“十三五”水專項“湖州南太湖水源供水區(qū)飲用水安全保障綜合應(yīng)用示范(2017ZX07201003)”課題成果介紹

(浙江大學供稿)

為全面提升太湖流域飲用水安全保障能力，“十一五”水專項在無錫、蘇州、嘉興、上海等城市開展了系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)與工程示范應(yīng)用，“十二五”期間同時兼顧考慮了吳江、宜興和湖州等城市。湖州地處浙江省北部，太湖南岸，是環(huán)太湖地區(qū)唯一因湖而得名的城市，是“兩山理論”的誕生地?！笆濉彼畬ｍ楇m然已經(jīng)延伸到了湖州南太湖地區(qū)，然而無論其研究的深度還是研究的廣度，與太湖流域其他地區(qū)相比，差距仍然很明顯，湖州南太湖地區(qū)依舊是太湖流域綜合治理中的短板?！笆濉逼陂g，為了補齊環(huán)太湖地區(qū)飲用水安全保障的短板，水專項在“太湖流域飲用水安全保障技術(shù)集成與綜合管理”項目下設(shè)立了“湖州南太湖水源供水區(qū)飲用水安全保障綜合應(yīng)用示范(2017ZX07201003)”課題(以下簡稱湖州課題)，在湖州南太湖地區(qū)開展水專項“十一五”和“十二五”技術(shù)成果的綜合應(yīng)用示范，以期為湖州南太湖地區(qū)的飲用水安全保障提供技術(shù)支撐。

湖州課題由浙江大學牽頭，湖州市水務(wù)集團有限公司、同濟大學、哈爾濱工業(yè)大學、浙江工業(yè)大學、杭州杭開環(huán)境科技有限公司和湖州市環(huán)境保護監(jiān)測中心站等單位參與，圍繞湖州南太湖地區(qū)河網(wǎng)飲用水水源水質(zhì)改善、太湖水廠水處理工藝優(yōu)化運行、小水廠節(jié)能降耗改造以及供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度和水質(zhì)保障問題，開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及水專項技術(shù)集成與綜合應(yīng)用示范。課題取得的研究成果介紹如下。

1 研發(fā)了4項關(guān)鍵技術(shù)

(1)基于植物-微生物協(xié)同凈化與水力優(yōu)化造流的污染河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)

圖1 污染河流生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)示意圖

該關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)了強化功能菌群定殖的新型高效生態(tài)浮島，浮島主體為優(yōu)勢互補的多層次多功能水生植物群落，下掛彈性填料為功能菌群提供良好載體與適宜生境，富集功能生物膜強化水生植物生長、有機物及氮磷去除。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于SCA-TiO2-PU的新型光催化載體及強化功能菌群分區(qū)定殖的ICPB技術(shù)，有效增強生態(tài)浮島對常規(guī)污染物與典型異嗅物質(zhì)等新型污染物的協(xié)同去除性能。同時，針對湖州南太湖地區(qū)河網(wǎng)水流滯緩、污染物擴散與自凈能力較差等問題，研發(fā)了水力優(yōu)化造流強化生物膜修復(fù)與河流基底生境改造工藝，通過適度曝氣增強滯緩區(qū)水體紊動、氧傳遞擴散與氣液混合，匹配彈性填料合理布設(shè)實現(xiàn)水力優(yōu)化造流，強化功能菌群生長富集與水生植物生長。通過投加改性硅藻土有效降低滯緩區(qū)水體渾濁度，顯著改造河流基底生境、提升底棲生物活力、強化沉積污染物原位消減。圖1為污染河流生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)示意圖。

(2)考慮氣候/水文/水動力等因素的水源水質(zhì)預(yù)測技術(shù)

圖2 水質(zhì)預(yù)測模型構(gòu)建

該關(guān)鍵技術(shù)以氣象因素和水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)作為模型輸入，由于氣象數(shù)據(jù)可預(yù)報，可基于氣象預(yù)報數(shù)據(jù)進行水質(zhì)預(yù)測。針對不同水質(zhì)指標，根據(jù)其特點選擇不同的預(yù)測模型(隨機森林模型或Holt-Winters季節(jié)模型)，只選擇必要的輸入變量，保證預(yù)測精度的同時簡化了模型結(jié)構(gòu)，縮短了計算時間，水質(zhì)預(yù)測模型構(gòu)建過程如圖2所示。在渾濁度預(yù)測中，綜合考慮了主導(dǎo)風向和非主導(dǎo)風向下風速對渾濁度的響應(yīng)，以及風場的疊加效應(yīng)，提出采用風場加權(quán)疊加值來量化風場對渾濁度的影響，以經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后提取的氣溫年周期序列代替原始的氣溫值作為模型輸入，以此模擬渾濁度序列本身存在的季節(jié)趨勢，同時過濾了日際變化對預(yù)測的干擾。模型預(yù)測的渾濁度有86.2%結(jié)果誤差在50%以內(nèi)，為太湖水廠應(yīng)對渾濁度波動大的問題提供了重要的支撐數(shù)據(jù)。針對DO和CODMn的預(yù)測具有較高的預(yù)測精度，總體平均絕對誤差都小于10%。

