形成針對太湖流域三類水源的綜合解決方案實現(xiàn)典型和新型污染物的協(xié)同控制

楚文海，楊 旭，周子翀，張瑞華，肖 融，尹大強

(同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

飲用水是人類生存的基本需求。飲用水安全問題直接關系到廣大人民群眾的健康[1]。太湖流域地跨江、浙、滬兩省一市，地處長三角核心區(qū)域，是我國經濟最發(fā)達、人口密度最大和城鎮(zhèn)化進程最快的地區(qū)之一，也是全國水污染最嚴重的地區(qū)之一。水專項實施前，由于水源污染嚴重、水廠處理工藝落后、水廠運行管理水平粗放，導致供水單位無法應對新的生活飲用水衛(wèi)生標準，嚴重影響流域內廣大人民群眾的飲水安全[2]。黨中央、國務院高度重視太湖流域水環(huán)境綜合治理工作。為確保本流域飲用水水質安全，水專項飲用水主題在“十一五”與“十三五”期間，均將太湖作為重點流域開展相關研究和工程示范，為本區(qū)域飲用水水質的提升和保障提供有效的科技支撐。

1 水專項太湖課題簡介

“十一五”期間，依托“長江下游地區(qū)飲用水安全保障技術集成與綜合示范”項目，在國家和地方政府的大力支持和統(tǒng)籌下，由同濟大學牽頭，與國內多所高校、科研院所和多家大型水務企業(yè)聯(lián)合承擔了“區(qū)域飲用水源優(yōu)化配置與水質改善技術集成與示范”、“高藻、高有機物湖泊型原水處理技術集成與示范”、“高氨氮和高有機物污染河網原水的組合處理技術集成與示范”、“微污染江河原水高效凈化關鍵技術與示范”、“飲用水區(qū)域安全輸配技術與示范”和“飲用水安全區(qū)域聯(lián)動應急技術研究與示范”共6個課題。課題針對太湖流域三類飲用水源的水質污染特征和區(qū)域供水特征，研發(fā)了水源生物-生態(tài)修復技術、預氧化-生物預處理技術、臭氧活性炭-超濾膜深度處理技術等一批單項技術，初步形成了高藻太湖原水飲用水水質凈化、高氨氮高有機物河網水源生物-生態(tài)修復與水廠處理、微污染黃浦江原水飲用水安全保障等集成技術，通過技術綜合示范，示范工程出廠水質達到國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求。

“十二五”期間，依托“太湖流域地區(qū)飲用水安全保障技術集成與綜合示范”項目，在國家和地方政府的大力支持和統(tǒng)籌下，由同濟大學牽頭，與國內多所高校、科研院所和多家大型水務企業(yè)聯(lián)合承擔了“江蘇太湖水源飲用水安全保障技術集成與綜合示范”、“太湖流域上海飲用水安全保障技術集成與示范”、“浙江太湖河網地區(qū)飲用水安全保障技術集成與示范”和“太湖流域地區(qū)飲用水安全保障管理技術與綜合集成”共4個課題。在“十一五”基礎上，進一步研發(fā)適合于高藻高有機物湖泊型原水、高嗅味高有機物江河型原水和高氨氮高有機物河網原水的“從源頭到龍頭”的飲用水安全保障系列技術，在無錫、蘇州、宜興、吳江、嘉興和上海等環(huán)太湖重點城市開展綜合示范，建設湖泊型、河網型和江河型三類水源龍頭水質穩(wěn)定達標示范區(qū)。示范區(qū)共400萬人口龍頭水質滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求，初步形成了太湖流域飲用水安全保障技術體系。

