牟定农村饮水安全科技成果应用与示范

云南大学

　　一、基本情况

　　饮用水安全是21世纪人类面临的最富挑战性的问题之一。尤其是在中西部边远农村和一些矿区，特定微污染物（如铬、镉、铅、氟、砷等）通过饮用水进入人体并在体内积累，导致机体代谢途径受阻，危害人体健康，甚至造成特殊的地方病，诸如“骨痛病”、“地氟病”和“地砷病”等。目前边疆少数民族地区的水资源现状是：自然条件差、二次供水管和设备上滋生了污染、水源水富营养化程度高、氨氮高。当时一些边远农村地区多处供水点的水质不合格：重金属汞和微生物指标不达标。

　　因此，考虑到饮水安全问题对帮扶地区居民健康问题有着很大的影响，在云南省少数民族偏远山区使用光催化-无机多孔清水剂联用的新技术对边远农村微污染饮用水水体进行处理，有效保障了边远农村群众的用水安全，缓解了水资源短缺问题，通过对云南省农村饮水安全健康问题进行重点帮扶，让村民喝上了放心水。

　　二、实施进展

　　本项目在云南大学服务云南行动计划及云南省水利科技项目（项目编号：2016530101000395）支持下，于2016年6月开始实施，由云南省水利水电科学研究院牵头利用云南大学自主研制的光催化水处理设备在云南省楚雄彝族自治州牟定县贾溪塘村、石陈村、卓关山村成功实施。建成日处理水量分别为1项100 m3、2项日处理水量10 m3光催化复合净水工程。通过本项目的顺利实施，解决了三个少数民族山区自然村1200人的饮水问题。为该地区的村民提供了健康保障，同时也为倡导健康的生活方式，提高村民健康生活的意识提供了可能。

　　2.1前期研究分析

　　相关资料表明，本帮扶项目区域内微污染饮用水为Hg和微生物指标超标的有毒有害水体。经团队多次现场取样水质检测，根据《生活饮用水卫生标准》，超标项目具体指标下表2-1所示：

表2-1 原水水质分析

　　通过实地考察调研对牟定县贾溪塘村、石陈村、卓关山村三个村农村生活用水情况有了较为清晰地认识。通过实地走访并取样分析发现，项目示范区域内三个村生活用水中的汞含量，总大肠菌群，菌落总数和化学需氧量均超过了《生活饮用水卫生标准》的标准限值，其中三个村的生活用水中汞含量均超超标严重，亟待解决。

　　本项目处理后出水作为生活饮用水，出水要求达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）中规定的限值。

　　2.2设备研发阶段

　　基于上面的实地考察分析，综合边远地区的经济状况，设备占地面积等方面的考量，给出了设备设计的原则：

　　(1) 技术先进性原则：边远农村生活饮用水工程一方面应体现快速、使用的理念，另一方面微污染饮用水处理系统的先进性。所使用的工艺和技术应在短时间内不会被淘汰，避免重复改造，浪费人力物力。

　　(2) 安全性原则：由于本项目直接关系到村民的用水安全问题，因此处理出水水质不能存在任何问题。

　　(3) 低运行成本原则：处理成本应作为技术方案选择的重要原则之一。

　　(4) 少占地原则：微污染饮用水处理技术的选用还应考虑占地面积小，运行效率高的设备和技术。

　　(5) 二次污染小的原则：常规微污染饮用水处理工程容易产生二次污染的问题，所以在选择工艺时，应首选绿色环保的处理工艺。

　　同时进行了工艺设计，使其符合边远地区的实际情况。

　　2.3项目运行出水检测分析

　　在项目要求设备系统完成运行调试后对出水主要指标进行了多次检测，经有检测资质的第三方检测机构对水样进行了检测，结果如下所示，菌落总数、粪大肠菌群、重金属汞等主要指标均能达到《生活饮用水卫生标准》的标准限值。

　　由表可知，其检测结果为：汞浓度由处理前的3.8mg/L降至0.001和0.00052mg/L，减幅度达到99.97%和99.99%；处理前的粪大肠菌群分别为5和12 MON/L，处理后的饮用水均未检测消减幅度达到100%；此外，两个示范点饮用水处理前的菌落总数浓度分别为150和350（CFU/mL），均未超过《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）中标准限值（500CFU/mL），消减作用明显。

