我國西北干旱缺水地區水資源匱乏，尤其是西北偏遠村鎮，由于地理位置偏僻，居民住所分散，導致給水管網修建困難，并且無可利用的地下水資源，只能以水窖來貯存雨水作為飲用水源。為解決西北干旱缺水地區人民的飲用水問題，我國開展了如“121雨水集流工程”“母親水窖”“甘露工程”等雨水利用工程，據統計僅甘肅省新建集雨水窖就達300余萬眼，解決了260多萬人民的飲用水問題。但是雨水在收集入窖的過程中會受到如固態廢物、大氣沉降物、化肥農藥等的污染，導致窖水中濁度、氨氮、有機物等超標嚴重，部分地區還存在重金屬污染。
為改善微污染窖水水質，目前大多采用預處理、深度處理和強化傳統工藝處理技術，但這些技術的適用性各有局限。生物慢濾是一種將過濾技術與生物技術相結合的水體處理技術，待處理水以緩慢的流速流經濾料層以實現凈化，具有操作簡便、運行成本低、無需投藥等優點，可以高效去除水中濁度、色度、有機物等，因此在水資源匱乏的村鎮具有廣闊的應用前景。
筆者通過對比生物慢濾裝置中不同濾料的掛膜時間，以及掛膜成功后對微污染窖水中濁度、NH4+-N、有機物的去除效果，分析其去除機理以及去除效果存在差異的原因，進而篩選出適合處理微污染窖水的濾料，以期為生物慢濾應用于西北村鎮微污染窖水處理提供一定的技術支持。
1、材料與方法
1.1 實驗用濾料
根據不同的元素組成挑選沸石、石英砂、火山巖、麥飯石4種天然濾料作為實驗用濾料。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%。
為了增強元素含量不同產生的對比性，采用FeCl3對普通沸石進行改性，增加Fe元素含量，改變其原本的表面構型，使得改性后的沸石在中性水環境下帶正電。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溶液調節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 實驗裝置
實驗裝置見圖1。采用5根內徑均為60mm的有機玻璃柱作為濾柱，分別填裝700mm不同濾料，上覆水深為350mm，在濾柱側面間隔100mm設置取樣口。1~5號濾柱分別裝填沸石、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 實驗用水
實驗用水根據西北村鎮窖水實際水質進行人工配制，具體參數如下：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 實驗方法
各慢濾柱均采用自然掛膜方式，模擬窖水通過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，并在裝置運行期間保證水流24h不間斷進入濾柱，掛膜期間定時從各出水口取樣，測定NH4+-N和CODMn濃度。掛膜成功后，取樣測定濁度、NH4+-N、CODMn濃度。水質指標均采用國家標準方法進行測定。
2、結果與討論
2.1 不同濾料的掛膜時間
濾柱掛膜期間，每天取樣測定NH4+-N和CODMn濃度，當兩者去除率達到穩定時即表明掛膜成功。結果表明，沸石、改性沸石、石英砂、火山巖、麥飯石濾柱的掛膜時間分別為36、30、43、29、37d，其中，火山巖濾柱的掛膜時間最短，并且對NH4+-N、CODMn的去除效果最穩定，掛膜期間對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間最長。相比其他濾料，火山巖中的Fe、Mg、Ca元素含量更高，其中Fe元素可以促進硝化菌和反硝化菌的增殖，進而有利于硝化和反硝化過程的進行，并且可促使微生物生長富集；Mg元素可對微生物活性有積極影響的酶起到重要的激活作用，從而促進生物量的增加；Ca元素可以促使微生物胞外聚合物（EPS）中產生更多的蛋白質，而這些蛋白質的增加可以增強鄰近細胞間的相互作用，并通過有機和無機吸附形成細胞交聯。而石英砂濾料中沒有Mg、Ca、Fe元素，麥飯石濾料中僅含有Fe元素而沒有Mg、Ca元素，故兩者的掛膜時間明顯要長于其他濾料；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污染物的去除效果
2.2.1 對濁度的去除效果各濾柱對濁度的去除效果見圖2。可知，在平均進水濁度為13.58NTU的條件下，5個濾柱對濁度的去除率均在90%以上，平均出水濁度均低于1.0NTU，滿足《生活飲用水衛生標準》（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。生物慢濾技術主要通過濾料的過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行有效降解。當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也可有效阻礙懸浮顆粒穿透濾層。改性沸石濾柱對濁度的去除效果較其他濾柱要好，是因為沸石經改性后其表面在水環境中帶正電，可與水中陰離子發生配位體交換和離子吸附作用。
