从源头到龙头 饮用水系统安全保障建设与实践

发表时间:2020-07-27 15:46作者:张怀宇

导读:以系统论解析饮用水安全保障,以对“十一五”“水专项”以来形成的关键技术进行技术评估的基础上,形成包含安全性设计、韧性设计、可持续设计的饮用水安全保障技术体系,解决了从源头到龙头的全流程工艺技术、风险应对和应急供水及救援技术、应对现在和未来发展挑战技术的全方位的技术集成。

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1 饮用水安全保障系统观与研究办法

1.1 基于系统论的技术路线

安全饮用水是现代社会公共健康领域的重要基石之一。如何从技术体系上实现饮用水的安全保障,保障城市生命线,支撑“以水定城”新时期国家水安全的重要发展思路,是当前的重要工作。

我们将“饮用水”视作一个系统进行分析。

饮用水系统从结构上包括从源头到龙头的取、输、净、配过程,处于自然系统与社会系统之间;从功能上,得到洁净、充足的饮用水,需要实现合格的水质、充足的水量、稳定的水压等3项基本目标,在实现基本目标的过程中,还应确保系统自身的安全。

从要素上,包括物质和能量流要素(水源、用户需求、电耗、药耗等)、关联方要素(技术研发和推广、规划设计、运行管理、设备材料、政府监管、投资建设、终端用户)、技术体系要素(技术法规、标准、工艺技术、专利)等。

从环境上,饮用水系统在工程建设全生命周期中对于不同类型的环境变量具备应对能力。包括:常态条件下(如季节性影响)的安全性,随着人类认知的深入,会有不同的需求;突发事件下的安全性,如自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件等突发事件的应急供水能力,因此应具备一定的冗余性和可修复能力;应对社会发展和自然条件长期变化的可持续性(现在和未来),因此应当是一个近平衡的开放体系。

外因通过内因起作用。要素和环境的影响,最终通过系统自身及其结构元件实现,因此研究工作从包括源头到龙头的各项工艺技术出发,充分考量其技术特性。

从目标和问题导向进一步归纳。在工艺技术的研究中,充分考虑对饮用水系统的作用,以及应对三类环境问题的响应。

落实到具体的工程项目上,还存在技术和本地化因素的适配问题。

1.2 技术评估

针对饮用水系统、要素、环境及其相互作用,建立包括技术特性、技术质量等3项一级指标和12项二级指标、32项三级指标组成的指标体系,并按照预评估—技术验证—技术评价等3步骤对水专项等来源关键技术进行技术评估,评估成果支持标准化文件和标准体系。

(1)预评估。从“十一五”水专项以来形成的关键技术中,18项水系统规划技术、55项设计技术的基础上,结合国内外的研究和应用实践,梳理形成5项规划关键技术和9类18项设计关键技术(见表1)。

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(2)技术验证。相关技术,采用生产性试验验证和回顾性验证、仿真试验验证相结合的方式,经19个城市超过50个技术验证点的技术验证(见表2)。

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(3)技术评价。以上相关成果用以支撑标准化文件的编制和标准体系的构建。

供水系统应具备安全性、韧性和可持续性。据此归纳饮用水安全保障技术体系。单项的技术可能会涉及安全性、韧性、可持续性中的一项或多项,在本文中,以主要以从属的属性进行表述。

设计是可靠性的基础。本文重点以规划设计阶段为主导,设备材料、运行管理、监管不作为探讨和研究的重点。除非特别指明,本文中设计均指广义的设计,包括设计、规划、计划、方案、布局等,不限于我国工程建设流程中的设计阶段。

2 安全性设计

从源头到龙头的全流程工艺技术。相关科研成果覆盖了《生活饮用水卫生标准》规定的微生物指标、毒理指标、感官性状和一般化学指标、消毒剂指标等,还涉及了致突变前体物、微型动物、人工合成有机物、抗生素、贾第虫和隐孢子虫、含氮副产物如NDMA等污染物或指标。经系统化归纳,不仅包含了从源头到龙头的安全保障工艺技术,也包括了韧性、可持续性设计的相关技术。

