“十三五”水專項“湖州南太湖水源供水區飲用水安全保障綜合應用示范(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的技術研發與工程示范應用，“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，是環太湖地區唯一因湖而得名的城市，是“兩山理論”的誕生地。“十二五”水專項雖然已經延伸到了湖州南太湖地區，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相比，差距仍然很明顯，湖州南太湖地區依舊是太湖流域綜合治理中的短板。“十三五”期間，為了補齊環太湖地區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集成與綜合管理”項目下設立了“湖州南太湖水源供水區飲用水安全保障綜合應用示范(2017ZX07201003)”課題(以下簡稱湖州課題)，在湖州南太湖地區開展水專項“十一五”和“十二五”技術成果的綜合應用示范，以期為湖州南太湖地區的飲用水安全保障提供技術支撐。

湖州課題由浙江大學牽頭，湖州市水務集團有限公司、同濟大學、哈爾濱工業大學、浙江工業大學、杭州杭開環境科技有限公司和湖州市環境保護監測中心站等單位參與，圍繞湖州南太湖地區河網飲用水水源水質改善、太湖水廠水處理工藝優化運行、小水廠節能降耗改造以及供水系統優化調度和水質保障問題，開展了關鍵技術攻關及水專項技術集成與綜合應用示范。課題取得的研究成果介紹如下。

1 研發了4項關鍵技術

(1)基于植物-微生物協同凈化與水力優化造流的污染河流生態修復技術

圖1 污染河流生態修復關鍵技術示意圖

該關鍵技術研發了強化功能菌群定殖的新型高效生態浮島，浮島主體為優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。在此基礎上，研發了基于SCA-TiO2-PU的新型光催化載體及強化功能菌群分區定殖的ICPB技術，有效增強生態浮島對常規污染物與典型異嗅物質等新型污染物的協同去除性能。同時，針對湖州南太湖地區河網水流滯緩、污染物擴散與自凈能力較差等問題，研發了水力優化造流強化生物膜修復與河流基底生境改造工藝，通過適度曝氣增強滯緩區水體紊動、氧傳遞擴散與氣液混合，匹配彈性填料合理布設實現水力優化造流，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為污染河流生態修復的關鍵技術示意圖。

(2)考慮氣候/水文/水動力等因素的水源水質預測技術

圖2 水質預測模型構建

該關鍵技術以氣象因素和水質歷史數據作為模型輸入，由于氣象數據可預報，可基于氣象預報數據進行水質預測。針對不同水質指標，根據其特點選擇不同的預測模型(隨機森林模型或Holt-Winters季節模型)，只選擇必要的輸入變量，保證預測精度的同時簡化了模型結構，縮短了計算時間，水質預測模型構建過程如圖2所示。在渾濁度預測中，綜合考慮了主導風向和非主導風向下風速對渾濁度的響應，以及風場的疊加效應，提出采用風場加權疊加值來量化風場對渾濁度的影響，以經驗模態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趨勢，同時過濾了日際變化對預測的干擾。模型預測的渾濁度有86.2%結果誤差在50%以內，為太湖水廠應對渾濁度波動大的問題提供了重要的支撐數據。針對DO和CODMn的預測具有較高的預測精度，總體平均絕對誤差都小于10%。

(3)基于季節性高藻的多組合工藝優化技術

該關鍵技術(圖3)針對太湖水原水渾濁度變化大、季節性高藻等問題，通過對水廠臭氧投加量優化，得出了預臭氧以及后臭氧的最佳投加量，提高了出水CODMn的去除率且節約了電耗。基于出水消毒副產物濃度的控制來優化濾池濾速，在保證水廠出水安全的前提下提高了系統的運行效率。通過在活性碳濾池下層設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。該關鍵技術確保了太湖水廠出水水質穩定，有效地解決了季節性高藻問題。

圖3 太湖水廠多組合工藝優化

圖4 湖州市供水管網運營級分區

(4)多目標管網分區分片管理技術

該關鍵技術以管網運行節能降耗、保障管網水質等為目標，建立了調度級、營運級、小區級3級分區方法。以調度級分區為基礎建立了供水系統優化調度模型，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化分區方案，同時構建了以探漏檢漏為目標的小區級分區方案及管理技術，實現了供水異常全自動甄別和報警。通過示范應用，湖州市調度級分區2個，運營級分區12個(圖4)。

