“十三五”水专项“湖州南太湖水源供水区饮用水安全保障综合应用示范(2017ZX07201003)”课题成果介绍

(浙江大学供稿)

为全面提升太湖流域饮用水安全保障能力，“十一五”水专项在无锡、苏州、嘉兴、上海等城市开展了系统的技术研发与工程示范应用，“十二五”期间同时兼顾考虑了吴江、宜兴和湖州等城市。湖州地处浙江省北部，太湖南岸，是环太湖地区唯一因湖而得名的城市，是“两山理论”的诞生地。“十二五”水专项虽然已经延伸到了湖州南太湖地区，然而无论其研究的深度还是研究的广度，与太湖流域其他地区相比，差距仍然很明显，湖州南太湖地区依旧是太湖流域综合治理中的短板。“十三五”期间，为了补齐环太湖地区饮用水安全保障的短板，水专项在“太湖流域饮用水安全保障技术集成与综合管理”项目下设立了“湖州南太湖水源供水区饮用水安全保障综合应用示范(2017ZX07201003)”课题(以下简称湖州课题)，在湖州南太湖地区开展水专项“十一五”和“十二五”技术成果的综合应用示范，以期为湖州南太湖地区的饮用水安全保障提供技术支撑。

湖州课题由浙江大学牵头，湖州市水务集团有限公司、同济大学、哈尔滨工业大学、浙江工业大学、杭州杭开环境科技有限公司和湖州市环境保护监测中心站等单位参与，围绕湖州南太湖地区河网饮用水水源水质改善、太湖水厂水处理工艺优化运行、小水厂节能降耗改造以及供水系统优化调度和水质保障问题，开展了关键技术攻关及水专项技术集成与综合应用示范。课题取得的研究成果介绍如下。

1 研发了4项关键技术

(1)基于植物-微生物协同净化与水力优化造流的污染河流生态修复技术

图1 污染河流生态修复关键技术示意图

该关键技术研发了强化功能菌群定殖的新型高效生态浮岛，浮岛主体为优势互补的多层次多功能水生植物群落，下挂弹性填料为功能菌群提供良好载体与适宜生境，富集功能生物膜强化水生植物生长、有机物及氮磷去除。在此基础上，研发了基于SCA-TiO2-PU的新型光催化载体及强化功能菌群分区定殖的ICPB技术，有效增强生态浮岛对常规污染物与典型异嗅物质等新型污染物的协同去除性能。同时，针对湖州南太湖地区河网水流滞缓、污染物扩散与自净能力较差等问题，研发了水力优化造流强化生物膜修复与河流基底生境改造工艺，通过适度曝气增强滞缓区水体紊动、氧传递扩散与气液混合，匹配弹性填料合理布设实现水力优化造流，强化功能菌群生长富集与水生植物生长。通过投加改性硅藻土有效降低滞缓区水体浑浊度，显著改造河流基底生境、提升底栖生物活力、强化沉积污染物原位消减。图1为污染河流生态修复的关键技术示意图。

(2)考虑气候/水文/水动力等因素的水源水质预测技术

图2 水质预测模型构建

该关键技术以气象因素和水质历史数据作为模型输入，由于气象数据可预报，可基于气象预报数据进行水质预测。针对不同水质指标，根据其特点选择不同的预测模型(随机森林模型或Holt-Winters季节模型)，只选择必要的输入变量，保证预测精度的同时简化了模型结构，缩短了计算时间，水质预测模型构建过程如图2所示。在浑浊度预测中，综合考虑了主导风向和非主导风向下风速对浑浊度的响应，以及风场的叠加效应，提出采用风场加权叠加值来量化风场对浑浊度的影响，以经验模态分解后提取的气温年周期序列代替原始的气温值作为模型输入，以此模拟浑浊度序列本身存在的季节趋势，同时过滤了日际变化对预测的干扰。模型预测的浑浊度有86.2%结果误差在50%以内，为太湖水厂应对浑浊度波动大的问题提供了重要的支撑数据。针对DO和CODMn的预测具有较高的预测精度，总体平均绝对误差都小于10%。

