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    王如華:國家標準《室外給水設計標準》對保障龍頭水的支撐
    發布時間:2020-07-22 09:45:45 | 瀏覽數:467


          供水是城鎮最重要的生命線之一,飲用水安全是關系國計民生健康的大事,保障水龍頭的水質、水量、水壓和服務是供水行業的根本目標,國家給水技術標準是對供水項目設計質量的重要保障。


    Part 1 概況


    《室外給水設計標準》歷史悠久。為了適應新時代的技術需求,滿足人民對用水水質、水量和水壓三要素的要求,吸收國家重大水專項研究成果,《室外給水設計標準》進行了修訂。2019年8月1日,全面修訂后的《標準》開始實施。全面修訂工作中,在保障飲用水安全的理念下,充分立足龍頭水的供給側需求,基于設計要求且兼顧維護管理,在強化國家技術標準的基礎上,提倡和推薦各地因地制宜選取適合參數,不斷滿足人民日益增長的安全飲水需要。

    Part 2 保障水質安全

    2.1 對標飲用水水質標準

    制水工藝流程的工程設計必須保證構筑物出水水質滿足現行國家標準《生活飲用水衛生標準》。該標準根據社會和人民健康的不斷發展,參照世界衛生組織和發達國家水質標準,在不同時期制訂出不同種類和量值的水質指標。

    2018年,上海發布了國內首個地方水質標準《生活飲用水水質標準》,浙江省城市水業協會修訂了《浙江省城市供水現代化水廠評價標準》(2018版)。2019年,江蘇省發布了《江蘇省城市自來水廠關鍵水質指標內控標準》為了滿足這些地方的水質標準,給水設計也可以依據《標準》,因地制宜地選擇工藝單元、優化參數。

    2.2 強調水源地保護

    近年來,我國水污染態勢得到了遏制,全國主要地表水源水質逐漸提升,飲用水水質也有了明顯改善。但隨著我國工業化、城鎮化進程的快速推進和經濟社會的快速發展,水資源開發利用強度不斷加大,水質型缺水困擾我國多個經濟發達、人口聚集的地區,影響新時代的社會發展和人民身體健康。盡管各地近年興建了一些長距離輸水工程,但受條件限制,有些給水廠不得不采用不理想的原水,較高濃度的氨氮、CODMn、藻等對給水處理造成了嚴重困擾。

    同時,飲用水源保護區常有劃定容易、保護困難的問題。2018年,生態環境部聯合水利部制定了《全國集中式飲用水水源地環境保護專項行動方案》,要求地方各級人民政府組織做好本轄區飲用水水源地環境違法問題排查整治工作,確保飲用水源安全。

    目前,全國大部分地表水及地下水均已劃定功能區及水質目標,并作為水源選擇的主要依據。《標準》提出水源選擇時要考慮不易受污染,并便于建立水源保護區。為了改進水源地保護,建議加強以下工作:(1)區域和城市供水水源地應納入總體規劃考慮。重視飲用水水源地與當地社會經濟發展的關系,按照國家和行業標準科學劃分地表水飲用水水源保護區與地下水飲用水水源保護區,協調水源保護區與周邊環境整治和區域經濟開發,落實城市總體規劃和各專業規劃對水源地保護的內容與措施,以確保水源地保護與周邊地區規劃相適應。(2)統籌協調跨區域多部門對水源地保護區的整治與水源地監管,嚴格落實飲用水水源地值班值守、封閉式管理、設置警示與隔離、應急監測等保護和管理措施,多部門協同依法打擊違法行為,多措施并舉保障飲用水水源地保護和供水安全。

    2.3 重視衛生安全要求

    涉水材料方面,在取水、輸水、凈水和配水過程中,水要接觸多種設施、設備及材料,涉水物體在長期浸泡下會不斷釋放化學物質,存在化學限值超過衛生標準要求的風險。水廠為了凈化、消毒等,在水中需添加多種化學藥劑,每次投加、凈化后,出水仍會存在殘留藥劑。排泥水處理工藝中,也需投加多種化學藥劑,如果回用則會將殘余藥劑帶入凈水工藝。這些殘存藥劑存在濃度超過衛生標準限值的可能。因此,《標準》對輸配水、凈水和排泥水等所有涉水設施、設備及材料等,進行了衛生學規定。《標準》以2款強制性條文9.1.7和10.2.6,提出用于生活飲用水處理和回用水處理的藥劑必須滿足涉水衛生要求,還強調了回用水中的丙烯酰胺含量。

