分布式智能飲水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)及管理模式的研究

辜鵬 李杰山

(深圳市天谷智能水務(wù)科技有限公司 廣東深圳 518052)

0 引言

我國(guó)自20世紀(jì)60年代以來(lái)，城市供水已全面普及[1]。根據(jù)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)，截至2016年底城市用水普及率已達(dá)到98.4%，縣城用水普及率也達(dá)到90.5%，全國(guó)城市、縣城累計(jì)供水管道長(zhǎng)度累計(jì)達(dá)到97萬(wàn)km。這種集中式供水模式符合城市居民集中居住的特點(diǎn)及滿足城市居民的用水需求，但是也存在一定的弊端，尤其是近幾年，發(fā)生的部分地區(qū)集中式供水衛(wèi)生安全事故，充分暴露了這種集中式供水模式存在的問(wèn)題，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①集中式供水模式一般采用單一水源地，一旦水源水質(zhì)受到污染，將造成大面積的停水及公共衛(wèi)生安全事故； ②集中式供水模式水質(zhì)二次污染問(wèn)題，部分管網(wǎng)材質(zhì)較差、年代久遠(yuǎn)，管道損壞頻率較高，影響供水安全和管網(wǎng)水質(zhì)[2]；③集中式供水模式管網(wǎng)投資約占工程項(xiàng)目投資的90%左右，建設(shè)周期長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理成本高。

通過(guò)擴(kuò)建現(xiàn)有自來(lái)水廠，延伸供水管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城市周邊農(nóng)村地區(qū)的集中式供水，能夠一定程度上緩解農(nóng)村地區(qū)居民的安全飲水難題[3]。但由于我國(guó)西北部農(nóng)村大部分地區(qū)的居民居住較為分散，供水及飲水設(shè)施條件差，基建配套設(shè)施不完善，無(wú)法滿足集中式供水的建設(shè)條件要求。此外集中式供水模式管網(wǎng)投資大，運(yùn)營(yíng)維護(hù)和管理成本高，在西北部農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)可行性差。因此，尋找一種技術(shù)可行的、經(jīng)濟(jì)合理的飲用水供水模式解決農(nóng)村安全飲水問(wèn)題，是函待解決的難題。

綜上，本文提出一種應(yīng)用于低技術(shù)環(huán)境條件下的分布式小型、智能化水處理裝備，并初步探討其運(yùn)營(yíng)和管理模式。

1 分布式智能飲水系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)

1.1 分布式智能飲水系統(tǒng)的概念

分布式智能飲水系統(tǒng)是指根據(jù)供水區(qū)域內(nèi)人群的居住特點(diǎn)以及人口規(guī)模，及當(dāng)?shù)氐脑此?地表水/地下水)的水質(zhì)特點(diǎn)以及水質(zhì)季節(jié)變化趨勢(shì)，定制適用于當(dāng)?shù)厮此|(zhì)的小型智能化集成水處理裝備以及供水方式，提供個(gè)性化的飲用水解決方案。分布式智能飲水系統(tǒng)同時(shí)需結(jié)合當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)及環(huán)境條件，綜合考慮系統(tǒng)的能源動(dòng)力，水質(zhì)安全監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)設(shè)備的管理及運(yùn)營(yíng)維護(hù)，投資成本等問(wèn)題。

1.2 分布式智能飲水系統(tǒng)適用范圍

分布式智能飲水系統(tǒng)需滿足我國(guó)飲用水水源水質(zhì)要求的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[4]可以作為人飲水的水源為地表水Ⅰ～Ⅲ類，《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)[5]可以作為人飲水水源地地下水應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地下水Ⅰ～Ⅳ類。采用分布式智能飲水技術(shù)方案，尋找符合飲用水水源要求的水源地是首要解決的問(wèn)題。

1.3 分布式智能飲水系統(tǒng)技術(shù)工藝

我國(guó)凈水工藝主要分為：物理化學(xué)處理工藝(水廠)、介質(zhì)過(guò)濾材料過(guò)濾工藝[6]、膜過(guò)濾工藝[7]、飲用水消毒工藝及其他水處理工藝，飲用水處理技術(shù)其基本原理如表1所示。

表1 飲用水處理技術(shù)及其分類

消毒技術(shù)按照其原理進(jìn)行分類包括：化學(xué)消毒和物理消毒兩大類，其中應(yīng)用范圍最廣的化學(xué)消毒方式為氯消毒和臭氧消毒，物理消毒包括紫外消毒、超聲消毒和膜消毒[9]。在水處理技術(shù)中采用合理的消毒方式是保證飲水安全的重要條件，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[10]的要求，分布式智能飲水工藝采用電解質(zhì)氯消毒工藝，并輔以紫外消毒技術(shù)，對(duì)消毒劑制備環(huán)節(jié)進(jìn)行程序控制，綜合消毒劑的投放和使用量、消毒接觸條件和停留時(shí)間，采取消毒劑實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和閾值控制。

