北方某大型城市可持续供水模式探索

马 凯, 胡建坤, 赵 林, 韩宏大

(1.天津大学环境科学与工程学院，天津300050；2.天津市自来水集团有限公司，天津300040；3.天津水务集团有限公司，天津300042)

由于境内地表水不达标，我国北方某大型城市需要依靠外调水来满足生产生活用水需求。自1983年以来，该市开启了以外调水为水源的供水格局。2014年12月，依托南水北调工程，该市可饮用水质更加优良的长江水，形成了以南水北调中线工程来水(简称引江水)为主要水源的城市双水源供水格局。该市天然资源相对匮乏，主要以轻化工、高端加工制造业为核心产业。统计数据显示，2017年该市常住人口为1 556万人，规模以上(主营业务收入超过2 000万元)工业企业单位为4 286个，日均生活用水量约为112.03×104m3，日均生产用水量约为73.27×104m3[1]。这种生活用水量超过生产用水量的特征与我国整体用水结构存在显著差异[2]，也使该市用水量表现出显著的季节性波动。

1 存在的问题

目前，该市饮用水供应面临水量和水质两方面的困境。水量型缺水表现为现有供水格局无法支撑该市人口增长与社会经济发展的现实。水质型缺水表现为水质恶化无法满足人们对高质量饮用水的要求。

1.1 水质型水资源短缺

该市境内无可用的天然水源，上世纪开始大面积开采地下水，导致了严重的地面沉降与地下漏斗。为此，该市被迫完全依靠生态补偿的方式换取境外的洁净原水，来满足本地生产生活使用需求。因此，水源匮乏是水量型缺水困境的根源。另一方面，作为北方重要的沿海开放城市，其特殊的地理位置优势与优越的经济发展环境吸引着全国各地的优秀资源，常住人口呈现连年攀升的整体趋势。统计数据显示，该市2010年的常住人口为1 299万人，截至2017年约为1 557万人，涨幅超过17.7%[1]，见图1。在不考虑居民用水模式改变引起人均用水量增长的前提下，由人口增长引起的生活用水量增长幅度将达到17.7%。

图1 某市常驻人口的数量变化Fig.1 Variation in resident population of one city

此外，人口的增长需要本地产业发展带来的生产总值(GDP)增加为依托。资料显示，该市主要支撑产业总产值在2010—2017年也表现出快速增长的态势，其中工业增加值增速为52.34%，建筑业增速为75.80%，消费品零售总额增速为97.40%[1,3]。在支柱产业快速增长的过程中，直接作为原料用水、产品处理用水、冷却用水等生产用水相应大幅增加，由2010年的25 662×104m3/a上升至2017年的26 745×104m3/a。因此，境内水资源量的极度匮乏与生产生活用水量不断增加之间的矛盾是迫使该市探索可持续供水模式的内在动因。

1.2 供水成本居高不下

由于境内没有合格水源，该市自1983年开始以0.35元/m3的调水成本输送滦河水，并以财政收入保证了本地30年的供水需求。在南水北调中线工程通水后，该市为长江水支付的补偿成本跃升至2.16元/m3。此外，伴随着滦河水质的下降，特别是以土臭素与2-甲基异莰醇为代表的嗅味物质持续爆发，该市增加了引江调水量以保证全市供水安全，但供水成本的上升也带来了巨大的财政压力。

目前，该市水厂(除最新兴建的水厂外)均采用常规水处理工艺，其主要运行成本为药剂成本与电力成本。按照处理千吨水的全年平均药剂成本为50～70元、电力成本为110～140元测算，该市2017年的供水运行成本为1.37～1.80亿元。考虑到未来药剂单价的上涨，原水处理成本将进一步升高。此外，为了满足人口增加而带来的用水需求提高，特别是应对夏季高温峰值供水的需求，对水厂、管网进行了全面升级改造，例如对一座老旧水厂新建30×104m3/d净水系统，形成了巨额的固定资产投资。

为了满足区域供水需求、提升供水水质，该市最近兴建的水厂于2011年投产运营。该水厂在自动化管理、传统工艺优化、新技术应用等方面达到了国际先进水平，特别是采用的臭氧-生物活性炭工艺，能够保证出水浊度与有机物含量进一步降低。运行结果显示，该工艺中采用的液氧药剂的千吨水成本就达到了5.55元。另有研究发现，采用臭氧-生物活性炭工艺后，CO2排放量较传统处理工艺会提高28%[2]，高昂的处理成本在一定程度上阻碍了该工艺的全面推广应用。因此，该市亟需可持续的饮用水处理方案，实现以较低的药剂与能源消耗保障整体供水安全。