    消毒衛生安全方面,根據地下水、地表水的水質情況,每個水廠的凈水工藝區別較大。但為了保證生活飲用水不被病原體污染,滿足衛生安全要求,消毒作為控制微生物指標的主要方法,是每個水廠必須具備的工藝單元。根據國內外各標準,不論水廠的規模和處理工藝如何,水廠必須保證消毒措施在任何時間均有效,可通過物理方法或添加氧化性物質實現。《標準》不但以強制性條文規定了必須設置消毒工藝,且新增了次氯酸鈉氯消毒、次氯酸鈉與硫酸銨氯胺消毒、紫外線消毒等內容。紫外消毒是一種高效、無化學副作用的安全消毒技術,可使出水所需的化學消毒劑總投加量減少,從而降低消毒副產物的產生,但考慮到長時間持續控制微生物的能力受限,仍需進行適量的化學消毒,且需滿足現行國家標準《生活飲用水衛生標準》對消毒劑余氯量的要求。為了強化化學消毒的效果,提倡專設消毒接觸池,強調了清水池兼做時的容積保障,借鑒研究和實踐結果,提出了長寬比要求“兼用于消毒接觸的清水池,內部廊道總長與單寬之比宜>50”。

    成品水貯存容器的防污染方面,進一步突出對存儲飲用水的清水池的安全。該池作為儲存飲用水的設施,為了配送水的安全健康,必須保障不受污染?!稑藴省烦吮A粽{蓄構筑物周圍10 m以內和2 m以內污染源的規定之外,新增了1款強制性條文,即生活飲用水的清水池排空、溢流等管道嚴禁直接與下水道連通。生活飲用水的清水池四周應排水暢通,嚴禁污水倒灌和滲漏。

    2.4 增補凈水新工藝單元設計

    自“十一五”國家實施水專項和加強科技支撐計劃以來,系統研發了水質凈化、管網輸配、水質監測、預警應急等方面的關鍵技術,有效解決了去除藻類、嗅味、氨氮、砷等難題,在多個重點地區和典型城市進行了工程示范,取得了顯著的社會效益。《標準》增補了一批適應中國國情、有效可行的凈水新工藝。

    2.4.1 高速澄清池

    從工藝機理上看,該澄清池采用了池外增壓回流的方式,必須投加高分子助凝劑形成高濃度污泥(投加聚丙烯酰胺是該工藝單元用于飲用水處理的最大缺點),并在水力攪拌槳的作用下經提升筒提升和循環,一體化全效集成預氧化、快速混合、強化混凝、高效沉淀和污泥濃縮等,實現清水區液面負荷明顯超過斜管沉淀池和機械攪拌澄清池,底部污泥在緩慢攪拌下,甚至濃縮至能直接滿足機械脫水機的進泥濃度要求。為了突出清水區液面負荷,《標準》統一采用了高速澄清池的提法,并對工藝設計參數作出了規定。

    2.4.2 翻板濾池

    翻板濾池因反沖洗排水閥板(翻板閥)在工作過程中可以在0°~90°翻轉而得名。對于翻板濾池,根據濾池進水水質與對出水水質要求的不同,可選擇單層均質濾料或雙層、多層濾料,亦可更改濾層中的濾料。一般單層均質濾料采用石英砂(或陶粒);雙層濾料為無煙煤與石英砂(或陶粒與石英砂)。當濾池進水水質差(例如原水受到微污染,TOC較高)時,可用顆?;钚蕴恐脫Q無煙煤等濾料。采用雙層濾料時,截污能力顯著提高、水頭損失遞增速度較慢、反沖洗水量低、反沖洗效果優良且過濾周期較長。近年來,該池型已用于多個工程?!稑藴省沸抻喼?,以《翻板濾池設計規程為基礎,進一步總結了近年的設計應用經驗,從池深、配水配氣、反沖洗等方面提出了工藝參數。