(3)基于季节性高藻的多组合工艺优化技术

该关键技术(图3)针对太湖水原水浑浊度变化大、季节性高藻等问题，通过对水厂臭氧投加量优化，得出了预臭氧以及后臭氧的最佳投加量，提高了出水CODMn的去除率且节约了电耗。基于出水消毒副产物浓度的控制来优化滤池滤速，在保证水厂出水安全的前提下提高了系统的运行效率。通过在活性碳滤池下层设置一定厚度的石英砂，在双层滤料的作用下，提高了浑浊度、氨氮、CODMn的去除率。该关键技术确保了太湖水厂出水水质稳定，有效地解决了季节性高藻问题。

图3 太湖水厂多组合工艺优化

图4 湖州市供水管网运营级分区

(4)多目标管网分区分片管理技术

该关键技术以管网运行节能降耗、保障管网水质等为目标，建立了调度级、营运级、小区级3级分区方法。以调度级分区为基础建立了供水系统优化调度模型，利用改进Fast-Newman算法建立了以更新改造、运行维护为目标的营运级优化分区方案，同时构建了以探漏检漏为目标的小区级分区方案及管理技术，实现了供水异常全自动甄别和报警。通过示范应用，湖州市调度级分区2个，运营级分区12个(图4)。

2 凝练了4项集成技术

(1)湖州南太湖地区苕溪河网水源水质改善与安全保障集成技术

针对湖州南太湖地区城镇面源污染复杂多样、负荷趋重等问题，根据区域内种植业污水、养殖业废水及农村生活污水产排特点，运用高效氮磷去除功能填料、生物生态滤坝强化脱氮除磷、太阳能驱动曝气循环增效等资源化、模块化、智能化技术，形成城乡面源污染综合控制技术体系，实现城乡面源污染多阶梯、多层次综合控制。针对河网水体环境容量有限、城镇污水处理系统尾水水质要求高等特点，通过污水厂现有脱氮除磷工艺技术升级与参数优化实现生化单元性能提升，研发曝气生物滤池、MBR、复合流人工湿地等污水厂尾水深度处理适用技术，实现尾水深度处理达标排放。针对太湖水倒灌、河网水质稳定达标难等问题，通过多功能水生植物群落优化匹配与新型生态浮岛构建、水力优化造流强化生物膜修复与河流基底生境改造等技术集成，构建湖州南太湖地区河网水质改善与健康生态重建技术体系，有效削控水体常规污染物与藻源异嗅物质等新兴污染物，明显改善高污滞留区水动力特性与生物生态修复系统自净能力。该项集成技术在苕溪水源地(城北水厂)的示范应用，实现了水源氨氮、CODMn等主要水质指标稳定达到Ⅲ类，保障了湖州南太湖地区河网水源水质稳定达标与生态逐步恢复。

(2)湖州南太湖水源饮用水处理工艺运行优化集成技术

针对以南太湖水为水源的水厂现有水处理工艺的适应性、特征新型污染物以及季节性污染等问题，课题组研究了预处理、常规处理和深度处理多组合处理工艺，在不同水质、不同季节下的优化运行措施和参数，总结及构建了针对南太湖水源的以臭氧活性炭工艺为主的多组合工艺优化运行集成技术，主要包括预氧化技术、混凝沉淀技术、臭氧活性炭技术和炭砂滤池短流程技术等。混凝沉淀技术主要是针对混凝过程中藻类难以捕集、不易沉降、藻类有机物易与金属混凝剂络合干扰混凝等问题，通过投加混凝剂、助凝剂或其他药剂，同时调节pH值，使混凝絮凝作用得以加强，从而提高藻类及其他污染物去除效率。臭氧投加量是臭氧活性炭工艺的重要参数，臭氧优化处理技术主要是通过对水厂臭氧投加量优化，得出了预臭氧以及后臭氧的最佳投加量。炭砂滤池短流程技术用于进一步去除水体浑浊度、氨氮和COD，加强藻类处理效果。采取的臭氧活性炭砂滤池工艺实现了集臭氧氧化、活性炭炭砂滤池物理化学吸附和生物氧化降解技术为一体的处理系统，是季节性高藻水深度处理阶段的重要工艺。

