徐 強(qiáng)，王小貞，魏奮子

（1.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州730020；2.中共甘肅省委黨校，甘肅 蘭州730070；3.甘肅省農(nóng)村飲水安全化工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730020）

我國(guó)人均水資源量2300m3，僅為世界人均占有量的1/4，被列為世界13個(gè)貧水國(guó)之一。其中，西北黃土高原區(qū)是水資源嚴(yán)重缺乏的地區(qū)，許多山區(qū)屬資源性缺水，地表水和地下水都極度缺乏。由于受地形地貌、水源、投資數(shù)額、受益人口等等因素的限制，這些地區(qū)也不具備修建大型骨干水利工程的條件。雨水自然成為這些地區(qū)最為重要的水資源，甘肅會(huì)寧、慶陽(yáng)等地均有利用土窖、土壩、蓄水塘等收集雨水利用的傳統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)通過(guò)興建水窖等微型水利工程，這些地區(qū)的飲用水困難問(wèn)題得到有效緩解。

1995年，甘肅省委、省政府做出了在全省干旱半干旱地區(qū)實(shí)施“121雨水集流工程”的戰(zhàn)略決策，在干旱缺水的地區(qū)，給每戶農(nóng)戶建設(shè)100m2左右的屋頂和庭院集流面，建設(shè)兩口水窖，發(fā)展灌溉1處庭院經(jīng)濟(jì)。該工程的順利實(shí)施，在短短的一年多時(shí)間里解決了131.07萬(wàn)人、118.7萬(wàn)頭牲畜的飲水問(wèn)題，取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。但是，以窖水作為飲用水只解決了給水問(wèn)題，其水質(zhì)及其衛(wèi)生狀況仍缺乏必要的保障手段。為了解決人飲用水水質(zhì)安全問(wèn)題，廣大科技工作者做出了不懈努力，提出了一系列窖水水質(zhì)安全保障措施。這方面的研究，主要集中在三個(gè)方面：一是集雨窖水水質(zhì)特征，二是窖水處理技術(shù)，三是水窖建造、維護(hù)及管理。

1 集雨窖水水質(zhì)特征及影響因素

研究表明水窖水質(zhì)主要超標(biāo)指標(biāo)為pH值、濁度、大腸桿菌、CODMn、氨氮等，并且窖水水質(zhì)超標(biāo)程度與集雨徑流面類型、集雨沉降時(shí)長(zhǎng)、水窖類型等均有關(guān)系。

1.1 集雨徑流面的影響

據(jù)研究，集雨水水質(zhì)受集流面影響，初期水質(zhì)均較差，棄用初期雨水后，以磚地面、瓦屋面、水泥地面為集雨徑流面的集雨水水質(zhì)均優(yōu)于庭院土地面，以瓦屋面最優(yōu)。張國(guó)珍[1]分析了黃土塬地區(qū)以庭院土地面、磚地面、瓦屋面、水泥地面為集雨面的降雨徑流水質(zhì)，研究了適合水窖收集利用的集雨面類型。其研究結(jié)果表明：在徑流初期，各類集雨面的降雨徑流污染均較嚴(yán)重，隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)，各污染物濃度降低，瓦屋面、磚地面、水泥地面的降雨徑流水質(zhì)優(yōu)于土地面。孫三祥[2]選取水泥土、粘土磚、機(jī)瓦3種典型下墊面進(jìn)行模擬試驗(yàn)，研究了下墊面對(duì)降雨地表徑流污染物的削減效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)CODMn、NH4+-N的削減效果依次為機(jī)瓦＞粘土磚＞水泥土；對(duì)UV254的削減效果依次為粘土磚＞水泥土＞機(jī)瓦；對(duì)TP削減效果依次為水泥土＞粘土磚＞機(jī)瓦。認(rèn)為此3種下墊面中機(jī)瓦最優(yōu)。武福平[3]對(duì)不同集雨面(屋頂庭院、山坡土路、打麥場(chǎng))水窖進(jìn)行了長(zhǎng)期水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明：受暴雨影響的集雨窖水水質(zhì)變化規(guī)律分為3個(gè)階段：各污染物指標(biāo)迅速減小的初期沉降階段(0～15d)、呈波動(dòng)性下降的中間過(guò)渡階段(15～100d)和水質(zhì)基本不變的后期穩(wěn)定階段(100～250d)；窖水濁度與各污染物之間極顯著性相關(guān)(P＜0.01)，濁度與NH3-N、細(xì)菌總數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.89以上，與CODMn的相關(guān)系數(shù)大于0.60；窖水偏堿性，水質(zhì)受集雨面特征影響較大，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間依次為：打麥場(chǎng)＞山坡土路＞庭院屋頂。