    2.4.3 中空纖維微濾、超濾膜過濾

    對于市政供水,中空纖維微濾、超濾膜可有效去除水中的渾濁度、懸浮物、色度及“兩蟲”等微生物。與傳統水處理工藝相比,精細過濾的膜分離技術,對進水流量變化的適應性更強,布置更緊湊,出水水質更穩定,能對水中不溶解的細小顆粒物和微生物做較徹底的截留,從而顯著降低出水渾濁度并提高衛生安全性。近十年,國產膜價格逐步降低、質量不斷提高,自動化控制、完整性檢測和運行管理可滿足長期穩定可靠生產,水廠人員素質的不斷提升使維護管理水平達到膜濾要求,均為大規模應用于城市飲用水處理創造了條件。膜處理不僅是單一工藝單元,還可與常規處理或其他深度處理有機結合成組合工藝流程。針對給水廠升級改造和新建工程,適合我國國情的超濾膜凈水集成技術和短流程組合工藝已應用于國內最大壓力式膜項目——杭州清泰水廠飲用水技術改造工程和國內最大浸沒式膜項目——廣州北部水廠一期工程?!稑藴省沸抻喼幸幎藟毫κ侥ず徒]式膜凈水工藝的主要設計要求及清洗廢水和廢液的處理處置要求。

    2.5 新增鐵穩定性和生物穩定性措施

    飲用水由水廠至用戶必須經過管網配水和二次供水,因此,管道輸送過程中需要保障水質穩定。管網中發生了各種復雜的物理、化學和生物變化,易造成管網水的二次污染。給水管網中的鐵主要以Fe(OH)3沉淀的形式存在,導致龍頭水出現“黃水”或“紅水”現象,還會引起渾濁度等指標超標(凈水技術 | 自來水“黃水”危害新認識)。各地給水管網中鐵不穩定的最主要原因是管網腐蝕和鐵釋放。提高pH和增加堿度均可使管網鐵的釋放速率、渾濁度和色度明顯降低。拉森指數LR是評價常溫下水中的中性離子對金屬的侵蝕能力。《標準》提出了對于城市給水管道,LR指數通常的判別標準。根據國家“十一五”和“十二五”重大科技專項“水體污染控制與治理科技重大專項”等的研究成果,針對配水管網管垢的鐵釋放問題,《標準》提出了水源切換調配技術、加堿調控技術、氧化還原調節控制技術和緩蝕劑投加控制技術等。

    一般,衡量管網水細菌生長潛力的生物穩定性評價指標采用生物可同化有機碳(AOC)。AOC與細菌生長有較好的相關性,其含量高低可以直接反映水體中細菌再生長的潛能。目前,一般認為加氯條件下,AOC控制在50~100 μg乙酸碳/L可實現水質生物穩定。常規處理對AOC的去除效果一般。原水耗氧量≤6 mg/L時,“預氧化+常規處理+臭氧-生物活性炭”組合工藝可保證出廠水耗氧量去除率在50%以上,可同化有機碳AOC去除率在80%以上;原水耗氧量>6 mg/L時,可用生物預處理單元以強化該組合工藝對生物穩定性的控制。結合目前我國凈水廠處理工藝水平,要實現管網水生物穩定性,有效控制管道內生物膜的生長,需可同化有機碳AOC不高于50 μg/L。


    Part 3 滿足水量供應

    3.1 用水定額

    隨著社會經濟的發展和技術的進步、居民生活用水方式的轉變和供水精準管理的需求等,相關國家標準對于居民生活用水定額和最高日綜合生活用水定額的內容已無法滿足現實需要。設計時,往往距離規劃年限的時間較長,社會經濟發生明顯變化,面臨的建設條件更加具體和復雜,無法直接以該標準的定額為依據?,F行國家標準《取水定額》是按照《工業企業產品取水定額編制通則》所規定的原則制定,不涉及生活用水定額。按年統計結果顯示,上海市居民用水量水平總體較低,在110~120 L/(人·d),接近世界衛生組織《飲用水水質準則》中滿足現代日常生活和衛生需求的用水量下限值100 L/(人·d)。

    另一方面,修訂用水定額可促進水資源的高效利用和節水工作的開展。供水水源的水體往往承載水利、航運等多重功能,加強考核和管理居民生活用水,可以促進供水企業和器具企業的技術進步,但是在水資源緊缺的地區,往往面臨高效分配和利用的難題。

    修訂中,考慮到用水定額不僅同氣候有關,還與當地的經濟發展、水資源狀況、生活習慣和住宅型式等密切相關,因此,用水定額分區參照國家標準《建筑氣候區劃標準氣候分區,將用水定額劃分為3個區,不但按行政區劃做了適當調整,且參照現行國家標準《城市居民生活用水量標準》和《城市給水工程規劃規范》將重慶調整到二區。

