石漠化地區(qū)集雨飲用水水質(zhì)安全處理技術(shù)研究

文_楊 青（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，教師，講師）

農(nóng)村飲水安全是指農(nóng)村居民能夠及時(shí)、方便地獲得足量、潔凈、負(fù)擔(dān)得起的生活飲用水，其評價(jià)指標(biāo)包括水質(zhì)、水量、用水方便程度和供水保證率四個(gè)方面。農(nóng)村飲水安全工程是一項(xiàng)推動(dòng)實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、全面建成小康社會(huì)的重大民生工程。為解決石漠化地區(qū)農(nóng)村飲用水安全問題，20世紀(jì)90年代初，當(dāng)?shù)卮迕裨谡闹笇?dǎo)和資助下，修建收集雨水的分散供水工程（蓄水池）。2020年給蓄水池加蓋，以減少水分蒸發(fā)，防止污染物掉入。已建成的蓄水池能夠積蓄大量雨水，基本滿足村民生活用水的需求，但由于未配套設(shè)置水質(zhì)處理和消毒設(shè)施，無法保障飲用水安全。大數(shù)蓄水池水質(zhì)指標(biāo)中的色度、渾濁度、pH值、肉眼可見物、菌落總數(shù)、總大腸菌群等不能滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，嚴(yán)重影響村民的身體健康。為凈化水質(zhì)，保障飲用水安全，選擇廣西河池市東蘭縣三弄瑤族鄉(xiāng)全洞村不同類型集流場的蓄水池所采用水質(zhì)凈化處理技術(shù)作為研究對象。

東蘭縣三弄瑤族鄉(xiāng)集雨水柜

露天地頭水柜

藻類密布的地頭水柜

一、集雨蓄水池水質(zhì)安全現(xiàn)狀調(diào)查與評價(jià)

廣西28個(gè)縣的大石山區(qū)面積占全縣面積的40%以上，正在使用的家庭水柜有6.5萬多個(gè)，有50多萬人使用集雨水柜。自2015年7月開始，選擇廣西河池市東蘭縣三弄瑤族鄉(xiāng)全洞村進(jìn)行集雨飲用水水質(zhì)安全的調(diào)查和研究工作，根據(jù)集流方式、集流場地、蓄水池上沿與地面的高差、是否加蓋等要求，選擇20個(gè)水柜進(jìn)行研究。水質(zhì)監(jiān)測頻率為每年2次，監(jiān)測時(shí)間分別為每年的7月（雨季）和1月（旱季），連續(xù)監(jiān)測3年。

監(jiān)測的水質(zhì)指標(biāo)包括感官性狀指標(biāo)——色度（鉑鈷色度）、渾濁度（散射渾濁度）及肉眼可見物，一般化學(xué)指標(biāo)——pH值，微生物指標(biāo)——菌落總數(shù)和總大腸菌群等6個(gè)指標(biāo)，按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749——2006）評價(jià)水質(zhì)情況，采用單因子指數(shù)法進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，3種集流場20個(gè)水柜的色度、渾濁度、菌落總數(shù)、總大腸菌群均有不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，個(gè)別水柜的pH值偏堿性。集流場為自然坡面的水柜水質(zhì)最優(yōu)，集流場為庭院的水質(zhì)最劣。雨季水質(zhì)的色度、渾濁度、肉眼可見物含量均高于旱季，無蓋且集水面位于地下的水柜水質(zhì)污染最為嚴(yán)重，尤其是色度、渾濁度和微生物學(xué)指標(biāo)。

二、集雨蓄水池水質(zhì)污染的原因及途徑分析

集雨蓄水池的水質(zhì)污染程度與大氣環(huán)境質(zhì)量、集流方式、集流場地及場地材料、集流口和地面的相對位置關(guān)系、是否加蓋、用水習(xí)慣、日常維護(hù)管理等因素有關(guān)。

