基于“4S”理念的未來飲用水系統(tǒng)

 前言
 　　隨著社會經(jīng)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(guān)心、與身體健康關(guān)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(guān)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(guān)于優(yōu)良飲用水、高品質(zhì)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(zhì)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(shù)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(zhì)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(nèi)容。
 　　另一方面，隨著現(xiàn)代綠色發(fā)展、信息技術(shù)、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(zhuǎn)變，與相關(guān)的技術(shù)結(jié)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(gòu)建，可基本遵循以下4個理念：
 　　飲用水水質(zhì)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(zhì)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(zhì)檢測指標由原來的35項擴展到106項。經(jīng)過十余年間的努力，我國飲用水水質(zhì)大幅提升，城市飲用水水質(zhì)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(zhì)發(fā)展目標將從出廠水穩(wěn)定達標轉(zhuǎn)變?yōu)辇堫^水穩(wěn)定達標，另一方面將從合格水轉(zhuǎn)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(zhì)目標、水質(zhì)標準、水質(zhì)評價3個方面進一步推動提升飲用水水質(zhì)，突破健康效應引導的風險污染物識別與控制技術(shù)，構(gòu)建飲用水水質(zhì)安全健康評價標準體系等。在發(fā)展目標方面，飲用水水質(zhì)目標從“合格、達標”向“安全、優(yōu)良、健康”轉(zhuǎn)變，除了關(guān)注對人體健康有害的指標及限值外,也需要逐步關(guān)注對人體有益的指標及限值；標準導向方面，飲用水水質(zhì)標準從“常規(guī)污染物”向“常規(guī)+優(yōu)控污染物”轉(zhuǎn)變，當前更加符合我國水質(zhì)特征和用水需求的水質(zhì)標準也正在修訂完善中；健康評價方面，飲用水水質(zhì)評價從“水質(zhì)指標評價”向“健康效應評價”轉(zhuǎn)變，在關(guān)注單一微生物造成的生物風險、水中化學物質(zhì)導致的毒理學問題的基礎上，更加關(guān)注基于復合污染效應的水質(zhì)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(zhì)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(shù)”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(shù)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(zhì)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(zhì)適配，對風險進行高準調(diào)控，水處理工藝向近自然處理、短流程、快效能系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(zhì)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(chǎn)生，讓生產(chǎn)的水更健康。
 　　3 “智慧與智能（Smart & Intelligent）”理念
 　　隨著 21 世紀網(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)化時代的到來,現(xiàn)代信息技術(shù)已經(jīng)并將繼續(xù)深刻改變傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，加速產(chǎn)業(yè)的變革。生產(chǎn)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(shù)據(jù)、人工智能和信息技術(shù)構(gòu)建智慧化供水系統(tǒng)是世界各國普遍關(guān)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(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)，建立供水智能物聯(lián)網(wǎng)與在線監(jiān)測大數(shù)據(jù)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(guān)鍵技術(shù)應用，構(gòu)建以智慧水廠和智慧管網(wǎng)為核心的供水系統(tǒng)智能數(shù)字孿生體。
 　　在智慧水廠建設方面，可利用BIM、工藝單元數(shù)學建模、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)構(gòu)建飲用水處理工藝單元的虛擬仿真模型，結(jié)合由水質(zhì)、水位、水壓等多類型新型傳感器組成的在線監(jiān)測網(wǎng)絡，圍繞混凝劑智能化投加、沉淀、（膜）過濾、消毒工藝參數(shù)的優(yōu)化及工藝過程的智能調(diào)控等核心應用，構(gòu)建數(shù)字孿生飲用水廠。
 　　在智慧管網(wǎng)建設方面，利用三維GIS、管網(wǎng)在線水力水質(zhì)模擬、機器學習算法等手段構(gòu)建供水管網(wǎng)的實時在線模型系統(tǒng)，圍繞智能優(yōu)化調(diào)度、漏損爆管偵測與定位、管網(wǎng)水質(zhì)保障與突發(fā)污染防控等核心應用，構(gòu)建數(shù)字孿生供水管網(wǎng)。通過供水系統(tǒng)數(shù)字孿生體的構(gòu)建，為未來的供水系統(tǒng)的智能化與智慧化運行提供技術(shù)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(wǎng)、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(diào)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)?；到y(tǒng)集成、頂層規(guī)劃設計等方向發(fā)展，構(gòu)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(wǎng)聯(lián)動、自適應方向轉(zhuǎn)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(chǎn)及供給的保障措施。
 　　5 結(jié)語
 　　保障飲用水安全是關(guān)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(zhì)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(zhì)追求口感優(yōu)良、優(yōu)良健康的趨勢日漸明顯；在保障水質(zhì)安全的前提下，不斷突破快效綠色的水處理技術(shù)，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(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)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(gòu)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。