形成針對(duì)太湖流域三類水源的綜合解決方案實(shí)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(qiáng)

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

飲用水是人類生存的基本需求。飲用水安全問(wèn)題直接關(guān)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(zhǎng)三角核心區(qū)域，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、人口密度最大和城鎮(zhèn)化進(jìn)程最快的地區(qū)之一，也是全國(guó)水污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一。水專項(xiàng)實(shí)施前，由于水源污染嚴(yán)重、水廠處理工藝落后、水廠運(yùn)行管理水平粗放，導(dǎo)致供水單位無(wú)法應(yīng)對(duì)新的生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響流域內(nèi)廣大人民群眾的飲水安全[2]。黨中央、國(guó)務(wù)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(zhì)安全，水專項(xiàng)飲用水主題在“十一五”與“十三五”期間，均將太湖作為重點(diǎn)流域開(kāi)展相關(guān)研究和工程示范，為本區(qū)域飲用水水質(zhì)的提升和保障提供有效的科技支撐。

1 水專項(xiàng)太湖課題簡(jiǎn)介

“十一五”期間，依托“長(zhǎng)江下游地區(qū)飲用水安全保障技術(shù)集成與綜合示范”項(xiàng)目，在國(guó)家和地方政府的大力支持和統(tǒng)籌下，由同濟(jì)大學(xué)牽頭，與國(guó)內(nèi)多所高校、科研院所和多家大型水務(wù)企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)了“區(qū)域飲用水源優(yōu)化配置與水質(zhì)改善技術(shù)集成與示范”、“高藻、高有機(jī)物湖泊型原水處理技術(shù)集成與示范”、“高氨氮和高有機(jī)物污染河網(wǎng)原水的組合處理技術(shù)集成與示范”、“微污染江河原水高效凈化關(guān)鍵技術(shù)與示范”、“飲用水區(qū)域安全輸配技術(shù)與示范”和“飲用水安全區(qū)域聯(lián)動(dòng)應(yīng)急技術(shù)研究與示范”共6個(gè)課題。課題針對(duì)太湖流域三類飲用水源的水質(zhì)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(fù)技術(shù)、預(yù)氧化-生物預(yù)處理技術(shù)、臭氧活性炭-超濾膜深度處理技術(shù)等一批單項(xiàng)技術(shù)，初步形成了高藻太湖原水飲用水水質(zhì)凈化、高氨氮高有機(jī)物河網(wǎng)水源生物-生態(tài)修復(fù)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(shù)，通過(guò)技術(shù)綜合示范，示范工程出廠水質(zhì)達(dá)到國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(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(shù)集成與綜合示范”項(xiàng)目，在國(guó)家和地方政府的大力支持和統(tǒng)籌下，由同濟(jì)大學(xué)牽頭，與國(guó)內(nèi)多所高校、科研院所和多家大型水務(wù)企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)了“江蘇太湖水源飲用水安全保障技術(shù)集成與綜合示范”、“太湖流域上海飲用水安全保障技術(shù)集成與示范”、“浙江太湖河網(wǎng)地區(qū)飲用水安全保障技術(shù)集成與示范”和“太湖流域地區(qū)飲用水安全保障管理技術(shù)與綜合集成”共4個(gè)課題。在“十一五”基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)適合于高藻高有機(jī)物湖泊型原水、高嗅味高有機(jī)物江河型原水和高氨氮高有機(jī)物河網(wǎng)原水的“從源頭到龍頭”的飲用水安全保障系列技術(shù)，在無(wú)錫、蘇州、宜興、吳江、嘉興和上海等環(huán)太湖重點(diǎn)城市開(kāi)展綜合示范，建設(shè)湖泊型、河網(wǎng)型和江河型三類水源龍頭水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)示范區(qū)。示范區(qū)共400萬(wàn)人口龍頭水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求，初步形成了太湖流域飲用水安全保障技術(shù)體系。