    用水定額統計數據的主要依據是中國城鎮給水排水協會《城市供水統計年鑒》。它與住建部《城市建設統計年鑒》相比,各城市的年總用水量和日均用水量數據基本一致,但還包含最高日用水定額,這是設計規模確定的依據。值得注意的是,《標準》給出的表4.0.3-1~表4.0.3-4并非首選,具體項目的居民生活用水定額和綜合生活用水定額應根據當地國民經濟和社會發展、水資源充沛程度、用水習慣,在現有用水定額基礎上,結合城市總體規劃和給水專業規劃,本著節約用水的原則,綜合分析確定。

    3.2 控制漏損水量

    輸配水過程中的過多漏損是對水資源的浪費,降低漏損率是缺水城市減少水耗、提高用水效率的重要舉措。東京、芝加哥、新加坡、柏林、洛杉磯、大阪等漏損控制較好的先進城市,漏損率可降低在5%左右。近年來,住建部全面修訂和局部修訂了《城鎮供水管網漏損控制及評定標準》,頒布了《城鎮供水管網分區計量管理工作指南》,在多個城市開展了分區計量和漏損改造工程,管網漏損率穩步下降。國務院《水污染防治行動計劃》規定了2020年全國公共供水管網漏損率控制在10%以內。為此,《標準》提高了對漏損率的要求,按現行行業標準《城鎮供水管網漏損控制及評定標準》漏損率計算和修正的方法,新提出規模較大的供水管網系統的布置宜供水分區計量管理。除了在設計上從管材、接口的選擇和管網壓力優化設計出發,漏損率控制也需在安裝、施工、運維、管理等多方面促進落實。


    Part 4 維持水壓穩定

    4.1 供水泵房

    無論水廠二級泵房還是管網泵房,安全可靠的運行才能時刻保障正常供水?,F行的國家標準《泵站設計規范》和《泵站技術管理規范》主要適用于水利方面的泵站?!稑藴省窂某擎偣┧卣骱徒ㄔO條件出發,規定了水泵及泵房的要求,滿足安全供水。按水泵相似理論,葉片式水泵可根據其比轉數大小分為離心泵、混流泵和軸流泵3種泵型,其能量性能、結構形式、布置方式、價格和安裝維護要求各有不同。因此,水泵泵型選擇時,宜先按其需求的流量和揚程計算水泵比轉數,再結合泵房布置條件、工程投資和安裝維護的難度等因素綜合考慮后確定。

    選用水泵機組及配置的數量時,需考慮滿足多個運行工況的流量、壓力要求,并非只考慮最高日最高時的工況。首先應能適應泵房在常年運行中供水水量和水壓的變化,其次應綜合考慮水質、泵型及水泵特性、場地條件、工程投資和運行維護等條件。水泵應具有高效區寬、氣蝕余量變化緩的特征,也可采用大小泵搭配、變頻調速、更換葉輪、調節葉片角度等措施。一般,運行常為多臺水泵并聯運行,因此,選擇設計揚程相近的水泵是保障水泵穩定運行的基本條件,而并聯水泵的臺數應在泵房各種設計工況條件下,通過分析該工況運行的水泵在實際狀況下的并聯運行特性曲線與輸水管道系統水力特性曲線,以及每臺水泵特性在并聯條件下的適應性,綜合分析后確定。

    4.2 防止二次污染的直接供水

    近十年,疊壓供水已應用于一些城市的二次供水中(凈水技術 | 方衛國:二次供水之我見(二)——變頻供水的發展和本質)。當建筑物內的生活用水采用疊壓供水時,穩壓罐等體積很小,系統不再設置具有貯存調節水量功能的水池和水箱,給水引入管取建筑物內的生活用水設計秒流量,這對市政管網的供水要求較高,且高峰時段有時會影響直接供水用戶的壓力?!督ㄖo水排水設計標準》在供水管理方面,提出了“當城鎮給水管網水壓不足,采用疊壓供水系統時,應經當地供水行政主管部門及供水部門批準認可”。

    修訂中,盡量增強對直接供水服務壓力的保障,盡量提高市政供水管網對疊壓系統的韌性。根據主管部委的建議,提出二次供水設施較多采用疊壓供水模式時,為了減少對直接供水用戶的影響,其接管處的最小服務水頭宜適當增加。當二次供水設施較多采用疊壓供水模式時,時變化系數宜取大值。

