我国农村安全供水科技新进展
杨继富
中国水利水电科学研究院水利研究所
2005年以来全国开展了大规模的农村饮水安全工程建设，科技需求十分巨大而紧迫。为提供强有力的科技支撑，中国水利水电科学研究院等单位承担完成了“十一五”国家科技支撑计划重点项目“农村安全供水集成技术研究与示范”，在贫水区找水、高氟水与污染水处理、消毒与水质检测、雨水集蓄利用、供水标准化与信息化等方面突破了33项关键技术，取得49项国家专利；凝练形成了8项重大科技成果，实现了集成创新；建立新技术、新设备、新系统试点示范工程98处，发挥了科技示范与引领作用。本文介绍该项研究的最新进展和主要成果。
1 引言
2005年以来，全国开展了大规模的农村饮水安全工程建设，科技需求十分巨大而紧迫。为提供强有力的科技支撑，2006年经科技部批准，水利部组织实施了“十一五”国家科技支撑计划重点项目“农村安全供水集成技术研究与示范”。该项目包括9个课题，由中国水利水电科学研究院牵头承担，清华大学、中国疾病预防控制中心、中国灌溉排水发展中心、中国地质调查局水文环境地质调查中心等60多家科研单位、大学和企业的400多名科研及工程技术人员参加。
经过5年的科技研发、技术集成与示范应用，形成新技术、新产品60多项，在贫水区找水、高氟水与污染水处理、消毒与水质检测、雨水集蓄利用、供水标准化与信息化等方面突破了一批关键技术，凝练形成了8项重大科技成果即8套成熟配套技术及设备，实现了集成创新；建立新技术、新设备、新模式试点示范工程100多处，大部分成果已在试点示范工程中应用，受益人口超过10万人，发挥了科技示范作用。与此同时，通过召开“全国农村饮水安全技术交流研讨会”、出版《中国农村饮水安全科技新进展》，参加《全国农村饮水安全工程“十一五”规划》实施、《农村饮水安全工程示范县建设规划》与《实施方案》审查、“5·12”汶川抗震救灾等工作，使项目成果得到推广，有力支撑了全国农村饮水安全工程建设。
2 关键技术突破与创新
针对我国农村饮水安全存在的突出问题，即高氟水、高砷水、污染水、局部地区干旱缺水、普遍缺少消毒与水质检测，以及供水工程标准化、信息化管理薄弱问题，明确研发目标，找准制约因素，攻克技术难题，突破了30多项关键技术，取得国家专利49项，其中发明专利21项，实现了多项技术创新。
（1）在贫水区找水方面，解决了咸淡水共存区地下水矿化度定量评价、基岩山区裂隙水精准勘查和内蒙古高原薄层地下水精准定位技术难题，为我国劣质地下水地区、山丘区和干旱缺水地区找水提供了实用技术支撑。
（2）在高氟水、高砷水与污染水处理方面，攻克高碱性高氟水脱碱、除氟剂投加、絮凝体捕集与排出等技术难题，形成了强化混凝法高氟水处理成套装置和系列复合型除氟净水剂；研发了选择性膜除砷技术和系列复合型除砷净水剂；通过组合应用生物预处理和超滤、固定化微生物高效生物滤池、多介质过滤、反渗透等污染水净化新技术，形成了三套微污染水净化成套装置，能够有效去除水中有机物、氨氮及综合污染；开发了自动弃流与粗滤组合的雨水预处理技术、一体化窖水生物慢滤净化技术，为雨水安全集蓄与利用提供了新技术、新装置。
（3）在饮用水消毒与水质检测方面，开发和改进了二氧化氯消毒技术、臭氧消毒副产物控制技术、离子膜法电解食盐现场氯气制备技术、无隔膜法电解食盐次氯酸钠发生器升级技术以及带磁力传动自动清洗的紫外线消毒技术；研发了余氯、浊度在线监测技术、臭氧快速测试方法、小型水厂实验室水质检测技术、试剂、装置以及便携式水质（理化指标）快速测定技术，解决了农村饮用水消毒与水质检测技术难题。
（4）在农村供水工程标准化设计与信息化管理方面，开发了环状与枝状混合型供水管网优化设计方法和软件、组合式净水构筑物、供水工程设计标准化与信息化集成技术、全国农村饮水安全信息管理系统，有效提高了农村供水工程设计与管理水平。