集雨水柜水面漂浮物污染

集雨水柜容積小用途多

（一）降雨時(shí)空氣中的污染物流入蓄水池

大氣相當(dāng)于雨水的源頭，大氣環(huán)境質(zhì)量影響降雨的質(zhì)量。空氣中的氣態(tài)污染物（SO2、NOx、NH3、H2S等）、顆粒態(tài)污染物（PM10、PM2.5等）、農(nóng)藥等揮發(fā)性有機(jī)物、氣溶膠等污染物隨著降雨進(jìn)入蓄水池，雨水在落地前就被污染。

（二）集流場上的污染物是造成蓄水池水質(zhì)變差的主要原因

集流場分為庭院集流場、屋頂集流場和坡面集流場3種類型。偏遠(yuǎn)農(nóng)村的庭院集流場通常具有多種功能，不下雨時(shí)晾曬谷物、衣物，堆放農(nóng)具、化肥、農(nóng)藥等，降雨時(shí)雨水沖刷集流場上的污染物，攜帶生活垃圾、動(dòng)物糞便、建筑施工材料廢棄物、堆積肥料和農(nóng)藥殘留物、草垛及落葉等有固態(tài)廢棄物碎屑進(jìn)入蓄水池導(dǎo)致水質(zhì)變差，也導(dǎo)致雨水的水質(zhì)因空間及時(shí)間的不同而有所差異。屋頂集流場又分為瓦屋面收集和混凝土屋面收集，瓦屋面因人為活動(dòng)干擾小，所以雨水水質(zhì)較好；混凝土屋面雨水水質(zhì)相對復(fù)雜，人員活動(dòng)頻繁，人為干擾大。大石山區(qū)農(nóng)村水柜大多分布在半山腰，調(diào)查樣本中32%的水柜集流面是自然坡面，其中，90%的集流坡面較平緩，坡面有植被覆蓋，坡面集流場的雨水水質(zhì)較優(yōu)。

（三）雨季路面污染物流入蓄水池

部分蓄水池邊沿位于地下或半地下，雨水?dāng)y帶地面垃圾、動(dòng)物糞便等污染物流入蓄水池，導(dǎo)致色度、渾濁度、有機(jī)物及微生物超標(biāo)。

（四）長時(shí)間儲(chǔ)水水質(zhì)變差

由于蓄水池的水是不流動(dòng)的，屬于“死水”，水中含氧量降低，厭氧菌大量繁殖，水中的有機(jī)物得不到有效降解，最后發(fā)酵、變質(zhì)，使水體發(fā)臭。

露天水柜水質(zhì)檢測現(xiàn)場

三、水質(zhì)凈化技術(shù)研究

現(xiàn)有的凈水設(shè)備對集雨蓄水池的水質(zhì)凈化能力不足。西部偏遠(yuǎn)地區(qū)用水農(nóng)戶居住分散，一戶一個(gè)小山頭，這決定了水質(zhì)凈化設(shè)備的研制方向主要是針對以單個(gè)家庭為用水單元的小型或者微型設(shè)備，需解決的集雨水質(zhì)污染問題則是水體渾濁和微生物超標(biāo)問題。盡管目前市場上已有許多供家庭使用的凈水器，但這些凈水器對城市自來水進(jìn)行二次凈化，主要去除水中重金屬物質(zhì)、礦物質(zhì)等，雨水處理效果無法體現(xiàn)，且初期投入及日常維護(hù)費(fèi)用較高，農(nóng)戶難以承受。為解決該問題，項(xiàng)目組成員就蓄水池水質(zhì)凈化技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，因地制宜，形成“物理處理技術(shù)+化學(xué)處理技術(shù)+生物處理技術(shù)”的集雨蓄水池水質(zhì)凈化處理方案。

（一）水質(zhì)凈化處理技術(shù)

