李 霞,韓 笑,孫 瑩,石宇亭
(天津理工大學環(huán)境科學與安全工程學院,300384,天津)
天津市享有“九河下梢”之名,水資源比較豐富。但隨著經(jīng)濟社會發(fā)展,天津市成為資源型和水質(zhì)型缺水城市。尤其近幾年,作為灤河水、黃河水儲蓄水庫的于橋水庫和爾王莊水庫出現(xiàn)輕度富營養(yǎng)化現(xiàn)象。此外,天津市正處在快速發(fā)展階段,特別是濱海新區(qū)和規(guī)劃新城的發(fā)展,對水資源的需求大幅度增加導(dǎo)致水資源危機進一步加劇。因此,改善天津市的供水管網(wǎng),尤其是統(tǒng)一供水的供水方式,發(fā)展分質(zhì)供水,不僅能夠高效地利用、調(diào)控水資源,而且可以提高居民的用水品質(zhì),為建設(shè)“生態(tài)宜居城市”提供最基本的保障。
分質(zhì)供水是指具有兩套或兩套以上供水管網(wǎng),分別輸送不同水質(zhì)等級的水,供給不同用戶的一種供水方式。具有代表性的有日本的多元管道系統(tǒng)和美國的二元管道系統(tǒng)。
我國分質(zhì)供水起步較晚,采用二元管道分質(zhì)供水系統(tǒng),分質(zhì)供水系統(tǒng)的發(fā)展分為兩個階段:第一個階段是過渡階段,分質(zhì)供水系統(tǒng)為自來水與優(yōu)質(zhì)飲用水系統(tǒng)。自來水主要用于沖廁、洗車、洗漱、景觀水體、消防用水、工業(yè)用水等,優(yōu)質(zhì)飲用水主要用于烹飪和飲用。第二個階段是發(fā)展階段,為自來水與再生水系統(tǒng)。自來水主要用于烹飪、洗漱、飲用,再生水主要用于綠化、洗車、景觀水體、消防用水、沖廁、工業(yè)等。發(fā)展階段的分質(zhì)供水系統(tǒng)與美國的二元分質(zhì)供水系統(tǒng)類似。
天津市城市分質(zhì)供水包括自來水與優(yōu)質(zhì)飲用水、自來水與再生水兩種二元供水模式。這兩種模式又分別包括集中式與分散式。自來水與優(yōu)質(zhì)飲用水模式屬于天津市分質(zhì)供水發(fā)展的過渡模式,自來水與再生水模式是分質(zhì)供水發(fā)展的最終目標。兩種分質(zhì)供水模式的具體特點、用途及建設(shè)情況見表1。
因分質(zhì)供水用途不同,分質(zhì)供水處理工藝包括兩種:優(yōu)質(zhì)飲用水分質(zhì)供水處理工藝和再生水分質(zhì)供水處理工藝。
①優(yōu)質(zhì)飲用水分質(zhì)供水處理工藝包括:活性炭處理、膜處理(微濾MF、超濾 UF、納濾 NF和反滲透 RO膜)和消毒處理等技術(shù)。如果自來水中含硬度和溶解性總固體過低,或自來水經(jīng)深度處理后水中上述兩項指標含量過低,則還應(yīng)有水中礦物質(zhì)和微量元素調(diào)節(jié)的保障處理技術(shù),一般可采用含礦物質(zhì)的粒狀介質(zhì) (麥飯石、木魚石、珊瑚礁等)過濾器處理,使過濾出水增加一定量礦物鹽。
②再生水分質(zhì)供水處理工藝包括:混凝、沉淀和過濾。隨著膜技術(shù)的發(fā)展,不少發(fā)達地區(qū)再生水廠開始使用膜處理工藝,如超濾膜技術(shù)、膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝、反滲透(RO)技術(shù)及其組合工藝等。膜處理工藝雖然具有處理水質(zhì)優(yōu)異、節(jié)省占地等突出優(yōu)勢,但其工程投資和運行費用較高?;炷?、沉淀及過濾工藝投資及運行費用低、管理方便,但出水水質(zhì)不如前者。故進行再生水處理工藝選擇時應(yīng)根據(jù)原水及出水水質(zhì)要求進行充分的技術(shù)經(jīng)濟論證,根據(jù)工程特點選擇適宜的處理工藝。
①天津市城市分質(zhì)供水正處于發(fā)展階段,雖然國家已經(jīng)頒布許多水環(huán)境質(zhì)量標準、排放標準、檢測標準、飲用標準、回用標準、處理標準等,但專門針對分質(zhì)供水的標準只制定了再生水回用的統(tǒng)一標準,在維護、管理方面有所缺失。再加上經(jīng)濟、技術(shù)、社會等因素的限制,城市分質(zhì)供水模式呈現(xiàn)出多樣性的特點,既存在自來水與優(yōu)質(zhì)飲用水模式,又存在自來水與再生水模式。標準規(guī)范的不完善和分質(zhì)供水模式的多樣性均會導(dǎo)致在實施分質(zhì)供水過程中出現(xiàn)難統(tǒng)一、難管理的問題,最終造成管網(wǎng)終端水質(zhì)不達標的現(xiàn)象。
