我国西北干旱缺水地区水资源匮乏，尤其是西北偏远村镇，由于地理位置偏僻，居民住所分散，导致给水管网修建困难，并且无可利用的地下水资源，只能以水窖来贮存雨水作为饮用水源。为解决西北干旱缺水地区人民的饮用水问题，我国开展了如“121雨水集流工程”“母亲水窖”“甘露工程”等雨水利用工程，据统计仅甘肃省新建集雨水窖就达300余万眼，解决了260多万人民的饮用水问题。但是雨水在收集入窖的过程中会受到如固态废物、大气沉降物、化肥农药等的污染，导致窖水中浊度、氨氮、有机物等超标严重，部分地区还存在重金属污染。

为改善微污染窖水水质，目前大多采用预处理、深度处理和强化传统工艺处理技术，但这些技术的适用性各有局限。生物慢滤是一种将过滤技术与生物技术相结合的水体处理技术，待处理水以缓慢的流速流经滤料层以实现净化，具有操作简便、运行成本低、无需投药等优点，可以高效去除水中浊度、色度、有机物等，因此在水资源匮乏的村镇具有广阔的应用前景。

笔者通过对比生物慢滤装置中不同滤料的挂膜时间，以及挂膜成功后对微污染窖水中浊度、NH4+-N、有机物的去除效果，分析其去除机理以及去除效果存在差异的原因，进而筛选出适合处理微污染窖水的滤料，以期为生物慢滤应用于西北村镇微污染窖水处理提供一定的技术支持。

1、材料与方法

1.1 实验用滤料

根据不同的元素组成挑选沸石、石英砂、火山岩、麦饭石4种天然滤料作为实验用滤料。其中，沸石中主要含有C、O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Mn、Fe元素，含量分别为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，含量分别为23.04%和76.96%；火山岩主要含有O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe元素，含量分别为34.74%、1.62%、5.46%、6.81%、25.85%、0.68%、8.86%、15.98%；麦饭石主要含有O、Na、Al、Si、K、Fe元素，含量分别为36.67%、7.62%、3.02%、41.09%、7.62%、3.98%。

为了增强元素含量不同产生的对比性，采用FeCl3对普通沸石进行改性，增加Fe元素含量，改变其原本的表面构型，使得改性后的沸石在中性水环境下带正电。具体制作方法：将普通沸石清洗干净置于纯水中浸泡12h，烘干后与浓度为2mol/L的FeCl3溶液按照固液比为1∶3混合均匀，再使用10mol/L的NaOH溶液调节pH至6后放置于烘箱中烘干，最后于550℃的马福炉中高温煅烧3h。

1.2 实验装置

实验装置见图1。采用5根内径均为60mm的有机玻璃柱作为滤柱，分别填装700mm不同滤料，上覆水深为350mm，在滤柱侧面间隔100mm设置取样口。1~5号滤柱分别装填沸石、改性沸石、石英砂、火山岩、麦饭石，滤料粒径分别为0.25~0.5、0.25~0.5、0.2~0.4、0.2~0.4、0.2~0.4mm。

1.3 实验用水

实验用水根据西北村镇窖水实际水质进行人工配制，具体参数如下：pH为7.30~8.20，温度为13~28℃，浊度为3.26~23.90NTU，CODMn为2.5~6.5mg/L，NH4+-N为0.4~1.2mg/L。

1.4 实验方法

各慢滤柱均采用自然挂膜方式，模拟窖水通过高位水箱自上而下分别流入5根滤柱，控制各滤柱滤速为0.2m/h，并在装置运行期间保证水流24h不间断进入滤柱，挂膜期间定时从各出水口取样，测定NH4+-N和CODMn浓度。挂膜成功后，取样测定浊度、NH4+-N、CODMn浓度。水质指标均采用国家标准方法进行测定。

