2.1.2　對城市供水水質的改善效益

2.1.2.1　對北京市供水水質的影響

（1）市政給水水質對居民健康的影響[1]。

許多研究表明飲用水存在健康性，水的健康性與硬度（鈣/鎂離子濃度）、TDS、pH值等綜合性水質指標都存在相關關系。

我國現行《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）中規定的水質指標多達106項，其中包括微生物指標6項、毒性指標74項、消毒劑指標4項、放射性指標2項及感官性狀和一般理化指標20項。由于致病微生物、有毒有害無機物和有機物、放射性物質對人體可能造成直接或間接危害，一般而言，這些物質在飲用水中的濃度越低，飲用水越安全。消毒是飲用水處理最為重要的工藝單元。但由于消毒劑本身存在的潛在健康危害和致臭/味作用以及與前驅物作用生成消毒副產物等原因，在保證消毒效果的前提下，消毒劑濃度越低越好。對感官性狀和一般理化指標進行規定，主要并不是基于其毒性或健康危害性，而是基于人群對這些指標或者其導致的后果（如管道腐蝕）的接受程度，包括色、嗅、味、口感、結垢和器物染色等。一般而言，低色/嗅/味、不結垢、不造成器物染色的飲用水更容易被人接受，但口感卻具有很大的主觀性。特別是由水中的溶解性固體引起的口感，只有當這些離子（如氯離子、硫酸根、鈉離子、鈣/鎂離子等）濃度非常高時，大多數人群在口感上才不能接受。

飲用水中存在的許多元素是人體所需的必要元素，包括鈣/鎂、硒、銅、鋅等。世界衛生組織（WHO）給出了這些必需元素每日攝入量的建議值，還給出了當這些必要元素在飲用水中濃度過高時的口感問題和健康危害：

1）總溶解固體（TDS）。飲用水中的TDS主要包括鈣/鎂、鈉、鉀等陽離子和碳酸氫根、氯離子、硫酸根等陰離子。一般認為當TDS濃度低于600mg/L時水的口感為好，而當TDS濃度高于1000mg/L時口感變差，且濃度越高口感越差。飲用水中TDS濃度很高時，還會導致熱水器、開水壺和其他家用電器的結垢問題。

水的健康性與TDS也存在正相關關系。這是因為在一般情況下，水的TDS值越大，鈣/鎂離子濃度越高。同酸性水相比，堿性水更健康。這主要與水的腐蝕性有關。酸性水的腐蝕性更強，能夠溶解管道材料中存在的有毒有害物質（如鉛和鎘）。

2）硬度。飲用水中的硬度主要由鈣離子和鎂離子貢獻。很多人能夠感覺到飲用水硬度的變化。不同人群對飲用水硬度的接受程度差異很大，部分人群能夠接受硬度超過500mg/L的飲用水。受水中共存陰離子類型的影響，鈣的“味”閾值在100～300mg/L之間。

3）硒。硒是人體必需的微量元素。飲用水對硒攝入的貢獻很小。缺硒可能有一些潛在的不利影響，但影響程度與身體和營養狀況密切相關。FAO/WHO確立的最高允許硒攝入量為400μg/d。假定飲用水提供20%的硒攝入量，飲用水中硒的最高允許濃度為40μg/L。

4）銅。銅是人體必需的微量元素。正常人群有自動維持體內銅元素平衡的機能。但如果銅元素攝入量過大，這種平衡可能會打破。WHO確立的最高允許銅攝入量為10mg/d。銅的攝入主要來源于食物。但如果使用銅質管道，飲用水中可能會含有一定濃度的銅離子。當飲用水中銅離子濃度較高時，可能會引起腸胃不適。當飲用水中銅離子濃度大于2.5mg/L時，會帶有苦味。為了防止銅的過量攝入，飲用水中銅離子的濃度不應超過2mg/L。但當飲用水中銅離子的濃度高于1mg/L時，會導致衛生器具和衣物染色。建議飲用水中銅離子濃度不高于1mg/L。

5）鋅。鋅是人體必需的微量元素。成人的每日需鋅量為15～20mg。食物是鋅攝入的主要來源。地表水和地下水（飲用水源）中鋅的濃度很少能分別超過0.01mg/L和0.05mg/L。當使用鍍鋅管時，飲用水中鋅的濃度可能較高。但即便如此，也無需從健康角度對飲用水中鋅離子的濃度進行限定。聯合國糧農組織和世界衛生組織下的食品添加劑聯合專家委員會建議的每日最高允許鋅攝入量為1mg/kg體重。但當飲用水中鋅的濃度高于4mg/L時，會有澀味；高于3～5mg/L時，會呈現乳白色，煮沸后會在水面形成油脂狀膜層。建議飲用水中鋅離子濃度不高于3mg/L。

