生物慢滤水处理技术应用

　　摘要：三峡库区所在县市属山区，地势险要，以长江为最低河谷地带组成了深谷高岭相间，起伏不平的波状地貌，地势高低悬殊，地质结构复杂，造成降雨存在严重的时空分布不均，高山、半高山地区季节性缺水严重。该区人均收入偏低，经济落后，村民生活较困难，村民饮水主要靠引用泉水、天然降水及池塘水，水量较少，且水质较差。现以秭归县为例，分析生物慢滤水处理技术在农村安全饮水工程中实施的可行性、必要性及建成后的效果，以求进一步发展和在三峡库区农村安全饮水工程中全面推广生物慢滤水处理技术。
　　关键词：三峡，农村，生物慢滤，提高，饮用水质量，安全
　　1背景
　　保障饮水安全，维护人的健康生命是当前经济社会发展对水利的第一需要，也是当前农村水利的第一要务。获得安全饮用水是人类生存最基本的需求，关系人民群众的身体健康和生命安全；实现饮水安全是广大人民群众的强烈愿望和“全面建设小康社会”的基本要求，也是各级政府的职责。
　　秭归县位于湖北省西部、长江西陵峡两岸、三峡工程坝上库首，是伟大爱国诗人屈原的故乡，中国脐橙之乡。全县辖12个乡镇、186个村、6个居委会，全县总面积2427平方公里，据当地经实地调查评估，2004年底，全县农村饮水不安全人口24万人，因三峡移民搬迁，增加新的饮水不安全人口2.0万人。
　　秭归县政府历来重视农村饮水安全工作，近几年来，秭归县政府在上级各级党委政府及各部门的支持下，抢抓国家饮水安全项目建设机遇，围绕“饮水安全进万家”的思路，突出科技兴水，大胆创新实践，探索出了人畜饮水安全的新路子，有力的促进了全县经济社会发展，经过“十一五”饮水安全工程的建设，全县共解决了11.55万饮水不安全人口，共建设了生物慢滤水厂181座，使群众用水有了保证，水质大为改善，生活水平明显提高。但秭归县农村的饮水安全问题依然严峻，目前全县建设的农村水厂基本上为单村水厂，水厂配套设施简单，没有消毒设施，难以保证农民生活用水的健康；水源大部分为山泉水，到了干旱季节，水源的水量不足，季节性缺水严重，水源保证率差，严重影响了农民的正常生活需求。
　　2农村饮水安全工作面临的现状
　　独特的长江西陵峡流域及鄂西山地构成秭归县全境高山深谷起伏，沟壑网状分布，汇成大小溪流135条，分别注入境内8条河流，水系较发育，加上气候温和的长江峡谷地带充沛的降雨量，全县水资源比较丰富。由于全年降雨时空分布不均，地表径流量也随之时大时小，造成明显的丰、枯差异，因而水力资源未能充分利用。
　　自2005年开始实施农村饮水安全工程建设以来，秭归县以科学发展观为指导，致力于项目规划争取、项目服务和监管，结合我县实际，大胆探索、勇于实践，采用引、蓄、集水为主的办法解决水源问题，运用生物慢滤水处理技术解决水质不达标问题，推行集镇水厂企业化动作和农民用水者协会的管理模式解决水利设施重建轻管的问题，注重规范建设、注重工程质量、注重生物慢滤新技术运用、注重制度建设，在上级党委、政府、各级主管部门的正确领导和大力支持下，在各部门大力配合、受益群众的广泛参与下，通过项目建设与管理单位的共同努力，全县饮水安全工作取得较好的效果，真正让饮水安全工程这一“民生工程”真正成为人民群众的“满意工程”。
　　“十一五”期间，全县共兴建水厂20处解决不安全从数为13103人；改造水厂11处，解决不安全人数为18394人，水厂管网延伸31处，解决不安全人数为11556人；建引水工程186处，解决不安全人数为47774人；建小型分散工程290处，解决不安全人数为24673人。单独解决农村学校4所3000人。“十一五”期间共解决11.85万人。“十一五”农村饮水安全工程总投资为5325万元,其中申请中央投资3573万元,省级投资757.94万元，地方群众自筹994.05万元,人均投资449.37元/人。
