我國(guó)西北干旱缺水地區(qū)水資源匱乏，尤其是西北偏遠(yuǎn)村鎮(zhèn)，由于地理位置偏僻，居民住所分散，導(dǎo)致給水管網(wǎng)修建困難，并且無(wú)可利用的地下水資源，只能以水窖來(lái)貯存雨水作為飲用水源。為解決西北干旱缺水地區(qū)人民的飲用水問(wèn)題，我國(guó)開(kāi)展了如“121雨水集流工程”“母親水窖”“甘露工程”等雨水利用工程，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅甘肅省新建集雨水窖就達(dá)300余萬(wàn)眼，解決了260多萬(wàn)人民的飲用水問(wèn)題。但是雨水在收集入窖的過(guò)程中會(huì)受到如固態(tài)廢物、大氣沉降物、化肥農(nóng)藥等的污染，導(dǎo)致窖水中濁度、氨氮、有機(jī)物等超標(biāo)嚴(yán)重，部分地區(qū)還存在重金屬污染。
為改善微污染窖水水質(zhì)，目前大多采用預(yù)處理、深度處理和強(qiáng)化傳統(tǒng)工藝處理技術(shù)，但這些技術(shù)的適用性各有局限。生物慢濾是一種將過(guò)濾技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合的水體處理技術(shù)，待處理水以緩慢的流速流經(jīng)濾料層以實(shí)現(xiàn)凈化，具有操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行成本低、無(wú)需投藥等優(yōu)點(diǎn)，可以高效去除水中濁度、色度、有機(jī)物等，因此在水資源匱乏的村鎮(zhèn)具有廣闊的應(yīng)用前景。
筆者通過(guò)對(duì)比生物慢濾裝置中不同濾料的掛膜時(shí)間，以及掛膜成功后對(duì)微污染窖水中濁度、NH4+-N、有機(jī)物的去除效果，分析其去除機(jī)理以及去除效果存在差異的原因，進(jìn)而篩選出適合處理微污染窖水的濾料，以期為生物慢濾應(yīng)用于西北村鎮(zhèn)微污染窖水處理提供一定的技術(shù)支持。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)用濾料
根據(jù)不同的元素組成挑選沸石、石英砂、火山巖、麥飯石4種天然濾料作為實(shí)驗(yàn)用濾料。其中，沸石中主要含有C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Mn、Fe元素，含量分別為9.13%、39.98%、0.12%、0.26%、7.34%、35.52%、4.71%、0.77%、0.67%、1.50%；石英砂主要含有O和Si元素，含量分別為23.04%和76.96%；火山巖主要含有O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe元素，含量分別為34.74%、1.62%、5.46%、6.81%、25.85%、0.68%、8.86%、15.98%；麥飯石主要含有O、Na、Al、Si、K、Fe元素，含量分別為36.67%、7.62%、3.02%、41.09%、7.62%、3.98%。
為了增強(qiáng)元素含量不同產(chǎn)生的對(duì)比性，采用FeCl3對(duì)普通沸石進(jìn)行改性，增加Fe元素含量，改變其原本的表面構(gòu)型，使得改性后的沸石在中性水環(huán)境下帶正電。具體制作方法：將普通沸石清洗干凈置于純水中浸泡12h，烘干后與濃度為2mol/L的FeCl3溶液按照固液比為1∶3混合均勻，再使用10mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至6后放置于烘箱中烘干，最后于550℃的馬福爐中高溫煅燒3h。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。采用5根內(nèi)徑均為60mm的有機(jī)玻璃柱作為濾柱，分別填裝700mm不同濾料，上覆水深為350mm，在濾柱側(cè)面間隔100mm設(shè)置取樣口。1~5號(hào)濾柱分別裝填沸石、改性沸石、石英砂、火山巖、麥飯石，濾料粒徑分別為0.25~0.5、0.25~0.5、0.2~0.4、0.2~0.4、0.2~0.4mm。
1.3 實(shí)驗(yàn)用水
實(shí)驗(yàn)用水根據(jù)西北村鎮(zhèn)窖水實(shí)際水質(zhì)進(jìn)行人工配制，具體參數(shù)如下：pH為7.30~8.20，溫度為13~28℃，濁度為3.26~23.90NTU，CODMn為2.5~6.5mg/L，NH4+-N為0.4~1.2mg/L。
1.4 實(shí)驗(yàn)方法
各慢濾柱均采用自然掛膜方式，模擬窖水通過(guò)高位水箱自上而下分別流入5根濾柱，控制各濾柱濾速為0.2m/h，并在裝置運(yùn)行期間保證水流24h不間斷進(jìn)入濾柱，掛膜期間定時(shí)從各出水口取樣，測(cè)定NH4+-N和CODMn濃度。掛膜成功后，取樣測(cè)定濁度、NH4+-N、CODMn濃度。水質(zhì)指標(biāo)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 不同濾料的掛膜時(shí)間