6）鈉/氯離子/硫酸根。在室溫下，鈉離子、氯離子（咸味）和硫酸根的味閾值分別在200mg/L左右、200～300mg/L和250～1000mg/L。食鹽（而不是飲用水）是人體攝入鈉離子和氯離子的主要來源。沒有充足的證據證明高血壓與飲用水中的鈉離子濃度存在相關關系。地下水源飲用水中的硫酸根濃度可能很高。因此，飲用水可能成為人體攝入硫酸根的重要或主要來源。無需從健康角度對飲用水中的鈉離子、氯離子和硫酸根離子濃度進行限定。建議飲用水中鈉離子、氯離子和硫酸根離子濃度分別不高于200mg/L、250mg/L和250mg/L。

許多研究表明飲用水存在健康性，水的健康性主要與硬度（鈣/鎂離子濃度）、TDS、pH值等綜合性水質指標都存在相關關系。

（2）南水北調進京水水質特點。

從水質研究結果來看，根據初步研究及對比分析，南水具有以下特點：

1）硬度低。南水總硬度（鈣鎂等離子含量）約110mg/L，本地地下水總硬度約210～410mg/L。所以，最直觀的體現是水堿較少。

2）腐蝕性小。南水腐蝕性離子含量，如氯離子、硫酸鹽含量均顯著低于本地地下水及密云水庫水。

3）口感好。南水pH值約為7.5～8.5，呈弱堿性，礦化度低，再加上硬度低、氯化物和硫酸鹽含量低。具體表現為南水口感軟、甜，沒有苦澀感。

4）自凈能力強。來水穩定在地表水Ⅱ類水平，在調蓄設施長時間存蓄后，所存水體水質一直維持在地表水Ⅱ類水平，并未變壞。

5）透明度高。

一是南水透明度約為2～4.5m；二是因水體礦物質離子含量的差異，對光線的折射率不同，南水呈現出淺綠色。

（3）南水北調進京入水口斷面水質較調水前密云水庫水質對比和分析。

1）水質對比[2]。密云水庫原設計是以防洪、灌溉為主的具有多年調節能力的大型綜合利用水利工程。近年來，該水庫也是北京市生活用水的唯一地表水源，擔負著向北京市供水的重要任務。“南水北調來水調入密云水庫調蓄工程”是北京南水北調配套工程體系中的重要環節，按照相關規劃，該調蓄工程平均每年由南水北調來水向密云水庫調水3.58億m3，每年調入密云水庫的水量相當于密云水庫現狀的全年上游來水入庫水量。

密云水庫位于北京市東北部的密云縣境內于1960年建成使用。該水庫按千年一遇洪水設計，萬年一遇洪水校核，總庫容43.75億m3，興利庫容35.45m3，調洪庫容11.08億m3，最高水位水面面積達188km2。密云水庫橫跨潮河、白河主河道，屬于海河流域潮白河水系中游，控制流域面積1.5788萬km2，占潮白河流域面積的88%。

密云水庫調蓄工程主要是從頤和園內團城湖取水，將南水北調來水加壓輸送至北京重要水源地——密云水庫，增加其蓄水量。該工程于2015年5月進入試運行調試階段。通過這項工程，不僅可以增加密云水庫蓄水量，提高北京水資源戰略儲備，還可以實現南水北調、密云水庫、地下水的聯合調度，提高全市供水保證率，擴大南水北調供水范圍，使北京除延慶外，均可通過已建或新建工程使用南水北調來水。2016年全年的總調水量達1.86億m3。

根據《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅱ類水標準，南水北調中線來水水質大多數指標符合該標準要求。

2014年12月，南水北調中線工程正式通水，根據北京市水務局對密云水庫的監測，密云水庫的主要水質指標見表2.3。

而根據南水北調水質監測中心的水質監測結果，南水北調來水水質從2013年10月到2014年9月的主要指標見表2.4。

2014年12月，南水北調中線工程一期正式通水前，原水經過長時間長距離運輸以及沖渠等過程，各項水質指標變化波動較為明顯（表2.4），因此，本章將選取調蓄工程之前的密云水庫水質指標與通水之后較為穩定的南水北調來水水質指標進行對比，得出北京市水源水質的主要變化。

根據南水北調水質監測中心監測到的數據，南水北調的來水水質在2015年5月到2017年4月的各項指標見表2.5。

根據北京市水務局的監測數據，對比南水北調的來水水質（表2.5）與密云水庫的原水水質（表2.3），得出圖2.14對比圖，如圖所示，4月、5月、9月、10月間，南水北調來水中的硫酸鹽含量波動較大，但基本都要低于密云水庫的相應指標。密云水庫的硫酸鹽含量波動不大，基本保持在50mg/L左右。

如圖2.15所示，南水北調來水與密云水庫的氯化物指數基本相近，但南水北調水隨著月份的不同，在氯化物指標方面表現出較大的差異，而密云水庫的氯化物含量波動不大，基本保持在13mg/L左右。

水總硬度是指水中Ca2+、Mg2+的總量，它包括暫時硬度和永久硬度。水中Ca2+、Mg2+以酸式碳酸鹽形式存在的部分，因其遇熱即形成碳酸鹽沉淀而被除去，稱之為暫時硬度；而以硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物等形式存在的部分，因其性質比較穩定，不能夠通過加熱的方式除去，故稱為永久硬度。如圖2.16所示，南水北調來水的總硬度明顯要低于密云水庫的總硬度指數。