1.2 水窖的影響

不同材質(zhì)的水窖、水窖周邊環(huán)境均可影響集雨窖水水質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，水窖材質(zhì)可影響窖水的自凈功能，在集雨水貯存后期紅黏土水窖的水體自凈功能最強(qiáng)；農(nóng)戶水窖周邊環(huán)境惡劣，污染面廣的，窖水水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重。宋小三[4]通過(guò)對(duì)紅粘土水窖、水泥水窖及混合水窖三類模擬水窖中實(shí)際集雨水的pH值、DO、微生物數(shù)量、CODMn等水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，分析了在不同材質(zhì)的水窖中集雨水的水質(zhì)變化規(guī)律：在集雨水貯存初期15d內(nèi)，紅粘土水窖的酸堿度較好于水泥水窖及混合水窖，細(xì)菌總數(shù)、COD指標(biāo)相比較差。在集雨水貯存后期(90d后)，紅粘土水窖的酸堿度細(xì)菌總數(shù)、COD指標(biāo)均略優(yōu)于水泥水窖及混合水窖；窖水有機(jī)物降解速率符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，紅粘土水窖的水體自凈作用最強(qiáng)。齊昕[5]針對(duì)西北村鎮(zhèn)集雨窖水的水質(zhì)特點(diǎn)，采用基于T-S模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。評(píng)價(jià)分析選用CODMn、NH3-N和DO三個(gè)水質(zhì)指標(biāo)為輸入向量，建立了適用于窖水水質(zhì)評(píng)價(jià)的T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在實(shí)例分析中得出：不同集雨面所收集的窖水水質(zhì)也不相同；降雨初期集雨窖水水質(zhì)均為超Ⅴ類，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)窖內(nèi)水質(zhì)明顯改善，但在20d內(nèi)水質(zhì)依舊較差且不穩(wěn)定。馬嬋媛[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)卷調(diào)查及實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)，研究了甘肅農(nóng)村窖水水質(zhì)狀況及影響窖水水質(zhì)的因素。調(diào)查顯示：水泥窖占80%，存水周期為6～10個(gè)月；水窖周圍污染源廣，43.3%的農(nóng)戶家禽散養(yǎng)；水窖清洗頻率低，66.6%的居民未進(jìn)行過(guò)水窖清洗。120個(gè)樣本水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果顯示：濁度超標(biāo)率13.3%、pH值超標(biāo)率40%、CODMn超標(biāo)率15.5%。

2 窖水處理技術(shù)

針對(duì)窖水污染物的特點(diǎn)，眾多專家學(xué)者開(kāi)展了窖水凈化技術(shù)和裝置研究，成果顯著，目前已開(kāi)發(fā)出了多種集雨窖水凈化技術(shù)和裝置。從窖水凈化方式看，主要有四種：一是混凝沉淀；二是生物慢濾；三是超濾；四是組合工藝。

2.1 混凝沉淀

集雨窖水普遍濁度超標(biāo)，并且濁度與其他污染物濃度顯著相關(guān)[4]，因此降低濁度是凈化水質(zhì)的首要手段。針對(duì)窖水低溫低濁難沉淀的特點(diǎn)，郭譯文[7]考察了聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鋁(PAS)、聚合硫酸鐵(PFS)和聚合氯化鋁鐵(PAFC)四種混凝劑對(duì)窖水中濁度去除率的影響。結(jié)果表明：PAC較其它品種更優(yōu)秀，PAC投加量30mg/L，絮凝轉(zhuǎn)速40r/min，絮凝時(shí)間30min時(shí)預(yù)混凝效果最好。張國(guó)珍[8]研發(fā)了一套適用窖水處理設(shè)備，該設(shè)備采用混凝-生物活性炭聯(lián)用工藝對(duì)窖水進(jìn)行處理，該設(shè)備出水濁度穩(wěn)定在1NTU以下，平均去除率達(dá)到91.06%；出水NH3-N含量、CODMn和 UV254均符合 GB5749-2006標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定運(yùn)行后污染物平均去除率分別達(dá)到82.12%、82.04%和48.32%。張超[9]使用單混凝劑聚合氯化鋁（PAC）混凝、助凝劑陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）-PAC復(fù)配混凝和粉末活性炭聯(lián)合APAMPAC強(qiáng)化混凝對(duì)窖水進(jìn)行處理，在PAC質(zhì)量濃度為15.0mg/L，APAM質(zhì)量濃度為0.15mg/L，粉末活性炭投加量為20mg/L的強(qiáng)化混凝條件下，窖水中的UV254、COD和濁度的去除率可分別達(dá)到66%、54%、97%，并且粉末活性炭對(duì)小分子有機(jī)物的去除效果更為明顯，而APAM對(duì)有機(jī)物的去除沒(méi)有分子量選擇性。