“十三五”期間，依照國家水專項實施方案、十三五實施計劃和年度項目指南的要求，結合水十條的實施，在太湖流域設置了“太湖流域飲用水安全保障技術集成與綜合管理”項目，共包括5個課題，分別在蘇州(“蘇州市飲用水安全保障技術集成與綜合應用示范”)、常州(“常州市太湖流域水源飲用水安全保障技術與應用示范”)、湖州(“湖州南太湖水源供水區(qū)飲用水安全保障綜合應用示范”)、嘉興(“嘉興市城鄉(xiāng)一體化安全供水保障技術集成與綜合示范”)設置4個技術工程示范類課題，以及1個集成課題(“太湖流域飲用水安全保障工程技術與綜合管理技術集成研究課題”)，即本課題。本課題的主要目標之一是在“十一五”和“十二五”基礎上，結合“十三五”太湖流域飲用水安全保障其他課題的研究，梳理與評估太湖流域飲用水專項實施以來的關鍵技術與成果，形成針對太湖流域湖泊型、河網型和江河型等三類水源水質特征的分類綜合解決方案。

2 太湖流域三類水源水質問題

太湖流域是我國城鎮(zhèn)密集、區(qū)域城市化水平較高的地區(qū)。改革開放以來，隨著該區(qū)域經濟的快速發(fā)展和人口的高度集聚，流域污染負荷不斷增加，各種已知和未知的、人工和天然的、傳統(tǒng)和新型的、原生和次生的污染物進入環(huán)境水體，加劇了水源污染，水質相對較差，復合污染、突發(fā)污染、跨界污染等問題較為突出，該地區(qū)飲用水安全保障工作面臨較大挑戰(zhàn)[3-6]。

太湖流域河網稠密，水量充沛，有湖泊、河網和江河三類典型水源，具有各自不同的水質特征。以蘇南蘇錫吳為代表的湖泊型水源太湖具有高藻的水質特征，太湖原水藻類年平均>1 000萬個/L，高藻期為每年的7月—8月，達到2 000萬～8 000萬個/L。由于藻類高，其渾濁度和pH相對也高，藻源性次生代謝產物多，有機物以溶解性小分子量為主，藻源性嗅味物質多，含氮消毒副產物生成潛力大。以浙北杭嘉湖為代表的河網水源具有高氨氮的水質特征，嘉興地區(qū)原水的水質氨氮月平均值高達1 mg/L 以上，隨季節(jié)變化較大，一般夏季氨氮濃度較低，冬季氨氮濃度較高。以上海為代表的長江、黃浦江等江河型水源具有微污染的水質特征，水源水中莠去津、丁草胺、乙草胺、樂果和毒死蜱等農藥檢出總濃度最高可達到1.060 μg/L，林可霉素、甲氧芐啶、磺胺、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶等抗生素頻繁檢出。

圖1 太湖流域三類水源及水質特征Fig.1 Three Types of Water Sources in the Taihu Lake Basin and Corresponding Water Quality Characteristics

圖2 針對太湖流域三類水源水質特征的綜合解決方案Fig.2 Comprehensive Solutions for Three Types of Water Sources in the Taihu Lake Basin Based on Water Quality Characteristics

如圖1所示，太湖流域是典型的水質缺水型地區(qū)，高藻湖泊型、高氨氮河網型、微污染江河型三類水源中也存在復合污染的共性水質問題，如有機物和溴離子濃度均較高，溴代副產物不容忽視，包括臭氧處理后的溴酸鹽，以及氯(胺)消毒后的溴代消毒副產物等。此外三類水源中廣泛存在的內源性嗅味物質(如2-甲基異莰醇等藻源類嗅味物質)、外源性嗅味物質(如二甲基二硫醚等硫醚類嗅味物質)也不容忽視。

3 針對太湖流域三類水源的綜合解決方案

如圖2所示，針對太湖流域三類水源有機物、溴離子濃度水平高、嗅味問題突出的共性水質問題，在充分發(fā)揮飲用水廠常規(guī)工藝效能的基礎上，增加預處理和深度處理工藝，以提升水廠對共性復合污染問題的解決能力。針對水源高藻、高氨氮、微污染物的特性水質問題，需通過優(yōu)化強化從水源至水廠各工藝環(huán)節(jié)。當水源污染負荷過高(例如季節(jié)性污染或突發(fā)性污染)且通過現(xiàn)有水廠工藝無法應對時，可考慮切換水源以保障飲用水供水安全。當水源水質良好時，使用常規(guī)工藝即可滿足出廠水水質達標。