(3)湖州南太湖地区小水厂节能降耗优化运行改造集成技术

针对湖州南太湖地区现有小水厂规模小、工艺落后、对水源突发性及季节性污染应对能力不足、无法依靠增加深度处理单元来改善饮用水水质等问题，经过技术筛选、科研实践和工程经验总结，集成了湖州南太湖地区小水厂节能降耗优化运行改造集成技术体系。该集成技术主要包括高锰酸盐预氧化技术、强化混凝改造技术、改性滤料滤池改造技术和复合消毒技术等。高锰酸盐预氧化技术采用高锰酸钾或高锰酸盐复合剂作为化学氧化剂去除水中污染物质，可有效提高水中有机物的去除效能，与粉末活性炭吸附技术匹配使用可以应对突发的藻类和铁锰问题。强化混凝改造技术通过优选混凝剂的种类，结合混凝剂投加预测模型优化混凝剂投加量和调控措施，增加生产用水回流系统，利用回流水中的剩余混凝剂和浊质改善混凝条件，增强工艺处理效能，实现降低混凝剂药耗和减少生产废水排放量的目标。改性滤料滤池改造技术主要是基于过滤过程中剪切力控制、以特征污染物去除效能提升为目标研发了滤池新型过滤材料，通过新型改性滤料与传统滤料合理级配组成复合滤料滤池，提升滤池工作效能与污染物去除率。紫外-次氯酸钠复合消毒技术可以减少消毒副产物生成，保障出水水质安全，对后续管网水质稳定性具有积极作用。该集成技术适用于小水厂常规净水工艺的优化改造，为南太湖地区乡镇供水设施改造提供了技术指导。

(4)湖州南太湖地区供水管网优化调度与水质安全保障集成技术

针对湖州东西对置的新供水格局以及乡镇水厂功能改变的现状，课题以降低运行能耗、控制漏失和保障管网水质为目标，形成了供水管网优化调度、水质安全保障集成技术体系。针对城乡一体供水形成的“水厂-配水站-区块配水”三级供水网络现状，突破现有以用户数量为指标的管网分区分片管理模式，研究建立了以节能降耗为目标的管网分区分片管理及应用技术。针对湖州地区供水输配系统基本上依靠经验调度控制、运行中的节能降耗等问题，课题研发了基于压力反馈的水厂和阀门联调联控技术及结合节能降耗和漏损控制为目标的优化调度运行技术。综合管网模型、地理信息系统(GIS)、数据采集监督系统(SCADA)，研发了基于大数据与云平台的城市管网漏损控制与优化调度管理平台。针对城乡一体化多个水源联合供水模式下，供水服务区交界处流速低、管道水滞留时间长，以及水量波动大造成的管道水质不稳定等问题，提出了基于管网水力调度和局部管道水力条件优化相结合的高风险区域水质改善技术。针对出厂附近管网余氯高导致消毒副产物风险增加、乡镇末梢管网余氯不足导致微生物风险增加等水质保障问题，提出了“城-乡-村”全管网的多级协同水质调控技术。针对“水厂-配水站-区块配水”三级配水网络末端的“村-户”级管网管道状况差、用水量小波动幅度大、水力条件不利，并且难以通过厂站调控手段实现的末梢水质保障的难点问题，提出针对“村-户”级管网末端加氯、管道定期放水与冲洗以及水质监控优化等技术。

3 建成了4项示范工程

(1)苕溪(城北水厂水源地)饮用水水源地水质安全保障成套技术综合示范工程

该示范工程包括面源污染综合控制、城镇污水处理厂尾水深度处理及资源化、河道健康生态重建与水质安全保障示范工程3个部分(图5)。面源污染综合控制示范工程位于湖州市杨家埠街道，包括胡子斗村、钮店桥村等行政村，示范服务面积约6 km2。示范技术主要为基于新型铁碳除磷填料、废弃竹根脱氮填料等构建的新型生物生态滤坝，基于太阳能驱动曝气循环增效的生态浮岛等技术。城镇污水处理厂尾水深度处理及资源化示范工程位于湖州市太湖旅游度假区小梅污水处理厂，工程规模为1.0万m3/d，示范技术主要为常规污水处理工艺强化生物脱氮、尾水深度处理等。河道健康生态重建与水质安全保障示范工程位于横渚塘港及其支流，治理河道总长度约3.1 km，示范技术主要为基于植物-微生物协同净化与水力优化造流的污染河流生态修复技术。结合技术推广应用，城北水厂苕溪水源地水质有明显提升，2020年高锰酸盐指数、氨氮平均浓度分别为3.40 mg/L和0.27 mg/L，相比于“十二五”末的年平均值，削减率分别达10.7%和12.9%。