2.1 原位净化和水质保持技术

包括人工湿地水质净化和保持技术、湖库调控控藻技术。人工湿地水质净化和保持技术在技术验证和评价石臼漾湿地、鹊山引黄水库湿地、氿滨湿地以及贯泾港湿地等工程示范的基础上,提出了不同水温条件、不同水质污染特征下用于水源净化和水质保持的工艺参数、不同季节的管理要点,并指出人工湿地具有普适性,能够显著提高水源水质,建设费用和运行直接成本较低。人工湿地还可提高全流程的保障率、降低卤代有机物消毒副产物风险。

湖库调控控藻技术是通过不同形式的水动力学调控措施(外部引水闸涵调度和扬水曝气器、推进器等内部增强循环等),调整水体的水力学条件、水温或浊度,实现抑制藻类增殖。其中外部引水闸涵调度用于有外水引入的条件,主要通过增加浊度抑藻;扬水曝气器用于水深较大、具有垂直方向水温分层的湖库,主要通过降低表层水温抑藻;推进器用于较小的水体,主要通过增强水力扰动抑藻。

2.2 预处理技术

化学预氧化、生物预处理和物理预处理等预处理技术已获较为广泛的应用。

化学预氧化药剂一般选用氯(次钠)、臭氧、二氧化氯、高锰酸钾,可根据不同的水质问题包括铁、锰、硫化物、臭味、色度、辅助混凝、致突变前体物控制、人工合成有机物、抑制生物成长等,以及获取的便利性进行选择。氯铵已证实基本无效。除非因臭味控制或致突变前提物控制的需要,或者工艺中设置有主臭氧,否则单独的臭氧预氧化并不经济。采用多种预处理药剂时,应分点投加并保持各自的接触反应时间。

生物预处理适用于含氨氮水和含藻水的处理。一般而言,固定床滤池效果优于接触氧化,管理难度相反。不规则的陶粒多孔填料优于表面光滑的塑料制人工滤料。进水氨氮月均约1.5~4.0 mg/L时宜选用生物预处理。

物理预处理中,粉末活性炭一般用于应急处理;预沉仅见于引黄河水的厂外预处理。

因特殊时期特殊原因,可见臭氧预处理和生物预处理联用,尚不能证实该工艺组合的有效性。

2.3 强化常规处理技术

常规工艺(混凝→固液分离(沉淀、气浮或澄清)→消毒)是净水处理的核心工艺和削减污染物的主要环节。强化措施分别从3个子环节展开。

以机械混合和机械反应替代水力混合、水力反应,并通过调整搅拌器转速优化反应G值,以及混凝剂的种类和投加量,可以强化应对低温低浊和水质水量变化。

气浮在低温低浊或高藻时作为固液分离单元具有优势,而沉淀在常温常浊、突发高浊时具有优势,两者结合,在生产中出现了气浮前置于平流沉淀池(串联)、平流沉淀池后置气浮(串联)、双层沉淀—气浮池(并联、串联或单独运行)、斜板浮沉池(单独运行)等不同变种。

高速澄清(沉淀)可用于用地高度紧张,可能存在高无机悬浮物冲击的低藻低有机物原水,可采用。该工艺需要额外投加助凝剂PAM。

狭义的消毒是指采用消毒剂对水中的致病微生物进行消杀、饮用水处理中的最后一个环节。消毒的有效性和副产物的控制是消毒的两大目标。在工程实践中,确保消毒的有效性,可以通过一定限度的消毒剂量和接触时间控制;而消毒副产物的控制往往需要同时在前序工艺中去除消毒副产物前体物、狭义消毒阶段控制消毒副产物生成,由此扩展到广义消毒。

