全城同质高品质直饮水解决方案-饮用水发展未来_林晓峰.pdf

2023 年第 1 期 5 金科膜视界CITY AND TOWN WATER SUPPLY全城同质高品质直饮水解决方案-饮用水发展未来林晓峰刘牡朱希坤黎泽华张磊杰苏英强（金科环境股份有限公司，北京 100102）摘要：居民饮用水水质标准进入健康用水阶段，目前瓶(罐)装饮用水、自来水终端制水占饮用水市场主体，但上述饮用水为来源的模式不仅用水成本高昂，且外包装及制水浓水还会造成环境的污染和资源的浪费。因此本文介绍全城同质直饮水模式，该模式在低饮水成本下，既保障饮水安全，又保障用水安全，且能推动供水企业服务升级转型，实现优质优价。为实现全城同质直饮水需从“水源-水厂-管网-龙头”全过程协同管理和技术提升。关键词：直饮水；纳滤技术；同质供水；供水管网引言饮用水水质标准的发展可分为：卫生、安全和健康三个阶段，从关注微生物风险为主的水质卫生阶段，关注微量化学物质导致的毒理学问题的水质安全阶段，进入在水质卫生和安全基础上，通过控制饮用水中有益元素浓度进而改善人体健康的健康饮用水阶段1。生活饮用水卫生标准（GB 5749-2022）已正式颁布，新国标更加关注居民饮水体验和健康，突出“末梢水”达标和保障理念，对供水行业“源头”到“龙头”全过程精细化管理和水质保障提出新的要求2。国务院发布关于实施健康中国行动的意见、健康中国行动（2019-2030）等相关文件，指出政府行动要加大饮用水工程设施投入、管理和维护，保障饮用水安全，明确健康环境促进行动目标为居民饮用水水质达标情况到2022年和2030年明显改善并持续改善3。随着健康中国行动的持续推进，饮用水需求已从“水安全”发展至“水健康”阶段，高品质饮用水的理念不断得到强化，饮用水深度处理和“龙头”高品质饮用水将是未来给水供水领域的主要建设方向。1.饮用水市场及直饮水模式1.1 饮用水市场作为家庭日常的消耗品，饮用水市场因高频刚需呈现着持续旺盛的增长力。以人均日饮水 1.5L，最新普查人口总数 141178 万人估算，中国每年饮用水消耗总量约在 7.73 亿吨，催生庞大的内需市场。从目前国内家庭饮用水发展现状来看，城市自来水普及率超 98%，农村普及率增至 83%。但因各地区供水系统投入受限，供水管网老化等问题，自来水水质达不到直饮级别，目前还有 18%的家庭以烧煮的方式直接饮用自来水4。对于饮用水市场瓶(罐)装饮用水市场份额占约 75%80%、自来水终端制水（即家用净水器）市场份额DOI:10.14143/ki.czgs.2023.01.0042023 年第 1 期 6 金科膜视界CITY AND TOWN WATER SUPPLY占约 20%25%、管道直饮水（市场份额约为 0.2%）。瓶（罐）装饮用水、自来水终端制水都是对社会资源的极大浪费。瓶(罐)装饮用水成本主要来自于包装、营销及零售成本，同时瓶身、瓶盖、胶带等又增加城市垃圾处理负荷，自来水终端制水由于回收率低，大量浓水造成水资源的严重浪费。据统计，瓶装/桶装水均价为 1164 元/吨，家用净水机制水成本约为 140 元/吨，小区分质供水用水成本为200 元/吨4。表 1饮用水市场份额及用水成本4瓶（罐）装饮用水自来水终端制水管道分质直饮水市场份额（%）75 8020 250.2饮用水成本（元/吨）11641402001.2 全城高品质供水与小区管道分质直饮水比较全城同质直饮水是指通过水源安全保护、水厂提升、管网更新、智慧运行等举措，建立从源头到龙头的全过程控制供水体系，实现龙头直饮。小区管道分质直饮水模式：具有资质的小区管道直饮水企业在小区建设净水机房，通过铺设地下管网进入楼宇单元，铺设入户支管、安装水表龙头入户直饮5。相较于小区管道分质直饮水模式，全城同质直饮水供水虽然建设周期长、投资大，但从长远角度，该模式既能保障饮水安全，又保障用水安全，且推动供水企业服务升级转型，实现优质优价，居民饮水成本也仅需基本水价6。