分布式智能饮水系统运营及管理模式的研究

辜鹏 李杰山

(深圳市天谷智能水务科技有限公司 广东深圳 518052)

0 引言

我国自20世纪60年代以来，城市供水已全面普及[1]。根据城乡建设统计公报，截至2016年底城市用水普及率已达到98.4%，县城用水普及率也达到90.5%，全国城市、县城累计供水管道长度累计达到97万km。这种集中式供水模式符合城市居民集中居住的特点及满足城市居民的用水需求，但是也存在一定的弊端，尤其是近几年，发生的部分地区集中式供水卫生安全事故，充分暴露了这种集中式供水模式存在的问题，具体表现在以下几个方面：①集中式供水模式一般采用单一水源地，一旦水源水质受到污染，将造成大面积的停水及公共卫生安全事故； ②集中式供水模式水质二次污染问题，部分管网材质较差、年代久远，管道损坏频率较高，影响供水安全和管网水质[2]；③集中式供水模式管网投资约占工程项目投资的90%左右，建设周期长，运营维护管理成本高。

通过扩建现有自来水厂，延伸供水管网，实现城市周边农村地区的集中式供水，能够一定程度上缓解农村地区居民的安全饮水难题[3]。但由于我国西北部农村大部分地区的居民居住较为分散，供水及饮水设施条件差，基建配套设施不完善，无法满足集中式供水的建设条件要求。此外集中式供水模式管网投资大，运营维护和管理成本高，在西北部农村地区推广应用的经济可行性差。因此，寻找一种技术可行的、经济合理的饮用水供水模式解决农村安全饮水问题，是函待解决的难题。

综上，本文提出一种应用于低技术环境条件下的分布式小型、智能化水处理装备，并初步探讨其运营和管理模式。

1 分布式智能饮水系统的概念及特点

1.1 分布式智能饮水系统的概念

分布式智能饮水系统是指根据供水区域内人群的居住特点以及人口规模，及当地的源水(地表水/地下水)的水质特点以及水质季节变化趋势，定制适用于当地水源水质的小型智能化集成水处理装备以及供水方式，提供个性化的饮用水解决方案。分布式智能饮水系统同时需结合当地基础及环境条件，综合考虑系统的能源动力，水质安全监测，系统设备的管理及运营维护，投资成本等问题。

1.2 分布式智能饮水系统适用范围

分布式智能饮水系统需满足我国饮用水水源水质要求的有关规定，根据国家标准《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[4]可以作为人饮水的水源为地表水Ⅰ～Ⅲ类，《地下水环境质量标准》(GB/T 14848—2017)[5]可以作为人饮水水源地地下水应符合标准规定的地下水Ⅰ～Ⅳ类。采用分布式智能饮水技术方案，寻找符合饮用水水源要求的水源地是首要解决的问题。

1.3 分布式智能饮水系统技术工艺

我国净水工艺主要分为：物理化学处理工艺(水厂)、介质过滤材料过滤工艺[6]、膜过滤工艺[7]、饮用水消毒工艺及其他水处理工艺，饮用水处理技术其基本原理如表1所示。

表1 饮用水处理技术及其分类

消毒技术按照其原理进行分类包括：化学消毒和物理消毒两大类，其中应用范围最广的化学消毒方式为氯消毒和臭氧消毒，物理消毒包括紫外消毒、超声消毒和膜消毒[9]。在水处理技术中采用合理的消毒方式是保证饮水安全的重要条件，根据国家标准《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[10]的要求，分布式智能饮水工艺采用电解质氯消毒工艺，并辅以紫外消毒技术，对消毒剂制备环节进行程序控制，综合消毒剂的投放和使用量、消毒接触条件和停留时间，采取消毒剂实时在线监测和阈值控制。

单一的水处理技术无法解决复杂水质环境下的源水净化问题，分布式饮用水处理工艺因综合考虑水源取水点水质特点及水质历史数据统计分析结果，针对主要的水质特点及所含的超标及有害物质，采用靶向净化工艺，即在符合人饮水水源取水条件的前提下，根据取水点附近的水质特点，制定组合的水处理技术工艺及相匹配的控制技术，并且综合考虑当地的常住人口规模，确定系统设备的基本参数及日处理量，实现单一或者多水质指标的改善，从而达到生活饮用水卫生标准。

1.4 分布式水智能饮水系统的特点

1.4.1 分布式智能饮水系统的工艺特点及原则

分布式智能饮水系统采用的过滤工艺方案相对灵活，根据水源地水质情况，基于采取靶向净化和成本最低原则进行工艺设计，并充分考虑过滤系统的使用年限及便于系统整机的智能化控制。对于水质条件较好的地区一般采用多介质材料过滤工艺，这种过滤工艺具有材料配方针对性强，成本低，过滤系统可反复再生，材料更换方便等特点，且过滤器使用年限长，控制和维护相对简单。对于水质条件较差的地区，一般采用多种过滤技术(物理沉淀、介质材料过滤、膜组件等)的组合过滤工艺，结合有效的消毒杀菌技术。

表2是针对我国西北部某省部分农村的地表水和地下水水样的检测报告部分指标数据。

表2 部分农村地区水样数据检测结果

从表2中的数据可以看出，该地区地表水感官指标问题较为突出(色度、浑浊度超标)；地表水、地下水质矿化程度和硬度偏高；部分地区氟化物、硫酸盐的指标含量较高；区域内水质指标差异较大。饮用高硬度或矿化程度高的水，容易造成腹泻和肠胃不适，长期饮用会加大泌尿系统结石的可能性[11]；含高硫酸盐的饮用水对腹泻和儿童生长发育有影响[12]。由于我国西北部大部分地区降雨量小，地表蒸发量大，目前居民饮用水水源大部分来源于雪山化水及地下水。因此，上述水样的检测指标结果在我国西北部农村地区具有一定的代表性。

