基于“4S”理念的未來飲用水系統(tǒng)

 前言
 　　隨著社會經濟快速發(fā)展和生活水平不斷提高，人民對美好生活的需求日益增長，群眾對安全健康要求逐漸提高。飲用水安全是人民群眾關心、與身體健康關系*密切的重大民生問題之一。黨中央、國務院高度重視飲用水安全問題，中央領導也曾多次作出重要批示，“讓百姓喝上放心水”，是黨和國家對廣大人民群眾的莊嚴表態(tài)。
 　　“十一五”以來，為切實提高我國飲用水安全保障水平，國家啟動實施了國家重大水專項，專門設置了飲用水安全保障主題，通過科技攻關帶動行業(yè)快速發(fā)展，我國飲用水行業(yè)已邁入了高速發(fā)展的新時代。近年來，關于優(yōu)良飲用水、高品質飲用水、健康飲用水、智慧水務、巨大規(guī)模供水體系、可持續(xù)供水系統(tǒng)、現(xiàn)代自來水廠等新的理念、概念不斷涌現(xiàn)，北京、上海、深圳等巨大城市也相繼提出和實施了大規(guī)模新的飲用水改善工程，多個城市2035規(guī)劃明確提出飲用水整體水質達到或優(yōu)于世界發(fā)達國家城市，全國飲用水行業(yè)技術和管理發(fā)展逐步進入了新的發(fā)展階段。
 　　一方面，小康社會的建成以及人民對美好生活的向往將推動我國飲用水水質的進一步改善與提升，更大規(guī)模的飲用水設施改造與提升是未來本領域建設的重要內容。
 　　另一方面，隨著現(xiàn)代綠色發(fā)展、信息技術、人工智能、新型材料、高端制造、系統(tǒng)集成等新興行業(yè)的快速發(fā)展與滲入，智慧城市的建設如火如荼，我國飲用水行業(yè)的理念已發(fā)生新的轉變，與相關的技術結合和落地應用已成為行業(yè)的共識。近年來，上述兩大因素大大地推動著我國飲用水行業(yè)的發(fā)展。對于接下來15年乃至未來飲用水行業(yè)方向和供水系統(tǒng)的構建，可基本遵循以下4個理念：
 　　飲用水水質發(fā)展將遵循“安全與健康（Safe & Healthy）”理念。
 　　飲用水的工藝設施發(fā)展將遵循“低碳與綠色（Saving & Green）”理念。
 　　飲用水系統(tǒng)的運維將遵循“智慧與智能（Smart & Intelligent）”理念。
 　　飲用水供水安全體系將遵循“系統(tǒng)與韌性（Systematic & Resilient）”理念。
 　　1 “安全與健康（Safe & Healthy）”的理念
 　　飲用水水質的保障提升是供水領域持續(xù)追求的工作目標。2007年《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）頒布實施，水質檢測指標由原來的35項擴展到106項。經過十余年間的努力，我國飲用水水質大幅提升，城市飲用水水質達標率提高到了目前的98%以上。為進一步滿足人民對美好生活的向往，接下來一方面城市供水水質發(fā)展目標將從出廠水穩(wěn)定達標轉變?yōu)辇堫^水穩(wěn)定達標，另一方面將從合格水轉變?yōu)楦觾?yōu)良健康的飲用水，更加重視飲用水口感。為此，未來將從飲用水水質目標、水質標準、水質評價3個方面進一步推動提升飲用水水質，突破健康效應引導的風險污染物識別與控制技術，構建飲用水水質安全健康評價標準體系等。在發(fā)展目標方面，飲用水水質目標從“合格、達標”向“安全、優(yōu)良、健康”轉變，除了關注對人體健康有害的指標及限值外,也需要逐步關注對人體有益的指標及限值；標準導向方面，飲用水水質標準從“常規(guī)污染物”向“常規(guī)+優(yōu)控污染物”轉變，當前更加符合我國水質特征和用水需求的水質標準也正在修訂完善中；健康評價方面，飲用水水質評價從“水質指標評價”向“健康效應評價”轉變，在關注單一微生物造成的生物風險、水中化學物質導致的毒理學問題的基礎上，更加關注基于復合污染效應的水質安全與健康評價等。
 　　2 “低碳與綠色（Saving & Green）”理念
 　　近年來，我國相繼發(fā)展了多種預處理、強化常規(guī)和深度處理工藝，并實現(xiàn)集成性創(chuàng)新，有效解決了高藻、高有機物、高氨氮、異嗅味、重金屬、氟砷等突出水質污染問題。目前各類組合式、長流程的凈水工藝已成發(fā)展趨勢，“生物或化學預處理—強化/常規(guī)處理—臭氧生物活性炭處理技術”已成為我國飲用水深度處理主流工藝；“預處理+強化/常規(guī)+超濾膜/納濾膜”處理技術也在逐步大量應用。然而，現(xiàn)有我國凈水廠普遍存在工藝冗長、運維耗能、藥劑量大等突出問題，與綠色可持續(xù)發(fā)展理念存在較大的差距。為此，未來將從潔凈能源、物質節(jié)約及環(huán)境友好3方面提升未來水處理系統(tǒng)效能，實現(xiàn)水廠可持續(xù)發(fā)展。
