1 我国西北村镇饮水安全现状
近年来，我国西北地区群众通过兴建水窖等小型、微型水利工程，有效地解决了生产生活用水短缺问题，如甘肃“121”雨水集流工程，宁夏回族自治区“窑窖工程”，内蒙古“112 工程”，贵州省“渴望工程”，陕西省“甘露工程”以及全国妇联发起的“大地之爱·母亲水窖”公益项目等。实践证明，所有这些措施大大缓解了当地的用水危机，然而，与此相关的水质问题也随之产生。集雨水在降落和径流过程中容易受到空气沉降、面源化肥农药、集流面固态废物碎屑(垃圾、动物粪便等) 以及其他由人类活动带来的污染，水质不达标现象普遍，未经处理直接饮用会对人畜产生极大危害。研究表明，集雨水中超标因子主要包括浊度、细菌、有机物，部分地区还存在铅、铬等重金属离子含量偏高的情况。
根据甘肃省2009 年调查复核报告，截至2010年底，甘肃省2 111. 74 万农村人口中，饮水不安全人口985. 66 万，水质不达标人口358. 58 万，占全省农村饮水不安全人口的36% ; 其中，氟超标71. 25 万人，砷超标2. 73 万人，苦咸水126. 95 万人，汞镉铬铅超标3 万人，污染水等其他水质问题121. 99 万人，细菌学指标超标32. 66 万人。水质污染和细菌学指标超标主要指分散式集雨水饮用工程，其水质超标原因在于: (1) 雨水集蓄饮用工程属于小型水利工程，农户自建自管，缺乏有效的建设运行管理机制。(2) 建设标准低，供水设施简陋，缺少清洁、高效的集雨水收集系统。(3) 水源保护，供水设施维修，水质监测等管理措施不到位。(4)缺乏必要的净化、消毒设备。目前，在我国西北地区集雨工程中初期雨水通常采用弃流+ 沉砂池的处理方式; 窖水水质处理一般采用撒消毒剂或者采用石英砂柱等过滤处理。资料表明，国内关于集雨饮用水深度处理技术研究、设备研制十分鲜见，而国外对城市初期雨水的污染问题十分重视，在美国和欧洲已经制定了一套雨水收集、处理和管理的完整方法。
2 生物慢滤设备研发
2. 1 生物慢滤设备研制
中国水利水电科学研究院在大量试验研究的基础上，对传统慢滤技术进行优化改进，研发了一种小型家用自动生物慢滤水处理设备，主要由高位配水箱、前置Y 型过滤器、生物慢滤滤装置和自动化控制配电箱组成，工艺流程如图1 所示。
(1) 高位配水箱。高位水箱中设置了一个恒流器，利用恒流器微单元水位差保证从高位水箱流出的水流速恒定，克服了传统配水箱中供水依靠重力作用，流速先大后小的缺点。高位水箱底部设置排泥口，用于排出高位水箱长期运行后底部可能出现的沉积物。
(2) 前置Y 型过滤器。在进入高位水箱前，用一个Y 型过滤器对窖水进行粗滤(其作用相当于传统慢滤工艺的前置粗滤池) ，Y 型过滤器中设置100目(约0. 2 mm) 的过滤网，以初步去除水中的悬浮物、泥沙等污染物，减少后续慢滤装置的堵塞机率。
(3) 生物慢滤装置。生物慢滤装置分为两部分，上部为布水器，布水器的底部设置均匀分布的小孔，以便水均匀流出，布水器中装填粒径为1 ～ 2 mm 的石英砂，对进入慢滤装置的水进行预处理。从布水器流出的水进入其下面的生物慢滤装置中，经微生物及滤料的双重净化作用，处理后的水进入水缸。
(4) 自动化控制配电箱。高位水箱中设置水位测定装置，用弱电感应水位，当水位低于设定的最低水位时，潜水泵自动开启，抽水至高位水箱; 当高位水箱中的水位达到设定的最高水位时，潜水泵自动关闭，从而实现了整个装置的自动化运行，贴近农村应用实际。
2. 2 工艺操作流程