2 凝練了4項集成技術

(1)湖州南太湖地區苕溪河網水源水質改善與安全保障集成技術

針對湖州南太湖地區城鎮面源污染復雜多樣、負荷趨重等問題，根據區域內種植業污水、養殖業廢水及農村生活污水產排特點，運用高效氮磷去除功能填料、生物生態濾壩強化脫氮除磷、太陽能驅動曝氣循環增效等資源化、模塊化、智能化技術，形成城鄉面源污染綜合控制技術體系，實現城鄉面源污染多階梯、多層次綜合控制。針對河網水體環境容量有限、城鎮污水處理系統尾水水質要求高等特點，通過污水廠現有脫氮除磷工藝技術升級與參數優化實現生化單元性能提升，研發曝氣生物濾池、MBR、復合流人工濕地等污水廠尾水深度處理適用技術，實現尾水深度處理達標排放。針對太湖水倒灌、河網水質穩定達標難等問題，通過多功能水生植物群落優化匹配與新型生態浮島構建、水力優化造流強化生物膜修復與河流基底生境改造等技術集成，構建湖州南太湖地區河網水質改善與健康生態重建技術體系，有效削控水體常規污染物與藻源異嗅物質等新興污染物，明顯改善高污滯留區水動力特性與生物生態修復系統自凈能力。該項集成技術在苕溪水源地(城北水廠)的示范應用，實現了水源氨氮、CODMn等主要水質指標穩定達到Ⅲ類，保障了湖州南太湖地區河網水源水質穩定達標與生態逐步恢復。

(2)湖州南太湖水源飲用水處理工藝運行優化集成技術

針對以南太湖水為水源的水廠現有水處理工藝的適應性、特征新型污染物以及季節性污染等問題，課題組研究了預處理、常規處理和深度處理多組合處理工藝，在不同水質、不同季節下的優化運行措施和參數，總結及構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化運行集成技術，主要包括預氧化技術、混凝沉淀技術、臭氧活性炭技術和炭砂濾池短流程技術等。混凝沉淀技術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，同時調節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，臭氧優化處理技術主要是通過對水廠臭氧投加量優化，得出了預臭氧以及后臭氧的最佳投加量。炭砂濾池短流程技術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為一體的處理系統，是季節性高藻水深度處理階段的重要工藝。

(3)湖州南太湖地區小水廠節能降耗優化運行改造集成技術

針對湖州南太湖地區現有小水廠規模小、工藝落后、對水源突發性及季節性污染應對能力不足、無法依靠增加深度處理單元來改善飲用水水質等問題，經過技術篩選、科研實踐和工程經驗總結，集成了湖州南太湖地區小水廠節能降耗優化運行改造集成技術體系。該集成技術主要包括高錳酸鹽預氧化技術、強化混凝改造技術、改性濾料濾池改造技術和復合消毒技術等。高錳酸鹽預氧化技術采用高錳酸鉀或高錳酸鹽復合劑作為化學氧化劑去除水中污染物質，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匹配使用可以應對突發的藻類和鐵錳問題。強化混凝改造技術通過優選混凝劑的種類，結合混凝劑投加預測模型優化混凝劑投加量和調控措施，增加生產用水回流系統，利用回流水中的剩余混凝劑和濁質改善混凝條件，增強工藝處理效能，實現降低混凝劑藥耗和減少生產廢水排放量的目標。改性濾料濾池改造技術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了濾池新型過濾材料，通過新型改性濾料與傳統濾料合理級配組成復合濾料濾池，提升濾池工作效能與污染物去除率。紫外-次氯酸鈉復合消毒技術可以減少消毒副產物生成，保障出水水質安全，對后續管網水質穩定性具有積極作用。該集成技術適用于小水廠常規凈水工藝的優化改造，為南太湖地區鄉鎮供水設施改造提供了技術指導。

(4)湖州南太湖地區供水管網優化調度與水質安全保障集成技術

針對湖州東西對置的新供水格局以及鄉鎮水廠功能改變的現狀，課題以降低運行能耗、控制漏失和保障管網水質為目標，形成了供水管網優化調度、水質安全保障集成技術體系。針對城鄉一體供水形成的“水廠-配水站-區塊配水”三級供水網絡現狀，突破現有以用戶數量為指標的管網分區分片管理模式，研究建立了以節能降耗為目標的管網分區分片管理及應用技術。針對湖州地區供水輸配系統基本上依靠經驗調度控制、運行中的節能降耗等問題，課題研發了基于壓力反饋的水廠和閥門聯調聯控技術及結合節能降耗和漏損控制為目標的優化調度運行技術。綜合管網模型、地理信息系統(GIS)、數據采集監督系統(SCADA)，研發了基于大數據與云平臺的城市管網漏損控制與優化調度管理平臺。針對城鄉一體化多個水源聯合供水模式下，供水服務區交界處流速低、管道水滯留時間長，以及水量波動大造成的管道水質不穩定等問題，提出了基于管網水力調度和局部管道水力條件優化相結合的高風險區域水質改善技術。針對出廠附近管網余氯高導致消毒副產物風險增加、鄉鎮末梢管網余氯不足導致微生物風險增加等水質保障問題，提出了“城-鄉-村”全管網的多級協同水質調控技術。針對“水廠-配水站-區塊配水”三級配水網絡末端的“村-戶”級管網管道狀況差、用水量小波動幅度大、水力條件不利，并且難以通過廠站調控手段實現的末梢水質保障的難點問題，提出針對“村-戶”級管網末端加氯、管道定期放水與沖洗以及水質監控優化等技術。