(3)基于季節(jié)性高藻的多組合工藝優(yōu)化技術(shù)

該關(guān)鍵技術(shù)(圖3)針對太湖水原水渾濁度變化大、季節(jié)性高藻等問題，通過對水廠臭氧投加量優(yōu)化，得出了預(yù)臭氧以及后臭氧的最佳投加量，提高了出水CODMn的去除率且節(jié)約了電耗?；诔鏊靖碑a(chǎn)物濃度的控制來優(yōu)化濾池濾速，在保證水廠出水安全的前提下提高了系統(tǒng)的運行效率。通過在活性碳濾池下層設(shè)置一定厚度的石英砂，在雙層濾料的作用下，提高了渾濁度、氨氮、CODMn的去除率。該關(guān)鍵技術(shù)確保了太湖水廠出水水質(zhì)穩(wěn)定，有效地解決了季節(jié)性高藻問題。

圖3 太湖水廠多組合工藝優(yōu)化

圖4 湖州市供水管網(wǎng)運營級分區(qū)

(4)多目標管網(wǎng)分區(qū)分片管理技術(shù)

該關(guān)鍵技術(shù)以管網(wǎng)運行節(jié)能降耗、保障管網(wǎng)水質(zhì)等為目標，建立了調(diào)度級、營運級、小區(qū)級3級分區(qū)方法。以調(diào)度級分區(qū)為基礎(chǔ)建立了供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，利用改進Fast-Newman算法建立了以更新改造、運行維護為目標的營運級優(yōu)化分區(qū)方案，同時構(gòu)建了以探漏檢漏為目標的小區(qū)級分區(qū)方案及管理技術(shù)，實現(xiàn)了供水異常全自動甄別和報警。通過示范應(yīng)用，湖州市調(diào)度級分區(qū)2個，運營級分區(qū)12個(圖4)。

2 凝練了4項集成技術(shù)

(1)湖州南太湖地區(qū)苕溪河網(wǎng)水源水質(zhì)改善與安全保障集成技術(shù)

針對湖州南太湖地區(qū)城鎮(zhèn)面源污染復(fù)雜多樣、負荷趨重等問題，根據(jù)區(qū)域內(nèi)種植業(yè)污水、養(yǎng)殖業(yè)廢水及農(nóng)村生活污水產(chǎn)排特點，運用高效氮磷去除功能填料、生物生態(tài)濾壩強化脫氮除磷、太陽能驅(qū)動曝氣循環(huán)增效等資源化、模塊化、智能化技術(shù)，形成城鄉(xiāng)面源污染綜合控制技術(shù)體系，實現(xiàn)城鄉(xiāng)面源污染多階梯、多層次綜合控制。針對河網(wǎng)水體環(huán)境容量有限、城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)尾水水質(zhì)要求高等特點，通過污水廠現(xiàn)有脫氮除磷工藝技術(shù)升級與參數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)生化單元性能提升，研發(fā)曝氣生物濾池、MBR、復(fù)合流人工濕地等污水廠尾水深度處理適用技術(shù)，實現(xiàn)尾水深度處理達標排放。針對太湖水倒灌、河網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定達標難等問題，通過多功能水生植物群落優(yōu)化匹配與新型生態(tài)浮島構(gòu)建、水力優(yōu)化造流強化生物膜修復(fù)與河流基底生境改造等技術(shù)集成，構(gòu)建湖州南太湖地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)改善與健康生態(tài)重建技術(shù)體系，有效削控水體常規(guī)污染物與藻源異嗅物質(zhì)等新興污染物，明顯改善高污滯留區(qū)水動力特性與生物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)自凈能力。該項集成技術(shù)在苕溪水源地(城北水廠)的示范應(yīng)用，實現(xiàn)了水源氨氮、CODMn等主要水質(zhì)指標穩(wěn)定達到Ⅲ類，保障了湖州南太湖地區(qū)河網(wǎng)水源水質(zhì)穩(wěn)定達標與生態(tài)逐步恢復(fù)。