　　3生物慢滤水处理技术的应用
　　生物慢滤水处理技术，是山区水质净化处理的重要方法之一，近两年我县按照“三池集中（粗滤池、慢滤池、清水池）、封闭运行（水池加盖、修筑围墙与外界隔离）、厂区绿化（植树种草）、厂景美观”的建设要求，认真地组织实施，建成了234处生物慢滤水厂，实践证明，效果良好，得到项目区群众的认可与好评。今年，全县将新建集中生物慢滤水厂31处。
　　3．1工程规模的确定
　　生物慢滤池平面积的确定：一般情况下，按供水人口计算，每100人取1～1.5m2，最少不低于1m2,可用供水人数乘以0.01～0.015的系数。也可以利用公式直接计算出设计慢滤面积F，即：
　　F=QN/24V
　　式中;Q—供水定额，取60L/d•人；
　　N—供水人数；
　　V—滤速，取0.2～0.3m/h,一般取0.2m/h。
　　当供水量较大时（每日超过150t），可建2～3个慢滤池并联运行。
　　粗滤池面积的确定：可根据原水浊度的高低，按已确定的慢滤面积的40～80%来确定粗滤池面积，浑浊度越高，面积越大。如果慢滤面积小，也可以等量考虑。当原水水质较好且长年浊度低于60NTU时，可不建粗滤池。但是，如果采用的是山洪水或原水浊度超过500NTU时，则必须在粗滤池前设置沉沙凼（根据浊度确定处数）实行预沉，否则会使慢滤池封堵，不能透水。
　　粗滤池进水浊度应小于500NTU，慢滤池进水浊度应小于20NTU。
　　3．2三池的高差和水位控制
　　1、慢滤池底部集水槽和出水管必须等于或高于清水池（或调节池）的设计水位。
　　2、慢滤池进水管口和溢流管口的水位高度为1.8m，加上20㎝的超高水位，其内空高度为2m，再加上20㎝的底厚，慢滤池建基面上的总高度为2.2m。
　　3、粗滤池内空高度约为2.5m，出水口水位高度为2.3m，总之，其出水口水位应等于或高于慢滤池设计水位50㎝，这是最低的高差要求。粗滤池前的进水闸阀到清水池底，应有10m左右水头，以便调节滤速。
　　4、慢滤池的进出水
　　进水：水流方向自上而下，通常采用2种形式：
　　一是多孔墙进水，形成抛物线均匀布水。采用此种方法进水，如果是联体建筑，可确定好高度后直接建穿花格墙。就是在粗、慢滤池隔墙上粗滤池设计水位的水平线上设多处溢流孔。二是管道进水。进水口向上，形成喇叭口，呈喷状均匀布水。也可以在慢滤池上面布置1根水平进水管，钻孔后，利用水压喷射状均匀布水。
　　总之，要尽可能减少慢滤池顶部水体的紊动，以保护生物滤膜的稳定，同时还要注意从空气中携带氧气入水，以满足生物滤膜上的好氧生物的生理需求。
　　出水：一是采用多孔集流管，在池底横设一根管径大于出水管的管道，钻孔集水。二是采用集水槽，在池底轮砌单砖，也可用12㎝砖留缝错缝干砌2～3层，再在上面铺砖，铺砖时留缝15㎜为宜。另有在池墙外侧建集水槽的方法，因多占土地，增加投资而建议不予采用。但是不管采用何种方法，池底都要放2%以上坡降，以便于汇集水流至出水管。
　　5、粗滤池的进出水
　　进水：水流流向采用竖流式向上方向，进水管贯通底层，以使进水水流均匀分布，提高过滤效果。
　　出水：同慢滤池进水。出水管以上应有20㎝超高水位，并设溢流管自由出流。其排污管应布置在承托层底下，管径不小于160㎜，排污管口应为自由出流。
　　6、滤料控制