生物慢滤装置是本套家用自动生物慢滤水处理设备的核心，基本操作步骤包括: (1) 启动。为了防止边壁效应和空隙中残留气泡，按照湿法装填滤料。所谓湿法装填是指装填滤料时，边填加滤料边加水，以挤出过滤层中的气泡。装填完毕后，将表层滤料抹平。为了减少表层滤料扰动，以利于微生物粘膜的形成，开始采用正常滤速的1/4，持续运行约10 d，随后逐步增加流速至设计滤速。(2) 日常运行。农户根据具体情况既可连续运行也可间歇运行。(3) 滤料更换。运行2 ～ 3 个月后，慢滤装置发生堵塞，需要清除表层滤料。关闭进水阀，停止进水，将慢滤装置中的水放至露出滤料表层时，用平板铲将表层滤料(约2 cm) 和附着在表层滤料上的生物粘膜移走。由于表层生物粘膜已被铲掉，刚入水时，出水水质会有所变化，但一般2 ～ 3 d 时间后，出水水质又可以恢复到原来状态。(4) Y 型过滤器清洗。定期取下Y 型过滤器中的滤网，清洗滤网表面的淤泥与灰尘。
2. 3 工艺去污机理
生物慢滤技术对污染物的去除是物理吸附过程和生物化学过程共同作用的结果。研究结果表明，在生物慢滤上层的滤料表面形成了一层含有多种微生物的生物粘膜，生物粘膜中含有各种细菌(球菌、杆菌等) 、藻类、原生动物以及各种微生物的分泌物，在水的净化过程中，这些微生物形成了良性循环食物链: (1) 原生动物捕食藻类和细菌。(2) 藻类生长需要吸收水中的N 和P，同样细菌生长也需要吸收水中的N 和P 以合成细菌细胞，这是细菌的同化作用，此外在硝化细菌的作用下，氨氮转化为硝酸盐氮，然后在反硝化细菌的作用下，硝酸盐转化为氮气; 在细菌的异化作用下，有机物转化为二氧化碳被除去。(3) 死亡的原生动物、细菌、藻类等又成为新生微生物的营养，如此循环。由此可见，生物粘膜在生物慢滤技术中具有双重作用，生物粘膜的物理吸附、截留作用和粘膜中微生物的捕食、被捕食及生物化学作用。
3 工艺应用
3. 1 运行效果
家用自动生物慢滤水处理设备在甘肃省会宁县会师镇和新添堡乡进行了技术示范，并于2011 年7 月至9 进行了6 次取样检验。超标污染物主要包括浊度、菌落总数和总大肠菌群，其进出水水质情况如表1 所列，其中，菌落总数为每mL 的量，总大肠菌群为每100 mL 的量。由表1 可知，家用自动生物慢滤水处理设备对浊度的去除效果明显，原水浊度为5 ～20. 36 NTU，出水浊度均低于1 NTU; 对菌落总数的去除效果显著，出水均低于500 CFU/mL; 出水水质均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006) 的要求。
3. 2 制水成本核算
家用自动生物慢滤水处理设备按照1 500 元/套，潜水泵抽水量2 m3/h，功率0. 37 kW，电费0. 547 元/度。其中: (1) 设备费折旧费(按照20 年折旧) = 1 500 元/20 年= 0. 205 元/d; (2) 设备产水量= 0. 2 m/h × 0. 09 m2 × 24 h/d = 0. 432 m3/d;(3) 生产1 m3水的折旧费= (0. 205 元/d)/(0. 432 m3/d) =0. 47 元/m3 ; (4) 运行费(只有潜水泵耗电费) =0. 37 kW/(2 m3/h) ×0. 547 元/度=0. 1 元/m3 ; 综合制水成本= 生产1 m3水的折旧费+ 运行费= 0. 47 元/m3+0. 1 元/m3 =0. 57 元/m3。。
4 结论
随着社会经济的飞速发展，我国西北地区面临愈发严重的水资源短缺问题，雨水集蓄利用为这些地区探寻了新的途径。我国集雨水利用主要侧重于人畜解困，以解决水量安全为基本出发点，鲜有集雨饮水工程配套水处理设施，而水质安全事关人民群众健康，也成为了“十二五”期间能否全面完成饮水安全目标的制约因素。
家用自动生物慢滤水处理设备具有投入成本低、操作简单、方便卫生、出水水质达标、不需要投加药剂等优点，可以有效解决农村地区一家一户分散供水的饮水安全问题，其社会、经济和环境效益显著，在我国新农村建设中具有广阔的推广应用前景。