消毒一般包括物理消毒(适当孔径的膜滤,含超滤、纳滤和反渗透)、化学消毒(氯、氯铵、二氧化氯、臭氧等传统消毒剂消毒,紫外线光化学氧化消毒,臭氧催化氧化、紫外/过氧化氢联用、臭氧/过氧化氢联用等高级氧化消毒)。物理消毒和光化学氧化消毒多见于小型供水系统和末端消毒,其他化学消毒在不同规模都有广泛应用。需要指出的是,在集中式生活饮用水厂,紫外消毒原主要用于贾第虫、隐孢子虫等的消杀,现行的产品标准也承袭了用于两虫的剂量指标,而国内普遍采用了絮凝-沉淀-过滤的常规处理工艺、正常运行能确保两虫的去除,在国内案例尚无充足相关运行数据的情况下,紫外线如何有效应用于适合中国的场景的问题,还需要进一步探讨。

采用不同的消毒剂消毒需要关注不同的典型消毒副产物。氯、二氧化氯、臭氧、氯胺消毒分别需要关注有机卤代物、氯酸盐、溴酸盐、含氮副产物如NDMA等。紫外线尚不明确。由于不同的消毒副产物各有限制,对于不良水质,联用不同的消毒剂,不仅有利于发挥消毒优势,也有利于控制消毒副产物。

对于广泛采用的氯消毒工艺,对于Ⅰ类或Ⅱ类原水,30 min耗氯量不超过1 mg/L的,可直接采用常规处理氯消毒;Ⅲ类原水,30 min耗氯量1~2 mg/L的,宜前置预氯化工艺;原水水质更差的,宜采用二氧化氯等其他预氧化措施。消毒接触池出水余氯宜不超过0.8 mg/L。

2.4 臭氧活性炭深度处理

臭氧-生物活性炭工艺已经成为国内深度处理的主导工艺,在应对有机微污染,特别是氯消毒的消毒副产物前体物具有优势。然而,在应用中也发现了几个问题:溴酸盐控制、低温水臭氧化反应速率低、生物风险控制、pH降低。

工艺流程与设计参数(效能提升)优化。根据水源特性,采用臭氧催化氧化、臭氧高级氧化、投加点与投加方式优化等工艺设计,可有效提升目标微污染物(有机物、氨氮、臭味、藻毒素、色、臭)去除率,特别是冬季低温条件。相关技术在济南鹊华水厂、苏州白洋湾水厂、哈尔滨依兰水厂、淮南市一水厂、嘉兴石臼漾水厂等地应用,取得了一定的成效。

溴酸盐控制技术。针对溴离子浓度100 ng/L以上的水源水,采用加铵、臭氧/过氧化氢、催化臭氧氧化、多点投加臭氧等方式,可有效控制出厂水溴酸盐浓度超标风险。相关技术在济南鹊华水厂、上海临江水厂、吴江第二水厂等地应用,取得预期的效果。

生物风险控制技术。针对南方高温环境,活性炭滤池潜在的微型动物增殖和泄漏风险,采用砂滤池后置、交替预氧化、冲击式灭杀技术、砂垫层、生物拦截滤网、超滤膜工艺等措施,可以有效控制出厂水生物风险。

对于前述目标微污染物超标较少或偶发性超标,引入炭砂滤池作为短流程深度处理手段,在较低程度、季节性或短期的污染负荷下,可以提升处理效果;炭砂滤池长效运行的稳定性,如滤料混层、活性炭饱和等问题也需要关注。