3.1 以臭氧-活性炭為核心的多級屏障綜合解決方案

針對太湖流域三類水源有機物、溴離子濃度水平高、嗅味問題突出的共性水質問題，系統(tǒng)梳理了后備水源的建設和運行、嗅味物質識別、物理化學應急投加、水源水質監(jiān)測和水質風險評價、消毒副產物前體識別、水廠生物預處理、預臭氧、應急投加粉末活性炭或高錳酸鉀、強化常規(guī)、臭氧-生物活性炭組合工藝、管網漏損識別、非開挖原位修復、多級優(yōu)化加氯、綜合水齡控制、二次供水消毒等從源頭到龍頭全過程保障系列關鍵技術。提出了“水源預處理與水廠處理工藝協(xié)同、水廠處理出水與龍頭水質保障協(xié)同、污染物協(xié)同處理與控制”的原理，形成了“基于太湖流域三類水源水質特征以臭氧-活性炭深度處理為核心的多級屏障集成技術”(圖3)，實現(xiàn)源頭到龍頭協(xié)同控制和系統(tǒng)保障，提高供水水質和品質。

圖3 以臭氧-活性炭為核心的多級屏障綜合解決方案的工藝流程圖Fig.3 Process Flow Diagram of the Multi-Level Barrier Comprehensive Solution with Ozone-Activated Carbon-Oriented Process

圖4 以雙膜法為核心的綜合解決方案工藝流程圖Fig.4 Process Flow Diagram of Comprehensive Solution with Double Membrane Method-Oriented

3.2 以雙膜法為核心的綜合解決方案

針對太湖流域三類水源有機物、溴離子濃度水平高、嗅味問題突出的共性水質問題，可以采用超濾+納濾工藝以達到優(yōu)質供水的目標，以超濾為核心、用超濾工藝替代傳統(tǒng)工藝中的過濾工藝，從而實現(xiàn)水質的提升，成為飲用水處理中的一種重要應用形式(圖4)。膜處理可以減少混凝劑和消毒劑的使用，從而降低化學藥劑對水質的污染和消毒副產物的生成量。水專項任務承擔單位開展了“浸沒式超濾+超低壓選擇性納濾”工程示范，浸沒式超濾去除水中的渾濁度、兩蟲、細菌、病毒及藻類，保證后續(xù)納濾系統(tǒng)對水質的要求，超低壓選擇性納濾膜系統(tǒng)主要去除原水中的總有機碳、氨氮及其他有機物和有毒副產物，出水水質滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)和江蘇省飲用水水質標準(DB32/T 3701—2019)提標要求。

4 典型和新型污染物的協(xié)同控制技術——以消毒副產物為例

水專項實施以來，隨著臭氧-生物活性炭深度處理工藝的不斷推廣應用，飲用水消毒副產物綜合控制技術的應用規(guī)模日趨壯大[7]。在無錫、蘇州、吳江等城市以太湖水為水源的13座水廠(470萬m3/d)及其供水區(qū)域進行綜合示范，整體提升了太湖流域飲用水安全保障水平，在基本消除了飲用水藻類、嗅味物質等廣大群眾反映強烈的水質問題的基礎上，還有效解決了出廠水中含碳、含氮消毒副產物濃度水平波動的問題，有力支撐了太湖流域飲用水安全保障能力的整體提升。

4.1 技術應用與成效

錫東水廠位于江蘇省無錫市太湖國際科技園區(qū)，水廠原水取自太湖貢湖灣，屬于典型的高藻、高有機物湖泊型水源，原水常年存在藻類較高的問題，且季節(jié)性特征明顯。錫東水廠是在水專項技術支持下在太湖流域建成并投產的第一座基于臭氧-生物活性炭深度處理工藝的大型凈水廠，在形成了一套以臭氧-生物活性炭深度處理技術為核心的飲用水安全保障技術的基礎上，該水廠二期擴建工程還打破了在出廠前一次投氯消毒的傳統(tǒng)觀念，首次引入了基于多點加氯的消毒副產物控制技術。