2、结果与讨论

2.1 不同滤料的挂膜时间

滤柱挂膜期间，每天取样测定NH4+-N和CODMn浓度，当两者去除率达到稳定时即表明挂膜成功。结果表明，沸石、改性沸石、石英砂、火山岩、麦饭石滤柱的挂膜时间分别为36、30、43、29、37d，其中，火山岩滤柱的挂膜时间最短，并且对NH4+-N、CODMn的去除效果最稳定，挂膜期间对NH4+-N、CODMn的平均去除率分别为97.07%、43.20%；石英砂滤柱的挂膜时间最长。相比其他滤料，火山岩中的Fe、Mg、Ca元素含量更高，其中Fe元素可以促进硝化菌和反硝化菌的增殖，进而有利于硝化和反硝化过程的进行，并且可促使微生物生长富集；Mg元素可对微生物活性有积极影响的酶起到重要的激活作用，从而促进生物量的增加；Ca元素可以促使微生物胞外聚合物（EPS）中产生更多的蛋白质，而这些蛋白质的增加可以增强邻近细胞间的相互作用，并通过有机和无机吸附形成细胞交联。而石英砂滤料中没有Mg、Ca、Fe元素，麦饭石滤料中仅含有Fe元素而没有Mg、Ca元素，故两者的挂膜时间明显要长于其他滤料；改性沸石滤料由于采用FeCl3改性，增加了Fe元素的含量，更有利于挂膜，因此其挂膜速度仅次于火山岩滤料。

2.2 挂膜成功后各滤柱对污染物的去除效果

2.2.1 对浊度的去除效果各滤柱对浊度的去除效果见图2。可知，在平均进水浊度为13.58NTU的条件下，5个滤柱对浊度的去除率均在90%以上，平均出水浊度均低于1.0NTU，满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2022）的要求，去除效果从高到低依次为：改性沸石滤柱、火山岩滤柱、沸石滤柱、麦饭石滤柱、石英砂滤柱。生物慢滤技术主要通过滤料的过滤截留作用将大部分悬浮颗粒和胶体截留从而降低浊度，另外其还存在一定的絮凝吸附和生物降解作用，通过微生物分泌的具有黏性的聚合物形成生物絮体，并利用微生物将截留的污染物进行有效降解。当装置自然挂膜成功后，各滤柱去除浊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长也可有效阻碍悬浮颗粒穿透滤层。改性沸石滤柱对浊度的去除效果较其他滤柱要好，是因为沸石经改性后其表面在水环境中带正电，可与水中阴离子发生配位体交换和离子吸附作用。

2.2.2 对NH4+-N的去除效果

各滤柱对NH4+-N的去除效果见图3。可知，在进水NH4+-N平均浓度为0.8mg/L时，火山岩滤柱对NH4+-N的去除效果最好，平均去除率可以达到97.07%；各滤柱对NH4+-N的去除效果从高到低依次为：火山岩滤柱、改性沸石滤柱、沸石滤柱、麦饭石滤柱、石英砂滤柱。生物慢滤技术去除水中NH4+-N的途径：在前期主要依靠滤料本身的吸附作用，稳定运行后则主要依靠微生物降解作用。滤料中含有的Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Al3+等阳离子，可以与溶液中的NH4+进行离子交换；低价Fe是自养菌的供氢体，可加快自养菌化能合成过程，此外，铁离子作为化学催化剂可以增大细胞膜的渗透性，对硝化反应有较好的促进作用；而Mg元素作为微生物生长所必需的微量元素，参与了微生物细胞的新陈代谢，可促进硝化菌的硝化作用，同时Mg元素可以增强细胞间的范德华力，促进微生物的能量代谢；另外，Ca2+、Mg+可以促进生物膜中参与脱氮过程的优势菌种的富集。5种滤料中，火山岩的Mg、Ca元素含量最高，其次是沸石，石英砂和麦饭石中不含Mg、Ca元素；Fe元素含量由高到低依次为火山岩、麦饭石、沸石。石英砂作为一种硅酸盐矿物，几乎不含Mg、Ca、Fe元素，因此对NH4+-N的去除效果最差；改性沸石因改性负载了氧化铁薄膜，故其对NH4+-N的去除效果优于普通沸石。