2.5 膜及膜组合处理工艺

膜组件、膜材料和臭氧发生器同属于“十二五”水专项产业化的重大产出,经过水专项的推动和孵化,实现了多项产业化基地的建设和替代进口,市场占有率也成功翻转。

以超滤为核心的膜组合净水工艺,可有效地净化以颗粒物、悬浮物和病原微生物为主要污染物的水源水。通过与一种或多种膜前预处理技术(如混凝沉淀、粉末活性炭吸附、高锰酸钾预氧化、二氧化氯预预氧化)联用,可强化污染物的去除和控制膜污染,处理特殊污染水源水,如有机污染、低温低浊、高氨氮、高藻、高嗅味和有机物、无机污染物等典型水质特征的水源水。对于溶解性无机污染物(如硫酸盐、苦咸水)和溶解性微污染物(如抗生素),可以采用超滤+纳滤双膜法组合工艺。

典型超滤膜的预期寿命3~5年。采取适当的措施,可以有效缓解膜污染,寿命延长到6~7年。

2.6 配水管网系统

配水管网在将出厂水输送到用户的过程中,常见水质问题及成因包括:剩余消毒剂会和水中及管壁的还原性物质反应,从而导致剩余消毒剂逐步下降、消毒副产物增加,对于长距离配水或环状管网的末梢,水龄较长时更为突出;管道、管件、内衬中的重金属等有害物质析出,或管道沉积物析出致龙头水浑浊,对于低碱软水,或多水源切换至其中碱度、硬度相对较低的水源时尤为突出;水压不均衡、压力扰动造成局部负压,致负压抽吸有害物质;或末端供水管理不善,致使外界物质侵入。

对于剩余消毒剂衰减问题,除在前端加强有机物等还原物质的去除外,还需要改善管网拓扑结构、避免管网水在环状管网末端往复流动,以及采取加强管网水质监测、补氯等控制措施加以控制。

对于重金属等有害物质析出问题,需要严格把握管道及焊料、管件、内衬、接口的质量,同时应对低碱度软水投加碱剂等稳定剂,适度提高碱度和pH等措施。水源切换时需要特别关注,以避免黄水、浑水、重金属等问题。

对于压力控制问题,一方面结合水量预测和管网优化调度,降低压力波动;另一方面通过合理布局储水能力、防止倒流和进排气设施,抑制压力波动。

对于末端供水的外界物质侵入,需要理顺管理体制、提升管理水平。

此外,配水管网主干系统还应采取措施防止接出分支的倒流等卫生防护措施。

2.7 农村供水

农村供水系统具有水源选择能力小、水量小且波动大、供水距离长、管径小等典型特征。相对于城市供水系统,只能就近选择水源,未必有可保障水质、水量的水源;净水厂设施、运行管理多有不规范;多见间歇供水,难以保障水质特别是消毒剂余量。微生物学安全性仍然是农村供水的难题。

可采用处理工艺优化、装备化与设备化、城乡一体化统筹供水等技术手段。

通过工艺的优化,如消毒一节所述,可以实现消毒和副产物的有效控制,其中对于微污染水,也可将砂滤池调整为煤砂或炭砂滤池短程深度处理,提升处理能力。重庆巴南、四川乐至、定远县等示范区17个水厂的改造,实现了水厂的处理能力和出水水质明显提高。

装备化提升了处理系统的易维护性,从而提高了系统的保障率。无论是传统工艺的一体化设备,还是膜装备,都有所帮助。后者在Ⅰ或Ⅱ类的低浊水处理中,具有较好的经济性。

城乡一体化统筹供水是提升乡村供水安全保障的重要技术措施之一。相对于处理工艺的优化和处理厂的装备化、设备化,不仅解决了净水厂运行管理的规范性问题,也通过统一的水源调度实现了水源水质水量的保障。然而,城乡一体化的实施,管道系统的延伸,导致建设和运维费用增加、水龄变长、压力不均衡加剧、漏损增加等问题,产生的问题可能会超过解决的问题,因此应论证集中或分散的尺度。