2.2.2 對NH4+-N的去除效果
各濾柱對NH4+-N的去除效果見圖3。可知，在進水NH4+-N平均濃度為0.8mg/L時，火山巖濾柱對NH4+-N的去除效果最好，平均去除率可以達到97.07%；各濾柱對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，穩定運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+等陽離子，可以與溶液中的NH4+進行離子交換；低價Fe是自養菌的供氫體，可加快自養菌化能合成過程，此外，鐵離子作為化學催化劑可以增大細胞膜的滲透性，對硝化反應有較好的促進作用；而Mg元素作為微生物生長所必需的微量元素，參與了微生物細胞的新陳代謝，可促進硝化菌的硝化作用，同時Mg元素可以增強細胞間的范德華力，促進微生物的能量代謝；另外，Ca2+、Mg+可以促進生物膜中參與脫氮過程的優勢菌種的富集。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NH4+-N的去除效果最差；改性沸石因改性負載了氧化鐵薄膜，故其對NH4+-N的去除效果優于普通沸石。
2.2.3 對CODMn的去除效果
各濾柱對CODMn的去除效果見圖4。可知，火山巖濾柱對CODMn的去除效果最好，平均去除率為43.20%；各濾柱對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，慢濾柱去除有機物主要依靠吸附截留作用，有研究表明，陽離子對有機物的吸附率為Al3+>Ca2+>Na+；當生物膜形成后，對有機物的去除以生物降解作用為主。火山巖和改性沸石濾柱對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，改性沸石負載了氧化鐵薄膜，異養菌以系統中的有機物作為碳源，而Fe元素可以促進異養菌的電子傳遞過程，提高異養菌活性；同時，Fe作為遞氫物質可以促進煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的合成，而NAD+可以提高物質和能量代謝，促進污染物的降解。此外，金屬離子（如Ca2+、Mg2+）能夠參與調節細胞內外的滲透壓，同時，還可以激活某些酶的活性，促進微生物的生長；Ca2+、Mg2+共存時可以提高生物膜中擬桿菌門的相對豐度，進而增強對有機物的降解能力。火山巖中的Fe、Mg、Ca元素含量最高，故其對有機物的去除效果最好。
2.3 濾層沿程對污染物的去除效果
濾層沿程對濁度的去除效果見圖5。可知，5種濾柱對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最快，當濾層厚度>300mm時，各濾柱對濁度的去除率均達到80%以上，此時出水濁度均在1.0NTU以下。這說明慢濾柱對濁度的去除是一個逐漸積累的過程，并且濁度去除主要集中在濾柱上層，是因為生物膜的生長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、膠體等物質截留。
慢濾柱沿程對NH4+-N和CODMn的去除效果變化趨勢與濁度相似，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，均已經達到《生活飲用水衛生標準》（GB5749—2022）的要求，對CODMn的去除率均達到30%以上，說明慢濾柱對NH4+-N和CODMn去除主要集中在濾料上層。分析其原因，濾料上層的營養物質和溶解氧濃度高，為微生物生長提供了良好的條件，微生物的生長代謝活動比較旺盛；而隨著濾層厚度的增加，水中溶解氧和營養物質逐漸減少，導致生物量和生物活性降低，因此對NH4+-N和CODMn的去除效率降低。
3、結論
①各濾柱穩定運行后，對濁度的去除率均在90%以上；對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，處理效果最穩定，掛膜時間為29d。
②濾料中含有的Na、K、Ca、Mg、Al、Fe元素對NH4+-N和CODMn的去除具有促進作用。金屬陽離子可以通過離子交換和吸附作用去除NH4+-N和CODMn，并且Mg、Ca元素可以促進具有去除有機物和NH4+-N功能的優勢菌種的生長；Fe元素作為供氫體可以提高部分微生物的活性。火山巖中的Na、K、Ca、Mg、Al、Fe元素的綜合含量遠高于其他4種濾料，因此其處理效果最好。
③生物慢濾柱對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NH4+-N和CODMn的去除主要集中在上層0~200mm段。
④當采用生物慢濾技術處理微污染窖水時，建議天然濾料優先考慮火山巖，改性濾料優先選擇含有Fe元素的改性劑進行改性。（來源：蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅省黃河水環境重點實驗室）