目前，我国西北部农村以农牧业为主，水质呈现的问题主要分为以下7大类，其解决方案如表3所示。

表3 水质呈现的主要问题及解决方案

1.4.2 分布式智能饮水系统的规模及布点要求

我国西北部农村的常住人口规模一般为500～1 000人，比较大的乡镇或人口聚集区常住人口规模一般为2 000～3 000人。为解决上述规模人口的饮水问题，分布式智能饮水系统设备日处理量的规模区间为50～220 t，对于常住人口较多和分布较广的地区可采用多台系统设备布点。系统设备的布点应配套原水池以及成品水池/箱，满足农村日高峰用水量需求。设备布点需考虑地理高差条件，采取重力自压输、配水，水压不足条件下，可考虑采用增压系统。

1.4.3 分布式智能饮水系统的功能特点

分布式智能饮水系统能满足各种复杂的应用环境以及低技术条件环境下的应用，其具备功能特点如表4所示。

表4 分布式智能饮水系统的功能特点

分布式智能饮水系统的功能模块的设定应综合考虑环境条件及后续的运营与管理要求。例如，在基础条件好的情况下，可以优先选择市电作为系统的能源，基础条件较差或者采用市电方案经济性较差，则选择光伏发电，光伏发电应与油机配合保证系统持续稳定运行，因此在能源的选择上，可以因地制宜采取多种解决方案。

2 分布式智能饮水系统应用及管理模式

2.1 分布式智能饮水系统的应用

2.1.1地表水取水方式

地表水水质应符合人饮水水源的要求，取水方式适用于村庄居住点附近有河流经过，结合当地居住人口规模及高峰用水量进行项目方案设计，取水点与村庄不应超过5 km，经济距离为1 km，从而优化饮水管网结构，减少基建和管网的投资。在河道平缓处取水及配套沉降池，农村地区取水口的设定应充分考虑利用地理高差进行输配水，系统设备附近应设计公共取水点，解决供水管网无法覆盖地区居民的取水问题，地表水取水的方式如图1所示。

图1 地表水取水方式示意

2.1.2 地下水取水方式

我国西北部农村大部分地区地势较高，浅层地下水水质情况复杂，一般作为工业用水或者农牧业用水，可作为饮用水的地下水埋藏较深，取水投资成本较高，因此在选择地下水水源时，应综合考虑其经济成本，充分利用其原有供水配套设施。

地下水水质应符合人饮水水源的要求，地下水可开采量应满足日高峰用水量的要求，且能够长期稳定的进行取水，系统设备的选型及规模应与当地的常住人口规模和日高峰用水量匹配，地下水取水的方式如图2所示。

2.2 分布式智能饮水系统的管理模式

2.2.1 分布式智能饮水系统的管理模式

由于采用可编程的逻辑控制器及工业路由器，分布式智能饮水系统可实现远程通讯下的智能化管理。系统设备的运行状态参数：水压、水量、水质、温度、电气及运行等可通过可编程的逻辑控制器和工业路由器传送给远程控制管理平台软件，进而对系统进行远程控制管理，包括远程条件下的预警机制，分布式智能饮水系统能够实现无人条件下系统的自动稳定运行。分布式智能饮水系统控制模式如图3所示。

2.2.2 分布式智能饮水系统的组网模式

分布式智能饮水系统的管理模式，采用分布式布点、集中统一管控的模式。分布式智能饮水系统通过地理信息管理系统和GPS进行定位，结合后台管理软件的联动，实现多级管理单位对分布式智能饮水系统的集中管理和统一控制，对分布式智能饮水系统进行组网控制。分布式智能饮水系统的组网模式如图4所示。

图2 地下水取水方式示意

图3 分布式智能饮水系统控制模式

3 分布式智能饮水系统的优势

与传统的集中式供水方式相比较，分布式智能饮用水系统是一种高效率、低投资、易于维护和管理，适用范围广的新的饮用水供给方式。

基于分布式智能饮水系统的特点，在我国西北部农村地区应用和推广具有以下优势：①分布式智能饮水系统针对不同水质提供对应的技术工艺，具有广谱性；②分布式智能饮水系统能在无市电架设和基础管网的条件下应用，建设选址相对灵活，投资及运营维护管理成本低；③分布式智能饮水系统能够实现“流线化生产，模块化装配”，安装现场零基建，安装方便；④分布式智能饮水系统能够模拟各种复杂水质环境条件下的使用场景，且机动性强，能够快速安装并投入使用，适用于特殊和应急场景；⑤分布式智能饮水系统采用清洁能源，能改善当地的能源结构，保护环境；⑥分布式智能饮水系统组网管理技术，可实现分布式布点与集中管理、统一控制，便于管理维护和运营。

4 结语

我国幅员辽阔，相对于城市日趋完善的集中式供水，农村地区居民的饮水条件函待改善。目前我国农村，尤其是西北部农村地区基础设施条件相对较差，采用分布式智能饮水系统，能够分区域逐步解决我国农村地区的居民饮水安全问题。同时饮水安全也是一个关键的民生问题，居民饮水条件的改善不仅能促进当地社会稳定，对当地的经济发展也具有重要的现实意义和促进作用。

图4 分布式智能饮水系统组网模式