从源头到龙头 饮用水系统安全保障建设与实践

导读：以系统论解析饮用水安全保障，以对“十一五”“水专项”以来形成的关键技术进行技术评估的基础上，形成包含安全性设计、韧性设计、可持续设计的饮用水安全保障技术体系，解决了从源头到龙头的全流程工艺技术、风险应对和应急供水及救援技术、应对现在和未来发展挑战技术的全方位的技术集成。

01 饮用水安全保障系统观与研究办法

1.1 基于系统论的技术路线

安全饮用水是现代社会公共健康领域的重要基石之一。如何从技术体系上实现饮用水的安全保障，保障城市生命线，支撑“以水定城”新时期国家水安全的重要发展思路，是当前的重要工作。

我们将“饮用水”视作一个系统进行分析。

饮用水系统从结构上包括从源头到龙头的取、输、净、配过程，处于自然系统与社会系统之间；从功能上，得到洁净、充足的饮用水，需要实现合格的水质、充足的水量、稳定的水压等3项基本目标，在实现基本目标的过程中，还应确保系统自身的安全。

从要素上，包括物质和能量流要素（水源、用户需求、电耗、药耗等）、关联方要素（技术研发和推广、规划设计、运行管理、设备材料、政府监管、投资建设、终端用户）、技术体系要素（技术法规、标准、工艺技术、专利）等。

从环境上，饮用水系统在工程建设全生命周期中对于不同类型的环境变量具备应对能力。包括：常态条件下（如季节性影响）的安全性，随着人类认知的深入，会有不同的需求；突发事件下的安全性，如自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件等突发事件的应急供水能力，因此应具备一定的冗余性和可修复能力；应对社会发展和自然条件长期变化的可持续性（现在和未来），因此应当是一个近平衡的开放体系。

外因通过内因起作用。要素和环境的影响，最终通过系统自身及其结构元件实现，因此研究工作从包括源头到龙头的各项工艺技术出发，充分考量其技术特性。

从目标和问题导向进一步归纳。在工艺技术的研究中，充分考虑对饮用水系统的作用，以及应对三类环境问题的响应。

落实到具体的工程项目上，还存在技术和本地化因素的适配问题。

1.2 技术评估

针对饮用水系统、要素、环境及其相互作用，建立包括技术特性、技术质量等3项一级指标和12项二级指标、32项三级指标组成的指标体系，并按照预评估—技术验证—技术评价等3步骤对水专项等来源关键技术进行技术评估，评估成果支持标准化文件和标准体系。

（1）预评估。从“十一五”水专项以来形成的关键技术中，18项水系统规划技术、55项设计技术的基础上，结合国内外的研究和应用实践，梳理形成5项规划关键技术和9类18项设计关键技术（见表1）。

（2）技术验证。相关技术，采用生产性试验验证和回顾性验证、仿真试验验证相结合的方式，经19个城市超过50个技术验证点的技术验证（见表2）。

（3）技术评价。以上相关成果用以支撑标准化文件的编制和标准体系的构建。

供水系统应具备安全性、韧性和可持续性。据此归纳饮用水安全保障技术体系。单项的技术可能会涉及安全性、韧性、可持续性中的一项或多项，在本文中，以主要以从属的属性进行表述。

设计是可靠性的基础。本文重点以规划设计阶段为主导，设备材料、运行管理、监管不作为探讨和研究的重点。除非特别指明，本文中设计均指广义的设计，包括设计、规划、计划、方案、布局等，不限于我国工程建设流程中的设计阶段。

02 安全性设计

从源头到龙头的全流程工艺技术。相关科研成果覆盖了《生活饮用水卫生标准》规定的微生物指标、毒理指标、感官性状和一般化学指标、消毒剂指标等，还涉及了致突变前体物、微型动物、人工合成有机物、抗生素、贾第虫和隐孢子虫、含氮副产物如NDMA等污染物或指标。经系统化归纳，不仅包含了从源头到龙头的安全保障工艺技术，也包括了韧性、可持续性设计的相关技术。