2.2.3 对CODMn的去除效果

各滤柱对CODMn的去除效果见图4。可知，火山岩滤柱对CODMn的去除效果最好，平均去除率为43.20%；各滤柱对CODMn的去除率从高到低依次为：火山岩滤柱、改性沸石滤柱、沸石滤柱、麦饭石滤柱、石英砂滤柱，与NH4+-N去除效果类似。在生物膜形成前，慢滤柱去除有机物主要依靠吸附截留作用，有研究表明，阳离子对有机物的吸附率为Al3+>Ca2+>Na+；当生物膜形成后，对有机物的去除以生物降解作用为主。火山岩和改性沸石滤柱对CODMn的去除效果较其他滤柱更好，其中，火山岩中的Fe元素含量较高，改性沸石负载了氧化铁薄膜，异养菌以系统中的有机物作为碳源，而Fe元素可以促进异养菌的电子传递过程，提高异养菌活性；同时，Fe作为递氢物质可以促进烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的合成，而NAD+可以提高物质和能量代谢，促进污染物的降解。此外，金属离子（如Ca2+、Mg2+）能够参与调节细胞内外的渗透压，同时，还可以激活某些酶的活性，促进微生物的生长；Ca2+、Mg2+共存时可以提高生物膜中拟杆菌门的相对丰度，进而增强对有机物的降解能力。火山岩中的Fe、Mg、Ca元素含量最高，故其对有机物的去除效果最好。

2.3 滤层沿程对污染物的去除效果

滤层沿程对浊度的去除效果见图5。可知，5种滤柱对浊度的去除率均随滤层厚度的增加而增加，其中，0~100mm滤层浊度的去除率增长最快，当滤层厚度>300mm时，各滤柱对浊度的去除率均达到80%以上，此时出水浊度均在1.0NTU以下。这说明慢滤柱对浊度的去除是一个逐渐积累的过程，并且浊度去除主要集中在滤柱上层，是因为生物膜的生长使得滤料颗粒之间的空隙变小，在表层即可将大部分悬浮物、胶体等物质截留。

慢滤柱沿程对NH4+-N和CODMn的去除效果变化趋势与浊度相似，均随滤层厚度的增加而增加，但去除效率逐渐减小。0~200mm滤层对NH4+-N和CODMn的去除效率最高；在200mm处，5种滤柱的出水NH4+-N浓度分别为0.126、0.105、0.251、0.047、0.170mg/L，均已经达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2022）的要求，对CODMn的去除率均达到30%以上，说明慢滤柱对NH4+-N和CODMn去除主要集中在滤料上层。分析其原因，滤料上层的营养物质和溶解氧浓度高，为微生物生长提供了良好的条件，微生物的生长代谢活动比较旺盛；而随着滤层厚度的增加，水中溶解氧和营养物质逐渐减少，导致生物量和生物活性降低，因此对NH4+-N和CODMn的去除效率降低。

3、结论

①各滤柱稳定运行后，对浊度的去除率均在90%以上；对NH4+-N和CODMn去除效果最好的是火山岩滤柱，平均去除率分别为97.07%和43.20%；火山岩滤料挂膜最快，处理效果最稳定，挂膜时间为29d。

②滤料中含有的Na、K、Ca、Mg、Al、Fe元素对NH4+-N和CODMn的去除具有促进作用。金属阳离子可以通过离子交换和吸附作用去除NH4+-N和CODMn，并且Mg、Ca元素可以促进具有去除有机物和NH4+-N功能的优势菌种的生长；Fe元素作为供氢体可以提高部分微生物的活性。火山岩中的Na、K、Ca、Mg、Al、Fe元素的综合含量远高于其他4种滤料，因此其处理效果最好。

③生物慢滤柱对污染物的去除率随滤层厚度的增加而逐渐提高，但增速渐缓，对NH4+-N和CODMn的去除主要集中在上层0~200mm段。

④当采用生物慢滤技术处理微污染窖水时，建议天然滤料优先考虑火山岩，改性滤料优先选择含有Fe元素的改性剂进行改性。