基于節(jié)水政策的農(nóng)村生活供水技術(shù)研究

侯東平

（山東省鄆城縣水務(wù)局，山東 菏澤 274700）

1 引言

現(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)村地區(qū)步入了新的發(fā)展階段，農(nóng)村居民生活用水需求不斷增加，同時(shí)對(duì)于供水與輸水作業(yè)提出了多樣化需求。伴隨著新農(nóng)村的改革趨勢(shì)，我國(guó)對(duì)于農(nóng)村用水調(diào)度明確了新要求，即遵循節(jié)水原則，優(yōu)化水資源的分配方式，避免不必要的資源浪費(fèi)。對(duì)于早期存在的供水作業(yè)浪費(fèi)問(wèn)題，接下來(lái)應(yīng)將“科技創(chuàng)新”為準(zhǔn)則，不斷調(diào)整供水技術(shù)，強(qiáng)調(diào)節(jié)水政策在農(nóng)村供水方面的積極引導(dǎo)作用。節(jié)水政策指的是以緩和水資源短缺與污染為目的制定的節(jié)水措施，是解決我國(guó)農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境污染的重要政策，也是農(nóng)村供水規(guī)劃的重點(diǎn)。

2 農(nóng)村供水工程供水方案

我國(guó)對(duì)于農(nóng)村地區(qū)實(shí)施了較多的節(jié)水改造政策，從中彰顯了生態(tài)思維在農(nóng)村供水調(diào)度環(huán)節(jié)的實(shí)際價(jià)值。隨著政策的不斷實(shí)施，農(nóng)村居民生活用水方案有所轉(zhuǎn)變，徹底擺脫了過(guò)去供輸水作業(yè)的不足，以節(jié)能為關(guān)鍵突出了我國(guó)水資源戰(zhàn)略的先進(jìn)性。如今的多數(shù)農(nóng)村已經(jīng)不再貧困，生活用水是保障農(nóng)村發(fā)展的關(guān)鍵，同居民生活質(zhì)量有著緊密的關(guān)聯(lián)，節(jié)水政策下，要求農(nóng)村生活供水必須依靠先進(jìn)的技術(shù)，比如，水處理技術(shù)與凈水工藝，根據(jù)水質(zhì)要求科學(xué)擬定農(nóng)村供水技術(shù)方案，明確水質(zhì)中的微生物指標(biāo)與化學(xué)指標(biāo)等，在技術(shù)的引導(dǎo)下采用可行的節(jié)水供水策略[1]。

3 基于節(jié)水政策的農(nóng)村生活供水技術(shù)分析

3.1 智能供水技術(shù)

為了防止農(nóng)村地區(qū)出現(xiàn)供水困難的問(wèn)題，有必要根據(jù)供水政策做出管理策略的調(diào)整，在智能技術(shù)平臺(tái)的應(yīng)用下確立自動(dòng)化供水模式，使新技術(shù)為農(nóng)村生活供水帶來(lái)更加優(yōu)質(zhì)化的技術(shù)條件。在供水過(guò)程中，農(nóng)村供水操作流程比較復(fù)雜，此外，還需要建立多元化的供水調(diào)整方案，所以，有必要確立智能數(shù)據(jù)庫(kù)，基于相應(yīng)的數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)定農(nóng)村生活供水加工和制造模型，以便為供水工作提供技術(shù)指導(dǎo)。比如，將自動(dòng)化技術(shù)用于其中，創(chuàng)建自動(dòng)變頻恒壓供水系統(tǒng)，完成對(duì)供水工作的恒壓供水控制，以往的供水主要是用到PI調(diào)節(jié)器，通過(guò)對(duì)電磁閥的控制最終達(dá)到目標(biāo)，但是成本較高，且耗能較多。所以，采用變頻技術(shù)，將以往的供水方式轉(zhuǎn)為變頻恒壓供水模式，可有效解決上述問(wèn)題，使供水操作更加便捷，圖1為設(shè)備工作示意圖[2]。

圖1 自動(dòng)變頻恒壓供水設(shè)備示意圖

系統(tǒng)在壓力傳感器的幫助下即可進(jìn)行工作，憑借變頻器的PID調(diào)節(jié)控制輸出，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速與泵的壓力控制達(dá)到恒壓控制效果。恒壓供水系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，只需配備壓力傳感器或變送器即可形成針對(duì)壓力的閉環(huán)控制，供水管網(wǎng)內(nèi)安裝壓力傳感器，從而達(dá)到對(duì)管網(wǎng)壓力情況的連續(xù)采集，接著再將壓力轉(zhuǎn)為電流信號(hào)，信號(hào)傳遞給變頻器，PID對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果最終以頻率調(diào)節(jié)信號(hào)的形式控制水泵轉(zhuǎn)速，確保供水管網(wǎng)能夠始終保持著壓力恒定的狀態(tài)。