綜上所述，南水北調來水與調水前密云水庫水相比較，在硫酸鹽、氯化物、總硬度等指標上有一定的差異，南水北調來水的水質相關指標一般優于北京市密云水庫的本地水。

2）南水北調后水源水質的變化和分析結論。通過上述部分對南水北調來水斷面的水質與密云水庫的水質指標進行對比分析后得出，2014年正式通水之前，在硫酸鹽、氯化物、總硬度以及硝酸鹽方面，南水北調來水的相關數據要顯著高于密云水庫水，特別是在2013年10月至2014年3月試運行期間，南水北調來水中硫酸鹽和氯化物含量明顯高于密云水庫，但隨著時間的增長，各項指標有逐漸減小的趨勢。密云水庫水各指標數值相對穩定，而南水北調來水各指標則有較大浮動。

根據表2.5所示，2015—2017年期間，隨著南水北調來水的持續進行，各項指標也開始逐漸減低并趨于穩定。在影響飲用水口感及嗅覺的幾個重要指標中，南水北調來水中的硫酸根、氯化物、總硬度等都要明顯低于密云水庫中各指標的含量。其中，南水北調來水中的硫酸根與密云水庫中的相應指標相比，最高降低了34.5%；氯化物的含量最多減少了60.5%；水源變化后總硬度的降低尤為明顯，也較為穩定，最高降低了47.4%。

（4）實地調研南水北調水對北京市居民水質影響。

2014年12月，南水北調中線工程正式通水，因此，本次調研選取的對象為飲用南水的城六區居民，本次調研主要針對2014年12月開始南水北調南水供應的北京市居民進行抽選調查，有效樣本量約596份，結果如下。

1）凈水設備安裝情況。根據調查問卷的結果分析，受訪的居民中共有58%的家庭安裝有凈水設備（圖2.17），說明大多數居民對于飲用水的安全、口感及健康問題較為重視。

2）飲用口感變化。根據圖2.18所示，2014年12月南水北調中線工程正式通水之后，受訪對象中有25%的居民認為自來水作為飲用水的口感有了提升，更為甘甜；而40%的居民對于飲用水口感的變化無明顯感受，說明在南水貫通前后，影響飲用水口感的硫酸根、氯化物等含量都控制在安全范圍內（圖2.18）。

3）熱水壺結垢情況。熱水壺的結垢情況能夠直觀地反映出水源改變之后，飲用水中的溶解性總固體和總硬度的變化。如圖2.19所示，36%的居民認為南水貫通之后，結垢情況有了明顯好轉，證明了水源切換后，溶解性總固體和總硬度都有一定程度的降低。

4）自來水出水情況。針對2008年北京市出現的“黃水”現象，各水廠進行了水處理工藝的適應性調試，調查問卷的結果顯示，68%的居民認為自來水的出水顏色沒有改變（圖2.20），證明水廠工藝的調試工作解決了外地水與本地水水質之間的差異問題。

5）居民對自來水安全性評價。在本次調研中，72%的居民對于自來水作為飲用水的安全問題沒有感受，25%的居民認為可放心將自來水作為飲用水使用（圖2.21）。因此，政府在以后的工作中，也應該加強居民對于用水安全、用水健康的認識。

6）自來水與手部觸感。自來水與手部接觸的感受一般取決于水中總堿度的變化。南水北調來水中總堿度有所降低，但指標與原密云水庫相比變化不大，因此，58%的居民對自來水與手部的觸感變化無明顯感受，僅有18%的居民認為清爽感有所提升（圖2.22）。

2.1.2.2　南水北調來水對水廠工藝的影響[3]

（1）常規凈水工程方案。

中國城鎮供水協會于2005年出版的《城市供水行業2010年技術進步發展規劃及2020年遠景規劃》（以下簡稱《水規劃》）從城市供水規模、人均GDP、城市地位以及對外開放程度等方面，設定三級水質目標，主要目的是為確保供水系統與我國經濟發展的協調性，同時促進其國際化進程。一級目標主要對出廠水濁度、耗氧量、賈第蟲及隱孢子蟲做出明確規定，強調水質要符合國際標準，達到歐盟水質要求或美國EPA飲用水水質標準。所針對的是直轄市、經濟發展水平較高城市、國際旅游城市、日供水規模超過100萬m3，以及人均GDP超過5000美元的城市。北京市屬于一級目標城市。考慮到出廠水向用戶輸送過程中濁度會提升0.3～0.5NTU，所以，出于確保供水安全性考慮，必須設定更低的出廠水濁度標準。

水廠進行原水水質處理應重點把握以下幾點：①低溫低濁水；②可能的微污染帶來的藻類、色、嗅、味等污染；③突發性原水污染；④將出廠水濁度控制在0.3NTU以下（保證率大于95%）；⑤出廠水進入管網可能出現的化學穩定性問題。