1.3 用水标准不断提高

生活水平与教育水平的不断提高，推动了矿泉水、纯净水等饮用水产业的飞速发展。虽然市场上充斥着琳琅满目的水产品以及多种形式的家用净水设备，但是自来水仍然是超过90%用户的基本生活用水。目前，该市市区4座水厂已全面使用氯胺消毒，以解决消毒剂衰减过快、三卤副产物生成的问题。但运行结果表明，经过管网长距离输送后，仍然出现局部地区余氯过低、龙头出现“红水”、菌落计数超标等水质问题，夏季高温供水时期尤为显著。这些问题的发生与管道严重腐蚀[4-5]、微生物(例如硝化细菌、异养菌)大量孳生[6-7]、水力停留时间过长[8]等因素直接相关。因此需要针对性地采取措施，减少入户管线的水质恶化。

2 未来方向——分质供水

2011年的调研结果显示，我国约2/3的城市供水用于工业、建筑业以及农业领域，家庭生活用水只占1/3，其中家庭洗衣、沐浴、洗碗等活动用水占家庭生活用水的80%，饮用与烹饪用水仅占2%，即年平均饮用水量为3.01 m3/户[2]。由此可见，我国目前普遍采用的生产、生活用水统一集中供应，甚至某些地区采用自来水进行绿地灌溉的供水-用水模式，与整体水资源短缺的国情极不相符。因此，可将传统“分质供水”的概念衍生扩展，即整合区域供水系统资源(输配水管线、水处理设施及运行管理系统)，针对不同行业的用水需求，进行分质、足量供水。

2.1 农业灌溉合理配水

农业产业是该市的用水大户，曾占全市用水总量的近50%[9]，主要分布在周边县市地区。目前，在域内地下水已被超采的背景下，部分农区仍然采用地下水进行灌溉，有些地区甚至借用附近河道中的污水进行灌溉，这不仅会加重地下漏斗问题，更易引起农产品质量不合格。滦河水、潮白河水等水体常年能达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)V类标准[10]，满足农业灌溉与自然景观的生态补水要求，可用作农业灌溉水源。为此，宜结合灌区地形地貌特点，修建农业输水渠道，压缩井灌区地下水使用量，并在灌区大面积推广滴灌、喷灌等节水灌溉模式，从而建立起域内农灌区输水管线体系，保障农灌区用水的水质、水量，降低单位面积耕地的水资源消耗量。

2.2 工业用水按需供给

该市境内聚集着众多轻化工、加工制造企业，在设备冷却、零部件洗涤、锅炉补给等生产活动中会使用大量清洁水资源。资料显示，该市再生水产能仅为19×104m3/d，其中工业用水为20%[11]，远不能满足目前的工业用水量(约148×104m3/d)，差额部分主要由自来水供应。对比相关标准可知，天然水体用作一般工业用水的标准(地表水IV类)[10]显著低于生活饮用水卫生标准。将再生水用于工业用水时[12]，除常规理化指标外，特别规定的余铁、浊度、总硬度、硫酸盐、余氯5项指标限值也普遍低于生活饮用水卫生标准[13]。因此，将城市自来水作为主要工业水源的用水格局不符合该市当前水质型水资源短缺的现实情况。

结合目前以引江水作为主要水源的供水格局，建议在原水进入水厂后降低混凝剂(FeCl3和PAC)、助凝剂(PAM)等药剂的投加量，大幅缩减药剂成本，同时减轻沉淀池与滤池的处理负荷，满足高峰供水需求。水体经过滤处理后，投加消毒剂维持出厂水余氯浓度，进而借助既有管网系统将处理后的水体输送至居住区、工业用水区，保证管网出水余氯达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。虽然降低混凝剂投加量会导致出厂水浊度增加、微生物污染风险升高，但能够有效降低出厂水余铁超标风险，同时管网水浊度的适度升高不会影响工业企业使用。而针对生活用水，可通过在生活区进行提质处理，保证饮用水质量。此外，稳定的消毒剂投加以及充分的消毒时间(清水库中)，能够大幅降低微生物污染风险。

2.3 生活用水提质处理

经过多年的管网改造，该市目前形成了长度超过1.8×104km的环状供水管网。出厂水经过漫长的管网输送，在水力停留时间较长的区域，特别是水厂之间的供水界面处，出现了明显的水质下降。

对该市多个监测点位的余氯值与相应水厂的多项出厂水质参数进行相关性分析，发现出厂水浊度对管网余氯浓度的影响并不显著(见表1)。为此，结合工业用水的按需供应模式，建议在降低水厂处理深度的前提下，在进入集中饮水区(例如居民小区或商业区)前适当位置建设中途处理装置，采用超滤+UV杀菌工艺进行二次提质处理。同时，为用户更换铜质入户管线，真正实现龙头出水水质安全的目标。

表1 管网余氯与出厂水指标相关性统计分析Tab.1 Statistical analysis of correlation between chlorine residual of distribution system and index of treated water

3 结语

水资源短缺是我国北方城市普遍面临的现实问题。为此，针对各行业供水需求，整合域内供水系统资源，建立起完善的综合供水系统平台，充分利用现有水资源，减少优质水源使用量，优化水厂处理工艺，最终以较低的成本提供高品质水产品，是北方缺水型城市未来可尝试的供水模式优化方向。