3 农村安全供水成套技术及设备
通过技术集成与示范应用，在贫水区找水、高氟水与污染水处理、消毒与水质检测、雨水集蓄利用、供水标准化与信息化方面形成了八套适合农村供水特点的成套技术及设备，实现了集成创新。
3.1 贫水区地下水勘察技术模式
针对我国西北内陆盆地及滨海地区咸淡水共存，居民长期饮用苦咸水、高氟水的问题，以及基岩山区及内蒙古高原薄层含水区农村严重缺水问题，结合不同地区水文地质特点，形成了3套地下水精准勘察技术模式，并在示范工程中应用。
（1）咸淡水共存区寻找淡水体物探勘察技术模式。首先选择高分辨率电法获取并识别地层有效信息；采用快速松弛法RRI等信息数据处理方法查明地层结构，准确求取地层真电阻率值；然后充分考虑不同地区地层孔隙度、泥质系数、孔隙指数、温度等影响因素，建立不同地质单元地层电阻率与地下水矿化度的数学关系；以GIS技术为基础，应用Visual C++语言编程，开发建立了咸淡水共存区地下水矿化度评价系统，实现对地下水矿化度的定量准确评价，大幅提高了咸淡水共存区淡水体勘察精度与找水成功率。
（2）基岩山区地下水勘察技术模式。针对基岩山区地形条件复杂的影响，首先采用遥感大比例尺构造解译与水文地质调查圈定地下水资源靶区；然后选取常规有效的物探方法快速确定基岩构造水平分布位置及分布规律；根据不同探测深度，分别选择直流电阻率法、激发极化法或核磁共振法（浅层）和频率域或时间域电磁测深法、频率激电测深法（深层）等物探新技术，精细查明构造空间分布特征，判断富水性；最终通过专业会商确定构造靶区和井位。
（3）薄层地下水勘察技术模式。通过野外试验、组合对比及探测数据分析得知，高分辨率电法能够精确划分电性层，但不能对含水层作出直接判断；核磁共振法灵敏度强，是物探方法中唯一能够直接反应含水层信息的方法，解译的含水层层位、水量与实际接近，但探测深度有一定局限。通过两者组合应用，形成了内蒙古高原薄层地下水勘察技术模式。
3.2 高氟水处理新材料及成套设备
由于我国农村饮用高氟水人口多、涉及面广、危害大，能否攻克其处理技术难题是彻底解决农村饮水安全问题的关键。高氟水有多种类型，其中高碱度型高氟水和多项指标超标的高氟地下水处理难度最大。通过研制新型高效除氟药剂，开发强化混凝除氟新工艺、新设备，形成了系列复合型除氟净水剂和高氟水处理成套设备。
（1）HX115系列复合型除氟净水剂。以廉价除氟粉末吸附剂为主成分，加入无机混凝剂和有机絮凝剂，采用包覆复配技术制成，形成了HX115系列复合型除氟净水剂。包括适用于低碱度高氟水处理的HX115A型、适用于高碱度高氟水处理的HX115B型和适用于多种指标超标地下水净化的HX115通用型除氟净水剂。该除氟剂为粉状，密封包装，已定型批量生产和销售。
（2）HX115系列高氟水处理成套设备。该设备采用蠕动泵或螺杆泵，辅以回流器的加药系统，解决了浆料加药难题；采用纤维滤料作为截留吸附细颗粒的高效填料，研制出不停机鼓气反冲洗填料床的运行方法，解决了絮凝体捕集和排出问题；研制了拼装式条缝滤板式布水和配水系统，大幅降低了设备高度，实现了成套设备的整体运输和现场拼装。同时研制了前置浅池脱碱技术和设备，可有效降低原水的重碳酸盐浓度，适合高碱度高氟水的预处理。集成上述技术，开发形成了HX115-10型高氟水净化成套设备（净化能力10m3/h）和HX115-5A型除氟成套设备（针对高碱度高氟水，净化能力5m3/h）。该设备已在山西、河北等地示范应用。
3.3 微污染水净化成套技术及装置
针对农村地表水和地下水源受到有机物、“三氮”及复合污染等问题，开发了微污染水净化成套技术及装置3套，并在重庆、河北、天津、甘肃等地应用。