乡村技术力量和资金薄弱的问题将在一定时期内继续存在。预期乡村供水仍会存在多种模式并存:距离城市较近的供水点,将纳入城乡一体化统筹供水的范畴;水源条件较好、距离较远的,通过工艺优化、装备化和设备化改善供水;距离较远、水源条件不佳的供水点,则通过城乡一体化统筹和装备化并用的方式,及供给经处理(不含氯化)的准原水,在供水点经氯化后配送至用户,或直接供给原水,经装备处理后配送至用户。万人千吨以下还需要细分规模、进一步研究。

3 韧性设计

风险应对、应急供水与救援技术。供水系统应具备风险的应对能力。针对不同的风险,应具备灵活应对、使其危害最小化,并能快速恢复的能力,即韧性。韧性设计中,在典型的突发事件中,系统依次经历抗性(无损应对)、韧性(有损应对)、修复和恢复3个阶段,其基本原理是冗余设计,包括针对设施安全性的低负荷冗余、并联冗余、失效元件的快速隔离和修复等技术的组合。

突发公共事件是其中的典型的高危风险。突发公共事件主要包括自然灾害、事故灾难、公共卫生事件、社会安全事件4类。相关标准规定城市给水工程应具备应对4类突发事件的应急供水能力。

从技术层面,涉及饮用水的主要包括前3类:

典型的自然灾害,包括:地震、台风、雨雪冰冻、暴雨、地质灾害等,以及干旱。抗灾设防实行预防为主、平灾结合的方针。不同地区根据其风险特征制定相应的对策。日本地处地震多发区,进行了大量应对地震的研究和应对措施。我国针对汶川等地震也有大量总结,主要针对输配水管网;我国台北提出针对旱灾、暴雨、突发事件、地震,分别采取降低漏失率至10%以内和节水16%、净水能力提升50%、对11个区双系统供水、应急供水和采取抗震措施等。

事故灾难,公共设施和设备事故、环境污染和生态破坏事件、企业的各类安全事故等。其中环境污染近年多发,水专项进行了针对性研究,形成了应急处理成果。

公共卫生事件。主要包括传染病疫情、群体性不明原因疾病,以及其他严重影响公众健康和生命安全的事件。在全球性COVID-19疫情中,武汉提出了水源监测、水厂稳定运行、配水管网持续正压运行、储水设施高水位运行等措施。

突发公共事件的应对中,应把保障人民群众的生命安全和身体健康、最大程度地预防和减少安全生产事故灾难造成的人员伤亡作为首要任务。其措施按照流程顺序归纳如下。

3.1 风险识别与决策

解析城市供水系统,识别影响供水系统安全的高危要素,建立风险因子列表,并分析其影响程度和发生概率。风险因子数据来源于已发生知识库(用户反馈、企业自查、政府和行业监管、社会公开信息等)和专业研判(专家咨询等)。

根据风险因子的影响程度、发生概率,及两者叠加的量化方法,按照风险从高到低评估城市供水系统的应对能力。可采用模拟的方法,结合风险水平和功能缺失程度,定量化分析城市供水系统的脆弱点,并提出包括系统改扩建、应急供水等在内改进策略和方案。

3.2 水源

(1)水源水质监测。水源水质监测,特别是在线仪表的设置,可以为应急提供有效的支持,便于应急预案的及时启动。除传统的物理、化学指标外,生物毒性指标(斑马鱼或青鳉鱼、水溞、发光菌)也实现了在线仪表检测。

(2)备用与应急水源。当水源发生突发环境污染或自然条件改变致污染物超标时,应视情况及时采取不同措施:关闭受污染水源,并启动应急或备用水源;通过区域之间的协同、外调清水原水;或是采取不同水源勾兑,使勾兑后的水符合饮用水水源水质标准。

应急水源的规模(储水量)应至少满足一次应急供水的规定,即应急供水水量和时长的要求。应急供水水量随着城市的社会经济结构而有所区别。

应急水源可以是另建的水源,也可以是人工湿地、临时清水库。

(3)瓶装水。瓶装水可以就地存贮,或在应急事件中运送到受影响地区,两者可同时实施。

就地存贮的瓶装水,可以预存贮于家庭;也可存贮于超市、物流中心等地,和粮油应急储备同步实施。

由于瓶装水的配送可以快速实施,并且不受本地水源和处理系统的影响,因此往往是突发应急事件第一阶段首选的策略之一。然而,如果供水中断时间延长,则无法持续,因此,必须和城市供水系统修复等其他措施配合使用。