2.1 原位净化和水质保持技术

包括人工湿地水质净化和保持技术、湖库调控控藻技术。人工湿地水质净化和保持技术在技术验证和评价石臼漾湿地、鹊山引黄水库湿地、氿滨湿地以及贯泾港湿地等工程示范的基础上，提出了不同水温条件、不同水质污染特征下用于水源净化和水质保持的工艺参数、不同季节的管理要点，并指出人工湿地具有普适性，能够显著提高水源水质，建设费用和运行直接成本较低。人工湿地还可提高全流程的保障率、降低卤代有机物消毒副产物风险。

湖库调控控藻技术是通过不同形式的水动力学调控措施（外部引水闸涵调度和扬水曝气器、推进器等内部增强循环等），调整水体的水力学条件、水温或浊度，实现抑制藻类增殖。其中外部引水闸涵调度用于有外水引入的条件，主要通过增加浊度抑藻；扬水曝气器用于水深较大、具有垂直方向水温分层的湖库，主要通过降低表层水温抑藻；推进器用于较小的水体，主要通过增强水力扰动抑藻。

2.2 预处理技术

化学预氧化、生物预处理和物理预处理等预处理技术已获较为广泛的应用。

化学预氧化药剂一般选用氯（次钠）、臭氧、二氧化氯、高锰酸钾，可根据不同的水质问题包括铁、锰、硫化物、臭味、色度、辅助混凝、致突变前体物控制、人工合成有机物、抑制生物成长等，以及获取的便利性进行选择。氯铵已证实基本无效。除非因臭味控制或致突变前提物控制的需要，或者工艺中设置有主臭氧，否则单独的臭氧预氧化并不经济。采用多种预处理药剂时，应分点投加并保持各自的接触反应时间。

生物预处理适用于含氨氮水和含藻水的处理。一般而言，固定床滤池效果优于接触氧化，管理难度相反。不规则的陶粒多孔填料优于表面光滑的塑料制人工滤料。进水氨氮月均约1.5～4.0 mg/L时宜选用生物预处理。

物理预处理中，粉末活性炭一般用于应急处理；预沉仅见于引黄河水的厂外预处理。

因特殊时期特殊原因，可见臭氧预处理和生物预处理联用，尚不能证实该工艺组合的有效性。

2.3 强化常规处理技术

常规工艺（混凝→固液分离（沉淀、气浮或澄清）→消毒）是净水处理的核心工艺和削减污染物的主要环节。强化措施分别从3个子环节展开。

以机械混合和机械反应替代水力混合、水力反应，并通过调整搅拌器转速优化反应G值，以及混凝剂的种类和投加量，可以强化应对低温低浊和水质水量变化。

气浮在低温低浊或高藻时作为固液分离单元具有优势，而沉淀在常温常浊、突发高浊时具有优势，两者结合，在生产中出现了气浮前置于平流沉淀池（串联）、平流沉淀池后置气浮（串联）、双层沉淀—气浮池（并联、串联或单独运行）、斜板浮沉池（单独运行）等不同变种。

高速澄清（沉淀）可用于用地高度紧张，可能存在高无机悬浮物冲击的低藻低有机物原水，可采用。该工艺需要额外投加助凝剂PAM。

狭义的消毒是指采用消毒剂对水中的致病微生物进行消杀、饮用水处理中的最后一个环节。消毒的有效性和副产物的控制是消毒的两大目标。在工程实践中，确保消毒的有效性，可以通过一定限度的消毒剂量和接触时间控制；而消毒副产物的控制往往需要同时在前序工艺中去除消毒副产物前体物、狭义消毒阶段控制消毒副产物生成，由此扩展到广义消毒。