常規凈水工藝通常包括以下幾種。

1）混凝與分離工藝。混凝與分離是常規處理水凈化工藝最為關鍵的兩部分，其中，混凝處理，可以將原水中的雜質轉化為絮狀形態；分離處理，主要是借助沉淀或氣浮將前一步驟形成的絮狀雜質予以有效去除。

固液分離是在重力作用下實現的。密度不同，懸浮物在液體中發生的變化也有所差異：懸浮物密度大于液體密度情況下，發生沉降分離變化，具體包括澄清與沉淀濃縮；懸浮物密度小于液體密度情況下出現氣浮分離變化。壓力溶氣氣浮即借助人為方式制造大量微氣泡，并在固體顆粒上進行附著，從而使其密度低于液體密度而上浮，進而實現固液分離。

2）絮凝沉淀工藝。

a.機械攪拌澄清池。

基本原理：原水中的顆粒與機械攪拌澄清池中沉淀泥渣在碰撞過程中發生接觸、吸附與聚合，形成與水相分離的絮粒，最終完成澄清操作。混凝與分離過程均在澄清池中發生。

b.高效澄清池。

高效澄清池屬于高效沉淀池范疇，我國大量實踐驗證了其顯著的低溫低濁水處理效果。高效澄清池主要包括混合區、絮凝區、推流區、沉淀區、后絮凝區、濃縮區、泥渣回流系統以及剩余泥渣排放系統等部分。基本原理為：將混凝劑添加至原水，使二者迅速結合并引入絮凝池，再與沉淀池濃縮區沉淀泥渣混合，之后添加PAM借助螺旋槳攪拌器達到絮凝效果；攪拌完成后引入沉淀區，泥渣下沉，借助斜管區對澄清水進行分離，利用集水槽進行收集。沉淀池中泥渣，有些在螺桿泵回流過程中與原水混合，其他則借助螺桿泵排出。

c.上向流炭吸附反應澄清池。

上向流炭吸附反應澄清池由脈沖發生器系統、配水穩流系統、澄清系統以及排泥系統等四部分構成。借助脈沖配水方式對懸浮層泥渣濃度進行調節，通過周期性的充水與放水，實現懸浮層泥渣交替膨脹與收縮，以確保原水顆粒與泥渣能夠有足夠接觸，最終達到澄清目的。

上向流炭吸附反應澄清池基本原理：向原水中添加絮凝劑（FeCl3）與粉末活性炭，并進行充分攪拌混合，引入真空室，借助配水干渠配水支管孔口均勻噴出，迅速在穩流板進行混合，此處發生初步反應；之后借助穩流板實現水流緩慢、垂直上升，在懸浮層中受“脈沖”水流影響而進行上下規律運動，在膨脹與壓縮沉淀間切換，絮凝體顆粒充分碰撞、接觸、凝聚，在泥炭懸浮層吸附原水顆粒中有機物，之后借助斜管組件開展固液分離并最終完成原水澄清處理。利用集水槽將完成澄清處理的水引出，同時借助穿孔排泥管將過剩泥渣排出。

上向流炭吸附反應澄清池的不足主要是：對用地面積要求高，導致粉末炭浪費，所需配管及穩流板材料多，檢查真空系統與排泥系統的工作量大，并且容易導致底部沉泥問題，要定期清理。

d.氣浮工藝。

氣浮工藝原理是促成原水懸浮顆粒上升并浮于水面。與水相比，氣泡重度低，浮力大，以微小氣泡的形式黏貼在固體顆粒礬花上，可以帶動絮粒迅速上浮，在較短的時間內實現固液分離目的。

絮凝G值及時間、快速混合G值及時間、水溫、酸堿度、溶氣水回流比、氣浮紊動強度G值、氣浮接觸時間、靜沉時間等都會對氣浮效果造成一定影響。氣浮工藝的不足主要是：必須具備供氣、溶氣及釋放系統，所用設備數量及維護任務量大，能源消耗高，如果來水水質極差會導致環境問題。在水濁度較高時，必須添加預沉池，否則難以實現滿意的處理效果。

混凝與分離過程構筑物性能對比見表2.6。綜上所述，機械加速澄清池重力排泥含水率不高，處理效果佳，所需設備量低，成本不高，適應性強，建議在常規處理環節首選機械加速澄清池進行前期的混凝與分離處理。

3）臭氧-生物活性炭處理工藝。臭氧-生物活性炭工藝是一種融合了臭氧化學氧化、活性炭物理化學吸附、生物氧化降解及臭氧滅菌消毒等技術的綜合工藝。第一，借助對原水中有機物及還原物質進行氧化分解處理，這樣可以減輕生物活性炭濾池負擔，并且原水中生物降解難度較高的有機物會在臭氧氧化作用下完成斷鏈、開環等生化特性轉變。利用臭氧，一方面可以通過氧化有害有機物而將其轉變為無害物，另一方面，還能促進小分子有機物數量增加，從而顯著提升活性炭吸附性。活性炭的作用主要是對原水中可溶性有機物進行吸附，此外還對微生物具有富集效果，促進其表面生物膜形成。處于碳床中的微生物以有機物為養料，在自身充氧過程中繁殖好氣菌，加快被活性炭吸附的小分子有機物的降解。水中有機物、氨氮、無機還原性物質、色度以及濁度等均能通過臭氧-生物活性炭工藝予以去除，不僅如此，水質突變活性也會得到有效控制。

