生物慢濾技術(shù)用于飲用水水質(zhì)凈化的研究進(jìn)展

＊邢娜 韓佳 金林 張鵬舉 劉賀榮 德小明 徐海明*

（1.寧夏醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生與管理學(xué)院 職業(yè)衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學(xué)系 寧夏 750004 2.寧夏吳忠市疾病預(yù)防控制中心 寧夏 751100 3.寧夏回族自治區(qū)疾病預(yù)防控制中心 寧夏 750003 4.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì) 寧夏 750021）

1.生物慢濾池的概念和原理

隨著全球經(jīng)濟(jì)文化的不斷進(jìn)步，工業(yè)技術(shù)和農(nóng)業(yè)集約化的不斷發(fā)展，居民生活水平的不斷提高，民眾對(duì)用水量和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求在不斷提高，水資源開發(fā)不合理的問題日益突出。在這個(gè)時(shí)代背景下，各國都在積極研發(fā)新的可持續(xù)的凈水技術(shù)。

在諸多水處理技術(shù)中，生物慢濾技術(shù)是集綜合機(jī)械過濾、靜電吸附、沉淀、生物吸附降解等物理、化學(xué)和生物作用的環(huán)境友好型水處理技術(shù)。濾料對(duì)懸浮顆粒物的機(jī)械篩濾作用、濾料表面的微生物層對(duì)有機(jī)污染物的吸附、轉(zhuǎn)化作用以及對(duì)病原體的捕食作用，對(duì)水質(zhì)凈化發(fā)揮著重要作用。生物慢濾池各層由砂石、細(xì)砂和粗砂按照一定比例構(gòu)成，在慢濾池運(yùn)行的最初階段，由于各層濾料孔隙之間小于原水中固體顆粒的粒徑，因此慢濾池的表層會(huì)截留部分固體物質(zhì)以及部分有機(jī)物。培養(yǎng)一段時(shí)間后（通常情況下是15～25天左右），慢濾池表面會(huì)形成一層生物濾膜（黏膜），濾膜由有機(jī)成分、無機(jī)碎片以及顆粒物質(zhì)組成，主要通過濾膜微生物的作用來完成水的凈化。究其原因，是因?yàn)楸韺訛V膜內(nèi)繁殖著種類各異、數(shù)量繁多的微生物群體。此外，污染物濃度、環(huán)境溫度、pH值、濾速等都是影響水質(zhì)凈化效果的重要因素。與其他常規(guī)水處理技術(shù)相比，生物慢濾技術(shù)具有構(gòu)造簡單、容易操作、經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)，對(duì)于解決水資源匱乏地區(qū)飲用水問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

2.生物慢濾池的發(fā)展過程及工藝特點(diǎn)

早在19世紀(jì)初期，英國的工程師們就發(fā)明了生物慢濾技術(shù)。但是，任何一項(xiàng)新技術(shù)從誕生到廣泛應(yīng)用總不是一帆風(fēng)順的，生物慢濾技術(shù)亦是如此。由于生物慢濾池的水力負(fù)荷低、占地面積較大等諸多因素的限制，該項(xiàng)技術(shù)被快速過濾技術(shù)逐步取代（20世紀(jì)初）。快濾池技術(shù)主要是應(yīng)用粒狀濾料（石英砂、煤、礦石等）對(duì)自來水進(jìn)行快速過濾，從而達(dá)到截留水中懸浮固體、部分細(xì)菌以及微生物的目的。經(jīng)歷了漫長的技術(shù)沉淀后，北美一些國家（美國、加拿大等）陸續(xù)引進(jìn)了生物慢濾工藝，并開始研發(fā)操作簡易、經(jīng)濟(jì)性好的適用于小型社區(qū)的凈水設(shè)備，至此生物慢濾技術(shù)又重新被應(yīng)用到生活中，并將該工藝置于快濾池之后，作為控制水中污染物質(zhì)的一種有效方法。此后，亞洲一些國家（中國、日本、韓國等），甚至在一些不發(fā)達(dá)國家，都陸續(xù)引入了生物慢濾技術(shù)，將其應(yīng)用到人畜飲用水處理中[3]。