“十三五”期間，依照國(guó)家水專項(xiàng)實(shí)施方案、十三五實(shí)施計(jì)劃和年度項(xiàng)目指南的要求，結(jié)合水十條的實(shí)施，在太湖流域設(shè)置了“太湖流域飲用水安全保障技術(shù)集成與綜合管理”項(xiàng)目，共包括5個(gè)課題，分別在蘇州(“蘇州市飲用水安全保障技術(shù)集成與綜合應(yīng)用示范”)、常州(“常州市太湖流域水源飲用水安全保障技術(shù)與應(yīng)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(yīng)用示范”)、嘉興(“嘉興市城鄉(xiāng)一體化安全供水保障技術(shù)集成與綜合示范”)設(shè)置4個(gè)技術(shù)工程示范類課題，以及1個(gè)集成課題(“太湖流域飲用水安全保障工程技術(shù)與綜合管理技術(shù)集成研究課題”)，即本課題。本課題的主要目標(biāo)之一是在“十一五”和“十二五”基礎(chǔ)上，結(jié)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(píng)估太湖流域飲用水專項(xiàng)實(shí)施以來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)與成果，形成針對(duì)太湖流域湖泊型、河網(wǎng)型和江河型等三類水源水質(zhì)特征的分類綜合解決方案。

2 太湖流域三類水源水質(zhì)問(wèn)題

太湖流域是我國(guó)城鎮(zhèn)密集、區(qū)域城市化水平較高的地區(qū)。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的高度集聚，流域污染負(fù)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(jìn)入環(huán)境水體，加劇了水源污染，水質(zhì)相對(duì)較差，復(fù)合污染、突發(fā)污染、跨界污染等問(wèn)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(wǎng)稠密，水量充沛，有湖泊、河網(wǎng)和江河三類典型水源，具有各自不同的水質(zhì)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(zhì)特征，太湖原水藻類年平均>1 000萬(wàn)個(gè)/L，高藻期為每年的7月—8月，達(dá)到2 000萬(wàn)～8 000萬(wàn)個(gè)/L。由于藻類高，其渾濁度和pH相對(duì)也高，藻源性次生代謝產(chǎn)物多，有機(jī)物以溶解性小分子量為主，藻源性嗅味物質(zhì)多，含氮消毒副產(chǎn)物生成潛力大。以浙北杭嘉湖為代表的河網(wǎng)水源具有高氨氮的水質(zhì)特征，嘉興地區(qū)原水的水質(zhì)氨氮月平均值高達(dá)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(zhǎng)江、黃浦江等江河型水源具有微污染的水質(zhì)特征，水源水中莠去津、丁草胺、乙草胺、樂(lè)果和毒死蜱等農(nóng)藥檢出總濃度最高可達(dá)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(zhì)特征Fig.1 Three Types of Water Sources in the Taihu Lake Basin and Corresponding Water Quality Characteristics

圖2 針對(duì)太湖流域三類水源水質(zhì)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(zhì)缺水型地區(qū)，高藻湖泊型、高氨氮河網(wǎng)型、微污染江河型三類水源中也存在復(fù)合污染的共性水質(zhì)問(wèn)題，如有機(jī)物和溴離子濃度均較高，溴代副產(chǎn)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(chǎn)物等。此外三類水源中廣泛存在的內(nèi)源性嗅味物質(zhì)(如2-甲基異莰醇等藻源類嗅味物質(zhì))、外源性嗅味物質(zhì)(如二甲基二硫醚等硫醚類嗅味物質(zhì))也不容忽視。

3 針對(duì)太湖流域三類水源的綜合解決方案

如圖2所示，針對(duì)太湖流域三類水源有機(jī)物、溴離子濃度水平高、嗅味問(wèn)題突出的共性水質(zhì)問(wèn)題，在充分發(fā)揮飲用水廠常規(guī)工藝效能的基礎(chǔ)上，增加預(yù)處理和深度處理工藝，以提升水廠對(duì)共性復(fù)合污染問(wèn)題的解決能力。針對(duì)水源高藻、高氨氮、微污染物的特性水質(zhì)問(wèn)題，需通過(guò)優(yōu)化強(qiáng)化從水源至水廠各工藝環(huán)節(jié)。當(dāng)水源污染負(fù)荷過(guò)高(例如季節(jié)性污染或突發(fā)性污染)且通過(guò)現(xiàn)有水廠工藝無(wú)法應(yīng)對(duì)時(shí)，可考慮切換水源以保障飲用水供水安全。當(dāng)水源水質(zhì)良好時(shí)，使用常規(guī)工藝即可滿足出廠水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

