生物慢濾技術(shù)及其推廣應(yīng)用的建議

生物慢濾技術(shù)及其推廣應(yīng)用的建議湖北省農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)管理辦公室汪富貴二○○八年一月一.問題的提出

我省縣級(jí)行政區(qū)“十一五”農(nóng)村飲水安全工程規(guī)劃完成后，工程分類統(tǒng)計(jì)情況見表1。表1湖北省農(nóng)村飲水安全工程分類情況統(tǒng)計(jì)時(shí)期分類工程處數(shù)（處）受益人口（萬(wàn)人）備注“十一五”初已有情況集中供水工程（200人以上）管網(wǎng)延伸00聯(lián)村水廠958554.3處平5786人單村水廠3435312.7處平910人小計(jì)4393867.0處平1973人分散供水工程——2278.8合計(jì)——3145.8另有無(wú)設(shè)施1503萬(wàn)人“十一五”期間規(guī)劃情況集中供水工程（200人以上）管網(wǎng)延伸921527.8處平5730人聯(lián)村水廠1155569.9處平4934人單村水廠7215444.6處平616人小計(jì)92911542.3處平1660人分散供水工程3967567.3處平17人合計(jì)1609.6“十一五”末情況集中供水工程（200人以上）管網(wǎng)延伸921527.8處平5730人聯(lián)村水廠21131124.2處平5320人單村水廠10650757.3處平711人小計(jì)136842409.3處平1761人分散供水工程2200合計(jì)4609.3從表1可以看出，無(wú)論是“十一五”初的已有情況，還是“十一五”規(guī)劃情況，我省集中供水工程除管網(wǎng)延伸外，其規(guī)模都較小，“十一五”末，聯(lián)村水廠2113處，處平5320人；單村水廠10650處，處平711人。無(wú)論是聯(lián)村水廠還是單村水廠，大部分水廠均達(dá)不到“千噸萬(wàn)人”這一規(guī)模。此外，還有近一半的農(nóng)村人口仍然為分散供水。農(nóng)村水廠規(guī)模過小，最大的一個(gè)問題，就是供水水質(zhì)難以保證，并由此產(chǎn)生惡性循環(huán)，用戶少用或不用，使水廠難以為繼甚至倒閉。采用一般水處理技術(shù)以保證供水水質(zhì)，除一次性投資相對(duì)較大難以承受外，運(yùn)行成本、管理技術(shù)、管理人才對(duì)于廣大農(nóng)村來(lái)說更是一個(gè)難以解決的問題，一些水廠雖有其設(shè)施，也閑之不用，仍然直取直供，停留在人飲解困工程階段的供水水平上。

因此，結(jié)合我省農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和“十一五”農(nóng)村飲水安全工程規(guī)劃的實(shí)際情況，探索科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、便于運(yùn)用管理的農(nóng)村中小水廠水處理技術(shù)就成為農(nóng)村飲水安全工作的當(dāng)務(wù)之急。不解決農(nóng)村水廠的水質(zhì)達(dá)標(biāo)問題，就不能從人飲解困階段跨入飲水安全階段，我們所做的工作就跟不上時(shí)代發(fā)展的步伐。解決農(nóng)村水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)問題成本太高（一次性投資和運(yùn)行成本）、技術(shù)要求太高又不符合實(shí)際。正是在這種社會(huì)背景下，生物慢濾技術(shù)在解決農(nóng)村中小水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)方面顯示出了強(qiáng)大的生命力，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、造價(jià)和運(yùn)行成本低廉、管理簡(jiǎn)單、水質(zhì)處理效果良好等特點(diǎn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。

二.生物慢濾技術(shù)簡(jiǎn)介

1.生物慢濾的原理2.傳統(tǒng)慢濾與生物慢濾的差別借助于在濾料表面自然形成的生物濾膜上的寄生微生物群體的新陳代謝活動(dòng)和濾膜、濾料的過濾作用，吸收水中的各類膠體及礦物質(zhì)，凈化水質(zhì)，是生物化學(xué)過程和物理吸附過程共同作用的結(jié)果。因此，生物濾膜的形成及其維持是生物慢濾技術(shù)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)慢濾與生物慢濾的根本差別就在于有無(wú)生物濾膜的存在。4.濾料的要求3.生物濾膜產(chǎn)生的主要條件要有濾料作為培養(yǎng)基體。要有陽(yáng)光照射在水面。濾料表面要有足夠的水深（不低于30cm）。要盡可能避免水體的擾動(dòng)，以促進(jìn)生物濾膜的快速形成，保護(hù)生物濾膜的穩(wěn)定成熟。濾料以石英砂為宜，一般河砂、陶粒、沸石亦可，有關(guān)研究表明，當(dāng)濾料表面形成穩(wěn)定成熟的生物濾膜后，濾料類型與水質(zhì)凈化效果無(wú)明顯關(guān)系。

