北方某大型城市可持續(xù)供水模式探索

馬 凱, 胡建坤, 趙 林, 韓宏大

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300050；2.天津市自來水集團(tuán)有限公司，天津300040；3.天津水務(wù)集團(tuán)有限公司，天津300042)

由于境內(nèi)地表水不達(dá)標(biāo)，我國北方某大型城市需要依靠外調(diào)水來滿足生產(chǎn)生活用水需求。自1983年以來，該市開啟了以外調(diào)水為水源的供水格局。2014年12月，依托南水北調(diào)工程，該市可飲用水質(zhì)更加優(yōu)良的長江水，形成了以南水北調(diào)中線工程來水(簡稱引江水)為主要水源的城市雙水源供水格局。該市天然資源相對匱乏，主要以輕化工、高端加工制造業(yè)為核心產(chǎn)業(yè)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年該市常住人口為1 556萬人，規(guī)模以上(主營業(yè)務(wù)收入超過2 000萬元)工業(yè)企業(yè)單位為4 286個，日均生活用水量約為112.03×104m3，日均生產(chǎn)用水量約為73.27×104m3[1]。這種生活用水量超過生產(chǎn)用水量的特征與我國整體用水結(jié)構(gòu)存在顯著差異[2]，也使該市用水量表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性波動。

1 存在的問題

目前，該市飲用水供應(yīng)面臨水量和水質(zhì)兩方面的困境。水量型缺水表現(xiàn)為現(xiàn)有供水格局無法支撐該市人口增長與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)實。水質(zhì)型缺水表現(xiàn)為水質(zhì)惡化無法滿足人們對高質(zhì)量飲用水的要求。

1.1 水質(zhì)型水資源短缺

該市境內(nèi)無可用的天然水源，上世紀(jì)開始大面積開采地下水，導(dǎo)致了嚴(yán)重的地面沉降與地下漏斗。為此，該市被迫完全依靠生態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞綋Q取境外的潔凈原水，來滿足本地生產(chǎn)生活使用需求。因此，水源匱乏是水量型缺水困境的根源。另一方面，作為北方重要的沿海開放城市，其特殊的地理位置優(yōu)勢與優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境吸引著全國各地的優(yōu)秀資源，常住人口呈現(xiàn)連年攀升的整體趨勢。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，該市2010年的常住人口為1 299萬人，截至2017年約為1 557萬人，漲幅超過17.7%[1]，見圖1。在不考慮居民用水模式改變引起人均用水量增長的前提下，由人口增長引起的生活用水量增長幅度將達(dá)到17.7%。

圖1 某市常駐人口的數(shù)量變化Fig.1 Variation in resident population of one city

此外，人口的增長需要本地產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的生產(chǎn)總值(GDP)增加為依托。資料顯示，該市主要支撐產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值在2010—2017年也表現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，其中工業(yè)增加值增速為52.34%，建筑業(yè)增速為75.80%，消費(fèi)品零售總額增速為97.40%[1,3]。在支柱產(chǎn)業(yè)快速增長的過程中，直接作為原料用水、產(chǎn)品處理用水、冷卻用水等生產(chǎn)用水相應(yīng)大幅增加，由2010年的25 662×104m3/a上升至2017年的26 745×104m3/a。因此，境內(nèi)水資源量的極度匱乏與生產(chǎn)生活用水量不斷增加之間的矛盾是迫使該市探索可持續(xù)供水模式的內(nèi)在動因。

1.2 供水成本居高不下

由于境內(nèi)沒有合格水源，該市自1983年開始以0.35元/m3的調(diào)水成本輸送灤河水，并以財政收入保證了本地30年的供水需求。在南水北調(diào)中線工程通水后，該市為長江水支付的補(bǔ)償成本躍升至2.16元/m3。此外，伴隨著灤河水質(zhì)的下降，特別是以土臭素與2-甲基異莰醇為代表的嗅味物質(zhì)持續(xù)爆發(fā)，該市增加了引江調(diào)水量以保證全市供水安全，但供水成本的上升也帶來了巨大的財政壓力。