3.1 以臭氧-活性炭為核心的多級(jí)屏障綜合解決方案

針對(duì)太湖流域三類水源有機(jī)物、溴離子濃度水平高、嗅味問(wèn)題突出的共性水質(zhì)問(wèn)題，系統(tǒng)梳理了后備水源的建設(shè)和運(yùn)行、嗅味物質(zhì)識(shí)別、物理化學(xué)應(yīng)急投加、水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、消毒副產(chǎn)物前體識(shí)別、水廠生物預(yù)處理、預(yù)臭氧、應(yīng)急投加粉末活性炭或高錳酸鉀、強(qiáng)化常規(guī)、臭氧-生物活性炭組合工藝、管網(wǎng)漏損識(shí)別、非開(kāi)挖原位修復(fù)、多級(jí)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(guò)程保障系列關(guān)鍵技術(shù)。提出了“水源預(yù)處理與水廠處理工藝協(xié)同、水廠處理出水與龍頭水質(zhì)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(zhì)特征以臭氧-活性炭深度處理為核心的多級(jí)屏障集成技術(shù)”(圖3)，實(shí)現(xiàn)源頭到龍頭協(xié)同控制和系統(tǒng)保障，提高供水水質(zhì)和品質(zhì)。

圖3 以臭氧-活性炭為核心的多級(jí)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(duì)太湖流域三類水源有機(jī)物、溴離子濃度水平高、嗅味問(wèn)題突出的共性水質(zhì)問(wèn)題，可以采用超濾+納濾工藝以達(dá)到優(yōu)質(zhì)供水的目標(biāo)，以超濾為核心、用超濾工藝替代傳統(tǒng)工藝中的過(guò)濾工藝，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的提升，成為飲用水處理中的一種重要應(yīng)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(xué)藥劑對(duì)水質(zhì)的污染和消毒副產(chǎn)物的生成量。水專項(xiàng)任務(wù)承擔(dān)單位開(kāi)展了“浸沒(méi)式超濾+超低壓選擇性納濾”工程示范，浸沒(méi)式超濾去除水中的渾濁度、兩蟲(chóng)、細(xì)菌、病毒及藻類，保證后續(xù)納濾系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)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(jī)碳、氨氮及其他有機(jī)物和有毒副產(chǎn)物，出水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)和江蘇省飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(DB32/T 3701—2019)提標(biāo)要求。

4 典型和新型污染物的協(xié)同控制技術(shù)——以消毒副產(chǎn)物為例

水專項(xiàng)實(shí)施以來(lái)，隨著臭氧-生物活性炭深度處理工藝的不斷推廣應(yīng)用，飲用水消毒副產(chǎn)物綜合控制技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模日趨壯大[7]。在無(wú)錫、蘇州、吳江等城市以太湖水為水源的13座水廠(470萬(wàn)m3/d)及其供水區(qū)域進(jìn)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(zhì)等廣大群眾反映強(qiáng)烈的水質(zhì)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，還有效解決了出廠水中含碳、含氮消毒副產(chǎn)物濃度水平波動(dòng)的問(wèn)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(shù)應(yīng)用與成效

錫東水廠位于江蘇省無(wú)錫市太湖國(guó)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(jī)物湖泊型水源，原水常年存在藻類較高的問(wèn)題，且季節(jié)性特征明顯。錫東水廠是在水專項(xiàng)技術(shù)支持下在太湖流域建成并投產(chǎn)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(shù)為核心的飲用水安全保障技術(shù)的基礎(chǔ)上，該水廠二期擴(kuò)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(diǎn)加氯的消毒副產(chǎn)物控制技術(shù)。