消毒一般包括物理消毒（适当孔径的膜滤，含超滤、纳滤和反渗透）、化学消毒（氯、氯铵、二氧化氯、臭氧等传统消毒剂消毒，紫外线光化学氧化消毒，臭氧催化氧化、紫外/过氧化氢联用、臭氧/过氧化氢联用等高级氧化消毒）。物理消毒和光化学氧化消毒多见于小型供水系统和末端消毒，其他化学消毒在不同规模都有广泛应用。需要指出的是，在集中式生活饮用水厂，紫外消毒原主要用于贾第虫、隐孢子虫等的消杀，现行的产品标准也承袭了用于两虫的剂量指标，而国内普遍采用了絮凝-沉淀-过滤的常规处理工艺、正常运行能确保两虫的去除，在国内案例尚无充足相关运行数据的情况下，紫外线如何有效应用于适合中国的场景的问题，还需要进一步探讨。

采用不同的消毒剂消毒需要关注不同的典型消毒副产物。氯、二氧化氯、臭氧、氯胺消毒分别需要关注有机卤代物、氯酸盐、溴酸盐、含氮副产物如NDMA等。紫外线尚不明确。由于不同的消毒副产物各有限制，对于不良水质，联用不同的消毒剂，不仅有利于发挥消毒优势，也有利于控制消毒副产物。

对于广泛采用的氯消毒工艺，对于Ⅰ类或Ⅱ类原水，30 min耗氯量不超过1 mg/L的，可直接采用常规处理氯消毒；Ⅲ类原水，30 min耗氯量1～2 mg/L的，宜前置预氯化工艺；原水水质更差的，宜采用二氧化氯等其他预氧化措施。消毒接触池出水余氯宜不超过0.8 mg/L。

2.4 臭氧活性炭深度处理

臭氧-生物活性炭工艺已经成为国内深度处理的主导工艺，在应对有机微污染，特别是氯消毒的消毒副产物前体物具有优势。然而，在应用中也发现了几个问题：溴酸盐控制、低温水臭氧化反应速率低、生物风险控制、pH降低。

工艺流程与设计参数（效能提升）优化。根据水源特性，采用臭氧催化氧化、臭氧高级氧化、投加点与投加方式优化等工艺设计，可有效提升目标微污染物（有机物、氨氮、臭味、藻毒素、色、臭）去除率，特别是冬季低温条件。相关技术在济南鹊华水厂、苏州白洋湾水厂、哈尔滨依兰水厂、淮南市一水厂、嘉兴石臼漾水厂等地应用，取得了一定的成效。

溴酸盐控制技术。针对溴离子浓度100 ng/L以上的水源水，采用加铵、臭氧/过氧化氢、催化臭氧氧化、多点投加臭氧等方式，可有效控制出厂水溴酸盐浓度超标风险。相关技术在济南鹊华水厂、上海临江水厂、吴江第二水厂等地应用，取得预期的效果。

生物风险控制技术。针对南方高温环境，活性炭滤池潜在的微型动物增殖和泄漏风险，采用砂滤池后置、交替预氧化、冲击式灭杀技术、砂垫层、生物拦截滤网、超滤膜工艺等措施，可以有效控制出厂水生物风险。

对于前述目标微污染物超标较少或偶发性超标，引入炭砂滤池作为短流程深度处理手段，在较低程度、季节性或短期的污染负荷下，可以提升处理效果；炭砂滤池长效运行的稳定性，如滤料混层、活性炭饱和等问题也需要关注。

2.5 膜及膜组合处理工艺

膜组件、膜材料和臭氧发生器同属于“十二五”水专项产业化的重大产出，经过水专项的推动和孵化，实现了多项产业化基地的建设和替代进口，市场占有率也成功翻转。

以超滤为核心的膜组合净水工艺，可有效地净化以颗粒物、悬浮物和病原微生物为主要污染物的水源水。通过与一种或多种膜前预处理技术（如混凝沉淀、粉末活性炭吸附、高锰酸钾预氧化、二氧化氯预预氧化）联用，可强化污染物的去除和控制膜污染，处理特殊污染水源水，如有机污染、低温低浊、高氨氮、高藻、高嗅味和有机物、无机污染物等典型水质特征的水源水。对于溶解性无机污染物（如硫酸盐、苦咸水）和溶解性微污染物（如抗生素），可以采用超滤+纳滤双膜法组合工艺。