    大型城市的管網往往設有網中增壓泵站、水庫泵站和配水池。這些設施大量進水時,會使附近市政供水管網壓力降低,甚至低于供水服務水頭,從而影響直供水用戶。為此,提出采取變頻調速、進水穩壓限流閥、進水壓力前饋等措施,保障上游市政供水管網壓力不應低于當地供水服務水頭。運行管理中,也可采取優化進水時段的措施。


    Part 5 防控供水風險


    5.1 檢測與監控

    以水質風險為核心,以潛在問題和管控目標為導向,建立水源、水廠聯動,覆蓋從源頭到出廠的在線檢測與監控,重視單元過程控制,推動水廠運行的持續實現技術和管理的持續優化和升級,控制供水各環節的風險,避免引起社會影響的群體事件。


    《標準》從工藝檢測與控制要求出發,梳理歸并原條文的內容和表述方式,按水源類型、構筑物類型,分別細化了在線儀表檢測的要求,大篇幅增加了控制、計算機控制及管理系統方面的內容,并新增監控系統和供水信息系統的要求。這對于穩定供水服務質量、及時處理隱患風險、提升數字化和智能化水平等具有重要作用。

    5.2 爆管控制

    給水管道是城市的重要基礎設施之一,是供水系統中自來水通向用戶的動脈。輸水管線能否正常安全運行直接影響城市工業生產和人民生活的正常運行。供水管道爆管是影響居民正常供水的常見因素。爆管事故不僅會引起局部停水和水壓降低,對生活及生產用水造成嚴重干擾,還會對供水管網日常安全運行和優質服務構成威脅,給社會穩定帶來較大的震動和影響。為此,《標準》從工況分析、管材選擇、水力計算等方面作出了要求,管材明確出鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、化學建材管等,推薦了配水管網水力平差計算公式,提出了在各種設計工況下運行時,管道不應出現負壓、架空或露天管道應設置空氣閥。管理運行中,還可采取壓力控制等調控管網,以減少不同工況下的運行壓力。


    Part 6 填補應急供水


    《城市給水工程規劃規范》提出,城市應急供水期間,應急供水量應首先滿足城市居民基本生活用水要求,居民生活用水指標不宜低于80 L/(人·d)。應急供水可從應急水源、應急調度、應急凈化等方面采取綜合措施?!稑藴省沸略隽藨彼吹亩x及選擇與構建的原則,將其區分于備用水源。應急水源的規劃水量,可按規劃期總需水量的一定比例計算,也可根據各城市的水源實際情況進行規劃,但應考慮到城市未來的發展需求?!稑藴省愤M一步明確了給水系統相互調度的能力包括原水或管網水,提出了原水調度、清水調度和應急凈水的3種供水模式。應急凈水設施、應急水源與常用水源的工程切換設施具備快速切換功能,是實現盡快啟動應急供水和消除事件影響的基本條件。城鎮配水管網具備一定的調水能力,可有力保障應急供水期間居民基本生活用水需求,維護社會穩定。常規處理工藝水廠已有氯或二氧化氯等消毒工藝設施,深度處理工藝水廠則還有臭氧氧化工藝設施。在一定條件下,充分發揮從水源到水廠現有設施的應急凈水能力,不僅可以節約應急凈水設施的建設與維護成本,還可實現快速啟動應急凈水設施的目標。

    結合近十年應急處理的成果,提出應對可吸附有機污染物、金屬與非金屬污染物、還原性污染物、揮發性污染物、微生物污染、藻類暴發引起水質惡化等適用的應急凈水技術。由于污染物的品種和污染程度的不確定性,通常應急處置時,應根據現場情況進行試驗驗證,確定藥劑的實際投加量。


    Part 7 結語


    為了滿足新時代對龍頭水的水質、水量和水壓的需求,國家標準《室外給水設計標準》從增補超濾膜過濾、修訂用水定額、保障直供水服務壓力和全面建立在線檢測與監控等方面,提出了適合近期需求的技術要求,從設計上有效支撐我國飲用水安全和基本公共服務均等化,確保廣大群眾喝上放心水。


    更多信息


    王如華,張 碩

    (上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司,上海 200092)

    注:本文發表在《凈水技術》2020年第6期“大家之言”欄目,有刪減,長按下列二維碼可閱讀文章原文。



    本文轉載自萬事屋

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