農村飲用水凈化機制及調控研究

田 麗

(東營市小清河管理服務中心，山東 東營 257300)

0 引言

隨著國家飲水安全戰略的提出，計劃在2035年基本完善全國范圍內的飲水安全保障體系，用以保障群眾的用水安全并建成符合社會主義現代化國家的飲用水保障系統[1-2]。在政策大方向的指導之下，需要對城鄉飲用水供水系統做出調查研究，目前相較于城鎮，農村地區由于凈水設備較為落后導致居民飲水安全問題較為突出，對農村地區的飲水凈化和調控成為當務之急[3]。目前對于農村地區飲水凈化和處理的方式，多借鑒于城鎮地區的相關調控和凈化經驗，即采購大量供水、凈水設備。但由于農村地區飲水供給系統中所存在的污染物主要以懸浮顆粒物、氨氮、致病微生物為主[5]，且多數未考慮農村地區實際情況，因此往往造成凈水工藝流程復雜化、設備維護困難、設備能耗量太大造成農村電力系統超載等一系列問題，最終反而使得飲水凈化未能達到預期效果。隨著生物膜技術的發展，目前以餅層過濾為核心的重力驅動膜濾飲水凈化技術(GDM)以其能耗量低、凈化效果高等優勢逐漸推廣應用，對于其實際凈化效果不少學者進行了研究論證，如，趙博[6]總結了超濾在地表水、廢水、灰水、雨水回收及海水預處理領域的應用，并針對重力驅動膜的運行特征進行了分析，通過對家庭飲用水和海水的處理結果發現重力驅動膜具備納米級除污效果且依靠間歇式運作模式使得能耗量進一步降低。

本文以某地農村飲用水水源為對象，通過結合緩速濾池(GAC)與膜濾飲水凈化技術(GDM)進行飲水凈化試驗，并針對其凈水效果、膜通透量變化及污染物變化特征進行研究分析，為實際農村地區的飲用水凈化及調控提供參考。

1 研究概況

飲用水源位于某市西北部的農村區域，近5年當地年均地表水資源總量達98億m3，地下水資源總量達18.5億m3，其合計水資源總量達116.5億m3，人均水資源量約為3287m3，耕地平均每畝占有水資源總量約為4256m3。研究區域近5年平均降雨量為1253m3，近5年平均的徑流深度約為736mm，年均產水模數達74m3/km2。當地過境水量約為357億m3，研究區域水資源利用率約為8.4%，遠低于所屬地級市的平均水平。

依照GB 5749—2022《生活飲用水衛生標準》，2020年該地級市飲水不安全的農村人口多達121.4萬人，其中所研究的農村區域飲水不安全的人口為2.65萬人，約占該地級市的2.2%。其中該市飲水不安全的人口中引用地表水的人數占比為63.2%，飲用地下水的人數占比為26.8%；研究區域飲水不安全的人口引用地表水的人數占比為79.8%，飲用地下水的人數占比為20.2%。按照水質、水量、飲水方便程度、飲水保證率4個飲水安全指標進行劃分，其中本文研究區域飲水水質不達標人數占飲水不安全人數總量的32.6%，引用水量不達標人數占飲水不安全人數總量的38.3%，飲水不便者占比為20.5%，飲水保證率不達標者占8.6%。在水質不達標問題中，鐵錳碘等元素超標人數為1246人，細菌指標超標人數為3143人，污染水超標人數為2986人，飲水苦咸人數為1264人。

2 研究方法

2.1 試驗用水水質檢測

本文取當地農村區域未做加工處理的飲用水源為試驗用水，采用紫外分光光度計、TOC檢測儀、氣相分子吸收法分別對水中的UV254濃度、可溶性有機碳(DOC)濃度、和氨氮濃度進行測定，其中測得未做任何處理的試驗用水(后文簡稱原水)的水質各參數見表1。

表1 原水水質各參數測量結果

2.2 試驗裝置

考慮到GDM凈水技術存在的缺陷問題，結合緩速濾池GAC對其進行優化處理并構建出了如圖1所示的GAC/GDM凈水工藝流對試驗用水進行凈化處理[7-8]。

圖1 試驗組合裝置工藝流程

將試驗用原水儲存于水桶中，水桶通過重力自流的方式流入恒位水箱之中，并在水箱中停留1h，通過配水管道流入到GAC緩速濾池之中過濾處理，過濾處理完成后出水流入至超濾膜組件中進行過濾處理。其中GAC池底面積為20cm2，濾池高度為50cm，濾池內部放置GAC顆粒用以過濾，設計流動水速為0.0007L/h。超濾膜組件與緩速濾池之間設計高度差為60cm，用以作為重力驅動壓力，在裝置底部放置集水瓶收集凈化后的水體并取樣測定各參數。同時，設置對照組，即應用GDM凈水技術不做GAC過濾。為了研究不同的凈水運行方式對裝置運行效率的影響，設置循環組(CGAC/GMD)和曝氣組(AGAC/GMD)，其中循環流量設置為2.5L/h，曝氣量設定為1.25m3/(m2·h)，每組分別測定3次，且每日定時查看GDM膜通量和水質變化情況。試驗中GAC顆粒粒徑為1.5mm，GDM中使用的超濾膜類型為平板膜。