　　生物慢滤效果的好坏，首先取决于滤料的等级分类和装填高度。滤料分级必须定制专用钢丝筛筛选并洗净，装填时必须按顺序从大到小，从下到上，分层装填。慢滤池的承托层上面应铺上无毒塑料网以防滤料漏失。详见下表：
　　滤料分级及装填厚度单位：㎜
　　构造层 粗滤池 慢滤池 备注
　　 粒径 厚度 粒径 厚度 
　　承托层 砾石、鹅卵石 500 ①16～32
　　②8～16
　　③4～8 100
　　100
　　100 ①粗滤池滤料和慢滤池承托层均不得含有石灰质，以石英岩质为宜，一般河砂、陶粒、沸石亦可。
　　②慢滤池滤料必须选用石英砂。
　　滤料层 ① 16～32
　　② 8～16
　　③ 4～8
　　④ 2～4 350
　　350
　　300
　　300 ①2～4
　　②1～2
　　③0.6～1.2 200
　　200
　　200 
　　合计  1800  900 
　　
　　6、反冲洗管设置
　　粗滤池反冲洗管道的设置：
　　粗滤池原水从水池底部进入，通过过滤后从顶部溢出进入慢滤池。反冲洗系统是以水池中心为圆点，根据填充的材料厚度分三层布置冲洗管道，管道成“十”字型或“＊”字型设置并将管径从进水的Ф63主管变为冲洗的Ф32支管，封堵支管管口并在管壁钻3—6mm的小孔，水流从小孔喷射而出，因水的快速运动从而对滤料进行反冲洗。这种设置方法，其进水既可以底部也可以从顶部。
　　慢滤池反冲洗管的设置：
　　慢滤池进水是经过了粗滤的水，水质已有所改善，在该池中主要是生物膜的吸附和滤料的再次过滤，考虑到在慢滤过程中污物主要集中在生物膜、滤料表层。因此在0.3-1mm的滤料层表面向下50－100mm处设置冲洗管道，排列以池中心为圆点放射性的布置6条呈“*”字型的管道，管径从进水Ф63主管变为冲洗的Ф32支管，封堵支管管口并在管身钻小孔。以增加水压力从而达到冲洗效果。污物排放则是通过两条排污管进行排放。一条是在生物膜下、滤料上，主要是排放滤料污物，另一条是在进水口下、生物膜以上至少300－500mm，主要是排放生物膜以上的污物。
　　7、慢滤池倒U形出水管与虹吸破坏管的设置
　　慢滤池出水管设置在池底集水槽内，在池外将管道设置为拱形或倒“U”形，过水顶端与慢滤池设计水位齐平，一般高出顶层滤料500mm左右。管道断面形状一般成圆形，其孔口尺寸应根据出水流量来确定。在倒“U”管的顶部加装一条虹吸破坏管，采用三通连接一端在倒“U”管顶部，从慢滤池外部池壁进入池内，管道进口高程可与正常设计水位齐平，与倒“U”管的顶部保持水平或稍高，其管径为出水管的1/2～1/3。当慢滤池水位高于虹吸破坏管进口时，水流在自压的作用下通过出水管进入清水池。当慢滤池的水位低于虹吸破坏管的进口时，空气进入倒“U”管顶部形成空气阻隔，使出水管无法形成虹吸现象，从而自动断流，确保了滤料以上有效养水层，从而达到了对生物粘膜的保护作。
　　8、清水池设计
　　清水池即调节构筑物的型式和位置，应根据以下要求，通过技术经济比较确定：
　　①清水池应设在滤池（或净水器）的下游或多水源井的汇流处。
　　②有适宜高地的水厂，应选择高位水池。
　　③地势平坦的小型水厂，可选择水塔。
　　④联片集中供水工程需分压供水时，可分设调节构筑物，并与加压泵站前池或减压池相结合。
　　⑤调节构筑物应位于工程地质条件良好、环境卫生和便于管理的地段。
　　调节构筑物的有效容积，应根据以下要求，通过技术经济比较确定：