3.2 模塊化凈水技術(shù)

3.2.1 工藝流程

對(duì)于農(nóng)村飲用水與生活用水的水質(zhì)問(wèn)題，采取模塊化凈水技術(shù)進(jìn)行水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)，完成預(yù)警管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)氯化物或者硫酸鹽等污染物在水體中的超標(biāo)情況，實(shí)現(xiàn)引水到戶(hù)，保證農(nóng)村地區(qū)的供水量，確保居民飲水安全。本項(xiàng)目位于山東農(nóng)村地區(qū)，以保障產(chǎn)水流量與水質(zhì)為目標(biāo)，對(duì)兩套工藝流程進(jìn)行產(chǎn)水配比，確保每日的產(chǎn)水量可以達(dá)到1 500 m3以上，且水質(zhì)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]。

整個(gè)項(xiàng)目主要有以下兩種工藝組合。第一種：初級(jí)凈化工藝，其中包含水箱、增壓泵、凈水預(yù)處理與消毒模塊、凈水池幾部分，水箱內(nèi)的水經(jīng)過(guò)增壓泵進(jìn)入預(yù)處理模塊，使水體內(nèi)的懸浮物與顆粒物被去除，經(jīng)過(guò)消毒后進(jìn)入凈水池，該工藝的產(chǎn)水流量可以達(dá)到50 m3/h。第二種：深度除鹽凈化工藝。與第一個(gè)工藝差不多，在原有工藝基礎(chǔ)上增加了精密過(guò)濾與除鹽模塊，水箱內(nèi)的水在水泵的作用下提高到除鹽與過(guò)濾模塊，隨后水進(jìn)入水箱，再由高壓泵將水箱內(nèi)的水輸送到過(guò)濾裝置，去除超過(guò)5μm的顆粒物，再經(jīng)過(guò)除鹽后來(lái)到凈水池，該工藝的產(chǎn)水流量可以達(dá)到30 m/h3。

將初級(jí)與深度除鹽凈化水量合理配比并混勻，使用恒壓供水系統(tǒng)將水輸送給用戶(hù)，整個(gè)制水過(guò)程都需要用到在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)水質(zhì)的濁度、pH以及壓力等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常情況，確保農(nóng)村居民用水安全。

3.2.2 混凝加藥模塊

使用兩套加藥模塊，模塊包含管道混合器、計(jì)量泵、溶藥桶等構(gòu)件組成，此外還有自動(dòng)控制系統(tǒng)。管道混合器的處理量為50 m3/h，使用UPVC材質(zhì)，溶藥桶使用了PE材質(zhì)，有效容積約為200 L，投加計(jì)量泵容量為3.8 L/h，壓力為0.76 MPa。水進(jìn)入模塊前需要加入混凝劑，在確保水達(dá)到水質(zhì)要求的同時(shí)，要求混凝劑消耗量至少降低15%。

3.2.3 凈水預(yù)處理與除鹽預(yù)處理模塊

關(guān)于凈水預(yù)處理模塊，整體包含過(guò)濾裝置和儀表裝置等部分，一套碳鋼材質(zhì)的過(guò)濾器產(chǎn)水量可以達(dá)到50 m3/h，設(shè)備尺寸為2 500 mm×4 800 mm，裝填粒度保持在0.5~5.0 mm時(shí)，石英砂介質(zhì)可以起到良好的工作效果。設(shè)備正常工作時(shí)，流速為10 m/h，濾層高度達(dá)到了1 600 mm以上，反洗時(shí)間與周期分別為8 min與16 h，凈水預(yù)處理模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用可以將水中懸浮物與顆粒物有效去除。

除鹽預(yù)處理模塊包含過(guò)濾器與增壓泵等部分，過(guò)濾器的尺寸與凈水預(yù)處理模塊相同，產(chǎn)水量為45 m3/h，裝填20目以下的活性炭介質(zhì)即可，過(guò)濾流速可以達(dá)到10 m/h，過(guò)濾層高度超過(guò)1 600 mm，反洗時(shí)間與周期與凈化模塊相同，該模塊不僅可以去除水內(nèi)懸浮物與顆粒物，還能有效去除有機(jī)物與其他污染物。

3.2.4 精密過(guò)濾模塊與除鹽模塊

該模塊包含過(guò)濾與超濾裝置?；瘜W(xué)清洗裝置等構(gòu)件，模塊的尺寸為4 000 mm×2 000 mm×2 500 mm，共有10個(gè)膜單元，采用PVDF材質(zhì)制作膜單元，膜面積與孔徑分別為50 m2與0.03μm，設(shè)備運(yùn)行通量最大可以達(dá)到120 L/（m2·h）。反洗通量與氣洗通量分別為100 L/（m2·h）和10 Nm3/h。模塊主要有全流與錯(cuò)流兩種運(yùn)行方式，外殼使用了SS204L材質(zhì)，能夠永久的使用，且后續(xù)可直接替換膜芯。進(jìn)水時(shí)由于水質(zhì)負(fù)荷偏大，膜的壽命至少為5 a，其中的超濾裝置能夠?qū)⑺畠?nèi)高分子物質(zhì)、細(xì)菌與病毒等去除。