單一的水處理技術(shù)無(wú)法解決復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境下的源水凈化問(wèn)題，分布式飲用水處理工藝因綜合考慮水源取水點(diǎn)水質(zhì)特點(diǎn)及水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，針對(duì)主要的水質(zhì)特點(diǎn)及所含的超標(biāo)及有害物質(zhì)，采用靶向凈化工藝，即在符合人飲水水源取水條件的前提下，根據(jù)取水點(diǎn)附近的水質(zhì)特點(diǎn)，制定組合的水處理技術(shù)工藝及相匹配的控制技術(shù)，并且綜合考慮當(dāng)?shù)氐某Ｗ∪丝谝?guī)模，確定系統(tǒng)設(shè)備的基本參數(shù)及日處理量，實(shí)現(xiàn)單一或者多水質(zhì)指標(biāo)的改善，從而達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 分布式水智能飲水系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.4.1 分布式智能飲水系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)及原則

分布式智能飲水系統(tǒng)采用的過(guò)濾工藝方案相對(duì)靈活，根據(jù)水源地水質(zhì)情況，基于采取靶向凈化和成本最低原則進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并充分考慮過(guò)濾系統(tǒng)的使用年限及便于系統(tǒng)整機(jī)的智能化控制。對(duì)于水質(zhì)條件較好的地區(qū)一般采用多介質(zhì)材料過(guò)濾工藝，這種過(guò)濾工藝具有材料配方針對(duì)性強(qiáng)，成本低，過(guò)濾系統(tǒng)可反復(fù)再生，材料更換方便等特點(diǎn)，且過(guò)濾器使用年限長(zhǎng)，控制和維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于水質(zhì)條件較差的地區(qū)，一般采用多種過(guò)濾技術(shù)(物理沉淀、介質(zhì)材料過(guò)濾、膜組件等)的組合過(guò)濾工藝，結(jié)合有效的消毒殺菌技術(shù)。

表2是針對(duì)我國(guó)西北部某省部分農(nóng)村的地表水和地下水水樣的檢測(cè)報(bào)告部分指標(biāo)數(shù)據(jù)。

表2 部分農(nóng)村地區(qū)水樣數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，該地區(qū)地表水感官指標(biāo)問(wèn)題較為突出(色度、渾濁度超標(biāo))；地表水、地下水質(zhì)礦化程度和硬度偏高；部分地區(qū)氟化物、硫酸鹽的指標(biāo)含量較高；區(qū)域內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)差異較大。飲用高硬度或礦化程度高的水，容易造成腹瀉和腸胃不適，長(zhǎng)期飲用會(huì)加大泌尿系統(tǒng)結(jié)石的可能性[11]；含高硫酸鹽的飲用水對(duì)腹瀉和兒童生長(zhǎng)發(fā)育有影響[12]。由于我國(guó)西北部大部分地區(qū)降雨量小，地表蒸發(fā)量大，目前居民飲用水水源大部分來(lái)源于雪山化水及地下水。因此，上述水樣的檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果在我國(guó)西北部農(nóng)村地區(qū)具有一定的代表性。

目前，我國(guó)西北部農(nóng)村以農(nóng)牧業(yè)為主，水質(zhì)呈現(xiàn)的問(wèn)題主要分為以下7大類，其解決方案如表3所示。

表3 水質(zhì)呈現(xiàn)的主要問(wèn)題及解決方案

1.4.2 分布式智能飲水系統(tǒng)的規(guī)模及布點(diǎn)要求

我國(guó)西北部農(nóng)村的常住人口規(guī)模一般為500～1 000人，比較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或人口聚集區(qū)常住人口規(guī)模一般為2 000～3 000人。為解決上述規(guī)模人口的飲水問(wèn)題，分布式智能飲水系統(tǒng)設(shè)備日處理量的規(guī)模區(qū)間為50～220 t，對(duì)于常住人口較多和分布較廣的地區(qū)可采用多臺(tái)系統(tǒng)設(shè)備布點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)備的布點(diǎn)應(yīng)配套原水池以及成品水池/箱，滿足農(nóng)村日高峰用水量需求。設(shè)備布點(diǎn)需考慮地理高差條件，采取重力自壓輸、配水，水壓不足條件下，可考慮采用增壓系統(tǒng)。

1.4.3 分布式智能飲水系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

分布式智能飲水系統(tǒng)能滿足各種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境以及低技術(shù)條件環(huán)境下的應(yīng)用，其具備功能特點(diǎn)如表4所示。

表4 分布式智能飲水系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

分布式智能飲水系統(tǒng)的功能模塊的設(shè)定應(yīng)綜合考慮環(huán)境條件及后續(xù)的運(yùn)營(yíng)與管理要求。例如，在基礎(chǔ)條件好的情況下，可以優(yōu)先選擇市電作為系統(tǒng)的能源，基礎(chǔ)條件較差或者采用市電方案經(jīng)濟(jì)性較差，則選擇光伏發(fā)電，光伏發(fā)電應(yīng)與油機(jī)配合保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，因此在能源的選擇上，可以因地制宜采取多種解決方案。