　　①有可靠供水系统的工程，单独设立的清水池和高位水池可按最高日用水量的20%～40%设计；同时设置清水池和高位水池时，清水池可按最高日用水量的10%～20%设计，高位水池可按最高日用水量的20%～30%设计；水塔可按最高日用水量的10%～20%设计；向净水设施提供冲洗用水的调节构筑物，其有效容积应增加水厂自用水量。取值时，规模较大的工程宜取低值，小规模工程宜取高值。
　　②输水管道和设备等维修时不能满足基本生活用水需要的Ⅳ型、Ⅴ型工程，调节构筑物的有效容积可按最高日用水量的40%～60%设计。
　　③供生活饮用水的调节构筑物容积，不应考虑灌溉用水。
　　清水池的最低运行水位，应满足最不利用户接管点的最小服务水头要求；最高运行水位，应满足净水构筑物或净水器的竖向高程布置。
　　Ⅰ～Ⅳ型供水工程的清水池、高位水池的个数或分格数，应不少于2个，并能单独工作和分别泄空。清水池、高位水池应有保证水的流动、避免死角的措施，大于50m3时应设导流墙。清水池和高位水池应加盖，周围及顶部应覆土，并可分别种植风景树种及草本植物。在寒冷地区，调节构筑物应有防冻措施。
　　调节构筑物进水管、溢流管、出水管、排空管、通气孔、检修孔（即“四管两孔”）的设置：
　　①进水管的内径应根据最高日工作时用水量确定；进水管管口宜设在平均水位以下。
　　②出水管内径应根据最高日最高时用水量确定；出水管管口位置应满足（1.8～2.0）D，即管径1.8～2.0倍的最小淹没深度和（1.0～1.25）D的悬空高度。
　　③溢流管的内径应等于或略大于进水管的内径；溢流管管口应与最高设计水位持平。
　　④排空管内径应按2h排空计算确定，且不小于100㎜。
　　⑤进水管、出水管、排空管均应设阀门，溢流管不应设阀门。
　　⑥通气孔应设在水池顶部，直径不宜小于150㎜，出口宜高出覆土表面0.7m。
　　⑦检修孔直径宜不小于70cm。
　　⑧通气孔、溢流管和检修孔应有防止杂物和动物进入池内的措施；溢流管、排空管应有合理的排水出路。
　　清水池和高位水池的结构设计应符合《给水排水工程构筑物设计规范》（GB50069）的规定。
　　水处理工艺流程图、生物慢滤池剖面图如图1所示。
　　滤料反冲洗系统分层布置放射状管道剖面图如图2所示。
　　4生物慢滤水处理技术的推广应用
　　秭归县地处鄂西山区,为三峡库首第一县，饮水水源大都来自山泉水和水库堰塘水，由于面源污染较重，水质大肠杆菌、浓度、氨氮、有机物等超标，全县水质不达标人数占饮水不安全人数的25.4%。生物慢滤水处理技术是通过生物化学作用和物理吸附作用从而维持生态平衡的水处理工艺。运用实践表明，生物慢滤技术具有一次性投资小、水处理零成本、净化效果好、水处理过程生态环保、运行简单、运行维护成本低廉等优点，特别适合山区丘陵地带中小型供水工程，欧美、日本等发达国家也在推广该项技术。
　　再就是对原水厂生物慢滤设施进行维修和改造，以确保水质达标；另一方面采取管网延伸措施扩大供水范围和水厂规模，实行规模化经营。
　　通过典型带动、技术引导、强力推行，共建集中式生物慢滤处理水厂234处，分散式生物慢滤工程1011处，使9.36万人的饮用水得到了生物慢滤净化处理。通过对水厂水质检测都能达到饮用水卫生指标。
　　总之，农村人畜饮水工程建设后管理的总体要求是：以保障农民群众的饮水安全为目标，以提供优质供水服务为宗旨，坚持按经济规律办事，建立适应社会主义市场经济体制要求、符合农村饮水工程特点、产权归属明确、责任主体落实、责权利相统一、有利于调动各方面积极性、有利于工程可持续利用的管理体系；按成本水价供水、计量收费、市场运作，确保农村人畜饮水工程长期发挥效益。
　　参考文献：
　　《云南省农村人畜饮水技术手册》
　　《建筑给排水工程设计规范》
　　《水利水电工程规范》