（1）以超滤技术为核心的微污染地表水净化成套技术及装置。针对地表水源有机物污染突出的问题，开发了以超滤净化技术为核心，组合应用生物预处理、活性炭吸附及自动控制技术等，形成了微污染地表水净化成套技术及装置。该装置处理能力200m3/d，已在重庆农村供水中应用。
（2）微污染地下水生物滤池净化成套技术及装置。以改性聚氨酯（FPU）载体固定化微生物形成高效生物滤池为核心，组合应用离子交换技术和活性炭吸附技术，实现对地下水中化学需氧量（COD）、痕量有机物、微生物及矿化物的有效净化。该技术及设备已在甘肃农村建立示范工程。
（3）微污染地下水多介质过滤净化成套技术及装置。针对地下水中高TDS、有机物、三氮等复合污染，开发形成了多介质过滤与活性炭吸附及反渗透模块集成应用的污染地下水净化系统。该系统运行操作为全自动化“傻瓜”型设计，净水能力10m3/d，适用于单村小型供水工程，已在河北、天津农村示范应用。
3.4 农村安全供水成套消毒技术与设备
针对我国农村供水普遍缺乏消毒措施的实际，形成了适合农村供水的成套消毒技术及设备，已在较大范围示范应用，并列入2011～2013年水利部科技推广计划项目。
（1）农村安全供水成套消毒技术。通过对四种消毒技术——次氯酸钠、二氧化氯、臭氧、紫外线消毒的系统研究，形成了农村安全供水成套消毒技术，包括消毒机理、特点、适用条件、安全投加量、投加方式及设备选型、消毒成本等。其中规模较大的集中供水工程推荐选用二氧化氯和次氯酸钠消毒，小规模单村集中供水工程推荐选用紫外线、次氯酸钠或臭氧消毒。以该成果为基础形成的农村安全供水消毒技术要点，已于2010年经水利部农村水利司印发各省（自治区、直辖市）水利厅参考。
（2）农村安全供水消毒成套设备。开发形成了适宜集中供水消毒装置4套和家用消毒装置3套。①借鉴制碱工业的电解技术，首次研制了离子膜法电解食盐现场制备次氯酸钠装置，提高了有效氯浓度和纯度，降低了盐耗和电耗，运行成本比传统方法降低40%以上；②改进无隔膜法电解食盐次氯酸钠发生器，解决了电解槽结垢和腐蚀出黑水难题；③改进复合型二氧化氯发生器，有效提高了反应器的热传导效率、曝气效果、反映效率和氯酸钠转换率，并配套开发了高纯型和复合型二氧化氯发生器自动投加装置；④开发的带磁力自动清洗装置的紫外线消毒装置，解决了过流式紫外线消毒装置的结垢清洗难题；⑤研发了家用消毒装置——新型缓释消毒剂及投加装置、超滤膜净水装置和静态紫外线消毒装置。
3.5 农村供水水质检测成套技术及设备
针对目前市场上已有水质检测设备价格昂贵、或检测时间长、操作方法复杂、样品处理及检测费用高等问题，开发形成了适用于农村大中型供水工程、中小型供水工程和分散供水的水质检测技术及设备，并示范应用。
（1）农村大中型供水工程水质在线监测装置。重点开发余氯、浊度在线监测技术、多参数集成及远程传输技术，形成的水质在线自动监测装置，能够监测余氯、二氧化氯、浊度、pH值、电导率、水量等6项指标。该装置已在重庆农村供水工程应用，售价约为国外同类设备的50%，性价比良好。
（2）农村中小型供水工程水质检测成套技术及设备。依据国家和行业标准，按照突出重点指标、兼顾常规指标的原则，选定了农村中小型供水工程水质检验的35项指标。通过试验研究与调研比选，选择性能稳定、价格合理的常用水质检验设备和方法，研制了便携式余氯、二氧化氯等五参数快速测试仪、微生物培养箱、便携式多参数消毒剂余量比色计、“标准比色板”、成品试剂、四种微生物检验固体培养基，水样采集用品、水质检验标准化成品试剂、便携式臭氧快速测试方法、光催化实验室纯水装置等，能够检测35项指标。该成套设备价格3万～4万元/套，35项水质指标检验成本100～150元/次，仅为外送检验费的15%～20%，一般农村供水工程均可接受，适宜推广应用。