3.3 净水处理

根据水质特征和风险状况,采取不同的工程设计。

(1)流程冗余。适度延长或增加平行的工艺单元,并可调整,如增加预处理段、通过不同的预处理药剂应对不同的水源污染,活性炭滤池增加砂垫层和滤网,采用多种消毒剂和多点投加的组合消毒工艺、用以增强对不同致病微生物的灭杀或控制消毒副产物等。

(2)负荷冗余和工艺单元分组。根据处理规模,适度采取相对较低的设计负荷,或平行的冗余单元。如:滤池采用相对较低的滤速,药剂投加装置适当增大最大投药能力,气浮和沉淀可切换等。

(3)灵巧设计。工艺流程或工艺单元具有高度的可调能力以适应水质水量的变化。如:工艺流程线可以根据水质条件或设备状况调整或超越,絮凝反应可通过搅拌器转速调整G值和GT值,增加药剂的投加点位等。

3.4 输配水管网系统

(1)冗余设计和应急响应。规划设计采用平行管线、环状管网等措施,在应急事件中,根据灾后设施状况等,采取一定的阀门控制方法隔离受影响管段,或临时布线连通的阀门控制措施,减轻灾后影响。

(2)事故区域临时供水路径。因配水系统的损坏,局部地区无法配送,在未受污染的水供应充足的情况下,可以建立临时水道或通过运水车转输。

(3)低水质供水。理论上城市供水系统应供应合格水质,必要时可以降低处理量,在不影响水质安全的条件下,确保生命保障的基本水量。然而,供水系统从水力学角度,无法将减量的水量输送到管网末端;大多数城市的生活饮用水管网也同时直连消火栓,降低供水量也就相应降低供水压力,无法保障消防用水,事实上是不可接受的。

一种可能的方法是城市供水满足一定的底限要求如消毒的要求后用于消防等非饮用水。根据需要可把管网水作为水源,由净水车净化后配给(清水池、水箱或散装供水)。

较小的供水系统,应不直连消火栓。

(4)输配水系统修复。在经过低质供水,或发生黄水浑水等事故状态后,必须经过清洗、消毒后方可转向正常供水。对于枝状管网,该步骤易于实现;环状管网则应提供合理分隔的措施,确保不同分段的冲洗和排水。

3.5 应急储备与救援

(1)应急储备。日本逐年稳步提升应急储备水量,供水系统的储水设施有效容积从1975年的0.142亿m³增长到2015年的0.356亿m³、增长151%,按最高日供水能力计则分别相当于5.9 h和13.7 h、增长132%。台湾省台北市则按3 L/(cap·d)、持续供应28 d的标准建设储水设施。美国也将在线或离线的储水设施作为应急的重点,并建议了叉车、槽罐车等装载、运输、分发的设备、器材。

通过设置在水厂内的应急清水池或者管网内的高位水池中储备的清水为应急送水车提供清水。当发生严重供水危机时,供水系统中水源、水厂和管网设施均无法正常使用或供水干管水质变差的突发状况,及时关闭应急储水设施与常规供水管道的阀门,将清水保存在应急储水设施中,然后配置送水车向集中供水点输水,保证应急状态下居民生存用水,为城市正常供水设施的维修及恢复提供时间。

(2)区域救援。2019年底住建部“国家供水应急救援能力建设”项目移交,建成华北、华东、华中、华南、东北、西南、西北、新疆8个区域的国家供水应急救援中心,应急处理装备大部分地区可12 h内到达、偏远地区18~30 h内到达,必要时偏远地区采用空运方式12 h内到达。也可参考建立较小的区域级别的救援措施。区域救援满足供水系统修复前的应急供水需求。