2 分布式智能飲水系統(tǒng)應(yīng)用及管理模式

2.1 分布式智能飲水系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1.1地表水取水方式

地表水水質(zhì)應(yīng)符合人飲水水源的要求，取水方式適用于村莊居住點(diǎn)附近有河流經(jīng)過(guò)，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐幼∪丝谝?guī)模及高峰用水量進(jìn)行項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)，取水點(diǎn)與村莊不應(yīng)超過(guò)5 km，經(jīng)濟(jì)距離為1 km，從而優(yōu)化飲水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少基建和管網(wǎng)的投資。在河道平緩處取水及配套沉降池，農(nóng)村地區(qū)取水口的設(shè)定應(yīng)充分考慮利用地理高差進(jìn)行輸配水，系統(tǒng)設(shè)備附近應(yīng)設(shè)計(jì)公共取水點(diǎn)，解決供水管網(wǎng)無(wú)法覆蓋地區(qū)居民的取水問(wèn)題，地表水取水的方式如圖1所示。

圖1 地表水取水方式示意

2.1.2 地下水取水方式

我國(guó)西北部農(nóng)村大部分地區(qū)地勢(shì)較高，淺層地下水水質(zhì)情況復(fù)雜，一般作為工業(yè)用水或者農(nóng)牧業(yè)用水，可作為飲用水的地下水埋藏較深，取水投資成本較高，因此在選擇地下水水源時(shí)，應(yīng)綜合考慮其經(jīng)濟(jì)成本，充分利用其原有供水配套設(shè)施。

地下水水質(zhì)應(yīng)符合人飲水水源的要求，地下水可開(kāi)采量應(yīng)滿足日高峰用水量的要求，且能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的進(jìn)行取水，系統(tǒng)設(shè)備的選型及規(guī)模應(yīng)與當(dāng)?shù)氐某Ｗ∪丝谝?guī)模和日高峰用水量匹配，地下水取水的方式如圖2所示。

2.2 分布式智能飲水系統(tǒng)的管理模式

2.2.1 分布式智能飲水系統(tǒng)的管理模式

由于采用可編程的邏輯控制器及工業(yè)路由器，分布式智能飲水系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊下的智能化管理。系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)：水壓、水量、水質(zhì)、溫度、電氣及運(yùn)行等可通過(guò)可編程的邏輯控制器和工業(yè)路由器傳送給遠(yuǎn)程控制管理平臺(tái)軟件，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制管理，包括遠(yuǎn)程條件下的預(yù)警機(jī)制，分布式智能飲水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人條件下系統(tǒng)的自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行。分布式智能飲水系統(tǒng)控制模式如圖3所示。

2.2.2 分布式智能飲水系統(tǒng)的組網(wǎng)模式

分布式智能飲水系統(tǒng)的管理模式，采用分布式布點(diǎn)、集中統(tǒng)一管控的模式。分布式智能飲水系統(tǒng)通過(guò)地理信息管理系統(tǒng)和GPS進(jìn)行定位，結(jié)合后臺(tái)管理軟件的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)管理單位對(duì)分布式智能飲水系統(tǒng)的集中管理和統(tǒng)一控制，對(duì)分布式智能飲水系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)控制。分布式智能飲水系統(tǒng)的組網(wǎng)模式如圖4所示。

圖2 地下水取水方式示意

圖3 分布式智能飲水系統(tǒng)控制模式

3 分布式智能飲水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的集中式供水方式相比較，分布式智能飲用水系統(tǒng)是一種高效率、低投資、易于維護(hù)和管理，適用范圍廣的新的飲用水供給方式。

基于分布式智能飲水系統(tǒng)的特點(diǎn)，在我國(guó)西北部農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用和推廣具有以下優(yōu)勢(shì)：①分布式智能飲水系統(tǒng)針對(duì)不同水質(zhì)提供對(duì)應(yīng)的技術(shù)工藝，具有廣譜性；②分布式智能飲水系統(tǒng)能在無(wú)市電架設(shè)和基礎(chǔ)管網(wǎng)的條件下應(yīng)用，建設(shè)選址相對(duì)靈活，投資及運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理成本低；③分布式智能飲水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)“流線化生產(chǎn)，模塊化裝配”，安裝現(xiàn)場(chǎng)零基建，安裝方便；④分布式智能飲水系統(tǒng)能夠模擬各種復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境條件下的使用場(chǎng)景，且機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能夠快速安裝并投入使用，適用于特殊和應(yīng)急場(chǎng)景；⑤分布式智能飲水系統(tǒng)采用清潔能源，能改善當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境；⑥分布式智能飲水系統(tǒng)組網(wǎng)管理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)分布式布點(diǎn)與集中管理、統(tǒng)一控制，便于管理維護(hù)和運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)幅員遼闊，相對(duì)于城市日趨完善的集中式供水，農(nóng)村地區(qū)居民的飲水條件函待改善。目前我國(guó)農(nóng)村，尤其是西北部農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施條件相對(duì)較差，采用分布式智能飲水系統(tǒng)，能夠分區(qū)域逐步解決我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的居民飲水安全問(wèn)題。同時(shí)飲水安全也是一個(gè)關(guān)鍵的民生問(wèn)題，居民飲水條件的改善不僅能促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)穩(wěn)定，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和促進(jìn)作用。

圖4 分布式智能飲水系統(tǒng)組網(wǎng)模式