北方某大型城市可持續供水模式探索

馬 凱, 胡建坤, 趙 林, 韓宏大

(1.天津大學環境科學與工程學院，天津300050；2.天津市自來水集團有限公司，天津300040；3.天津水務集團有限公司，天津300042)

由于境內地表水不達標，我國北方某大型城市需要依靠外調水來滿足生產生活用水需求。自1983年以來，該市開啟了以外調水為水源的供水格局。2014年12月，依托南水北調工程，該市可飲用水質更加優良的長江水，形成了以南水北調中線工程來水(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、高端加工制造業為核心產業。統計數據顯示，2017年該市常住人口為1 556萬人，規模以上(主營業務收入超過2 000萬元)工業企業單位為4 286個，日均生活用水量約為112.03×104m3，日均生產用水量約為73.27×104m3[1]。這種生活用水量超過生產用水量的特征與我國整體用水結構存在顯著差異[2]，也使該市用水量表現出顯著的季節性波動。

1 存在的問題

目前，該市飲用水供應面臨水量和水質兩方面的困境。水量型缺水表現為現有供水格局無法支撐該市人口增長與社會經濟發展的現實。水質型缺水表現為水質惡化無法滿足人們對高質量飲用水的要求。

1.1 水質型水資源短缺

該市境內無可用的天然水源，上世紀開始大面積開采地下水，導致了嚴重的地面沉降與地下漏斗。為此，該市被迫完全依靠生態補償的方式換取境外的潔凈原水，來滿足本地生產生活使用需求。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勢與優越的經濟發展環境吸引著全國各地的優秀資源，常住人口呈現連年攀升的整體趨勢。統計數據顯示，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到17.7%。

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

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

1.2 供水成本居高不下

由于境內沒有合格水源，該市自1983年開始以0.35元/m3的調水成本輸送灤河水，并以財政收入保證了本地30年的供水需求。在南水北調中線工程通水后，該市為長江水支付的補償成本躍升至2.16元/m3。此外，伴隨著灤河水質的下降，特別是以土臭素與2-甲基異莰醇為代表的嗅味物質持續爆發，該市增加了引江調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)均采用常規水處理工藝，其主要運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年的供水運行成本為1.37～1.80億元。考慮到未來藥劑單價的上漲，原水處理成本將進一步升高。此外，為了滿足人口增加而帶來的用水需求提高，特別是應對夏季高溫峰值供水的需求，對水廠、管網進行了全面升級改造，例如對一座老舊水廠新建30×104m3/d凈水系統，形成了巨額的固定資產投資。

為了滿足區域供水需求、提升供水水質，該市最近興建的水廠于2011年投產運營。該水廠在自動化管理、傳統工藝優化、新技術應用等方面達到了國際先進水平，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物含量進一步降低。運行結果顯示，該工藝中采用的液氧藥劑的千噸水成本就達到了5.55元。另有研究發現，采用臭氧-生物活性炭工藝后，CO2排放量較傳統處理工藝會提高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用。因此，該市亟需可持續的飲用水處理方案，實現以較低的藥劑與能源消耗保障整體供水安全。

1.3 用水標準不斷提高

生活水平與教育水平的不斷提高，推動了礦泉水、純凈水等飲用水產業的飛速發展。雖然市場上充斥著琳瑯滿目的水產品以及多種形式的家用凈水設備，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、三鹵副產物生成的問題。但運行結果表明，經過管網長距離輸送后，仍然出現局部地區余氯過低、龍頭出現“紅水”、菌落計數超標等水質問題，夏季高溫供水時期尤為顯著。這些問題的發生與管道嚴重腐蝕[4-5]、微生物(例如硝化細菌、異養菌)大量孳生[6-7]、水力停留時間過長[8]等因素直接相關。因此需要針對性地采取措施，減少入戶管線的水質惡化。

2 未來方向——分質供水

2011年的調研結果顯示，我國約2/3的城市供水用于工業、建筑業以及農業領域，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、生活用水統一集中供應，甚至某些地區采用自來水進行綠地灌溉的供水-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“分質供水”的概念衍生擴展，即整合區域供水系統資源(輸配水管線、水處理設施及運行管理系統)，針對不同行業的用水需求，進行分質、足量供水。

2.1 農業灌溉合理配水

農業產業是該市的用水大戶，曾占全市用水總量的近50%[9]，主要分布在周邊縣市地區。目前，在域內地下水已被超采的背景下，部分農區仍然采用地下水進行灌溉，有些地區甚至借用附近河道中的污水進行灌溉，這不僅會加重地下漏斗問題，更易引起農產品質量不合格。灤河水、潮白河水等水體常年能達到《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)V類標準[10]，滿足農業灌溉與自然景觀的生態補水要求，可用作農業灌溉水源。為此，宜結合灌區地形地貌特點，修建農業輸水渠道，壓縮井灌區地下水使用量，并在灌區大面積推廣滴灌、噴灌等節水灌溉模式，從而建立起域內農灌區輸水管線體系，保障農灌區用水的水質、水量，降低單位面積耕地的水資源消耗量。

2.2 工業用水按需供給

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

結合目前以引江水作為主要水源的供水格局，建議在原水進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荷，滿足高峰供水需求。水體經過濾處理后，投加消毒劑維持出廠水余氯濃度，進而借助既有管網系統將處理后的水體輸送至居住區、工業用水區，保證管網出水余氯達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求。雖然降低混凝劑投加量會導致出廠水濁度增加、微生物污染風險升高，但能夠有效降低出廠水余鐵超標風險，同時管網水濁度的適度升高不會影響工業企業使用。而針對生活用水，可通過在生活區進行提質處理，保證飲用水質量。此外，穩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險。

2.3 生活用水提質處理

經過多年的管網改造，該市目前形成了長度超過1.8×104km的環狀供水管網。出廠水經過漫長的管網輸送，在水力停留時間較長的區域，特別是水廠之間的供水界面處，出現了明顯的水質下降。

對該市多個監測點位的余氯值與相應水廠的多項出廠水質參數進行相關性分析，發現出廠水濁度對管網余氯濃度的影響并不顯著(見表1)。為此，結合工業用水的按需供應模式，建議在降低水廠處理深度的前提下，在進入集中飲水區(例如居民小區或商業區)前適當位置建設中途處理裝置，采用超濾+UV殺菌工藝進行二次提質處理。同時，為用戶更換銅質入戶管線，真正實現龍頭出水水質安全的目標。

表1 管網余氯與出廠水指標相關性統計分析Tab.1 Statistical analysis of correlation between chlorine residual of distribution system and index of treated water

3 結語

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