典型超滤膜的预期寿命3～5年。采取适当的措施，可以有效缓解膜污染，寿命延长到6～7年。

2.6 配水管网系统

配水管网在将出厂水输送到用户的过程中，常见水质问题及成因包括：剩余消毒剂会和水中及管壁的还原性物质反应，从而导致剩余消毒剂逐步下降、消毒副产物增加，对于长距离配水或环状管网的末梢，水龄较长时更为突出；管道、管件、内衬中的重金属等有害物质析出，或管道沉积物析出致龙头水浑浊，对于低碱软水，或多水源切换至其中碱度、硬度相对较低的水源时尤为突出；水压不均衡、压力扰动造成局部负压，致负压抽吸有害物质；或末端供水管理不善，致使外界物质侵入。

对于剩余消毒剂衰减问题，除在前端加强有机物等还原物质的去除外，还需要改善管网拓扑结构、避免管网水在环状管网末端往复流动，以及采取加强管网水质监测、补氯等控制措施加以控制。

对于重金属等有害物质析出问题，需要严格把握管道及焊料、管件、内衬、接口的质量，同时应对低碱度软水投加碱剂等稳定剂，适度提高碱度和pH等措施。水源切换时需要特别关注，以避免黄水、浑水、重金属等问题。

对于压力控制问题，一方面结合水量预测和管网优化调度，降低压力波动；另一方面通过合理布局储水能力、防止倒流和进排气设施，抑制压力波动。

对于末端供水的外界物质侵入，需要理顺管理体制、提升管理水平。

此外，配水管网主干系统还应采取措施防止接出分支的倒流等卫生防护措施。

2.7 农村供水

农村供水系统具有水源选择能力小、水量小且波动大、供水距离长、管径小等典型特征。相对于城市供水系统，只能就近选择水源，未必有可保障水质、水量的水源；净水厂设施、运行管理多有不规范；多见间歇供水，难以保障水质特别是消毒剂余量。微生物学安全性仍然是农村供水的难题。

可采用处理工艺优化、装备化与设备化、城乡一体化统筹供水等技术手段。

通过工艺的优化，如消毒一节所述，可以实现消毒和副产物的有效控制，其中对于微污染水，也可将砂滤池调整为煤砂或炭砂滤池短程深度处理，提升处理能力。重庆巴南、四川乐至、定远县等示范区17个水厂的改造，实现了水厂的处理能力和出水水质明显提高。

装备化提升了处理系统的易维护性，从而提高了系统的保障率。无论是传统工艺的一体化设备，还是膜装备，都有所帮助。后者在Ⅰ或Ⅱ类的低浊水处理中，具有较好的经济性。

城乡一体化统筹供水是提升乡村供水安全保障的重要技术措施之一。相对于处理工艺的优化和处理厂的装备化、设备化，不仅解决了净水厂运行管理的规范性问题，也通过统一的水源调度实现了水源水质水量的保障。然而，城乡一体化的实施，管道系统的延伸，导致建设和运维费用增加、水龄变长、压力不均衡加剧、漏损增加等问题，产生的问题可能会超过解决的问题，因此应论证集中或分散的尺度。

乡村技术力量和资金薄弱的问题将在一定时期内继续存在。预期乡村供水仍会存在多种模式并存：距离城市较近的供水点，将纳入城乡一体化统筹供水的范畴；水源条件较好、距离较远的，通过工艺优化、装备化和设备化改善供水；距离较远、水源条件不佳的供水点，则通过城乡一体化统筹和装备化并用的方式，及供给经处理（不含氯化）的准原水，在供水点经氯化后配送至用户，或直接供给原水，经装备处理后配送至用户。万人千吨以下还需要细分规模、进一步研究。