在對(duì)錫東水廠出廠水進(jìn)行消毒副產(chǎn)物檢測(cè)時(shí)，利用開(kāi)發(fā)出的含碳和含氮消毒副產(chǎn)物的定量檢測(cè)和潛能測(cè)定技術(shù)，識(shí)別出酰胺類、乙腈類、亞硝胺等高風(fēng)險(xiǎn)消毒副產(chǎn)物，有力地支撐了相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定，并為飲用水消毒副產(chǎn)物的綜合控制技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。水專項(xiàng)成果顯示，示范工程錫東水廠在實(shí)現(xiàn)了藻類、嗅味物質(zhì)、致病微生物等指標(biāo)的有效控制基礎(chǔ)上，還削減了出廠水中典型及新型含碳、含氮消毒副產(chǎn)物濃度水平(圖5)，出廠水水質(zhì)優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(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(chǎn)物綜合控制技術(shù)在其他水廠的實(shí)際運(yùn)行情況也表明，在出廠水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)消毒副產(chǎn)物的控制效果也十分穩(wěn)定。對(duì)于含碳消毒副產(chǎn)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(yuǎn)低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(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(duì)于含氮消毒副產(chǎn)物而言，鹵乙腈、鹵代乙酰胺和鹵代硝基甲烷均沒(méi)有超過(guò)3 μg/L?；诔粞?生物活性炭的全流程消毒副產(chǎn)物控制技術(shù)和基于多點(diǎn)加氯的消毒副產(chǎn)物控制技術(shù)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(shí)，還有效降低了含碳、含氮消毒副產(chǎn)物的濃度水平，為我國(guó)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(chǎn)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(shù)推廣與標(biāo)準(zhǔn)支撐

水專項(xiàng)消毒副產(chǎn)物控制技術(shù)成果在長(zhǎng)三角地區(qū)供水系統(tǒng)得到較好的示范應(yīng)用，同時(shí)也在向其他區(qū)域推廣。此外，為規(guī)范消毒副產(chǎn)物綜合控制技術(shù)在市政給水領(lǐng)域的合理應(yīng)用，依托水專項(xiàng)研究成果，結(jié)合太湖流域出廠水消毒副產(chǎn)物的濃度水平調(diào)查以及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照研究，以消毒副產(chǎn)物的檢出率、濃度水平、水廠處理效果、對(duì)其優(yōu)先控制的必要性和可行性等因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，課題成果支撐了上海凈水技術(shù)學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《飲用水中N-二甲基亞硝胺、二氯乙腈、二溴乙腈水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(T/SAWP 0001—2020)、我國(guó)首部省級(jí)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)《江蘇省城市自來(lái)水廠關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)》(DB32/T 3701—2019)、我國(guó)首部地方飲用水標(biāo)準(zhǔn)《上海市生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB31/T 1091—2018)以及我國(guó)首部飲用水含氮消毒副產(chǎn)物分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上海市地標(biāo)《飲用水中N-二甲基亞硝胺測(cè)定液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法》(DB31/T 1215—2020)等一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的頒布和實(shí)施。

5 課題標(biāo)志性成效

本課題形成了針對(duì)太湖流域三種類型水源水質(zhì)特征的綜合解決方案，通過(guò)示范推廣應(yīng)用，全面提升了流域飲用水水質(zhì)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)太湖流域三類水源的綜合解決方案達(dá)到的成效包括：(1)有效解決了太湖水源飲用水長(zhǎng)期存在的高藻、藻嗅味、消毒副產(chǎn)物等水質(zhì)問(wèn)題，徹底消除太湖藻類暴發(fā)的供水危機(jī)；(2)攻克了高氨氮冬季處理效率差的技術(shù)瓶頸，解決了高氨氮高有機(jī)物河網(wǎng)水源飲用水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)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(guó)際形象。