在設(shè)備基礎(chǔ)建設(shè)方面，慢濾池工藝主要有以下特點(diǎn)。 第一，生物慢濾池結(jié)構(gòu)簡單。可以根據(jù)用水人數(shù)的多少靈活選擇慢濾池的大小；第二，對(duì)建筑材料沒有特殊要求。可以根據(jù)具體條件靈活選擇堅(jiān)固耐用的建筑材料，根據(jù)選用的建筑材料的種類，選擇適當(dāng)?shù)钠鲋に嚕坏谌瑢?duì)濾料沒有嚴(yán)苛的要求。可以根據(jù)施工地區(qū)的實(shí)際條件，采用相應(yīng)的均質(zhì)單一的濾料，如石子、石英砂、細(xì)砂或者粗砂；第四，對(duì)地形沒有嚴(yán)格的要求。可以根據(jù)施工地區(qū)實(shí)際的地形條件，科學(xué)設(shè)計(jì)慢濾池。上述特點(diǎn)為生物慢濾工程設(shè)施建設(shè)和維護(hù)帶來諸多便利。

在運(yùn)行管理與維護(hù)方面，生物慢濾池有以下特點(diǎn)。第一，生物慢濾池運(yùn)行簡單便捷。其運(yùn)行既不需要外部的機(jī)械力，也不需要投加任何的化學(xué)藥劑，操作方便，耗電量少，成本低廉，容易被經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)居民接受；第二，生物慢濾池管理簡單便捷。管理甚至可以由少數(shù)非專業(yè)人員來操作完成，管理人員只需要對(duì)進(jìn)水水質(zhì)、流速控制以及出水水質(zhì)等情況進(jìn)行監(jiān)測即可，可以較大程度地降低人工管理成本；第三，生物慢濾池維護(hù)簡單便捷。在運(yùn)行一段時(shí)間之后，生物慢濾池的出水速度會(huì)減慢。這種情況下，需要刮掉濾料表層（生物黏膜）2～3cm的砂子，將濾料取出清洗。清洗完畢后，再將濾料按照之前的順序重新鋪好即可。通常情況下，可采用人工清洗的方式，每2～4個(gè)月清洗一次，這充分體現(xiàn)了生物慢濾池便于維護(hù)的特點(diǎn)。

一系列研究表明，生物慢濾技術(shù)可高效去除水體中的各種致病微生物（賈第蟲、隱孢子蟲等）和病毒，可有效去除水體中的有機(jī)物、氨氮、鐵、錳等物質(zhì)，可有效改善水體濁度和色度。正是基于此，生物慢濾技術(shù)特別適用于農(nóng)村小型供水系統(tǒng)及城鎮(zhèn)。例如，在泰國和印度的農(nóng)村飲用水處理中，廣泛采用了慢濾技術(shù)；再如，在英國倫敦，部分市政供水都是通過慢濾來處理的[4-9]。

3.生物慢濾池在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀

因?yàn)槌鏊|(zhì)優(yōu)良以及簡單便捷的建設(shè)、運(yùn)行管理與維護(hù)要求，生物慢濾技術(shù)逐漸得到國內(nèi)工程人員的重視，并將其應(yīng)用到給水處理及污水深度處理領(lǐng)域。一個(gè)具有代表性的例子是，大連市建成了我國第一個(gè)采用生物濾池工藝的城市污水處理廠-馬欄河污水處理廠。隨著生物慢濾池在國內(nèi)的不斷推廣和普及，國內(nèi)多所科研院所（如清華大學(xué)、太原理工大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)等）的研究人員對(duì)生物慢濾池進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，在慢濾池結(jié)構(gòu)、濾料和功能等方面進(jìn)行了較為深入的研究，取得了一定的成果。

研究表明，生物慢濾池可以有效的去除水中的細(xì)菌、大腸桿菌等微生物、有機(jī)污染物，同時(shí)對(duì)污水具有一定的凈化效果[1-2]。例如，趙晶等人較為系統(tǒng)地研究了生物慢濾技術(shù)對(duì)鄰苯二甲酸二己酯（DHP）的生物降解行為。結(jié)果表明，曝氣生物濾池對(duì)DHP的降解效果良好（溫度為25℃，空床接觸時(shí)間為8h），去除率可高達(dá)95.5%。隨著溫度的升高和空床接觸時(shí)間的增加，曝氣生物濾池對(duì)DHP的去除率逐漸提高，空床接觸時(shí)間為影響去除效果的主要因素。出水中可檢測到鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸單丁酯、鄰苯二甲酸二甲酯等多種降解產(chǎn)物[11]。再如，劉杰等人的研究結(jié)果表明，在濾速為0.1m3/h，水溫為17℃～20℃，采用粒徑為0.4～ 0.6mm，濾層厚度為800mm的石英砂做濾床時(shí)，慢濾池對(duì)二級(jí)出水具有較好的凈化效果。進(jìn)一步的研究表明，慢濾池的濾速、濾層厚度、水溫均對(duì)慢濾池深度處理污水的性能有一定影響[12]。