臭氧-生物活性炭工藝對于水中有機污染物的去除效果已經得到全球認可，臭氧-生物活性炭工藝以活性炭吸附性為依托，兼具臭氧、活性炭二者優勢，臭氧與活性炭單用其一，都無法達到這樣的效果：若用臭氧，費用高，導致水中可生物同化有機碳（AOC）含量升高，降低水的生物穩定性；單用活性炭，會降低吸附與微生物降解協同效果，還會影響飽和度維持時間，需要頻繁再生。而將臭氧與活性炭結合使用，能夠有效解決單用二者所導致的不足，將二者優勢予以有效發揮，顯著提升水質處理效果。與此同時，臭氧與活性炭結合使用可以實現對AOC值的有效控制，顯著增強出水生物穩定性，延長附著于活性炭微生物活性，從而達到提升活性炭再生周期目的。

臭氧-生物活性炭深度處理工藝優點可以總結為：

a.對有機物的分子結構予以調整，促進水質生物穩定性提升。

借助臭氧活性炭技術可以將原水有機物基本去除，臭氧導致的小分子有機物還需要經過生物活性炭的二次降解。國內外研究證實，在CODMn去除率方面，深度處理技術處理效果比常規處理技術提升10%～20%，對于水源水質的改變能夠更好應對。

臭氧屬于強氧化劑的一種，對于水中有機物可生物降解性具有顯著改善作用，提升AOC含量。臭氧與活性炭吸附池結合使用，在形成生物膜后降解臭氧氧化物，從而實現對出水AOC水平的有效控制。國內外大量實踐證實，臭氧-生物活性炭吸附技術去除AOC效果極為顯著，對飲用水水質生物穩定性具有很好的維護作用。

b.對水中病原微生物具有顯著滅活效果。

在隱孢子蟲卵囊滅活能力方面，游離氯及氯氨的效果遠不及臭氧。研究指出，隱孢子蟲卵囊與1mg/L臭氧進行五分鐘接觸，可以消滅90%活性。所以，在水處理過程中借助臭氧可以顯著消滅“兩蟲”活性，換言之，臭氧-生物活性炭吸附工藝進一步強化了常規工藝安全性。

除此之外，臭氧-生物活性炭深度處理工藝對于水中消毒副產物生產還具有明顯控制效果。

臭氧-生物活性炭深度處理工藝也存在自身不足，具體體現為：

a.對于穩定性較高的農藥類殘余以及有機鹵代物等，臭氧氧化的分解效果十分有限。

b.如果原水溴離子濃度達到一定標準，采取臭氧技術會生成具有強致癌性的溴酸鹽。

c.生成的炭床生物膜存在脫落可能性，進而影響出水濁度與生物穿透幾率。

對于水源水質污染，如果單純借助常規措施遠遠達不到預期效果，相比較于常規處理工藝而言，深度處理工藝效果更為顯著，在水質安全性以及水質規劃目標的實現等方面都具有重要意義。

鑒于南水北調來水后水質具有不確定性，且可能在遠距離輸送過程中造成有機和微生物污染，因此，建議在原有的常規處理工藝基礎之上引入臭氧-生物活性炭吸附過濾的深度處理工藝。

4）超濾膜處理工藝。超濾膜處理工藝的優點可以總結為：①借助超濾膜技術可以顯著改善出水濁度，一般可以控制在0.1NTU以下，同時保持水質穩定性；②對于兩蟲的控制效果顯著，可以有效去除隱孢子蟲屬、賈第鞭毛蟲屬、大腸桿菌等腸球菌等；③有效避免消毒副產物，顯著減少常規消毒工藝藥劑添加量；④用地面積小，建設費用低、建設周期短；⑤水廠自動化水平高，極大減輕管理負擔。

超濾膜處理技術也存在自身缺點，主要有：

a.膜污染問題。膜表面與孔隙中沉積會吸附水中一些物質，從而加大過濾阻力，影響過濾效果，甚至會導致膜堵塞，減少膜的使用期限，從而導致膜處理成本升高。

b.低溫影響。水物理性質受水溫影響，水黏度隨著水溫的降低而增加，從而減少膜處理系統通水量，在2～5℃水溫條件下，這一問題更加嚴重，為確保過濾效果，必須對濾膜進行多次頻繁沖洗。

c.資金投入量大，并且膜組件需要定期更換，運行成本高，涉及儀表數量多，控制工作繁雜，現階段缺乏統一的產品標準，未構建起完善的設計與驗收標準。

綜上所述，鑒于北京市已經成為國際化大都市，人民生活水平日益提高，對供水安全性和質量標準要求越來越高，南水北調來水后有必要實施深度處理工藝。利用臭氧-生物活性炭吸附技術，對于水質色、嗅及味等指標具有顯著改善效果；利用超濾膜及活性炭工藝能夠在上述基礎之上，將出水濁度控制在更低水平。