(2)湖州南太湖水源飲用水處理工藝運行優(yōu)化集成技術(shù)

針對以南太湖水為水源的水廠現(xiàn)有水處理工藝的適應(yīng)性、特征新型污染物以及季節(jié)性污染等問題，課題組研究了預(yù)處理、常規(guī)處理和深度處理多組合處理工藝，在不同水質(zhì)、不同季節(jié)下的優(yōu)化運行措施和參數(shù)，總結(jié)及構(gòu)建了針對南太湖水源的以臭氧活性炭工藝為主的多組合工藝優(yōu)化運行集成技術(shù)，主要包括預(yù)氧化技術(shù)、混凝沉淀技術(shù)、臭氧活性炭技術(shù)和炭砂濾池短流程技術(shù)等。混凝沉淀技術(shù)主要是針對混凝過程中藻類難以捕集、不易沉降、藻類有機物易與金屬混凝劑絡(luò)合干擾混凝等問題，通過投加混凝劑、助凝劑或其他藥劑，同時調(diào)節(jié)pH值，使混凝絮凝作用得以加強，從而提高藻類及其他污染物去除效率。臭氧投加量是臭氧活性炭工藝的重要參數(shù)，臭氧優(yōu)化處理技術(shù)主要是通過對水廠臭氧投加量優(yōu)化，得出了預(yù)臭氧以及后臭氧的最佳投加量。炭砂濾池短流程技術(shù)用于進一步去除水體渾濁度、氨氮和COD，加強藻類處理效果。采取的臭氧活性炭砂濾池工藝實現(xiàn)了集臭氧氧化、活性炭炭砂濾池物理化學吸附和生物氧化降解技術(shù)為一體的處理系統(tǒng)，是季節(jié)性高藻水深度處理階段的重要工藝。

(3)湖州南太湖地區(qū)小水廠節(jié)能降耗優(yōu)化運行改造集成技術(shù)

針對湖州南太湖地區(qū)現(xiàn)有小水廠規(guī)模小、工藝落后、對水源突發(fā)性及季節(jié)性污染應(yīng)對能力不足、無法依靠增加深度處理單元來改善飲用水水質(zhì)等問題，經(jīng)過技術(shù)篩選、科研實踐和工程經(jīng)驗總結(jié)，集成了湖州南太湖地區(qū)小水廠節(jié)能降耗優(yōu)化運行改造集成技術(shù)體系。該集成技術(shù)主要包括高錳酸鹽預(yù)氧化技術(shù)、強化混凝改造技術(shù)、改性濾料濾池改造技術(shù)和復(fù)合消毒技術(shù)等。高錳酸鹽預(yù)氧化技術(shù)采用高錳酸鉀或高錳酸鹽復(fù)合劑作為化學氧化劑去除水中污染物質(zhì)，可有效提高水中有機物的去除效能，與粉末活性炭吸附技術(shù)匹配使用可以應(yīng)對突發(fā)的藻類和鐵錳問題。強化混凝改造技術(shù)通過優(yōu)選混凝劑的種類，結(jié)合混凝劑投加預(yù)測模型優(yōu)化混凝劑投加量和調(diào)控措施，增加生產(chǎn)用水回流系統(tǒng)，利用回流水中的剩余混凝劑和濁質(zhì)改善混凝條件，增強工藝處理效能，實現(xiàn)降低混凝劑藥耗和減少生產(chǎn)廢水排放量的目標。改性濾料濾池改造技術(shù)主要是基于過濾過程中剪切力控制、以特征污染物去除效能提升為目標研發(fā)了濾池新型過濾材料，通過新型改性濾料與傳統(tǒng)濾料合理級配組成復(fù)合濾料濾池，提升濾池工作效能與污染物去除率。紫外-次氯酸鈉復(fù)合消毒技術(shù)可以減少消毒副產(chǎn)物生成，保障出水水質(zhì)安全，對后續(xù)管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定性具有積極作用。該集成技術(shù)適用于小水廠常規(guī)凈水工藝的優(yōu)化改造，為南太湖地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水設(shè)施改造提供了技術(shù)指導(dǎo)。

(4)湖州南太湖地區(qū)供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度與水質(zhì)安全保障集成技術(shù)