1.源頭預(yù)防、衛(wèi)生防護(hù)是關(guān)鍵

地處偏遠(yuǎn)山區(qū)的農(nóng)村受工業(yè)污染影響較小，雨水中的污染物大部分來源于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活污染，設(shè)置衛(wèi)生防護(hù)距離是保護(hù)飲用水源的有效途徑。在蓄水池周圍劃定防護(hù)距離，防護(hù)距離內(nèi)不允許建化糞池、禽舍等，不能堆放農(nóng)具、農(nóng)藥、化肥和生活垃圾，蓄水池池沿應(yīng)高出地面30～50厘米。集流場應(yīng)保持清潔衛(wèi)生，定期打掃枯枝落葉和清除鳥糞。密閉蓄水池可以有效攔截流入蓄水池的污染物，還能減少水分蒸發(fā)，既能保護(hù)水質(zhì)又能調(diào)節(jié)水量。

2.“棄流”初期雨水

沖刷集流場的初期雨水污染物濃度最高，應(yīng)做“棄流”處理以降低蓄水池污染物的原始濃度，棄流的雨水可用來沖洗廁所等。棄流量根據(jù)集流場面積和3毫米降水量來確定，在集流口安裝“棄流”裝置來控制棄流量。棄流裝置及其工作原理：初期雨水棄流裝置是一個(gè)帶有控制閥的棄流池，設(shè)置浮球控制閥，浮球控制閥隨著棄流池水位的增加而上升，當(dāng)達(dá)到設(shè)定水位的高度時(shí)，浮球閥進(jìn)入雨落管內(nèi)堵住雨落管出口，棄流池被完全關(guān)閉，后續(xù)的雨水沿著雨水收集管道進(jìn)入水質(zhì)預(yù)處理構(gòu)筑物內(nèi)進(jìn)行處理。

3.物理處理技術(shù)

在蓄水池前設(shè)沉砂池，蓄水池底部安裝慢濾系統(tǒng)。沉砂池及慢濾系統(tǒng)工作原理：在蓄水池前增設(shè)一個(gè)沉砂池，雨水在沉砂池停留一定的時(shí)間后，雨水中粒徑大于0.20毫米，密度大于2650千克/立方米的沙粒將沉降到沉砂池的底部，雨水的渾濁度可降低到3度。在蓄水池底部安裝慢濾系統(tǒng)，慢濾系統(tǒng)由兩層濾料組成，上層為30～40厘米厚的純石灰?guī)r中粗顆粒，下層為50～80厘米厚且粒徑為0.30～1毫米的石英砂或普通河砂。通過慢濾系統(tǒng)的水質(zhì)濁度近乎零，有機(jī)物、微生物等均得到降解。慢濾系統(tǒng)不需要額外的動(dòng)力裝置和化學(xué)藥劑，管理簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，凈化成本低，可應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)水平、管理水平低和技術(shù)落后的廣大農(nóng)村地區(qū)。

家庭水柜

農(nóng)村集中供水工程

4.化學(xué)處理技術(shù)

（1）加混凝劑使水質(zhì)澄清。水質(zhì)凈化用的混凝劑大致可以分為無機(jī)混凝劑、有機(jī)混凝劑和高分子混凝劑3類。混凝過程就是在水處理過程中加入混凝劑，使雜質(zhì)產(chǎn)生凝聚、絮凝的過程，達(dá)到去除濁度和細(xì)菌的效果。絮凝劑有很多品種，根據(jù)水柜水質(zhì)情況選擇混凝效果好、無毒害作用、成本低和管理方便的混凝劑，通過混凝試驗(yàn)計(jì)算混凝劑的投加量，避免過度使用從而引入其他污染物。

（2）加醋酸調(diào)節(jié)pH值。石漠化地區(qū)飲用水的pH值在6.5～8.5范圍，偏堿性的飲用水可以用食用醋進(jìn)行調(diào)節(jié)，使水質(zhì)的pH值降至安全范圍。食用醋投加量根據(jù)水量和pH值來計(jì)算。食用醋調(diào)節(jié)pH值簡單、方便、快捷，但是蓄水池內(nèi)襯大多為堿性的水泥層，耐酸性差，醋酸不能直接投入到水柜中，但新建的水泥池在蓄水前可以用食用醋來除堿。

5.消毒技術(shù)