濾柱掛膜期間，每天取樣測(cè)定NH4+-N和CODMn濃度，當(dāng)兩者去除率達(dá)到穩(wěn)定時(shí)即表明掛膜成功。結(jié)果表明，沸石、改性沸石、石英砂、火山巖、麥飯石濾柱的掛膜時(shí)間分別為36、30、43、29、37d，其中，火山巖濾柱的掛膜時(shí)間最短，并且對(duì)NH4+-N、CODMn的去除效果最穩(wěn)定，掛膜期間對(duì)NH4+-N、CODMn的平均去除率分別為97.07%、43.20%；石英砂濾柱的掛膜時(shí)間最長(zhǎng)。相比其他濾料，火山巖中的Fe、Mg、Ca元素含量更高，其中Fe元素可以促進(jìn)硝化菌和反硝化菌的增殖，進(jìn)而有利于硝化和反硝化過(guò)程的進(jìn)行，并且可促使微生物生長(zhǎng)富集；Mg元素可對(duì)微生物活性有積極影響的酶起到重要的激活作用，從而促進(jìn)生物量的增加；Ca元素可以促使微生物胞外聚合物（EPS）中產(chǎn)生更多的蛋白質(zhì)，而這些蛋白質(zhì)的增加可以增強(qiáng)鄰近細(xì)胞間的相互作用，并通過(guò)有機(jī)和無(wú)機(jī)吸附形成細(xì)胞交聯(lián)。而石英砂濾料中沒(méi)有Mg、Ca、Fe元素，麥飯石濾料中僅含有Fe元素而沒(méi)有Mg、Ca元素，故兩者的掛膜時(shí)間明顯要長(zhǎng)于其他濾料；改性沸石濾料由于采用FeCl3改性，增加了Fe元素的含量，更有利于掛膜，因此其掛膜速度僅次于火山巖濾料。
2.2 掛膜成功后各濾柱對(duì)污染物的去除效果
2.2.1 對(duì)濁度的去除效果各濾柱對(duì)濁度的去除效果見(jiàn)圖2�？芍�，在平均進(jìn)水濁度為13.58NTU的條件下，5個(gè)濾柱對(duì)濁度的去除率均在90%以上，平均出水濁度均低于1.0NTU，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2022）的要求，去除效果從高到低依次為：改性沸石濾柱、火山巖濾柱、沸石濾柱、麥飯石濾柱、石英砂濾柱。生物慢濾技術(shù)主要通過(guò)濾料的過(guò)濾截留作用將大部分懸浮顆粒和膠體截留從而降低濁度，另外其還存在一定的絮凝吸附和生物降解作用，通過(guò)微生物分泌的具有黏性的聚合物形成生物絮體，并利用微生物將截留的污染物進(jìn)行有效降解。當(dāng)裝置自然掛膜成功后，各濾柱去除濁度一方面依靠其本身的吸附截留能力，另一方面生物膜的生長(zhǎng)也可有效阻礙懸浮顆粒穿透濾層。改性沸石濾柱對(duì)濁度的去除效果較其他濾柱要好，是因?yàn)榉惺?jīng)改性后其表面在水環(huán)境中帶正電，可與水中陰離子發(fā)生配位體交換和離子吸附作用。
2.2.2 對(duì)NH4+-N的去除效果
各濾柱對(duì)NH4+-N的去除效果見(jiàn)圖3�？芍谶M(jìn)水NH4+-N平均濃度為0.8mg/L時(shí)，火山巖濾柱對(duì)NH4+-N的去除效果最好，平均去除率可以達(dá)到97.07%；各濾柱對(duì)NH4+-N的去除效果從高到低依次為：火山巖濾柱、改性沸石濾柱、沸石濾柱、麥飯石濾柱、石英砂濾柱。生物慢濾技術(shù)去除水中NH4+-N的途徑：在前期主要依靠濾料本身的吸附作用，穩(wěn)定運(yùn)行后則主要依靠微生物降解作用。濾料中含有的Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Al3+等陽(yáng)離子，可以與溶液中的NH4+進(jìn)行離子交換；低價(jià)Fe是自養(yǎng)菌的供氫體，可加快自養(yǎng)菌化能合成過(guò)程，此外，鐵離子作為化學(xué)催化劑可以增大細(xì)胞膜的滲透性，對(duì)硝化反應(yīng)有較好的促進(jìn)作用；而Mg元素作為微生物生長(zhǎng)所必需的微量元素，參與了微生物細(xì)胞的新陳代謝，可促進(jìn)硝化菌的硝化作用，同時(shí)Mg元素可以增強(qiáng)細(xì)胞間的范德華力，促進(jìn)微生物的能量代謝；另外，Ca2+、Mg+可以促進(jìn)生物膜中參與脫氮過(guò)程的優(yōu)勢(shì)菌種的富集。5種濾料中，火山巖的Mg、Ca元素含量最高，其次是沸石，石英砂和麥飯石中不含Mg、Ca元素；Fe元素含量由高到低依次為火山巖、麥飯石、沸石。石英砂作為一種硅酸鹽礦物，幾乎不含Mg、Ca、Fe元素，因此對(duì)NH4+-N的去除效果最差；改性沸石因改性負(fù)載了氧化鐵薄膜，故其對(duì)NH4+-N的去除效果優(yōu)于普通沸石。
2.2.3 對(duì)CODMn的去除效果
