物质或难降解物质，这对生物慢滤技术的推广和运行具有积极意义。这也将是生物慢滤技术今后重要的研究方向之一。

2 技术比较与联用

通过对比几种处理技术的去除效果可以发现，各种处理技术都可以发挥较好的作用，但是各种技术都存在局限。生物慢滤可以较为全面且有效地去除各类污染物质，适应各类水源水，且具有运转费用低的优点，但其受滤速影响难以应对人数众多的地区，且有基建面积较大的缺点。所以可以在土地和基建费用较低且要求运转费用低的地区广泛使用。因此，应充分考虑各工艺特点及实际情况，综合考虑选择合适的工艺。各技术比较见表1。

表1 各技术处理效果及比较

同时，生物慢滤技术可以作为预处理装置与其他处理工艺联用，达到改善水质或延长后续设备使用寿命的目的。Guo等[42]使用上流式慢速生物滤池作为超滤预处理装置，该预处理装置可以去除约80%的溶解性有机物和60%以上的生物聚合物，有效降低了超滤膜的跨膜压力的增长速度，有助于延缓膜污染。Xu等[7]用氯和二氧化氯对生物滤池出水进行消毒处理，通过与超滤的比较，认为生物滤池对化合物、腐殖质类物质和蛋白类物质有更好的去除率，其能进一步减少消毒副产物的形成。

3 结论

生物慢滤技术作为一种低成本、可靠且运行简单的技术，可以有效去除各类污染物质。而对重金属等难降解物质虽然有较好的去除效果，却依然有不少出水难以满足标准的现象，并且其出水难以确保满足微生物的相关指标。但即便如此，生物慢滤技术依然可以通过其建造方便、制水成本低、能源消耗低的优势，在有上述情况时使用，以减少后续处理环节的处理成本或稳定优化水质。所以，今后的研究方向是进一步强化生物慢滤技术对重金属和其他难降解物质的去除能力，以确保设备出水达到标准或进一步改善水质。生物慢滤技术可以充分处理浊度、有机物、氨氮、金属物质等指标超标的水源水或处理雨水使其成为可靠的饮用水。可以预计，该技术将会在单户或几户的小型处理设备中广泛应用，同时如果土地资源充足，该技术可以开发为集中式大型设备向更多家庭或整个村子供水。同时，可以凭借其优势，与其他技术联用进一步提高设备的处理效能。可以看到，生物慢滤技术具有广阔的应用前景，有利于保障农村饮用水水质，并对城市饮用水处理具有重要借鉴意义。