在對錫東水廠出廠水進行消毒副產物檢測時，利用開發(fā)出的含碳和含氮消毒副產物的定量檢測和潛能測定技術，識別出酰胺類、乙腈類、亞硝胺等高風險消毒副產物，有力地支撐了相關規(guī)范標準的制定，并為飲用水消毒副產物的綜合控制技術奠定了基礎。水專項成果顯示，示范工程錫東水廠在實現(xiàn)了藻類、嗅味物質、致病微生物等指標的有效控制基礎上，還削減了出廠水中典型及新型含碳、含氮消毒副產物濃度水平(圖5)，出廠水水質優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5649—2006)，有力保障了市政供水的安全可靠性。

飲用水消毒副產物綜合控制技術在其他水廠的實際運行情況也表明，在出廠水各項水質指標均可滿足國家標準要求的基礎上，對消毒副產物的控制效果也十分穩(wěn)定。對于含碳消毒副產物而言，4種三鹵甲烷的濃度水平基本控制在20 μg/L左右，遠低于《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)中三鹵甲烷類限值，2種鹵乙酸的總濃度水平基本控制在8 μg/L以下，三氯乙醛的濃度水平穩(wěn)定在2 μg/L以下。對于含氮消毒副產物而言，鹵乙腈、鹵代乙酰胺和鹵代硝基甲烷均沒有超過3 μg/L?；诔粞?生物活性炭的全流程消毒副產物控制技術和基于多點加氯的消毒副產物控制技術的聯(lián)合使用，一方面降低了水廠消毒劑的用量(水廠氯耗可降低20%左右)，另一方面在確保出廠水生物安全性的同時，還有效降低了含碳、含氮消毒副產物的濃度水平，為我國城鎮(zhèn)水廠的新建和老舊水廠的改造提供了有力支撐。

圖5 2009年—2018年錫東水廠出廠水含碳、含氮消毒副產物濃度變化情況Fig.5 Changes in the Concentration of Carbonaceous and Nitrogenous DBPs in the Finished Water of Xidong WTP during 2009—2018

4.2 技術推廣與標準支撐

水專項消毒副產物控制技術成果在長三角地區(qū)供水系統(tǒng)得到較好的示范應用，同時也在向其他區(qū)域推廣。此外，為規(guī)范消毒副產物綜合控制技術在市政給水領域的合理應用，依托水專項研究成果，結合太湖流域出廠水消毒副產物的濃度水平調查以及國內外現(xiàn)有飲用水水質標準對照研究，以消毒副產物的檢出率、濃度水平、水廠處理效果、對其優(yōu)先控制的必要性和可行性等因素作為評價指標，課題成果支撐了上海凈水技術學會團體標準《飲用水中N-二甲基亞硝胺、二氯乙腈、二溴乙腈水質標準》(T/SAWP 0001—2020)、我國首部省級內控標準《江蘇省城市自來水廠關鍵水質指標內控標準》(DB32/T 3701—2019)、我國首部地方飲用水標準《上海市生活飲用水水質標準》(DB31/T 1091—2018)以及我國首部飲用水含氮消毒副產物分析技術標準上海市地標《飲用水中N-二甲基亞硝胺測定液相色譜-串聯(lián)質譜法》(DB31/T 1215—2020)等一系列標準規(guī)范的頒布和實施。

5 課題標志性成效

本課題形成了針對太湖流域三種類型水源水質特征的綜合解決方案，通過示范推廣應用，全面提升了流域飲用水水質和安全保障能力，有力地支撐太湖流域污染防治規(guī)劃和地方飲用水目標的實現(xiàn)。針對太湖流域三類水源的綜合解決方案達到的成效包括：(1)有效解決了太湖水源飲用水長期存在的高藻、藻嗅味、消毒副產物等水質問題，徹底消除太湖藻類暴發(fā)的供水危機；(2)攻克了高氨氮冬季處理效率差的技術瓶頸，解決了高氨氮高有機物河網水源飲用水穩(wěn)定達標難題；(3)基本消除了上海黃浦江水源飲用水嗅味，提升超大城市國際形象。