2.2 生物慢濾

生物慢濾即利用粗濾、砂濾截留水中的有機(jī)物及雜質(zhì)使其表面形成生物黏膜，再通過(guò)生物黏膜的吸附、截留、消化等作用凈化水質(zhì)的方法，該技術(shù)無(wú)需投加任何藥劑、操作管理方便，適用于村鎮(zhèn)地區(qū)集雨窖水的水質(zhì)安全處理。張國(guó)珍[10]采用粗濾慢濾組合凈水工藝制造出粗濾慢濾小型凈水裝置，對(duì)窖水的濁度、有機(jī)物、氨氮及微生物學(xué)指標(biāo)有良好的去除效果。該裝置在濾速0.1m/h的情況下，生物膜生長(zhǎng)期為40～50d。生物膜形成之后，產(chǎn)出水氨氮平均0.285mg/L，去除率最高達(dá)78.35%；CODMn平均2.27mg/L，去除率最高達(dá)到61.58%；濁度平均0.56NTU，去除率最高達(dá)到98.99%。楊浩[11]對(duì)粗濾/生物慢濾水質(zhì)凈化技術(shù)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化及集成，并在西北干旱村鎮(zhèn)地區(qū)進(jìn)行了工程化應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，粗濾/生物慢濾水質(zhì)凈化技術(shù)能有效處理集雨窖水，對(duì)常見(jiàn)的污染物指標(biāo)均有很好的去除效果。在設(shè)備濾速為0.2m/h的情況下，生物膜的生長(zhǎng)周期為40d左右。生物膜形成后，平均產(chǎn)水濁度為0.8NTU、CODMn為2.5mg/L、氨氮為 0.47mg/L，平均濁度去除率分別為90%、CODMn為34%、氨氮為31%，出水水質(zhì)滿足國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。李鵬[12]利用生物慢濾技術(shù)，在傳統(tǒng)的窖水水質(zhì)處理基礎(chǔ)上研發(fā)了實(shí)用型家庭窖水水質(zhì)處理裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明：在濾速為0.1m/h的情況下，生物膜成長(zhǎng)期為15～25d。該裝置對(duì)濁度、CODMn、氨氮、菌落總數(shù)、總大腸菌群的平均去除率 分別為 95.7%、36.8%、85.9%、95.7%及100%，產(chǎn)水水質(zhì)滿足國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，適合農(nóng)村地區(qū)推廣使用。張國(guó)珍[13]采用水力旋流除砂器/人工生態(tài)截污系統(tǒng)/粗濾/慢濾集成工藝，進(jìn)行窖水飲水處理工程實(shí)踐，該處理模式對(duì)農(nóng)村集雨窖水中濁度、色度、有機(jī)物、氨氮和細(xì)菌等微生物學(xué)指標(biāo)均有很好的去除效果，并且該裝置具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、便于維護(hù)等特點(diǎn)，出水各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具有較大推廣價(jià)值。