目前，該市水廠(除最新興建的水廠外)均采用常規(guī)水處理工藝，其主要運(yùn)行成本為藥劑成本與電力成本。按照處理千噸水的全年平均藥劑成本為50～70元、電力成本為110～140元測算，該市2017年的供水運(yùn)行成本為1.37～1.80億元?？紤]到未來藥劑單價的上漲，原水處理成本將進(jìn)一步升高。此外，為了滿足人口增加而帶來的用水需求提高，特別是應(yīng)對夏季高溫峰值供水的需求，對水廠、管網(wǎng)進(jìn)行了全面升級改造，例如對一座老舊水廠新建30×104m3/d凈水系統(tǒng)，形成了巨額的固定資產(chǎn)投資。

為了滿足區(qū)域供水需求、提升供水水質(zhì)，該市最近興建的水廠于2011年投產(chǎn)運(yùn)營。該水廠在自動化管理、傳統(tǒng)工藝優(yōu)化、新技術(shù)應(yīng)用等方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，特別是采用的臭氧-生物活性炭工藝，能夠保證出水濁度與有機(jī)物含量進(jìn)一步降低。運(yùn)行結(jié)果顯示，該工藝中采用的液氧藥劑的千噸水成本就達(dá)到了5.55元。另有研究發(fā)現(xiàn)，采用臭氧-生物活性炭工藝后，CO2排放量較傳統(tǒng)處理工藝會提高28%[2]，高昂的處理成本在一定程度上阻礙了該工藝的全面推廣應(yīng)用。因此，該市亟需可持續(xù)的飲用水處理方案，實現(xiàn)以較低的藥劑與能源消耗保障整體供水安全。

1.3 用水標(biāo)準(zhǔn)不斷提高

生活水平與教育水平的不斷提高，推動了礦泉水、純凈水等飲用水產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。雖然市場上充斥著琳瑯滿目的水產(chǎn)品以及多種形式的家用凈水設(shè)備，但是自來水仍然是超過90%用戶的基本生活用水。目前，該市市區(qū)4座水廠已全面使用氯胺消毒，以解決消毒劑衰減過快、三鹵副產(chǎn)物生成的問題。但運(yùn)行結(jié)果表明，經(jīng)過管網(wǎng)長距離輸送后，仍然出現(xiàn)局部地區(qū)余氯過低、龍頭出現(xiàn)“紅水”、菌落計數(shù)超標(biāo)等水質(zhì)問題，夏季高溫供水時期尤為顯著。這些問題的發(fā)生與管道嚴(yán)重腐蝕[4-5]、微生物(例如硝化細(xì)菌、異養(yǎng)菌)大量孳生[6-7]、水力停留時間過長[8]等因素直接相關(guān)。因此需要針對性地采取措施，減少入戶管線的水質(zhì)惡化。

2 未來方向——分質(zhì)供水

2011年的調(diào)研結(jié)果顯示，我國約2/3的城市供水用于工業(yè)、建筑業(yè)以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，家庭生活用水只占1/3，其中家庭洗衣、沐浴、洗碗等活動用水占家庭生活用水的80%，飲用與烹飪用水僅占2%，即年平均飲用水量為3.01 m3/戶[2]。由此可見，我國目前普遍采用的生產(chǎn)、生活用水統(tǒng)一集中供應(yīng)，甚至某些地區(qū)采用自來水進(jìn)行綠地灌溉的供水-用水模式，與整體水資源短缺的國情極不相符。因此，可將傳統(tǒng)“分質(zhì)供水”的概念衍生擴(kuò)展，即整合區(qū)域供水系統(tǒng)資源(輸配水管線、水處理設(shè)施及運(yùn)行管理系統(tǒng))，針對不同行業(yè)的用水需求，進(jìn)行分質(zhì)、足量供水。

2.1 農(nóng)業(yè)灌溉合理配水

農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)是該市的用水大戶，曾占全市用水總量的近50%[9]，主要分布在周邊縣市地區(qū)。目前，在域內(nèi)地下水已被超采的背景下，部分農(nóng)區(qū)仍然采用地下水進(jìn)行灌溉，有些地區(qū)甚至借用附近河道中的污水進(jìn)行灌溉，這不僅會加重地下漏斗問題，更易引起農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量不合格。灤河水、潮白河水等水體常年能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)V類標(biāo)準(zhǔn)[10]，滿足農(nóng)業(yè)灌溉與自然景觀的生態(tài)補(bǔ)水要求，可用作農(nóng)業(yè)灌溉水源。為此，宜結(jié)合灌區(qū)地形地貌特點(diǎn)，修建農(nóng)業(yè)輸水渠道，壓縮井灌區(qū)地下水使用量，并在灌區(qū)大面積推廣滴灌、噴灌等節(jié)水灌溉模式，從而建立起域內(nèi)農(nóng)灌區(qū)輸水管線體系，保障農(nóng)灌區(qū)用水的水質(zhì)、水量，降低單位面積耕地的水資源消耗量。