有關(guān)試驗(yàn)選取0.95～1.35mm、0.3～0.9mm、0.15～0.3mm粗、中、細(xì)三種粒徑進(jìn)行，研究了濾料粒徑對(duì)濁度、有機(jī)物、氨氮和細(xì)菌等污染物的去除效果，結(jié)論如下：5.濾料的粒徑

在相同濾速下，粒徑越小，形成穩(wěn)定成熟的生物濾膜需要的時(shí)間越短。0.95～1.35mm的石英砂需40～60天；0.3～0.9mm的石英砂需15～30天；0.15～0.3mm的石英砂需15天。一旦生物濾膜形成后，粗、中、細(xì)三種粒徑對(duì)濁度、色度、氨氮、有機(jī)物、重金屬等去除效果影響不大，但對(duì)細(xì)菌的去除差別較大，粒徑越小，去除細(xì)菌的效果越好。因此，當(dāng)原水細(xì)菌含量較高時(shí)，應(yīng)選用細(xì)的濾料，否則，應(yīng)增加消毒環(huán)節(jié)，特別是在腸道傳染病高發(fā)季節(jié)。試驗(yàn)和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，粒徑0.3～1.0mm的濾料是生物慢濾的最佳粒徑，屬中偏粗砂。當(dāng)原水細(xì)菌含量較高時(shí)，可選中偏細(xì)砂，粒徑0.2～0.9mm為宜。6.濾料的填裝高度7.濾料的分層有關(guān)研究表明，當(dāng)選用0.3～1.0mm粒徑的濾料時(shí)，其混合填筑與上細(xì)下粗分層填筑的去除效果差別不大，特別是生物濾膜形成之后。因此，一般只強(qiáng)調(diào)粒徑0.3～1.0mm的選取，不強(qiáng)調(diào)分層。如有條件分層，應(yīng)為上細(xì)下粗，但不可上粗下細(xì)。有關(guān)研究表明，濾料的填裝高度對(duì)有機(jī)物、氨氮的處理效果有一定的影響，但其影響主要反映在50cm高度內(nèi)，大于50cm后其影響不大。而其填裝高度對(duì)于濁度、細(xì)菌、重金屬的去除效果影響不大。綜合考慮各方面的影響，一般取填裝高度為80～120cm，實(shí)際工程中大多取100cm。8.慢濾速度從理論上說，慢濾慢濾，越慢水質(zhì)效果越好，這一規(guī)律可以從大地層就是大自然界的一個(gè)天然慢濾來(lái)理解，一般深層地下水優(yōu)于淺層地下水。濾速越慢，其生物化學(xué)過程和物理吸附過程越充分，水質(zhì)凈化效果越好。然而，濾速越慢，所需要的過濾面積也越大，工程投資也越大。通過大量試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，慢濾速度以0.1～0.3m/h為宜，即每天每平方米慢濾面積水處理控制在2.4～7.2噸水為宜，太低則不經(jīng)濟(jì)，太高則水質(zhì)難以保證。工程規(guī)模較小時(shí)，可取較低濾速；工程規(guī)模較大時(shí)，可取較高濾速。一般取0.2m/h。9.生物慢濾效果

大量的研究成果和工程實(shí)踐表明，采用生物慢濾技術(shù)，可使原水中的有機(jī)污染物、重金屬和病原菌的去除率達(dá)90％以上，可使長(zhǎng)年濁度不超過60NTU的水降低到3NTU內(nèi)，大腸桿菌、藻類可基本消除，細(xì)菌大部分消除，氨氮絕大部分消除，鐵錳等礦物質(zhì)大部分消除。如輔以沉砂池和粗濾池降低濁度，輔以消毒滅殺細(xì)菌，則可以適應(yīng)一般常規(guī)水處理?xiàng)l件。并達(dá)到一般常規(guī)水處理效果。10.生物慢濾的優(yōu)缺點(diǎn)