（2）北京市自來水水廠工藝適應性變化。

南水北調來水與北京市本地水之間的水質差異在2008年南水北調中線一期工程通水時就已經顯現。2008年，北京自來水出現“黃水”事件，通過北京市水務局組成的專家小組對北京市自來水廠的工藝流程進行全程模擬實驗，試驗發現，造成北京市黃水現象的關鍵在于混合水中硫酸根以及氯離子的大幅增加與堿度的減少，致水體腐蝕性增強，使北京市供水管網中的酸堿平衡狀態出現失衡，管垢保護層脫落，內層疏松的鐵銹進入水體之中，從而引發北京市的黃水現象。研究結果表明，正是由于外地水和本地水之間存在著較大的水質差異，使北京市各水廠工藝在短期內難以適應，導致供水出現問題。

針對上述情況，負責南水北調來水與本地水協同供應的田村山水廠、第三水廠、第九水廠對其凈水工藝進行了有針對性的調適。

1）田村山水廠。田村山水廠位于北京市海淀區的田村山地區，建于1985年，設計能力17萬m3/d，建成之初為亞洲最先進的地表水廠，主要以處理地表水水源為主。由于設計時間較早，期間也經過一些設備與工藝的改造，為了能夠滿足南水北調來水之后的水處理需求，田村山水廠對處理能力進行了升級。工藝流程如圖2.23所示。

改造之后，新增了混合井、V型濾池、臭氧接觸池、活性炭吸附池、設備間及加氯池間等。其中V型濾池、臭氧接觸池、活性炭吸附池以綜合池的形式布置在一個構筑物內。以三氯化鐵作為混凝劑，投放劑量一般控制在17mg/L。V型濾池采用雙排布置形式，每排4格，共8格，臭氧接觸池以及生物活性炭吸附池的接觸時間分別為10min和9min。田村山水廠改造后運行效果見表2.7。

2）第三水廠。北京市第三水廠設計能力40萬m3/d，涉及地下水工藝升級改造及地表水工藝引入。其中，與南水北調來水相關的地表水處理工藝改進之后的工藝流程如圖2.24所示。

如圖2.24所示，該工藝主要涉及預氯化與預臭氧兩項關鍵處理技術，其中，預氯化工藝主要是通過5～15mg/L純度為10%的次氯酸鈉溶液實現，預臭氧處理主要是利用水射器投加1.0～1.5mg/L臭氧；高密度沉淀池由4部分構成，鋁鹽及PAM的投加量分別是30～40mg/L、0.1mg/L，上升速度為4.16mm/s；V型濾池由6格構成，利用均質石英砂實現過濾；臭氧接觸池按照2∶1∶1的比例進行布氣，同時將接觸時間控制在15.8min以內；活性炭吸附池同樣由6格構成，采用顆粒狀活性炭，接觸時間12min。第三水廠工藝改造后的運行效果見表2.8。

3）第九水廠。北京市第九水廠始建于20世紀80年代，于2002年竣工，處理規模150萬m3/d。第九水廠利用隧洞重力原理實現對密云水庫取水，同時借助投加設備進行氯、高錳酸鉀以及活性炭等物質投加，原水經75km封閉性管道之后到達水廠，在經過混凝、沉淀、過濾以及炭吸附等一系列措施之后進入清水池。第九水廠整體工程共分三期，每期工藝各有側重，其中，一期采取機械混合池+機械攪拌澄清池+煤砂雙層虹吸濾池+活性炭吸附池，具有50萬m3/d的處理規模；二、三期采取機械攪拌混合池+波形板絮凝池+側向流波形板沉淀池+無煙煤氣水反沖濾池+活性炭吸附池，共計具備100萬m3/d處理規模（圖2.25）。2005年及2007年第九水廠分別對二期絮凝沉淀工藝實施升級改造，處理規模由之前的50萬m3/d提升至66萬m3/d，使整體處理能力提升至166萬m3/d（表2.9、表2.10）。

（3）工藝改造之后的多水源適應性分析。

就現階段北京市3座水廠實際運行狀況而言，在分別以南水北調、河北四庫、密云水庫以及地下水作為水源的情況下，當前所采用的工藝都可以確保出水水質達到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）。然而不同工藝的出水水質還是有所不同的，在水質存在差異的情況之下，也要綜合考慮每種工藝自身的適應性問題，并且南水北調丹江口水庫來水具有不確定性，所以，對每種工藝實際處理效果進行綜合對比分析，進一步明確丹江口水庫來水的特點及風險，可以為選擇最適宜的工藝提供可靠性依據。