近年來，研究人員對(duì)傳統(tǒng)生物慢濾技術(shù)做了許多的改進(jìn)。例如，在慢濾之前增加粗濾池來處理濁度較高的原水；在慢濾之前增加臭氧預(yù)處理工藝，將復(fù)雜的天然有機(jī)物變?yōu)楹唵我捉到獾挠袡C(jī)物；在慢濾池中填加一層粒狀活性炭來吸附有機(jī)物等。以上做法拓寬了慢濾工藝的應(yīng)用范圍，使其可以處理的水源范圍更廣，可以去除的污染物種類更多。除了能去除細(xì)菌、病毒以及病原性微生物外，還可高效去除人工合成有機(jī)物、天然有機(jī)物、重金屬、腐殖質(zhì)等污染物質(zhì)[12-15]。

4.生物慢濾技術(shù)應(yīng)用過程中存在的主要問題及相應(yīng)對(duì)策

目前，生物慢濾技術(shù)的研究多處于實(shí)驗(yàn)階段，表現(xiàn)出良好的處理效果。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，往往會(huì)面臨一系列問題，最終影響生物慢濾的處理效果。現(xiàn)簡述如下：

第一，基于生物慢濾技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究多為長期連續(xù)性實(shí)驗(yàn)，間歇期后的二次啟動(dòng)是較為突出的問題。下一步，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)探討生物慢濾間歇期微生物生存條件的限制因素以及二次啟動(dòng)后如何快速使微生物恢復(fù)活性（如添加何種營養(yǎng)物質(zhì)等）。第二，傳統(tǒng)生物慢濾技術(shù)對(duì)氟、砷等污染物的去除效果不夠穩(wěn)定。下一步，建議重點(diǎn)探討慢濾技術(shù)與其他水處理技術(shù)（如吸附）的聯(lián)用，進(jìn)一步提升去除效果。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件，因地制宜。第三，針對(duì)長時(shí)間運(yùn)行后對(duì)濾料層進(jìn)行清污問題，應(yīng)當(dāng)關(guān)注如何改進(jìn)工藝參數(shù)以降低清污操作對(duì)濾料表層微生物的影響。第四，隨著納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在多種環(huán)境介質(zhì)（包括環(huán)境水體）中都可以檢測到納米顆粒。因此，建議關(guān)注納米顆粒在生物慢濾體系中的遷移轉(zhuǎn)化問題。第五，以往的研究表明，生物慢濾系統(tǒng)對(duì)病毒有一定的去除效果。下一步，建議關(guān)注生物慢濾系統(tǒng)對(duì)新型病毒的去除效果。另一方面，還應(yīng)關(guān)注病毒對(duì)慢濾系統(tǒng)中微生物的不利影響[16-19]。

5.結(jié)論及展望

作為一種綠色水處理技術(shù)，傳統(tǒng)生物慢濾技術(shù)在去除水中的細(xì)菌、有機(jī)污染物、濁度等方面比較有效。針對(duì)該技術(shù)在運(yùn)行過程中存在的問題，研究人員進(jìn)行了一系列改進(jìn)，如對(duì)濾料表面結(jié)構(gòu)及濾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，與其他技術(shù)聯(lián)用（如膜技術(shù)、粗濾技術(shù)）等。改進(jìn)型生物慢濾技術(shù)在污染物、重金屬去除等方面進(jìn)一步提升。現(xiàn)階段，盡管慢濾池的使用具有局限性，但是在條件適宜的情況下，使用慢濾池來凈化水質(zhì)，可以獲得安全、穩(wěn)定、可靠的凈水。從長遠(yuǎn)來看，生物慢濾技術(shù)對(duì)保障經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)飲用水安全具有重要的意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。