②天津市正處在新建、改建、擴建再生水廠的階段,中心城區(qū)已建成紀莊子、咸陽路、北辰、東郊等4座再生水廠,總處理規(guī)模19萬m3/d,已鋪設(shè)再生水主干管網(wǎng)近400 km。對再生水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計主要采取就近分配原則,并且主要集中在主干線或者再生水廠附近,再生水服務(wù)半徑非常有限,且對再生水管網(wǎng)未進行系統(tǒng)的綜合規(guī)劃。不僅如此,由于再生水用戶不穩(wěn)定、工業(yè)用水量大,導(dǎo)致鋪設(shè)干管管徑較大、流速較低,從而導(dǎo)致水齡較高、水質(zhì)較差。
表1 天津市城市分質(zhì)供水模式
③城市分質(zhì)供水管網(wǎng)作為城市發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施,一次性投資建設(shè)費用高,其管網(wǎng)投資建設(shè)費用可占總投資建設(shè)費用的70%左右。目前,城市分質(zhì)供水管網(wǎng)的鋪設(shè)多數(shù)僅考慮成本費用,忽略城市分質(zhì)供水系統(tǒng)的安全可靠性和對碳排放的影響。分質(zhì)供水系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng),僅考慮成本費用,在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計過程中將會導(dǎo)致管網(wǎng)的拓撲性下降,最終優(yōu)化方案向樹狀管網(wǎng)傾斜,從而管網(wǎng)安全可靠性降低。另外分質(zhì)供水管網(wǎng)全生命周期對碳排放的影響不應(yīng)忽視。
健全的分質(zhì)供水規(guī)范標準能夠保障天津市城市分質(zhì)供水的健康發(fā)展。盡管我國水法以及各種國家性、地方性的水法律規(guī)范已經(jīng)頒布,但針對城市分質(zhì)供水這一新的供水形式,有關(guān)水質(zhì)、檢測、處理工藝、設(shè)備管理維護等規(guī)范標準有待進一步健全。不僅要健全這些水務(wù)規(guī)范,更應(yīng)該在現(xiàn)狀調(diào)查與分析、規(guī)范標準的基礎(chǔ)上落實法制水務(wù)規(guī)范,確保分質(zhì)供水順利發(fā)展。
隨著社會的快速發(fā)展和城市化進程不斷加快,天津市現(xiàn)有統(tǒng)一供水方式已經(jīng)不能滿足當今發(fā)展需要。另外,2014年南水北調(diào)工程通水后,天津市水源系統(tǒng)將發(fā)生重大調(diào)整,勢必引起城市供水結(jié)構(gòu)相應(yīng)調(diào)整。針對新形勢,天津市應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃和優(yōu)化城市分質(zhì)供水系統(tǒng)。首先,應(yīng)采用統(tǒng)計預(yù)測法或者指標分析法分析預(yù)測再生水用戶和用量;然后根據(jù)水廠的供水情況進行供需平衡分析;最后確定分質(zhì)供水的模式,天津市中心城區(qū)可以采用自來水與再生水二元供水模式,濱海新區(qū)可將海水納入到分質(zhì)供水系統(tǒng)中,采用三元分質(zhì)供水模式,從而實現(xiàn)天津市分質(zhì)供水的統(tǒng)籌規(guī)劃。
《天津市城市供水規(guī)劃》在引灤、引江和于橋、爾王莊、北塘、北大港、王慶坨等5座調(diào)蓄水庫為總框架的原供水系統(tǒng)下,按照空間結(jié)構(gòu)將天津市劃分為11個供水區(qū)域。可根據(jù)不同區(qū)域的水廠現(xiàn)狀和管線情況,選擇合適的分質(zhì)供水模式,即集中式或分散式。已有學者對分質(zhì)供水的模式選擇判據(jù)進行研究,臨界距離可作為選擇分質(zhì)供水模式的判據(jù)。同時綜合考慮成本費用、安全可靠性、碳排放進行多目標分質(zhì)供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計。基于多目標遺傳算法、蟻群算法、混合蛙跳算法、粒子群算法、模擬退火算法等多種智能算法與MATLAB軟件的結(jié)合,獲得最優(yōu)的決策變量,例如管徑、泵站的規(guī)模、閥門的數(shù)量和位置等,使分質(zhì)供水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計更加經(jīng)濟、可靠、環(huán)保。
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