為解決菌落總數(shù)、總大腸菌群超標(biāo)問題，杜絕傳染病的發(fā)生和流行，保證人體健康，生活飲用水必須進(jìn)行消毒處理。目前我國用于飲用水消毒的方法主要有漂白粉消毒、紫外線消毒和臭氧消毒。農(nóng)村分散式供水適合用漂白粉消毒，每天的早晨和午后向蓄水池內(nèi)投加漂白粉溶液，投加量根據(jù)蓄水量來計(jì)算，也可以根據(jù)蓄水池的直徑計(jì)算漂白粉溶液和水面高度關(guān)系來選擇投加量。

6.生物處理技術(shù)——土壤過濾技術(shù)

土壤過濾技術(shù)是生物處理技術(shù)之一，土壤過濾對于營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬有較好的袪除效果，適合處理渾濁度和有機(jī)物含量較高的初期“棄流”雨水和農(nóng)村生活污水，土壤中含有有機(jī)質(zhì)、植物根系及微生物，這些物質(zhì)對水質(zhì)的色度、濁度及有機(jī)物的處理效果明顯。經(jīng)過土壤過濾系統(tǒng)的初期雨水和生活污水，可用于清洗廁所、清掃禽舍、澆花種菜等。

土壤過濾系統(tǒng)

（二）水質(zhì)處理工藝

采用“分質(zhì)分類”水質(zhì)處理原則，將“棄流”的初期雨水和棄流后的雨水分開處理，“棄流”的初期雨水和生活污水中的有機(jī)物含量較高，可采用土壤過濾系統(tǒng)處理，經(jīng)土壤過濾系統(tǒng)過濾后，水中有機(jī)物降解率可達(dá)95%，細(xì)菌去除率達(dá)90%以上，達(dá)到“中水”水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可作為景觀用水、清掃農(nóng)舍、禽舍用水，能有效緩解水量的不足的問題。棄流處理后的雨水水質(zhì)處理，以使渾濁度、色度及微生物指標(biāo)達(dá)標(biāo)為主，可通過絮凝沉淀、慢濾技術(shù)和消毒工藝進(jìn)行處理。雨水進(jìn)入慢濾系統(tǒng)前已經(jīng)在沉砂池、調(diào)節(jié)池進(jìn)行預(yù)處理，過濾掉粒徑較大的顆粒物，通過調(diào)節(jié)pH值，緩解慢濾系統(tǒng)的處理壓力。水經(jīng)過慢濾系統(tǒng)后，水質(zhì)渾濁度得到極大改善，有機(jī)物得到有效降解，大部分微生物得以去除。經(jīng)過消毒池的漂白粉消毒殺菌，微生物被進(jìn)一步處理，水質(zhì)檢測微生物指標(biāo)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749——2006）的要求。

雨水水質(zhì)凈化及利用工藝流程圖

四、結(jié)語

目前，我國西南偏遠(yuǎn)地區(qū)仍有300萬人依靠收集雨水解決飲用水問題，飲用水水量安全已基本滿足，但水質(zhì)安全問題還比較突出，大部分集雨飲用水系統(tǒng)缺乏過濾和消毒裝置，蓄水池的色度、渾濁度、pH值、微生物等指標(biāo)超標(biāo)。水質(zhì)超標(biāo)的原因和蓄水池的內(nèi)襯材料、集流場地、水池邊沿和地面的高度差及村民的衛(wèi)生習(xí)慣等有關(guān)。大量的監(jiān)測調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，偏遠(yuǎn)山區(qū)遠(yuǎn)離工業(yè)污染源，雨水水質(zhì)良好，蓄水池水質(zhì)污染受集流場、蓄水池周邊環(huán)境的影響較大，蓄水池周邊及集流場設(shè)置安全防護(hù)距離能夠有效阻止污染物進(jìn)入蓄水池。同時(shí)，長期儲(chǔ)存在蓄水池的雨水容易滋生細(xì)菌，已建成的蓄水設(shè)備、場地不能改變，只能因地制宜，針對不同類型的家庭水柜開展水質(zhì)凈化消毒新技術(shù)試點(diǎn)工作，推廣設(shè)備簡單、管理方便、運(yùn)行成本低的凈水設(shè)備。