4 饮用水安全保障系统观与研究办法

应对现在和未来发展挑战技术。可持续性是指满足当前需求同时不影响后代满足自身需求的能力。饮用水系统的可持续性设计应考虑社会可持续性、生态可持续性、经济可持续性和科技可持续性。

4.1 社会可持续性

“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”是保障国家水安全的重要发展思路,是作为自然元素的水资源永续利用支撑城市经济社会的可持续发展的基础。水资源开源(含再生水利用和雨水利用等)、节流(用户节水)、提升供水效率构成提升城市水资源利用效率的主要举措。其中前两者不在本课题的讨论范围内,不予赘述。

影响供水效率的因素包括水处理设施的自用水、输配水系统的漏失。

(1)净水厂自用水率控制。常规处理工艺的净水厂的自用水率一般为供水量的5%~10%。水处理设施的自用水主要包括:絮凝池和沉淀池(澄清池)排泥水、各类滤池冲洗排水、膜系统的浓水等。

混凝效果好、絮体密实,并采取适当的排水量控制如污泥浓度在线检测时,可以减少沉淀池的排泥水水量。

滤池采用气水冲洗可较单水冲洗大幅度降低耗水量,如采用气水冲洗的单层均粒石英砂滤池较采用单冲冲洗的单层细砂级配滤池,单次冲洗用水降低约40%,且冲洗周期延长。

饮用水中较常采用的中空纤维超滤膜,其水回收率一般应达到90%以上,浸没式膜较压力式膜易于达到更高的水回收率,建议设计取值分别为96%和94%。

(2)输配水系统漏损控制。净水厂产水量和水司向目标用户的售水量之间存在一定的产销差。产销差扣除向消防等公用设施的免费供水外的部分称为漏损。漏损包括物理漏损(也称漏失)和账面漏损(非法用水和计量误差)。研究主要针对物理漏损。

(3)2016年全国城市供水总量为421.84亿m³,管网漏损总量为61.50亿m³,管网漏失总量为28.47亿m³,平均漏损率大于22%,漏损的水量大体上与北京、上海、广州的计量用水量之和相等。县镇水司漏损率有过之而无不及。实现目标漏损率10%将大幅减少水资源的消耗和提升对旱灾的应对能力,可以为未来城市发展留出更多空间。

管网漏失控制常用计量分区和压力控制、检漏和修复、管道更新3种方法。

管道更新。建立管道数据库,包括管道的管材、规格、管径、接口、生产厂商、时间和批次、施工商、敷设位置、地质条件、历史爆管情况等,通过对爆管历史数据的分析,预测易爆管管段,及时更新。管道更新费用较高,但对漏失量和水质等指标得到显著改善。

检漏和修复。建立检漏队伍,制定适宜的奖惩措施,采用相关仪、听漏仪等设备,及时检出漏点并予以修复。检漏和修复是诸多水司行之有效的措施。目前检漏难以检出DN300以内管道的漏点。

计量分区和压力控制。已经形成包括水平衡与流量分区、管网建模—供水分界线—压力管理等多层级分区、漏失定位辅助检漏修复、智能压力调控、柔性管道降复压控制等的漏损控制集成技术。

以上技术经验证,不同城市或片区可实现4~27个百分点的提升,具有良好的效益。

4.2 生态可持续性

按全国城市及县镇供水企业年电耗约143亿kW·h,二次供水和居民端60亿kW·h计,供水电耗相当于全国总用电量的0.32%,或工业以外各类用电量之和的1.04%。供水企业电耗占直接运行费用的50%~80%,运行管理总费用的30%~50%。可见供水能耗绝对量高、占比大,是当地的能耗大户,供水行业的节能可以显著降低温室气体排放。