　　2019年5月19日、2019年8月7日以及8月23日对两个示范点水样检测结果中的汞、粪大肠菌群和菌落总数浓度均符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）标准限值，且明显低于标准限值。同时由表2-1可知，2019年8月7日卓官山村水样中菌落总数略高，为440CFU/mL，但依然低于标准限值的500CFU/mL，其主要原因是取水样时卓官山村消毒试剂刚好用完，对原水未进行消毒，导致处理后的水样菌落总数偏高。

表2-2  各村庄处理后水样检测结果

　　牟定县两个示范点的生活饮用水经农村饮用水光催化一体化处理后，其主要污染因子均能达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的标准，其中粪大肠菌群均无检出，菌落总数稍有波动但均低于生活饮用水国家标准限值，水中汞含量相较于原水去除率达90%以上，出水水质有明显提升，有效的保障了该地区百姓的饮用水安全，同时也对出水的色度、浑浊度（见图2-1）、肉眼可见物、臭和味、pH、铁、锰、铜、锌亚硝酸盐等污染物进行了全面分析检测，出水所检项目均符合GB5749-2006国家小型集中式供水和分散式供水卫生标准。

　　三、主要特点

　　3.1技术原理

　　3.1.1光催化技术

　　光催化技术是环境污染治理最具代表性的先进氧化技术。它是以反应过程中产生的羟基自由基(•OH)作为强氧化剂，使有机污染物深度氧化分解为无毒的无机小分子（如CO2、H2O等），并具有强烈杀灭细菌和病毒的作用。现有商用TiO2光催化剂的比表面积通常较小，其活性往往满足不了实际需要。尤其在处理污水流量大时，停留时间较长，增加占地面积，而且污染物去除不彻底。因此，研发更加高效的光催化剂，提高深度处理能力也是非常迫切和重要的问题。

　　我们自主研发的生物模板光催化水处理技术具有以下优点：

　　（1）工艺技术先进：光催化水处理技术是环境污染治理最具代表性的先进氧化技术，已经受到全世界的广泛关注。

　　（2）反映条件温和：光催化反应在常温、常压下进行，反应条件温和，其中二氧化钛作为光催化剂具有无毒、稳定、可重复使用、氧化能力强、无光腐蚀现象、无二次污染等诸多优点。

　　（3）处理效果良好：光催化处理技术能够彻底破坏有机物，有效去除废水中的COD、氨氮，优于普通生化处理效果。

　　（4）反应设备简单：便于安装，便于迁移，橇装式设备的生产、组装都在工厂内完成，现场安装工作量少，只需完成接口管道及外部电气的连接就可以工作；由于功能组件集成于一个整体底座，可以方便地整体迁移，模块之间可随意组合，管理操作方便，使用寿命长，运行成本低；撬装式设备结构紧凑，比传统的安装方式减少占地面积，而广泛应用各行各业。

　　（5）无二次污染：光催化剂在光照的条件下能够产生强氧化性的自由基，该自由基能彻底降解几乎所有的有机物，并最终生成H2O、CO2等无机小分子，不产生二次污染。

　　3.1.2多孔无机清水剂净水新技术

　　云南大学国家光电子能源材料国际联合研究中心自主研发的多孔无机清水剂是一种全无机组分构成的新型水净化材料，其配套新技术具有操作简单、起效快、用量少、效果好、适用范围广的特点，并且成功克服进口或军用净水剂仅能杀菌不能清水的缺点，是为数不多的真正集净水和杀菌消毒功能于一体的清水剂。经净化后的水清澈，无异味，可作为一般生活用水使用。

　　多孔无机清水剂含有纳米银杀菌成分，其处理成本和目前常用的含氯净水剂处理成本相近，但又有效避免了含氯净水剂容易造成余氯、生成三氯甲烷等致癌物质的缺点。 

　　3.2技术关键与创新点

　　3.2.1技术关键

　　（1）针对饮用水中微污染物设计纳米光催化材料和纳米组装结构及低成本宏量制备技术。

　　（1）基于纳米光催化材料的饮用水中微污染物吸附-转化一体化集成技术。

　　（2）基于纳米光催化材料的净水示范与效果评价技术。

　　3.3.2创新点

　　（1）提出利用仿生光催化材料和技术高效去除饮用水中微污染物，并证明其安全有效可行；

　　（2）发展无次生污染的原位“富集-转化”一体化微污染物处理方法；

　　（3）在负载技术上，把纳米光催化材料铆固在常规多孔材料的孔洞内，通过纳米材料特性与常规材料的复合，既利用常规多孔材料的易实用性，又发挥纳米材料的强吸附捕获微污染物的功能，两者优势互补，实现高效处理饮用水中微污染物；