 　　在凈水工藝方面，凈水流程與水源水質適配，對風險進行高準調控，水處理工藝向近自然處理、短流程、快效能系統(tǒng)轉變，讓水處理過程更簡約。
 　　在資源利用方面，系統(tǒng)能量流與物質流朝低碳、節(jié)約、集約化等方向持續(xù)發(fā)展，綜合利用清潔能源（風能、光伏發(fā)電等），并行開展水泵節(jié)能降耗與正確投藥，讓水處理過程更清潔。
 　　在環(huán)境友好方面，激發(fā)太陽光和分子氧的氧化能力，推廣應用無機膜，盡量“少用與不用”化學藥劑，減少新生廢物的產生，讓生產的水更健康。
 　　3 “智慧與智能（Smart & Intelligent）”理念
 　　隨著 21 世紀網絡化、數據化時代的到來,現(xiàn)代信息技術已經并將繼續(xù)深刻改變傳統(tǒng)產業(yè)發(fā)展模式，加速產業(yè)的變革。生產管理的智慧智能代表著未來發(fā)展方向，如何充分利用快速發(fā)展的大數據、人工智能和信息技術構建智慧化供水系統(tǒng)是世界各國普遍關注的方向。針對我國城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)設施老化、漏損多發(fā)、能耗高企、管理落后等突出問題，未來要深度融合人工智能、大數據、物聯(lián)網，建立供水智能物聯(lián)網與在線監(jiān)測大數據平臺，突破漏損控制、優(yōu)化運行、事故預警等供水智慧化運營核心關鍵技術應用，構建以智慧水廠和智慧管網為核心的供水系統(tǒng)智能數字孿生體。
 　　在智慧水廠建設方面，可利用BIM、工藝單元數學建模、虛擬現(xiàn)實等技術構建飲用水處理工藝單元的虛擬仿真模型，結合由水質、水位、水壓等多類型新型傳感器組成的在線監(jiān)測網絡，圍繞混凝劑智能化投加、沉淀、（膜）過濾、消毒工藝參數的優(yōu)化及工藝過程的智能調控等核心應用，構建數字孿生飲用水廠。
 　　在智慧管網建設方面，利用三維GIS、管網在線水力水質模擬、機器學習算法等手段構建供水管網的實時在線模型系統(tǒng)，圍繞智能優(yōu)化調度、漏損爆管偵測與定位、管網水質保障與突發(fā)污染防控等核心應用，構建數字孿生供水管網。通過供水系統(tǒng)數字孿生體的構建，為未來的供水系統(tǒng)的智能化與智慧化運行提供技術與平臺支撐。
 　　4 “系統(tǒng)與韌性（Systematic & Resilient）”理念
 　　飲用水保障系統(tǒng)涉及到水源、水廠、管網、二次與末端供水等系列環(huán)節(jié)，涉及到規(guī)劃、設計、建設和運行維護等多個過程，因此需要統(tǒng)籌考慮、系統(tǒng)治理，強調系統(tǒng)性、協(xié)同性和整體性。針對現(xiàn)有體系應對供水安全風險和突發(fā)事件能力弱等問題，未來將從設施抵御風險強化、規(guī)模化系統(tǒng)集成、頂層規(guī)劃設計等方向發(fā)展，構建高韌性、快速響應的飲用水系統(tǒng)。以抵御風險為目標導向，供水系統(tǒng)從單元適配向源-廠-網聯(lián)動、自適應方向轉變與發(fā)展；以系統(tǒng)集成為實踐途徑，傳統(tǒng)市域獨立系統(tǒng)通過城市群的協(xié)作，實現(xiàn)原水和清水的互聯(lián)互通，統(tǒng)籌聯(lián)動；通過頂層謀劃，著眼頂層“規(guī)劃-設計-建設-運行”全過程設計，實現(xiàn)未來飲用水系統(tǒng)應對隨機或確定事件韌性的特征。綜合分析城市飲用水安全保障面臨的優(yōu)勢和劣勢、挑戰(zhàn)和機遇，從突發(fā)事件、承災載體、應急管理等維度出發(fā)，提出具有可操作性飲用水安全生產及供給的保障措施。
 　　5 結語
 　　保障飲用水安全是關系到國計民生的重要問題，也是整體建設小康社會的重要考量指標。隨著廣大人民群眾對飲用水質量要求的不斷提升，在接下來逐步實現(xiàn)龍頭水穩(wěn)定達標同時，未來飲用水水質追求口感優(yōu)良、優(yōu)良健康的趨勢日漸明顯；在保障水質安全的前提下，不斷突破快效綠色的水處理技術，發(fā)展不加藥或少加藥、短流程、資源能源集約/綠色利用的新時代自來水廠工藝，也將是飲用水科技創(chuàng)新的重要發(fā)展方向；隨著物聯(lián)網、人工智能、大數據等信息技術等在供水領域的應用不斷拓展和融入，未來的飲用水系統(tǒng)將更加智能與智慧，這也將有效推動供水行業(yè)的快速發(fā)展；通過復雜化、系統(tǒng)化、自適應、韌性可行系統(tǒng)的建設，構建出源頭到龍頭的多級風險管控體系，未來將大大提高供水行業(yè)的效能和供水安全保障水平。