3 建成了4項示范工程

(1)苕溪(城北水廠水源地)飲用水水源地水質安全保障成套技術綜合示范工程

該示范工程包括面源污染綜合控制、城鎮污水處理廠尾水深度處理及資源化、河道健康生態重建與水質安全保障示范工程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，示范服務面積約6 km2。示范技術主要為基于新型鐵碳除磷填料、廢棄竹根脫氮填料等構建的新型生物生態濾壩，基于太陽能驅動曝氣循環增效的生態浮島等技術。城鎮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小梅污水處理廠，工程規模為1.0萬m3/d，示范技術主要為常規污水處理工藝強化生物脫氮、尾水深度處理等。河道健康生態重建與水質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，示范技術主要為基于植物-微生物協同凈化與水力優化造流的污染河流生態修復技術。結合技術推廣應用，城北水廠苕溪水源地水質有明顯提升，2020年高錳酸鹽指數、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 苕溪水源地水質安全保障示范工程現場圖

(2)太湖水廠水處理工藝優化集成及優化運行示范工程

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，2019年12月實現并網通水，供水規模20萬t/d(圖6)。示范技術主要包括臭氧預氧化運行參數優化技術、混凝沉淀優化技術、臭氧投加量優化運行技術、活性炭砂濾池短流程工藝等。同時，秉承節能、高效、安全的設計原則，水廠在工藝建設和運行管理過程中不斷改進、優化各項工藝參數結合現代化水廠運行理念，采取相應措施，從而達到節能降耗的效果。根據第三方監測數據，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)埭溪水廠優化改造技術應用示范工程

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供水規模基礎上完成二期1萬m3/d擴建(圖7)。水廠采用折板反應沉淀池、無閥濾池的制水工藝，并設置預處理藥劑和活性炭投加設施，保障供水安全。示范工程于2020年6月開始穩定運行，示范技術主要包括改性濾料濾池改造技術和強化混凝改造技術。示范工程第三方監測數據表明，埭溪水廠示范工程出水水質穩定達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)要求。示范工程的穩定運行，推動水廠服務范圍由埭溪鎮延伸擴大至妙西鎮、東林鎮部分村莊，為保障湖州市吳興區西部山區農村飲用水安全達標提供了支撐。

(4)基于水質保障的湖州市供水管網系統分區分片管理與優化運行調度示范工程

該示范工程改造配水管網約6 120 km，其中二級配水管網1 201 km，三級配水管網4 919 km，改造一表一戶用戶共167 261戶(圖8)。示范區劃分成4個二級供水分區，分別是菱湖片區、練市片區、南潯片區、雙林片區，共安裝了14臺插入式流量計，加裝了43個遠傳設備，更新改造完成配水站8座(含二次加氯設施)，在配水站新安裝余氯與渾濁度在線監測儀器9臺，在供水交界面水質風險區域安裝水質監測與放水設施2處。經第三方評估測算，示范區管網漏損率由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穩定達標，社會經濟效益顯著。

圖8 示范區管網優化調度與水質保障設施

4 構建了1個綜合平臺

圖9 湖州飲用水安全保障監控平臺

湖州南太湖地區飲用水安全保障監控平臺以大數據、云計算、物聯網等先進技術為支撐，借助GIS系統空間分析、SCADA系統在線監測和在線模型的模擬分析等手段，通過構建智能化監管平臺實現了對湖州市市區供水管網的壓力、流量、余氯、水齡等關鍵數據的實時監測、實時可視化，預警定位展示，供水分區管網漏失動態監控分析以及智慧化調度決策支持(圖9)。平臺含3個水源(太湖、苕溪、老虎潭)水質在線監測點、3個水廠(太湖、城西、桑德)在線監測點、321個管網流量壓力在線監測點，實現了對異常監測數據實時報警，爆管、閥門調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度決策支持功能。

5 結語

湖州課題補齊了環太湖地區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。課題實現了54.9萬人口水龍頭水質穩定達標，為水專項實現太湖流域城市870萬用水人口龍頭水質穩定達標作出