　　（4）发展对饮用水中微污染物高效去除的纳米材料和纳米组装技术单元及集成技术，并构建低成本深度净水技术示范装置。

　　四、成效经验

　　针对自然条件差、二次供水管理和设备上污染滋生、水源水富营养化程度高的边疆少数民族地区，我们建设了针对高原边疆少数民族地区的光催化净水示范工程，设计制造了总处理规模为100吨/天的光催化一体化设备一套、处理规模为10吨/天的光催化一体化设备两套。解决了三个少数民族山区自然村约1200人的饮水问题，还多次在实地为村民进行免费培训及普及饮用水安全知识。这是实现边疆少数民族地区生活用水的一项社会效益和生态效益十分显著的民心工程。获云南省首次农业科技创新成果转化推介暨招商大会“优秀成果奖”。项目发表论文4篇，授权专利7件。通过本项目的实施提升保障了当地居民的饮水安全，为村民的身体健康提供了保障，使水质主要指标达生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006），而且本项目的工艺经济实用、运行成本低、效果好，最大限度的考虑了边远地区的经济水平，为边远地区便捷、安全饮水给出了比较好的解决方案。项目在牟定县三个农村的成功实施，同时也证明生物模板光催化技术可以在云南省农村进行推广应用并可应用于应对紧急自然灾害地区的饮用水保障。对保障边远地区农村饮水质量安全问题提供了思路，以及改善居民生活质量，改善周边生态环境方面也做出了贡献。充分体现了对村民健康帮扶的作用。得到了帮扶地区村民的积极配合以及一致好评，充分体现了高等院校精准帮扶的意义。我们深深体会到高校不仅肩负着培养人才的根本职能，也承担着发展科技、服务社会的重任。本项目的实施充分发挥了用技术服务社会的理念，真正把技术用到了实处，做到了服务社会、贡献社会的目的，具有很好的社会效应。同时也为乡村发展奠定了基石，也为乡村振兴战略的开展提供了保障。

　　在今天加强农村生态文明建设，建设美丽乡村的大背景下，我们还要跟乡村振兴相结合。进一步支持高校以建设美丽宜居村庄为导向，在饮用水达标后还要对农村垃圾、污水治理和村容村貌提升中的关键科学问题开展研究，系统突破农村人居环境整治关键科学问题，助推农村人居环境质量全面提升，实现一个闭环。

　　五、推广实施

　　（1）推广研制农村分散式太阳能仿生光催化户用智能化污水处理设备

　　“十三五”期间，针对突出农村环境问题，各级政府多管齐下进行治理，取得了一定成绩。然而，由于历史原因和相关因素，一些乡村水系污染治理不尽如人意，农村还有许多河湖污染亟待治理，一些黑臭水体急需消除。农村人居环境的发展情况，将直接影响我国整体人居环境的水平。尤其是随着农村经济和乡村休闲旅游业的发展，生活污水已成为制约农村环境改善的重要因素。我们在分散式农村饮用水处理设备方面的经验可以推广到农村分散式太阳能仿生光催化户用智能化污水处理设备。尤其是我们的设备具有高度集成，占地面积小、不需土建，可移动式灵活运用模块化、智能化、运输便利、安装快捷、无需专人值守等特点，以便农村和今后的应急处理体系建立。传统的污水治理手段如生化处理对于水质要求高，处理速度慢且成本高，而过滤尤其是膜过滤手段又存在着初期基建成本高、后期膜寿命短等问题。相比之下光催化成套设备占地面积小，结构紧凑，总体模块少，易于自动化控制的实现。具有处理高效、快速，不造成二次污染等特点。同时，污水进入光催化反应器，与反应器中的光催化剂充分接触，在紫外灯的作用下，产生强氧化性的羟基自由基，进而将水体中的大部分有机物彻底分解成二氧化碳和水，同时，紫外光也会起到了显著的杀菌消毒作用。光催化设备出水经过污水后处理，水质进一步改善，从而确保出水水质达到排放标准。 

　　(2)光催化净水技术与太阳能光伏取水成套设备融合

　　近年来，我国旱情较为严重，水资源短缺，严重影响人们的生产和生活。光伏取水是作为绿色高效、成本低廉的取水技术，越来越受到关注。但根据实际工程经验，由于乡镇尤其是偏远山区水质污染严重导致水质恶化，及时将水源提取也无法使用，因此水体净化综合应用技术是关键，可以有效处理城镇高浊度水体。