生物慢濾技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需投加混凝劑甚至是消毒劑，水處理過程生態(tài)、環(huán)保。既節(jié)約了成本，又減少了工作量，更為重要的是避免了混凝劑、消毒劑施用過多時(shí)對(duì)人體的傷害，混凝劑、消毒劑的劑量在常規(guī)水處理和一體化設(shè)施水處理中是較難以把握的一個(gè)技術(shù)問題，少了達(dá)不到效果，多了對(duì)人體又有毒害。正是基于這一點(diǎn)，生物慢濾技術(shù)的發(fā)明國(guó)——英國(guó)（1840年發(fā)明），在近幾年改用歐盟標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水廠進(jìn)行技術(shù)改造的過程中，又回過頭來(lái)廢除傳統(tǒng)的常規(guī)水處理工藝，而采用生物慢濾技術(shù)，值得我們深思和借鑒。當(dāng)規(guī)模不大時(shí)，一次性投資相對(duì)較小，造價(jià)低廉。最小的一體化凈水器或最簡(jiǎn)單的常規(guī)凈化設(shè)施均需3～5萬(wàn)元，而運(yùn)用生物慢濾技術(shù)其投資不會(huì)超過1萬(wàn)元。

然而，生物慢濾技術(shù)對(duì)于供水規(guī)模較大的情況也有無(wú)法彌補(bǔ)的缺點(diǎn)。一是占地面積大，按100升一個(gè)人考慮，0.2m/h的濾速，10000個(gè)人要208平方米的慢濾面積；二是水處理效率低，一天一個(gè)平方米慢濾面積只能產(chǎn)生2.4～7.2噸水。因此，當(dāng)供水規(guī)模較大時(shí)，運(yùn)用生物慢濾技術(shù)反而不經(jīng)濟(jì)。運(yùn)行管理簡(jiǎn)單。一次建成，一年清洗2～3次，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守。高度自動(dòng)化，運(yùn)行成本低，甚至是無(wú)成本。凈化效果好。水處理安全、衛(wèi)生、可靠，水質(zhì)滿足供水水質(zhì)要求，并且更環(huán)保、更生態(tài)、更天然。便于就地取材，無(wú)論何地都可就地取材建筑。便于小型、微型化。10.生物慢濾的優(yōu)缺點(diǎn)

在“十一五”農(nóng)村飲水安全工程規(guī)劃中，各地已高度重視水源選擇，把水源選擇正確與否作為規(guī)劃成敗的關(guān)鍵所在。高氟水不選，苦咸水不選，污染嚴(yán)重的地表水、地下水不選，以泉水、山泉匯流水、水庫(kù)水、大江大河水、深層地下水、河流源頭水、湖水為集中供水工程水源，應(yīng)該說來(lái)，這些水源均可適用于生物慢濾技術(shù)，只是輔助水處理措施有所不同。濁度較大的水源，應(yīng)輔以沉砂池和粗濾池，鐵、錳含量較大的水源應(yīng)輔以曝氣措施等。此外，也可通過慢濾速度的控制或生物濾膜的特別設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化水質(zhì)。三.生物慢濾技術(shù)適用條件