針對湖州東西對置的新供水格局以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠功能改變的現(xiàn)狀，課題以降低運行能耗、控制漏失和保障管網(wǎng)水質(zhì)為目標，形成了供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、水質(zhì)安全保障集成技術(shù)體系。針對城鄉(xiāng)一體供水形成的“水廠-配水站-區(qū)塊配水”三級供水網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，突破現(xiàn)有以用戶數(shù)量為指標的管網(wǎng)分區(qū)分片管理模式，研究建立了以節(jié)能降耗為目標的管網(wǎng)分區(qū)分片管理及應(yīng)用技術(shù)。針對湖州地區(qū)供水輸配系統(tǒng)基本上依靠經(jīng)驗調(diào)度控制、運行中的節(jié)能降耗等問題，課題研發(fā)了基于壓力反饋的水廠和閥門聯(lián)調(diào)聯(lián)控技術(shù)及結(jié)合節(jié)能降耗和漏損控制為目標的優(yōu)化調(diào)度運行技術(shù)。綜合管網(wǎng)模型、地理信息系統(tǒng)(GIS)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)督系統(tǒng)(SCADA)，研發(fā)了基于大數(shù)據(jù)與云平臺的城市管網(wǎng)漏損控制與優(yōu)化調(diào)度管理平臺。針對城鄉(xiāng)一體化多個水源聯(lián)合供水模式下，供水服務(wù)區(qū)交界處流速低、管道水滯留時間長，以及水量波動大造成的管道水質(zhì)不穩(wěn)定等問題，提出了基于管網(wǎng)水力調(diào)度和局部管道水力條件優(yōu)化相結(jié)合的高風險區(qū)域水質(zhì)改善技術(shù)。針對出廠附近管網(wǎng)余氯高導(dǎo)致消毒副產(chǎn)物風險增加、鄉(xiāng)鎮(zhèn)末梢管網(wǎng)余氯不足導(dǎo)致微生物風險增加等水質(zhì)保障問題，提出了“城-鄉(xiāng)-村”全管網(wǎng)的多級協(xié)同水質(zhì)調(diào)控技術(shù)。針對“水廠-配水站-區(qū)塊配水”三級配水網(wǎng)絡(luò)末端的“村-戶”級管網(wǎng)管道狀況差、用水量小波動幅度大、水力條件不利，并且難以通過廠站調(diào)控手段實現(xiàn)的末梢水質(zhì)保障的難點問題，提出針對“村-戶”級管網(wǎng)末端加氯、管道定期放水與沖洗以及水質(zhì)監(jiān)控優(yōu)化等技術(shù)。

3 建成了4項示范工程

(1)苕溪(城北水廠水源地)飲用水水源地水質(zhì)安全保障成套技術(shù)綜合示范工程

該示范工程包括面源污染綜合控制、城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理及資源化、河道健康生態(tài)重建與水質(zhì)安全保障示范工程3個部分(圖5)。面源污染綜合控制示范工程位于湖州市楊家埠街道，包括胡子斗村、鈕店橋村等行政村，示范服務(wù)面積約6 km2。示范技術(shù)主要為基于新型鐵碳除磷填料、廢棄竹根脫氮填料等構(gòu)建的新型生物生態(tài)濾壩，基于太陽能驅(qū)動曝氣循環(huán)增效的生態(tài)浮島等技術(shù)。城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理及資源化示范工程位于湖州市太湖旅游度假區(qū)小梅污水處理廠，工程規(guī)模為1.0萬m3/d，示范技術(shù)主要為常規(guī)污水處理工藝強化生物脫氮、尾水深度處理等。河道健康生態(tài)重建與水質(zhì)安全保障示范工程位于橫渚塘港及其支流，治理河道總長度約3.1 km，示范技術(shù)主要為基于植物-微生物協(xié)同凈化與水力優(yōu)化造流的污染河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)。結(jié)合技術(shù)推廣應(yīng)用，城北水廠苕溪水源地水質(zhì)有明顯提升，2020年高錳酸鹽指數(shù)、氨氮平均濃度分別為3.40 mg/L和0.27 mg/L，相比于“十二五”末的年平均值，削減率分別達10.7%和12.9%。

圖5 苕溪水源地水質(zhì)安全保障示范工程現(xiàn)場圖

(2)太湖水廠水處理工藝優(yōu)化集成及優(yōu)化運行示范工程

該示范工程為太湖水廠二期工程，投資約1.5億元，于2018年9月開工建設(shè)，2019年12月實現(xiàn)并網(wǎng)通水，供水規(guī)模20萬t/d(圖6)。示范技術(shù)主要包括臭氧預(yù)氧化運行參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、混凝沉淀優(yōu)化技術(shù)、臭氧投加量優(yōu)化運行技術(shù)、活性炭砂濾池短流程工藝等。同時，秉承節(jié)能、高效、安全的設(shè)計原則，水廠在工藝建設(shè)和運行管理過程中不斷改進、優(yōu)化各項工藝參數(shù)結(jié)合現(xiàn)代化水廠運行理念，采取相應(yīng)措施，從而達到節(jié)能降耗的效果。根據(jù)第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)，2020年1月—2020年8月，太湖水源水廠出廠水平均渾濁度≤0.1 NTU、平均三鹵甲烷總和降低37.1%、CODMn≤2 mg/L、氨氮≤0.05 mg/L。