1.3 各地城镇全城高品质供水举措随着居民对城镇供水从“合格水”向“优质水”的需求转变，且国家生活饮用水卫生标准对水质要求的不断提高，近些年来全国经济发达城市和地区陆续开始了优质水、高品质水等方面的探索和实践。上海市实施了“水源统筹供应、水厂规模经营、管网一网调度”的集约化建设，构建超大城市“源头到龙头”饮用水安全保障技术体系，据上海市城市总体规划（2017-2035）要求，至 2035 年全市供水水质达到国际先进标准，满足直饮需求7。深圳盐田区通过加强水源工程建设、水厂新改扩建、老旧管网改造、二次供水接管，于 2019 年实现了全区直饮，并预计 2025 年实现全城直饮7。苏州市水务局 2021 年印发苏州市高品质供水三年行动计划，计划至 2035 年最终实现苏州市全城高品质供水9。在充分调研国内表 2全城高品质供水与小区管道分质直饮水比较序号项目全城同质直饮水小区管道分质直饮水模式1安全性既保障饮水安全，又保障用水安全仅满足部分饮水安全2建设周期长适中，新建小区建设周期较短，但老旧小区建设周期较长3建设投资大适中，但结合供水国家标准逐渐提升后，相比全城模式，投资会明显增加。4供水服务推动供水企业服务升级转型，实现优质优价主要有专业公司进行运营，对供水企业服务升级缺乏实质推动。5供水价格基本水价90%基本水价+100 150 元/月（直饮水）2023 年第 1 期 7 金科膜视界CITY AND TOWN WATER SUPPLY外各类供水模式的基础上，根据苏州实际情况，对“分质供水”、“末端提升”和“全网优质”三种路线，从投资、受益面、管理、运维等方面系统对比评估后，确定“全网优质”作为技术路径，建立“从源头到龙头”的全过程精细化运行的供水体系。2.全城同质直饮水解决方案为实现全城同质直饮水需从“水源-水厂-管网-龙头”全过程协同管理，全生命周期保障。主要解决方案从水源、水厂、管网三个方向协同作用：对于饮用水水源，除通过源头监管、环境执法、监测预警等方面措施保护水源地，新增水源地微污染消减和蓝藻拦截技术，通过智能除藻过滤系统，拦截水厂进水中蓝藻；水厂通过增加膜深度处理技术（超滤、纳滤等）改造措施来提升出厂水水质，使出厂水水质达到直饮水标准；供水管网除定期更换老旧管道+入户改造+水质全过程管理外，新增供水管网水质安全综合保障技术，如：管网深度清洗维护、管网水质稳定保障和水质安全保障管理系统。2.1 饮用水水源保护-智能除藻微过滤系统智能除藻微过滤系统是一种在根源上高效、低药耗解决蓝藻爆发的措施，其独特结构设计能够过滤泥沙、藻类、以及一些工业污染物如粘性大的橡胶和磨损性大的玻璃等，有效填补了目前国内市场上蓝藻防控手段的空白。智能除藻微过滤系统技术路线为：吸水井前池-流量计-除藻微过滤系统-吸水井后池，过滤一定时间后利用产水反冲洗系统，反冲洗水进入除渣系统，脱水后外运排放。金科环境已开展对太湖某饮用水泵站规模工程性连续试验，根据试验验证结果，该系统对对于藻类有较好的去除效果，特别是在藻密度高峰时去除率可以达到 90%以上。以太湖某正在实施水厂为例，以太湖水作为地表水源，设置智能除藻微过滤系统过滤地表水中藻类及其他 TSS，处理规模 30 万 m3/d。设备采用中心进水，6 个通道同时出水的方式，每个通道布置 2 台除藻微滤机，设计进出水水质如下：表 3设计进出水水质及去除率序号指标设计进水水质设计出水水质去除率1 藻密度5000 万个/L 500 万个/L90%2浊度100NTU 20NTU80%3TSS100mg/l 20mg/l80%装机电耗为 7370kw.hr/天，电费、药剂费及藻渣处置费用约 0.06 元/吨。图 1 智能除藻微过滤系统示意图2.2 出厂水直饮-纳滤技术 针对我国饮用水水源存在的离子超标问题和内分泌干扰物、消毒副产物前体物等微污染，在应用中纳滤膜具有两个显著特征：（1）对有机微污染水体的 COD、TOC、色度、土嗅素、农药类、抗生素等可稳定去除，去除率 90%，远高于臭氧活性炭技术（50%），同时不存在消毒副产物、溴酸盐的问题，在同样接近的运行费用下，纳滤相比于臭氧活性炭具有明显的优势。