1.水源條件2.供水規(guī)模條件

表2為福建省建甌市村級(jí)供水工程水處理方案造價(jià)情況對(duì)比表供水規(guī)模(t/d)生物慢濾結(jié)構(gòu)不銹鋼一體化結(jié)構(gòu)常規(guī)鋼筋混凝土一體化結(jié)構(gòu)303.55.31005.56.230099.510500121111表2建甌村級(jí)日供水量30～500t水處理系統(tǒng)各方案造價(jià)情況表萬(wàn)元3.地形條件應(yīng)當(dāng)說，生物慢濾技術(shù)更適合山區(qū)地形一些，可以利用有利的水位控制條件，實(shí)現(xiàn)取水、水處理、供水自壓自流。對(duì)于平原湖區(qū)則需輔以提水措施。上表反映出一個(gè)變化規(guī)律，即從一次性投資來(lái)看，隨著供水規(guī)模的增大，生物慢濾技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在逐漸降低，一體化設(shè)施和常規(guī)水處理設(shè)施的優(yōu)勢(shì)在上升，基本上以供水規(guī)模為每天500噸為平衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的受益人口約為5000人。定性地說來(lái)，這一變化規(guī)律也適用于我省的情況，只是數(shù)值概念還有待進(jìn)一步研究。而生物慢濾技術(shù)的運(yùn)行成本大大低于其它方式，因而，在5000人供水規(guī)模以內(nèi)，如按等額年總成本的概念分析其生物慢濾技術(shù)一定是更為合算的。因此，對(duì)于我省來(lái)說，可將供水人口5000人，供水規(guī)模500噸作為采用生物慢濾技術(shù)的規(guī)模上限。對(duì)于更大規(guī)模的情況，要進(jìn)行細(xì)致的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后再確定。四.工程規(guī)模的確定及總體布置要求1.建筑物及基本設(shè)施生物慢濾水處理工藝流程示意圖

一般分取水口、沉砂攔污池、輸水管、旁通閥、水龍頭、閘閥、濾速表、粗濾池、慢濾池、排污管、閘閥、清水池、供水管等。如取地下水則應(yīng)先行曝氣再進(jìn)入輸水管。這里講的工程規(guī)模是指生物慢濾面積的確定，根據(jù)選定的慢濾速度和人均用水定額，查表3即可得出人均慢濾面積，再乘以人數(shù)即得所需要的慢濾面積（僅對(duì)24h自動(dòng)制水而言）。2.工程規(guī)模確定濾速人均日定額（L/人·d）0.1m/h2.4t/m20.2m/h4.8t/m20.3m/h7.2t/m2500.02080.01040.0069600.02500.01250.0083700.02940.01470.0098800.03330.01670.0111900.03850.01890.01251000.04170.02080.01381100.04580.02290.01531200.05000.02500.0167人均慢濾面積m2/人

如非24小時(shí)制水，則應(yīng)根據(jù)工作小時(shí)另行計(jì)算所需要的面積。粗濾池面積可按慢濾池面積的40～80％考慮，原水濁度較高時(shí)，取較大比例；原水濁度較低時(shí)，取較小比例。當(dāng)規(guī)模不大時(shí)，亦可等量考慮。同時(shí)要注意其濾速不宜過大。3.總體布置的基本要求

三池（指粗濾池、慢濾池、清水池，下同）盡可能布置在一起，以便于集中管理。三池布置在一起時(shí)，粗濾池的設(shè)計(jì)水面高程高出慢濾池設(shè)計(jì)水面高程的最小高度為0.6m。沉砂、攔污池應(yīng)布置在取水口，以防阻塞輸水管道。輸水管徑的確定，應(yīng)把有利的地形條件用好用足，并適當(dāng)留有水頭余地（至粗濾池前的進(jìn)水閘閥處仍有10m左右的水頭，其水準(zhǔn)基點(diǎn)為清水池底），以便于調(diào)節(jié)濾速。三池的高差、水位控制、排污、溢流等問題，要妥善處理，實(shí)現(xiàn)自流自排，尤其要注意地埋池條件下的排污問題。粗濾池和慢濾池可連體建筑，以節(jié)約工程量。濾速的控制可通過粗濾池前的進(jìn)水閘閥和慢濾池后的出水閘閥調(diào)控。當(dāng)?shù)匦螚l件受到限制時(shí)，三池可分開建筑，用管路串聯(lián)在一起，注意水力學(xué)計(jì)算，解決好水位控制問題。當(dāng)日供水量較大時(shí)（大于每日供水150噸），可建造2～3個(gè)慢濾池并聯(lián)運(yùn)行，以便于運(yùn)行管理。當(dāng)原水水質(zhì)較好且長(zhǎng)年濁度低于60NTU時(shí)，可不建粗濾池。池體結(jié)構(gòu)就地取材，可為磚砌體、石砌體或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但均應(yīng)作好防滲處理，并滿足穩(wěn)定和生產(chǎn)運(yùn)行管理要求。池體形狀因地制宜，可為圓形、方形甚至是不規(guī)則形狀，但均應(yīng)滿足生產(chǎn)規(guī)模和水質(zhì)處理要求。輸水管，宜采用PE管，地埋，其深度不小于0.8m，并作好接頭防滲漏處理，以防凍、防盜、防破壞、防損壞、防漏水?；靥顣r(shí)注意巖渣等堅(jiān)硬物體接觸PE管而傷管。清水池一定要加蓋避光，以防池中孳生藻類。粗濾池和慢濾池池頂一般為開敞式，特別是慢濾池，其池頂必須有陽(yáng)光直射。但為了防止封凍結(jié)冰，在冬季可臨時(shí)支護(hù)防凍透明尼龍薄膜罩。水體從粗濾池入慢濾池，其布置要求為盡可能減少慢濾池頂部水體的紊動(dòng)，以保護(hù)生物濾膜的穩(wěn)定；同時(shí)注意從空氣中攜帶氧氣入水，以滿足生物濾膜上的好氧微生物的生理需求。五.粗濾池與生物慢濾池的構(gòu)造要求