1）預處理工藝的適應性分析。通常實踐中比較常見的方式是通過預氧化或者粉末活性炭吸附等方式進行預處理。以北京第三水廠預氧化工藝實際運行效果為例，預處理效果比較明顯，通過預氯化及預臭氧可以將水中76%左右的水藻類等物質去除；與此同時，預氧化對水中有機物、異味的去除以及提升混凝度等都具有一定效果，即使是對于突發性原水污染等緊急狀況，同樣有效。粉末活性炭投加一般適用于臭味或者明顯的有機物污染等緊急狀況。鑒于南水北調來水途經數個省份，跨越里程長，所面臨的風險系數也相對較高，所以設置預處理環節極為必要。

2）澄清工藝的適應性分析。北京市現階段主要采用機械攪拌澄清池、Actilo微砂沉淀池以及高密度沉淀池等澄清工藝。

北京市第九水廠二期、第三水廠以及田村山水廠混凝沉淀工藝實踐結果證實，其所采取的澄清工藝都可以確保現實需求。相比較而言，機械攪拌澄清池，不但澄清效果顯著，并且運行管理難度較低，對機械設備的要求也較低，所需投資有限，運行實踐時間較長，已經積累了大量的成功經驗，具有很好的適應性。丹江口水庫水大致符合行業Ⅱ類水質要求，機械攪拌澄清池可以充分實現今后多水源水質需求，鑒于此，在不必考慮水廠面積的前提之下，可以將機械攪拌澄清池作為首選方案。

相較于機械攪拌澄清池，高密度沉淀池與微砂循環沉淀池運行負荷高，但占地面積相對較少。對于極易出現水質顯著變化的狀況，也可以很好適應。所以，對于水廠改造以及用地面積有限的場合，可以對其予以優先考慮。總而言之，在實踐操作過程中，要綜合水廠用地等狀況選擇最適宜的澄清工藝。

3）過濾工藝的適應性分析。現階段水廠過濾環節以傳統過濾與超濾膜技術為主。通過前述對北京市第九水廠、第三水廠以及田村山水廠運行狀況的闡述，加之我國目前濾池實際狀況的綜合分析，氣水反沖洗濾池的效果遠高于傳統的單獨水沖洗濾池；除此之外，相較于傳統過濾技術，超濾膜技術可以實現出水濁度不超過0.1NTU的目標，同時穩定性更強，可對微生物進行有效截留，特別是對于賈第鞭毛蟲以及隱孢子蟲等微生物的去除效果十分明顯，可以有效確保出水安全。所以，在過濾工藝方面，氣水反沖洗濾池或超濾膜技術都是首選方案。在氣水反沖洗濾池中，V型濾池的優勢主要是濾池深度低，結構簡單，工程投資低，過濾效果好，目前國內應用較為普遍，V型濾池已經成為現階段氣水反沖洗濾池的首選方案。

4）深度處理工藝的適應性分析。對于水源水質微污染等狀況，單純借助常規處理手段效果并不令人滿意，相比傳統水處理技術，深度處理技術的優勢十分突出。現階段北京市水廠中的深度處理工藝主要涉及活性炭吸附池、臭氧-生物活性炭吸附池等技術，北京市第三水廠以及田村山水廠的實際運行效果充分證實，臭氧-生物活性炭吸附池能夠同時實現臭氧氧化以及活性炭吸附的雙重效果，去除有機物的效果顯著。

在深度處理工藝方面，需要對活性炭吸附池的池型設計予以高度關注。北京市第三水廠以及田村山水廠都選擇了V型活性炭吸附池池型，在實際操作過程中，常出現反沖洗完成后V型槽處于進水狀態時，炭面平整度不達標的問題。這一問題會進一步引發水流阻力差異問題，使炭層薄的位置水力停留時間短于設計時間，并最終對出水水質造成影響。

導致這一問題的原因大致有以下兩方面：V型濾池由V型槽兩邊進水，常規快濾池是由洗砂排水槽進水，常規快濾池洗砂排水槽長度是V型槽的4～5倍，V型濾池側堰長有限，所承擔的流量大，濾床所承擔的沖擊力相應提升。顆粒活性炭密度低，相較于砂濾料而言，顆粒活性炭在反沖洗之后需要花費更多的時間才能實現著床。炭料在反沖洗且著床之前，極易被沖動，導致炭面有高有低現象的出現。所以，對于密度偏低的吸附性材料，過堰流量負荷低的豐字型濾池或翻板閥濾池是最佳備選方案。

2.1.2.3　對出廠水水質的影響

（1）南水北調水進京前的出廠水水質。

北京市市區共有自來水廠13座，自來水廠出廠水根據《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006），采用單因子評價法進行評價，每月對各水廠出廠水進行42項常規指標的檢測，每半年對地表水水廠出廠水進行全部106項指標的檢測。每項指標均符合相應標準要求時，認為水廠出水水質合格。表2.11為北京市自來水集團公布的2014年第一季度出廠水的42項指標，根據標準，13座自來水廠的出廠水水質全部達標，達標率為100.0%。

（2）南水北調水進京后的出廠水水質。

北京市自來水集團公布的2017年第一季度出廠水的42項指標，見表2.12。根據標準，13座自來水廠的出廠水水質全部達標，達標率為100.0%。

（3）南水北調水進京前后出廠水水質對比分析。

通過對比2014年第一季度與2017年第一季度出廠水的幾個主要指標（表2.13），南水北調中線工程通水之后，盡管自來水廠的出水水質達標率仍為100%，但影響水質與飲用口感的指標都有相應的改善。