图5 苕溪水源地水质安全保障示范工程现场图

(2)太湖水厂水处理工艺优化集成及优化运行示范工程

该示范工程为太湖水厂二期工程，投资约1.5亿元，于2018年9月开工建设，2019年12月实现并网通水，供水规模20万t/d(图6)。示范技术主要包括臭氧预氧化运行参数优化技术、混凝沉淀优化技术、臭氧投加量优化运行技术、活性炭砂滤池短流程工艺等。同时，秉承节能、高效、安全的设计原则，水厂在工艺建设和运行管理过程中不断改进、优化各项工艺参数结合现代化水厂运行理念，采取相应措施，从而达到节能降耗的效果。根据第三方监测数据，2020年1月—2020年8月，太湖水源水厂出厂水平均浑浊度≤0.1 NTU、平均三卤甲烷总和降低37.1%、CODMn≤2 mg/L、氨氮≤0.05 mg/L。

图6 太湖水厂总貌效果图

图7 埭溪水厂

(3)埭溪水厂优化改造技术应用示范工程

该示范工程以老虎潭水库为取水水源，在埭溪水厂一期工程1万m3/d供水规模基础上完成二期1万m3/d扩建(图7)。水厂采用折板反应沉淀池、无阀滤池的制水工艺，并设置预处理药剂和活性炭投加设施，保障供水安全。示范工程于2020年6月开始稳定运行，示范技术主要包括改性滤料滤池改造技术和强化混凝改造技术。示范工程第三方监测数据表明，埭溪水厂示范工程出水水质稳定达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。示范工程的稳定运行，推动水厂服务范围由埭溪镇延伸扩大至妙西镇、东林镇部分村庄，为保障湖州市吴兴区西部山区农村饮用水安全达标提供了支撑。

(4)基于水质保障的湖州市供水管网系统分区分片管理与优化运行调度示范工程

该示范工程改造配水管网约6 120 km，其中二级配水管网1 201 km，三级配水管网4 919 km，改造一表一户用户共167 261户(图8)。示范区划分成4个二级供水分区，分别是菱湖片区、练市片区、南浔片区、双林片区，共安装了14台插入式流量计，加装了43个远传设备，更新改造完成配水站8座(含二次加氯设施)，在配水站新安装余氯与浑浊度在线监测仪器9台，在供水交界面水质风险区域安装水质监测与放水设施2处。经第三方评估测算，示范区管网漏损率由2016年的35%降低到2020年的8.09%，单位供水能耗降低16.5%，54.9万人口龙头水水质稳定达标，社会经济效益显著。

图8 示范区管网优化调度与水质保障设施

4 构建了1个综合平台

图9 湖州饮用水安全保障监控平台

湖州南太湖地区饮用水安全保障监控平台以大数据、云计算、物联网等先进技术为支撑，借助GIS系统空间分析、SCADA系统在线监测和在线模型的模拟分析等手段，通过构建智能化监管平台实现了对湖州市市区供水管网的压力、流量、余氯、水龄等关键数据的实时监测、实时可视化，预警定位展示，供水分区管网漏失动态监控分析以及智慧化调度决策支持(图9)。平台含3个水源(太湖、苕溪、老虎潭)水质在线监测点、3个水厂(太湖、城西、桑德)在线监测点、321个管网流量压力在线监测点，实现了对异常监测数据实时报警，爆管、阀门调控分析等非正常工况下的在线分析功能，基于水力模型的在线调度决策支持功能。

5 结语

湖州课题补齐了环太湖地区饮用水安全保障的短板，就水专项的整体性而言具有重要的地位。课题实现了54.9万人口水龙头水质稳定达标，为水专项实现太湖流域城市870万用水人口龙头水质稳定达标作出