各濾柱對(duì)CODMn的去除效果見(jiàn)圖4�？芍�，火山巖濾柱對(duì)CODMn的去除效果最好，平均去除率為43.20%；各濾柱對(duì)CODMn的去除率從高到低依次為：火山巖濾柱、改性沸石濾柱、沸石濾柱、麥飯石濾柱、石英砂濾柱，與NH4+-N去除效果類似。在生物膜形成前，慢濾柱去除有機(jī)物主要依靠吸附截留作用，有研究表明，陽(yáng)離子對(duì)有機(jī)物的吸附率為Al3+>Ca2+>Na+；當(dāng)生物膜形成后，對(duì)有機(jī)物的去除以生物降解作用為主。火山巖和改性沸石濾柱對(duì)CODMn的去除效果較其他濾柱更好，其中，火山巖中的Fe元素含量較高，改性沸石負(fù)載了氧化鐵薄膜，異養(yǎng)菌以系統(tǒng)中的有機(jī)物作為碳源，而Fe元素可以促進(jìn)異養(yǎng)菌的電子傳遞過(guò)程，提高異養(yǎng)菌活性；同時(shí)，Fe作為遞氫物質(zhì)可以促進(jìn)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的合成，而NAD+可以提高物質(zhì)和能量代謝，促進(jìn)污染物的降解。此外，金屬離子（如Ca2+、Mg2+）能夠參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓，同時(shí)，還可以激活某些酶的活性，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)；Ca2+、Mg2+共存時(shí)可以提高生物膜中擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)有機(jī)物的降解能力�；鹕綆r中的Fe、Mg、Ca元素含量最高，故其對(duì)有機(jī)物的去除效果最好。
2.3 濾層沿程對(duì)污染物的去除效果
濾層沿程對(duì)濁度的去除效果見(jiàn)圖5�？芍�，5種濾柱對(duì)濁度的去除率均隨濾層厚度的增加而增加，其中，0~100mm濾層濁度的去除率增長(zhǎng)最快，當(dāng)濾層厚度>300mm時(shí)，各濾柱對(duì)濁度的去除率均達(dá)到80%以上，此時(shí)出水濁度均在1.0NTU以下。這說(shuō)明慢濾柱對(duì)濁度的去除是一個(gè)逐漸積累的過(guò)程，并且濁度去除主要集中在濾柱上層，是因?yàn)樯锬さ纳L(zhǎng)使得濾料顆粒之間的空隙變小，在表層即可將大部分懸浮物、膠體等物質(zhì)截留。
慢濾柱沿程對(duì)NH4+-N和CODMn的去除效果變化趨勢(shì)與濁度相似，均隨濾層厚度的增加而增加，但去除效率逐漸減小。0~200mm濾層對(duì)NH4+-N和CODMn的去除效率最高；在200mm處，5種濾柱的出水NH4+-N濃度分別為0.126、0.105、0.251、0.047、0.170mg/L，均已經(jīng)達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2022）的要求，對(duì)CODMn的去除率均達(dá)到30%以上，說(shuō)明慢濾柱對(duì)NH4+-N和CODMn去除主要集中在濾料上層。分析其原因，濾料上層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溶解氧濃度高，為微生物生長(zhǎng)提供了良好的條件，微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)比較旺盛；而隨著濾層厚度的增加，水中溶解氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，導(dǎo)致生物量和生物活性降低，因此對(duì)NH4+-N和CODMn的去除效率降低。
3、結(jié)論
①各濾柱穩(wěn)定運(yùn)行后，對(duì)濁度的去除率均在90%以上；對(duì)NH4+-N和CODMn去除效果最好的是火山巖濾柱，平均去除率分別為97.07%和43.20%；火山巖濾料掛膜最快，處理效果最穩(wěn)定，掛膜時(shí)間為29d。
②濾料中含有的Na、K、Ca、Mg、Al、Fe元素對(duì)NH4+-N和CODMn的去除具有促進(jìn)作用。金屬陽(yáng)離子可以通過(guò)離子交換和吸附作用去除NH4+-N和CODMn，并且Mg、Ca元素可以促進(jìn)具有去除有機(jī)物和NH4+-N功能的優(yōu)勢(shì)菌種的生長(zhǎng)；Fe元素作為供氫體可以提高部分微生物的活性�；鹕綆r中的Na、K、Ca、Mg、Al、Fe元素的綜合含量遠(yuǎn)高于其他4種濾料，因此其處理效果最好。
③生物慢濾柱對(duì)污染物的去除率隨濾層厚度的增加而逐漸提高，但增速漸緩，對(duì)NH4+-N和CODMn的去除主要集中在上層0~200mm段。
④當(dāng)采用生物慢濾技術(shù)處理微污染窖水時(shí)，建議天然濾料優(yōu)先考慮火山巖，改性濾料優(yōu)先選擇含有Fe元素的改性劑進(jìn)行改性。（來(lái)源：蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