出廠水中的氯化物最高值從70.1mg/L降為59.9mg/L，降低了14.6%。飲用水中硫酸鹽濃度過高，易使鍋爐和熱水器結垢，產生不良的水味，在有鎂離子或鈉離子存在時，硫酸鹽超過250mg/L時有致瀉作用，通過北京自來水集團的出廠水水質指標顯示，南水北調之后，出廠水中的硫酸鹽最高值由172mg/L降低到73.8mg/L，共降低57%，變化明顯。溶解性總固體指溶解于水中的固體的總量，包括不易揮發的可溶性鹽類、有機物及能通過過濾器的不溶解微粒等。飲用水中溶解性總固體濃度過高時，會造成口味不佳，甚至影響飲用者的腸胃功能，還會縮短水管、熱水器、熱水壺等家用器具的使用壽命。水的硬度是指沉淀肥皂的程度，使肥皂沉淀的原因主要是由于水中的Ca2+、Mg2+離子，此外，Fe、Al、Mn、Sr、Zn也有同樣的作用，總硬度是將上述各離子的濃度相加計算。同樣，硬度高的水使肥皂沉淀，使洗滌劑的效用大大降低，也使燒水器具及管道容易結垢影響使用壽命。

數據表明，調水之后的出廠水中，溶解性總固體的最低值由274mg/L降低到178mg/L，變化率為35%；總硬度的變化也較為明顯，最低值由239mg/L降低了45.2%，達到131mg/L。自來水處理過程中，為防止供水系統的微生物增長，必須保持供水系統中有一定的余氯含量，因此，市政自來水具有特有的氯嗅味。

2.1.2.4　供水安全保障格局顯著提升

按照《北京市南水北調配套工程后續規劃》的有關內容，2030年前構建首都多元化外調水保障體系，依靠國家調水戰略，打造東、南、西、北四條調水通道；增加地表地下蓄水，形成密云、官廳兩大地表水儲備和密懷順、平谷、西郊、昌平、房山五處地下水儲備；實現南水北調工程與本市五大水系連通，促進城市河湖及沿線河流生態恢復；建成兩道輸水環線，形成“雙環供水，相互調配”的城鄉供水安全保障格局。

南水進京之后，已為北京輸水19.4億m3，居民飲用的自來水已有七成來自南水，人均水資源從100m3提高到150m3。依據南水北調供水規劃，通州、房山、大興、門頭溝都已規劃了骨干水廠，引入南水，支撐區域發展。2015年，北京市結合國家戰略實施以及重點區域的城市規劃、用水需求，研究優化了配套工程建設計劃，提前啟動南水北調通州支線和通州水廠的建設，該項目也成為北京城市副中心第一批建成的基礎設施，每天增加20萬m3的清水。南水北調也為大興新機場的建設運營提供了充足的水資源。2017年初，南水北調大興支線工程開工，將引入南水入大興，并配套建設新機場水廠。

目前，南水北調已配套建設了供水環線、支線工程及密云水庫調蓄工程，形成了“地表水、地下水、外調水”三水聯調、環向輸水、放射供水、高效用水的安全保障格局。除南部進京的調水線路之外，北京未來還將從東、西方向各打造一條調水線路。根據北京南水北調辦公室的相關規劃，還將從萬家寨調山西、內蒙古等省份的黃河水到官廳水庫，計劃每年引水1.1億m3，該工程于2017年啟動。東側入京的水源也是長江水，將利用南水北調東線工程，從江蘇引水，經天津，再到北京，計劃每年引水8億～10億m3。除此之外，北京還將在京北的張家口、承德地區建設水源涵養區，為官廳水庫和密云水庫涵養水源，增加北向來水量。隨著外調水規模的逐漸擴大，北京將在2020年前后沿六環新建第二條供水環路，未來北京將形成四方來水、雙環供水的新格局，進一步保障城市供水安全。

為保證南水進京之后城市供水安全，2011年北京市自來水集團在丹江口岸邊建立了水處理實驗基地，為南水進京提供水治理方面的技術儲備。該實驗基地覆蓋了北京地表水水廠的處理工藝，制定南水進京方案，并切割北京城區在用的供水管網，用于丹江口水庫的適應性研究，為南水進京提供重要的基礎條件和治水方案。2014年，南水北調中線正式通水之后，北京共有七座地表水水廠接納南水北調的水源，從治水工藝上，七座水廠都具備國際最先進的水處理工藝，并針對南水北調水質的特點，加強了在基礎處理工藝之前的前端預處理及活性炭、紫外線、超濾膜等深度處理。除此之外，北京市自來水集團建設了水質在線體系，安裝了500臺實時在線檢測儀器，此外，在終端水管網增設了110處水質觀測點。先進的工藝處理技術為確保南水進京后的水質安全提供了極大的技術保障。