（2）同时解决苦咸水处理，地2023 年第 1 期 8 金科膜视界CITY AND TOWN WATER SUPPLY表水、地下水源中硫酸盐、硝酸盐、总硬度、氟化物、氯化物等离子超标问题；对钠钾离子以及其他微量元素选择性去除，保留对人体健康有益元素。纳滤技术适用于超标离子型或有机微污染型饮用水源深度处理，且满足饮用水健康需求10。纳滤水厂主体工艺流程为”混凝沉淀多级过滤纳滤消毒”，多级过滤通常采用砂滤+微滤、砂滤+超滤，保障纳滤进水水质、降低清洗频率，延长使用寿命。以金科环境张家港 20 万吨/天纳滤水厂为例，该水厂采用混凝沉淀砂滤微滤纳滤消毒工艺，以长江水为原水，水质符合地表水类标准，深度处理改造后出厂水质远优于国家生活饮用水卫生标准（GB 5749-2006），口感良好，满足直饮水供水出厂水要求11。纳滤膜搭配压力罐式微滤或超滤作为预处理工艺，对于还原型有机物（COD）以及腐殖质（UV254）的去除率高达 90%以上，对于消毒副产物（包括三氯甲烷、三溴甲烷、四氯化碳等卤代烃）的去除率也可达到 70%80%；对于硬度（钙、镁离子）的去除率为 20%60%，对于钠、钾离子的去除率仅为 20%左右，对于铁、锰、铝离子的去除率为 80%以上；对硫酸根为代表的二价盐去除率在 95%以上。其产水保持了水体中的矿物质，因此不用考虑增设矿化单元12。图 220 万吨/天纳滤系统示意图2.3 直饮水管网-供水管网水质安全综合保障技术通过纳滤技术实现出厂水直饮后，需通过供水管网水质安全综合保障技术保障居民龙头水直饮，供水管网水质安全综合保障技术包括：（1）管网水质稳定技术，利用水质保护剂提高管道供水化学稳定性和生物稳定性。（2）管网深度清洗维护技术，如：管道涡流深度清洗技术、水箱/池喷洒深度清洗技术和建筑给水管道浸泡深度清洗技术。（3）管网水质安全保障管理系统，搭建水质在线监测系统和管网水质安全管理平台。表 3纳滤系统产水水质水质指标单位限值CODMnmg/L 1.0总有机碳mg/L 0.5三卤甲烷（总量）mg/L 0.7甲基异崁醇-2mg/L 0.000005土臭素mg/L 0.000005pH/纳滤进出水 pH 差值 1.02023 年第 1 期 9 金科膜视界CITY AND TOWN WATER SUPPLY供水管网在线水质监测系统水质安全管理平台实时监测实时反馈水厂龙头供水管网深度清洗维护技术供水管网水质稳定保障技术供水管网水质安全保障管理系统实时调控、效果监测清洗判断、效果监测+图 3供水管网水质安全综合保障技术路线2.3.1 管网深度清洗维护技术管网深度清洗维护技术主要包含 3 个部分：（1）对于输配水管网沉积物及生物环等污染，采用管道涡流深度清洗技术，即利用涡旋气水流导致的空化现象使沉积物与附着物的稳定结构遭到破坏而剥离管壁，并随着气水流排出管道。（2）对于水箱/池等附属设施污染清洗，采用水箱/池喷洒深度清洗技术，即利用专用清洗消毒即进行喷洒，原位清洗修复水箱/池，水箱/池清洗后，既能够保护水箱/池表面，又能够有效去除水箱/池表面沉积物与生物膜。（3）对于建筑给水管道，采用管道浸泡深度清洗技术，采用专用清洗消毒剂对建筑供水管道进行浸泡清洗，仅需 2 4 小时的停水时间，即可快速有效地去除管道内壁的松散沉积物、生物膜与鳞片结构，减少水质衰减，恢复管道设计流速、提高输送效率。管网深度清洗维护后，利用水质保护剂所形成的致密而稳定的保护层，有效抑制管网水与管道之间的双向腐蚀污染作用，具体如下 2.3.2。专用清洗消毒剂是环境友好的药剂，在按照推荐清洗流程及相关操作下，可用于以下材料：氯化橡胶、聚氯乙烯涂料、环氧树脂涂层、石膏和混凝土、玻璃纤维、碳钢、不锈钢、铝、铜等。金科环境使用专用清洗消毒剂喷洒清洗上海二次供水设施，该项目应用结果如下表所示。结果表明，应用水箱/池喷洒深度清洗技术清洗后，消毒阶段使用足量（100