2.3 超濾

超濾是以超濾膜為核心的加壓膜分離技術(shù)，超濾膜過(guò)濾孔徑在0.05um～1nm之間，操作壓力在0.1～0.5MPa之間，主要用于截留水中的懸浮物、膠體、微粒、細(xì)菌和病毒等大分子物質(zhì)，超濾膜設(shè)備因其操作簡(jiǎn)單、成本低廉、分離效率高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水處理行業(yè)。張國(guó)珍[14]以顆?；钚蕴?納米金屬簇-超濾-紫外線的集成凈水工藝對(duì)窖水凈化處理，考察其對(duì)濁度、CODMn、氨氮的去除效果。結(jié)果表明：該集成工藝產(chǎn)水濁度穩(wěn)定在1NTU以下，對(duì)CODMn和氨氮的平均去除率分別為29.86%和50.95%，出水水質(zhì)達(dá)到了GB5749-2006標(biāo)準(zhǔn)的要求。在短時(shí)間內(nèi)較高濁度的進(jìn)水條件下，不會(huì)對(duì)超濾膜造成不可逆的污染，但在持續(xù)較高濁度進(jìn)水條件下，膜阻力會(huì)快速提高并最終造成膜污染，有效的預(yù)處理能減緩膜污染的進(jìn)程，膜污染發(fā)生后進(jìn)行有針對(duì)性的化學(xué)清洗亦能恢復(fù)膜通量。顏曉飛[15]采用電絮凝與浸沒(méi)式超濾聯(lián)用工藝處理集雨窖水，考察了影響氨氮和TP去除效果的主要因素，并與單獨(dú)超濾進(jìn)行比較。結(jié)果表明：電絮凝與超濾聯(lián)用工藝對(duì)氨氮的去除主要以電吸附為主，兼有C1-間接電氧化的作用，而對(duì)TP的去除主要是電解產(chǎn)生的Al3+與PO43-反應(yīng)生成難溶的ALPO4。當(dāng)在極板間距10mm、電流密度18.51A/㎡、電絮凝時(shí)間15min的優(yōu)化條件下時(shí)，對(duì)氨氮和TP的去除率分別為47%和90.1%，比單獨(dú)超濾分別提高了36.9和80.7個(gè)百分點(diǎn)，電絮凝對(duì)超濾具有明顯的強(qiáng)化作用。王應(yīng)平[16]開(kāi)發(fā)的微濾+精濾集成集雨飲水凈化裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、操作維護(hù)方便等特點(diǎn)，該產(chǎn)品在甘肅會(huì)寧等地推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

2.4 其他組合工藝

針對(duì)改善窖水水質(zhì)的問(wèn)題，除以上工藝外，還有不少學(xué)者做了嘗試，如電凝聚技術(shù)、生物曝氣濾池、生物活性炭、光催化技術(shù)以及一些聯(lián)合工藝，不同程度的開(kāi)拓了窖水凈化技術(shù)的領(lǐng)域，并取得了一定成果。張國(guó)珍[17]采用臭氧-BAF（生物曝氣濾池）組合工藝處理窖水，使用比紫外吸收值（SUVA）、有機(jī)物分子量分布和三維熒光光譜等指標(biāo)分析了臭氧預(yù)氧化對(duì)微污染窖水有機(jī)物特性的影響。結(jié)果表明：窖水經(jīng)臭氧預(yù)氧化后類腐殖質(zhì)降低65%、類色氨酸物質(zhì)含量降低18%，水中小分子有機(jī)物含量增加，可生化性提高；經(jīng)臭氧預(yù)氧化后BAF反應(yīng)器產(chǎn)水 TOC、UV254和 TN去除率分別為 55%、53%和45%，產(chǎn)出水CODMn、NH3-N濃度分別為2.97mg/L、0.12mg/L，滿足生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。徐強(qiáng)[18]開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用光催化技術(shù)凈化窖水的集成裝置，具有自動(dòng)運(yùn)行、能耗低、操作簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，可快速處理集雨窖水，去除水中膠體、懸浮物等雜質(zhì)，殺滅水中的病原微生物，降解水中的有機(jī)物，裝置的出水水質(zhì)可滿足國(guó)家飲水標(biāo)準(zhǔn)。電絮凝技術(shù)是以鋁、鐵等合金金屬作為主電極，借助外加脈沖高電壓作用產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，以犧牲陽(yáng)極金屬電極產(chǎn)生金屬陽(yáng)離子絮凝劑，通過(guò)凝聚、浮除、還原和氧化分解將污染物從水體中分離，達(dá)到凈化水體的一種技術(shù)，應(yīng)用改技術(shù)對(duì)集雨水進(jìn)行處理，水中的濁度、氨氮、UV254、COD去除率分別達(dá) 95%、63%、48%、80%[19]。臭氧-生物活性炭工藝將臭氧預(yù)氧化、活性炭吸附、生物降解3種工藝結(jié)合在一起，進(jìn)行窖水處理可有效去除CODMn、氨氮，去除率分別為81.02%、77.21%，產(chǎn)水各指標(biāo)達(dá)到國(guó)家飲水標(biāo)準(zhǔn)[20]。