2.2 工業(yè)用水按需供給

該市境內(nèi)聚集著眾多輕化工、加工制造企業(yè)，在設(shè)備冷卻、零部件洗滌、鍋爐補(bǔ)給等生產(chǎn)活動中會使用大量清潔水資源。資料顯示，該市再生水產(chǎn)能僅為19×104m3/d，其中工業(yè)用水為20%[11]，遠(yuǎn)不能滿足目前的工業(yè)用水量(約148×104m3/d)，差額部分主要由自來水供應(yīng)。對比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，天然水體用作一般工業(yè)用水的標(biāo)準(zhǔn)(地表水IV類)[10]顯著低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。將再生水用于工業(yè)用水時[12]，除常規(guī)理化指標(biāo)外，特別規(guī)定的余鐵、濁度、總硬度、硫酸鹽、余氯5項指標(biāo)限值也普遍低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[13]。因此，將城市自來水作為主要工業(yè)水源的用水格局不符合該市當(dāng)前水質(zhì)型水資源短缺的現(xiàn)實情況。

結(jié)合目前以引江水作為主要水源的供水格局，建議在原水進(jìn)入水廠后降低混凝劑(FeCl3和PAC)、助凝劑(PAM)等藥劑的投加量，大幅縮減藥劑成本，同時減輕沉淀池與濾池的處理負(fù)荷，滿足高峰供水需求。水體經(jīng)過濾處理后，投加消毒劑維持出廠水余氯濃度，進(jìn)而借助既有管網(wǎng)系統(tǒng)將處理后的水體輸送至居住區(qū)、工業(yè)用水區(qū)，保證管網(wǎng)出水余氯達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求。雖然降低混凝劑投加量會導(dǎo)致出廠水濁度增加、微生物污染風(fēng)險升高，但能夠有效降低出廠水余鐵超標(biāo)風(fēng)險，同時管網(wǎng)水濁度的適度升高不會影響工業(yè)企業(yè)使用。而針對生活用水，可通過在生活區(qū)進(jìn)行提質(zhì)處理，保證飲用水質(zhì)量。此外，穩(wěn)定的消毒劑投加以及充分的消毒時間(清水庫中)，能夠大幅降低微生物污染風(fēng)險。

2.3 生活用水提質(zhì)處理

經(jīng)過多年的管網(wǎng)改造，該市目前形成了長度超過1.8×104km的環(huán)狀供水管網(wǎng)。出廠水經(jīng)過漫長的管網(wǎng)輸送，在水力停留時間較長的區(qū)域，特別是水廠之間的供水界面處，出現(xiàn)了明顯的水質(zhì)下降。

對該市多個監(jiān)測點(diǎn)位的余氯值與相應(yīng)水廠的多項出廠水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)出廠水濁度對管網(wǎng)余氯濃度的影響并不顯著(見表1)。為此，結(jié)合工業(yè)用水的按需供應(yīng)模式，建議在降低水廠處理深度的前提下，在進(jìn)入集中飲水區(qū)(例如居民小區(qū)或商業(yè)區(qū))前適當(dāng)位置建設(shè)中途處理裝置，采用超濾+UV殺菌工藝進(jìn)行二次提質(zhì)處理。同時，為用戶更換銅質(zhì)入戶管線，真正實現(xiàn)龍頭出水水質(zhì)安全的目標(biāo)。

表1 管網(wǎng)余氯與出廠水指標(biāo)相關(guān)性統(tǒng)計分析Tab.1 Statistical analysis of correlation between chlorine residual of distribution system and index of treated water

3 結(jié)語

水資源短缺是我國北方城市普遍面臨的現(xiàn)實問題。為此，針對各行業(yè)供水需求，整合域內(nèi)供水系統(tǒng)資源，建立起完善的綜合供水系統(tǒng)平臺，充分利用現(xiàn)有水資源，減少優(yōu)質(zhì)水源使用量，優(yōu)化水廠處理工藝，最終以較低的成本提供高品質(zhì)水產(chǎn)品，是北方缺水型城市未來可嘗試的供水模式優(yōu)化方向。