除鹽模塊中不僅有過(guò)濾器與反滲透裝置，還有專(zhuān)門(mén)的投入阻垢劑的裝置，該模塊的產(chǎn)水量可以達(dá)到30 m3/h，回收率與脫鹽率分別為75%和99%，膜元件使用了反滲透膜，膜芯使用了芳香族聚酰胺材料，外殼為玻璃鋼，整個(gè)除鹽模塊能夠去除水體內(nèi)的硫酸鹽與氯化物等物質(zhì)。

3.2.5 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)模塊

凈水管與出水管處配置在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警模塊，整個(gè)模塊包含數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)層以及數(shù)據(jù)展示層3部分。第一部分需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；第二部分會(huì)將采集到的儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行工程量的轉(zhuǎn)換處理，完成數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)；第三部分會(huì)在可視化界面中展示數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)監(jiān)視與報(bào)警等工作。表1為相應(yīng)的指標(biāo)情況。

表1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警模塊采集指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.2.6 運(yùn)行結(jié)果分析

該項(xiàng)目的最終出水水質(zhì)可以達(dá)到甚至優(yōu)于農(nóng)村生活飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)的制水成本被控制在1.36元/m3，初級(jí)凈化與深度除鹽的水經(jīng)過(guò)配比后即可向居民供給。

表2 實(shí)際出水水質(zhì)情況

3.3 超濾/納濾雙膜技術(shù)提升農(nóng)村供水水質(zhì)

當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)的自來(lái)水普及率不斷提高，但普及的安全衛(wèi)生飲用水還沒(méi)有達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，水體整體存在著富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展特征。為保障居民飲水安全，保證供水質(zhì)量，以上文提到的模塊化凈水技術(shù)為基礎(chǔ)，提煉其中的膜凈化技術(shù)，解決水體中的微生物與化學(xué)安全問(wèn)題，這是農(nóng)村飲用水凈化過(guò)程中的重要技術(shù)。圖2為工藝的大致流程，整個(gè)設(shè)備包含超濾與納濾兩部分，前者主要使用了PVDF超濾膜，水處理量最高可以達(dá)到300 L/h，超濾產(chǎn)水會(huì)進(jìn)入到超濾水箱內(nèi)。后者需要安裝納濾膜，采用聚酰胺復(fù)合膜，此時(shí)的進(jìn)水壓力可以達(dá)到0.28 MPa，設(shè)備總處理量為160 L/h，回收率最高可達(dá)到75%。納濾型號(hào)為NF270-400，膜面積37m2，壓力0.28 MPa，截留率可以達(dá)到60%左右。

圖2 工藝流程

該地區(qū)的供水站取自河水，河的兩岸出現(xiàn)了面源污染問(wèn)題，即魚(yú)塘水和居民生活用水為主要來(lái)源，水體有富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。根據(jù)加入混凝劑絮凝的消毒沉淀工藝，按照設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)要求，將總?cè)芙夤腆w、氨氮、總磷的進(jìn)水質(zhì)量濃度分別控制在453.2 mg/L、0.43 mg/L、0.319 mg/L。以超濾作為納濾預(yù)處理工藝，降低水體渾濁度，去除治病微生物，超濾系統(tǒng)可以使用MBR產(chǎn)水進(jìn)行4 h/次的反洗，流量可以達(dá)到產(chǎn)水流量的1.5倍以上，反洗時(shí)間持續(xù)30 s，在50 d以?xún)?nèi)時(shí)跨膜壓差將會(huì)伴隨著時(shí)間的推移而提高，局部通量在超過(guò)臨界值的時(shí)候出現(xiàn)跨膜壓差快速上升的情況。對(duì)于水體中氮磷等物質(zhì)的去除，納濾進(jìn)水當(dāng)中的硝酸鹽氮占比較高，此外，還有藻類(lèi)生物與浮游生物，該工藝可將這些物質(zhì)有效去除。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)我國(guó)農(nóng)村的實(shí)際供水質(zhì)量情況，了解供水中遇到的污染問(wèn)題，項(xiàng)目采用水處理凈化工藝，聯(lián)合自動(dòng)化技術(shù)，建立在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)居民生活用水的設(shè)備模塊化與管理智慧化，確保供水量和供水水質(zhì)都能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，解決居民飲水困難問(wèn)題。通過(guò)對(duì)供水?dāng)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析以及在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)情況，水凈化處理工藝的應(yīng)用不僅可以降低制水成本，且初級(jí)凈化與深度除鹽后混合配比的水質(zhì)十分穩(wěn)定，對(duì)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義。