3 水窖建造、維護(hù)及管理

影響窖水水質(zhì)的因素較多，包括集流面、水窖材料、水窖周邊環(huán)境、水窖維護(hù)措施等，其中科學(xué)的水窖維護(hù)措施是提高窖水水質(zhì)重要手段。馬嬋媛的調(diào)查指出，水窖集雨場(chǎng)周圍建有廁所、垃圾場(chǎng)、農(nóng)業(yè)廢棄物堆積場(chǎng)的家庭分別占5.8%、6.3%和8.6%，有43.3%的家庭存在家禽散養(yǎng)現(xiàn)象，這無(wú)疑對(duì)窖水的衛(wèi)生安全造成了極大地影響。付建林[21]針對(duì)西北的干旱地區(qū)，對(duì)窖水的水質(zhì)維護(hù)和水窖管理進(jìn)行了研究，認(rèn)為水泥地面、瓦屋面受污染最小，水質(zhì)均達(dá)到了或優(yōu)于水質(zhì)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，可作為西北村鎮(zhèn)集雨窖水水源地優(yōu)選集雨場(chǎng)地，紅粘土水窖對(duì)有機(jī)物自然降解和微生物數(shù)量控制方面略有優(yōu)勢(shì)，在窖水自然凈化方面紅粘土和水泥窖在根本上差別不是很顯著，兩種材料的選擇應(yīng)根據(jù)客觀條件，因地制宜，就地取材。趙文君[22]通過(guò)對(duì)水泥砂漿抹面水窖、固化土水窖、橡塑水窖3種不同材質(zhì)的水窖貯存雨水的濁度、pH值、COD等指標(biāo)的變化過(guò)程進(jìn)行分析，研究了雨水集蓄生活型水窖水水質(zhì)變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：貯存雨水初期水質(zhì)各指標(biāo)波動(dòng)較大水質(zhì)難確定，而后在長(zhǎng)期貯存中水質(zhì)各指標(biāo)逐漸趨于穩(wěn)定平衡。濁度、COD、微生物指標(biāo)之間互相關(guān)，收集低濁度的雨水對(duì)水的自凈、微生物生長(zhǎng)的限制及消毒有重要作用，建議應(yīng)加強(qiáng)集流面管理，或通過(guò)過(guò)濾池實(shí)施應(yīng)用，將濁度降低在初期。不同材質(zhì)水窖對(duì)雨水水質(zhì)凈化各有優(yōu)劣，基本能滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際采用時(shí)應(yīng)因地制宜。沙魯生[23]對(duì)我國(guó)西北、華北、西南部分地區(qū)水窖水質(zhì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)、結(jié)果和污染成因作了分析，指出雨水在形成、降落、收集過(guò)程、存儲(chǔ)、取用過(guò)程中都會(huì)受到污染，提出通過(guò)雨水初期棄流，設(shè)置沉砂池、沉淀池預(yù)處理等方式降低污染；修建雨水集蓄工程時(shí)應(yīng)合理規(guī)劃集流場(chǎng)、廁所、畜圈等的布局；日常維護(hù)水窖周邊環(huán)境、定期清理水窖淤泥等措施降低污染。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)西北地區(qū)干旱缺水歷史久遠(yuǎn)，清同治年間，時(shí)任陜甘總督的左宗棠曾在奏折中寫道“隴中苦瘠甲于天下”[24]，隴中地區(qū)苦瘠，最重要的根源是干旱缺水且降水季節(jié)分配不均。自“121”雨水集流工程實(shí)施以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的努力探索和實(shí)踐，廣大西部偏遠(yuǎn)地區(qū)群眾吃水難用水難的問(wèn)題已基本得到解決。但是，飲水水質(zhì)安全問(wèn)題尚未得到保障?，F(xiàn)在看來(lái)，水窖水地區(qū)飲用窖水的情況至少還要延續(xù)數(shù)年或十幾年。影響水質(zhì)的因素主要有集流面、水窖材料、水窖周邊環(huán)境、水窖維護(hù)措施等，通過(guò)科學(xué)合理的集雨水窖建設(shè)方案，改善水窖周邊環(huán)境，合理布局水窖位置，科學(xué)的水窖維護(hù)措施及應(yīng)用高效先進(jìn)的窖水凈化技術(shù)等手段，定可以實(shí)現(xiàn)集雨窖水的水質(zhì)安全。從現(xiàn)有的關(guān)于水窖水地區(qū)農(nóng)村飲用水資源安全保障研究看，成果很豐富，這些研究基本上是技術(shù)層面的研究，這當(dāng)然是非常重要的、是基礎(chǔ)性的，還需要繼續(xù)深入研究。但是，如何將窖水安全的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性、方便實(shí)用性相結(jié)合，如何界定政府、社會(huì)和個(gè)人在水窖水地區(qū)農(nóng)村飲用水資源安全保障方面的責(zé)任和義務(wù)，在全面建成小康社會(huì)的大背景下如何修訂水窖水地區(qū)農(nóng)村飲用水相關(guān)政策，現(xiàn)有研究成果不多，這都是學(xué)術(shù)界值得關(guān)注的研究方向。