生物慢濾池水處理工藝流程圖

生物慢濾池剖面圖

1.粗濾池的構(gòu)造要求

水流流向粗濾池的水流流向一般采用豎流式向上方向。選取這種流向，一便于與慢濾池連體建筑，以節(jié)約建筑成本，同時(shí)滿足慢濾池上部進(jìn)水要求；二便于粗濾池的反沖洗，反沖洗水流自上而下，由細(xì)自粗便于沉積物的排去。設(shè)計(jì)濾速，一般取0.5～1.2m/h，宜低不宜高，以保證過濾效果。濾速的考慮與粗濾池面積的考慮是同時(shí)進(jìn)行的。為了減少生物慢濾池的刮砂周期，慢濾池的進(jìn)水濁度應(yīng)控制在30NTU以內(nèi)，而一般水源難以滿足這一要求，故應(yīng)設(shè)置粗濾池，以將濁度降低在30NTU以內(nèi)。濾料及其粒徑分層粗濾池順?biāo)鞣较蜃韵露蠟V料粒徑由粗而細(xì)。其濾料可采用粗細(xì)碎石、粗細(xì)瓜米石等，均不得含有石灰質(zhì)的濾料，以石英巖質(zhì)為宜。濾料下部為承托層，采用礫石、鵝卵石，但不得含有石灰質(zhì)的石料。具體粒徑及層厚要求見表4。構(gòu)造層粒徑厚度備注承托層礫石、鵝卵石700均不得含有石灰質(zhì)的承托料和濾料，以石英巖質(zhì)為宜。第一層16～32600第二層8～16500第三層4～8400第四層2～4300∑2500表4豎流式粗濾池濾料組成要求mm

表層水深表層水深通過溢流堰（平水缺）控制，以1000mm為宜，以利生物慢濾池取水不致于擾動(dòng)粗濾池，取清留渾。頂部超高取300mm。粗濾池承托層底高有300mm即可。粗濾池基底厚度應(yīng)不小于300mm。因此，粗濾池建基面以上的總高度為4400mm。排污管于承托層之底下，管徑應(yīng)不小于160mm，以保證反沖洗效果。排污管口應(yīng)為自由出流。粗濾池進(jìn)水管宜為花管，并貫通層底，以使進(jìn)水水流均勻分布，提高過濾效果。2.生物慢濾池的構(gòu)造要求

水流流向生物慢濾池的水流方向必須是垂直向下方向，以便于陽(yáng)光直接照射，從而快速形成并維持生物濾膜。設(shè)計(jì)濾速一般取0.2m/h甚至更低，與確定慢濾面積時(shí)一并考慮。濾速低則效果更好。濾料及粒徑分層生物慢濾池的濾料以采用石英砂為宜，粒徑取0.3～1.0mm的中粗砂。層厚取1000mm（也可取1200mm）。承托層的濾料及粒徑分層承托層逆水流方向（自下而上）如下布置：第一層16～32mm100mm層厚第二層8～16mm100mm層厚第三層4～8mm50mm層厚第四層2～4mm50mm層厚∑300mm承托層與慢濾層之間用厚度為10mm的棕毛片相隔，以防濾料流失。承托層底部干鋪平磚150mm厚，磚下設(shè)集水槽，槽深200mm。