我国当前水处理工艺以常规工艺为主,供水企业城市单位电耗595.95 kW·h/1 000 m³,县镇单位电耗430.89 kW·h/1 000 m³,其中泵的电耗约占80%。随着处理要求的提高和工艺流程线的延长、从城市向农村的拓展完善,供水能耗还会逐渐提高。

典型高能耗段的典型电耗:臭氧8.5~36 kW·h/1 000 m³(氧气源)、15~50 kW·h/1 000 m³(空气源);中空纤维超滤膜 15~25 kW·h/1 000 m³(浸没式)、45~75 kW·h/1 000 m³(压力式);紫外消毒16~27 kW·h/1 000 m³;纳滤膜 200~480 kW·h/1 000 m³;二次供水 250~900 kW·h/1 000 m³。

在“十一五”“十二五”期间,通过输配水管网的优化调度,实现典型城市能耗降低7%~21%;臭氧发生器、中空纤维超滤膜在价格降低30%~50%以上的同时,实现能耗水平达到国际先进水平;二次供水通过供水泵等关键组建和工况优化设计,实现典型城市降低能耗50%~60%以上。

以上成果标准化后将推动供水行业的大幅进步。

4.3 经济可持续性

供水行业的资产和运营管理,经过了依托计算机和传感器实现从手动到初步信息化,依托PLC+组态软件模式实现SCADA,再依托物联网实现智慧水务的过程。随着信息化技术的进步,精细管理得以应用于供水行业,并创造巨大的价值。

智慧水务可在以下5个方面突破:

智慧生产。通过需水量预测、水源的水量水质预测,合理的技术方案,辅助在达成水质、水量、水压目标的基础上,优化调度水源、水厂和输配水系统的运行、节能降耗、控制漏损,实现运行成本,包括能耗、药耗、水资源费等的综合降低。

资产和外购服务管理。建立数据库并予以分析,离线或实时预判设备、设施状况,降低故障率和维修率,提升资产服务年限,实现资产的有效维护、资产和外购服务的有效采购。

资产和外购服务管理。建立数据库并予以分析,离线或实时预判设备、设施状况,降低故障率和维修率,提升资产服务年限,实现资产的有效维护、资产和外购服务的有效采购。

智慧服务。于供水企业而言提升水表的抄见率并降低了抄表人工成本;于用户而言,标准话服务降低了对话成本。

风险控制支持。实时检查数据的异动,为风险控制提供支持。

协助人才培养。通过模拟操作等功能加快培养专业人才。专业人才是供水行业有效运行的基础。

智慧水务应在自顶向下设计、系统性布局的基础上,合理利用信息与通信技术(ICT)等新技术工具,最终服务于生产运营和对外服务,以标准化、现代化的管理降低成本为目的。

4.4 科技可持续性

自从现代净水工艺确立以来,近百年间,在应对各类环境威胁和用户需求的基础上,饮用水技术得到长足的发展。这一趋势在可预见的将来仍然持续。

我们需要一个开放的技术体系乃至一个开放的标准体系,容纳、承接、鼓励新技术,以应对未来的挑战。过去的技术体系和标准体系,在人才匮乏的时代,帮助我们应对了高速建设发展的时期。我们的教育体系已经培养了大批人才,不论从宏观还是微观,都具备了更高的社会能力,技术体系和标准体系也要与之适应,必须更加开放,才可以适应当今的发展条件和发展需要。

技术需要标准化方可推动应用。饮用水领域的建设标准体系改革正在进行。未来国家强制层面上只做底限要求,包括目标层和必要的技术措施,行业标准、地方标准、团体标准将更多的发挥作用,体系上也会更为完备。

标准体系的完备需要新技术的标准化支撑。运用技术评估这一生产力工具,有助于在短时期内,快速将国家水专项、基金项目、地方和企业投入的科研项目中获取的技术规整化、标准化,从而填补标准体系的空白,推动技术的应用和行业技术进步。

饮用水系统01.jpg

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