3 結果分析

3.1 GDM膜通量變化分析

GMD凈水技術能否應用于實際凈水的重要標準是其膜通量的穩定性。通過持續的監測記錄，得到了對照組、試驗組和循環組、曝氣組4者在凈水過程中的超濾膜膜通量變化趨勢。

裝置運行過程中各組超濾膜膜通量隨時間的變化趨勢圖和運行最后10d的膜通量統計結果如圖2所示。從圖2中可以看出，在裝置運行的60d中，各組的膜通量變化趨勢較為相近，均可分為2個階段，其中1～7d為第1階段，8～60d為第2階段。在第1階段過程中，隨時間進行膜通量下降幅度較大，對照組、試驗組(GAC/GMD)、循環組(CGAC/GMD)和曝氣組(AGAC/GMD)的通量大小下降程度也較為接近，造成此種現象的可能原因在于試驗過程中過濾膜均采用不清洗的形式，致使降污過程中污染物在膜表面累積并形成濾餅層污染；第2階段過程中，隨時間進行，各組的膜通量變化均區域穩定，不再大幅度減小，但相較于對照組，試驗組、循環組和曝氣阻的最終膜通量分別提高了約29%、33%和42.7%，此結果表明對比不做任何處理的GDM技術，采用GAC/GDM組合的凈化工藝能夠顯著提高GDM的膜通量大小，且在組合工藝中采取循環和曝氣處理更有利于膜通量的提高。其中曝氣處理對膜通量提升效果最大，主要原因在于曝氣處理提高了水中的溶解氧量，有利于水中微生物對濾餅層污染物的消除。

圖2 裝置運行過程中的膜通量隨時間變化情況

3.2 有機質去除效能分析

對于水中有機質本文采用UV254進行表征，UV254大小為水中有機質在254nm波長中的吸光度大小，可以有效反映水中的腐殖質和芳香化合物等大分子有機質的含量。借助紫外光分光光度計測得的UV254隨時間變化和其去除效果如圖3(a)—(b)所示。待GDM通量穩定后，使用TOC檢測儀分別對對照組、試驗組、循環組和曝氣組水中的可溶性有機碳(DOC)含量進行測定并得到其去除率如圖3(c)所示。

圖3 UV254及COD隨時間變化的去除效果

從圖3中可以看出在原水之中UV254濃度為0.053cm-1，在經過對照組膜濾之后，UV254濃度下降了約6%左右，但縱觀整個周期內的變化過程，對照組試驗中UV254濃度變化波動較大，期間可能會出現UV254含量大于原水的情況，其原因在于被截留在膜中的大分子物質在微生物的作用下分解產生小分子物質，進而透過膜體導致水質的污染程度加重。在采用GAC/GDM的組合工藝中，可以看出UV254含量顯著下降，對UV254的去除率平均值達到了73%左右，主要原因在于GAC顆粒物對大分子有機質有吸附作用，且基于緩速濾池的低濾速，有利于水中微生物對有機質的充分降解。但循環組和曝氣組的平均去除率均低于試驗組，表明循環和曝氣的作用會加速微生物水解作用，使截留的大分子有機物通過水解作用穿過超濾膜。

從圖3(c)中可以看出對照組對水中有機碳DOC的去除率最低，因此在水中溶解性有機碳含量較高時，不能僅采用GDM對水質進行加工處理。而相較于對照組，試驗組的DOC去除率最高，大于80%，其次為曝氣組和循環組，其原因與UV254的去除效果相一致，此處不再過多贅述。

3.3 氨氮去除效能分析

氨氮作為水體常見污染物之一，由于其親水性和小分子等特性，因此常規的濾水技術難以對其進行去除，為了評價本文GAC/GDM的組合工藝水質凈化效果通過氣相分子吸收法分別對對照組、試驗組、循環組和曝氣組處理過的水質進行氨氮濃度測定，得到了的氨氮濃度隨時間的去除結果如圖4所示。

圖4 氨氮濃度隨時間的去除率效果

從圖4中可以看出在短期處理過程中，由于GAC對氨氮的吸附效果較差，因此各組對氨氮的去除效果均較低，但在10～20d階段中，氨氮去除效果大幅提升，對照組提升至80%左右，其余各組均在96%以上，其原因在于隨著過濾的進行，GDM表面產生濾餅層，使氨氮產生了硝化作用從而大幅降低氨氮濃度，GAC/GDM組合工藝則在此基礎之上通過GAC緩速濾池的微生物吸附作用進一步加大了氨氮濃度的生物分解效應，循環組和曝氣組則在此基礎之上，強化了生物作用，使得相較于對照組，試驗組、循環組和曝氣組的去除率進一步提升。但在20d之后，受制于原水的氨氮濃度波動效果和水體本身的氨氮濃度已較低，使得氨氮濃度難以大幅度去除，因此維持穩定狀態，結果表明在GAC緩速濾池優化下GDM凈水系統能夠大幅提升原水的氨氮去除效果。

4 結論

本文以某地農村飲用水水源為對象，結合緩速濾池(GAC)與重力驅動膜濾飲水凈化技術(GDM)進行飲水凈化試驗，結果表明GAC/GMD組合工藝將最終膜通量提高約29%、增加曝氣處理提高水中溶氧量增加微生物活性的方法提升42.7%；GAC顆粒物對大分子有機質有吸附作用，結合緩速濾池的低濾速大幅提高原水中有機質去除效果，但增加循環和曝氣處理產生的水解作用使截留的大分子有機物通過水解作用穿過超濾膜造成水體污染；GAC/GDM組合工藝在長期作用下能夠大幅截留氨氮，可應用在農村飲用水凈化處理中。由于試驗數據存在一定誤差，在應用中需要進行再次確認。