圖6 太湖水廠總貌效果圖

圖7 埭溪水廠

(3)埭溪水廠優(yōu)化改造技術(shù)應(yīng)用示范工程

該示范工程以老虎潭水庫為取水水源，在埭溪水廠一期工程1萬m3/d供水規(guī)?；A(chǔ)上完成二期1萬m3/d擴建(圖7)。水廠采用折板反應(yīng)沉淀池、無閥濾池的制水工藝，并設(shè)置預(yù)處理藥劑和活性炭投加設(shè)施，保障供水安全。示范工程于2020年6月開始穩(wěn)定運行，示范技術(shù)主要包括改性濾料濾池改造技術(shù)和強化混凝改造技術(shù)。示范工程第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，埭溪水廠示范工程出水水質(zhì)穩(wěn)定達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求。示范工程的穩(wěn)定運行，推動水廠服務(wù)范圍由埭溪鎮(zhèn)延伸擴大至妙西鎮(zhèn)、東林鎮(zhèn)部分村莊，為保障湖州市吳興區(qū)西部山區(qū)農(nóng)村飲用水安全達標提供了支撐。

(4)基于水質(zhì)保障的湖州市供水管網(wǎng)系統(tǒng)分區(qū)分片管理與優(yōu)化運行調(diào)度示范工程

該示范工程改造配水管網(wǎng)約6 120 km，其中二級配水管網(wǎng)1 201 km，三級配水管網(wǎng)4 919 km，改造一表一戶用戶共167 261戶(圖8)。示范區(qū)劃分成4個二級供水分區(qū)，分別是菱湖片區(qū)、練市片區(qū)、南潯片區(qū)、雙林片區(qū)，共安裝了14臺插入式流量計，加裝了43個遠傳設(shè)備，更新改造完成配水站8座(含二次加氯設(shè)施)，在配水站新安裝余氯與渾濁度在線監(jiān)測儀器9臺，在供水交界面水質(zhì)風險區(qū)域安裝水質(zhì)監(jiān)測與放水設(shè)施2處。經(jīng)第三方評估測算，示范區(qū)管網(wǎng)漏損率由2016年的35%降低到2020年的8.09%，單位供水能耗降低16.5%，54.9萬人口龍頭水水質(zhì)穩(wěn)定達標，社會經(jīng)濟效益顯著。

圖8 示范區(qū)管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度與水質(zhì)保障設(shè)施

4 構(gòu)建了1個綜合平臺

圖9 湖州飲用水安全保障監(jiān)控平臺

湖州南太湖地區(qū)飲用水安全保障監(jiān)控平臺以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)為支撐，借助GIS系統(tǒng)空間分析、SCADA系統(tǒng)在線監(jiān)測和在線模型的模擬分析等手段，通過構(gòu)建智能化監(jiān)管平臺實現(xiàn)了對湖州市市區(qū)供水管網(wǎng)的壓力、流量、余氯、水齡等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、實時可視化，預(yù)警定位展示，供水分區(qū)管網(wǎng)漏失動態(tài)監(jiān)控分析以及智慧化調(diào)度決策支持(圖9)。平臺含3個水源(太湖、苕溪、老虎潭)水質(zhì)在線監(jiān)測點、3個水廠(太湖、城西、桑德)在線監(jiān)測點、321個管網(wǎng)流量壓力在線監(jiān)測點，實現(xiàn)了對異常監(jiān)測數(shù)據(jù)實時報警，爆管、閥門調(diào)控分析等非正常工況下的在線分析功能，基于水力模型的在線調(diào)度決策支持功能。

5 結(jié)語

湖州課題補齊了環(huán)太湖地區(qū)飲用水安全保障的短板，就水專項的整體性而言具有重要的地位。課題實現(xiàn)了54.9萬人口水龍頭水質(zhì)穩(wěn)定達標，為水專項實現(xiàn)太湖流域城市870萬用水人口龍頭水質(zhì)穩(wěn)定達標作出