（3）便携式快速测定装置和方法。研制了便携式理化快速测定装置和简易微生物检验装置，建立了15种水质理化指标的快速检验方法，能够检测17项水质指标，适用于农村分散供水检测及现场检测。与国外同类设备对比，成本降低20%，试剂费用降低70%。
3.6 雨水安全集蓄与利用技术模式
针对农村雨水集蓄利用中普遍存在供水保证率低、水质状况差的问题，研发了效果好、成本低的雨水预处理与水质净化技术及装置，形成了单户和村级雨水安全集蓄与利用技术模式。
（1）单户雨水安全集蓄与利用技术模式。包括一体化窖水生物慢滤技术模式、终端多级精滤净化技术模式和利用固化土集雨材料的雨水利用模式。其中一体化窖水生物慢滤技术模式采用自动弃流、粗滤、一体化窖水慢滤技术及装置，大幅度提高了水质安全保证程度；具有投资低、无需运行维护、无需化学药品、使用管理方便、可持续运行等特点，已在山东省长岛县示范应用。
（2）村级雨水安全集蓄与利用技术模式。结合山东省长岛县连城村的实际，形成了集中式雨水集蓄利用生物慢滤净化成套技术模式。该模式由利用天然林草地山坡汇集雨水、建小水塘蓄水、自流管道输水、生物慢滤水质净化系统、清水池/高位水池（可接触消毒）组成，自流供水到村集中供水点或供水入户，解决了该村500多人饮水安全问题。
3.7 农村供水工程设计与管理标准化、信息化集成技术
为有效提高农村供水工程设计与管理水平，研究编制了农村供水工程规划设计指南、设计图集和计算机辅助设计软件，创建了全国农村饮水安全信息管理系统，得到了行业主管部门及设计单位的认可和应用。
（1）农村供水工程设计标准化、信息化集成技术。包括农村供水工程规划设计指南、设计图集和计算机辅助设计软件，三者相辅相成、形成有机整体。即在国家和行业标准的指导下，为编制农村供水工程可行性研究报告和初步设计提供技术指导、计算机辅助设计手段和设计图纸范例，为国内首创。其中设计指南是农村供工程规划设计的指导性技术文件，用于指导设计人员系统掌握农村供水工程规划设计的内容、方法、依据及要求；设计图集是农村供水工程可行性研究报告和初步设计的重要组成，为设计人员编制初步设计图纸及说明提供范例，有效提高制图能力和水平；计算机辅助设计软件采用人机对话方式引导设计人员按照设计指南要求选择和输入设计、参数等，完成取水、输水、净水、配水及调节构筑物等各个环节设计，自动生成可研报告和初步设计文件等，可有效提高设计水平和工作效率。该集成技术已列入《2011年度水利先进适用技术重点推广指导目录》。
（2）全国农村饮水安全信息管理系统。由行业概况、项目概况、工程规划、工程建设、运行管理、通知公告、网上办公、数据采集、资料档案、系统管理、帮助11个模块组成，具备农村供水信息收集、发布、智能查询、统计分析、数据库与数据恢复等功能；能够实现饮水安全现状、工程规划、工程建设及运行管理数据的分级采集、处理、分析等管理功能；具备通知公告、网上办公、资料管理等办公自动化功能。系统功能稳定、可靠，运行高效；编码规范，便于管理、维护及升级，操作方便；硬件设备配置满足系统运行要求。该系统已在全国农村饮水安全工程建设与管理中运行，对提高行业管理水平和工作效率发挥了重要作用，引领和带动了全国农村供水管理信息化的发展。
3.8 农村安全供水工程技术集成模式
根据南方平原河网区和劣质水地区的实际，研究建立了规模化集中供水和分质供水工程技术模式，并示范应用。
（1）平原区农村规模化集中供水工程技术模式。针对南方平原区地表水源普遍存在低浊、高藻、微污染水的特点，开展了地表水源水质变化规律、常规水处理工艺与活性炭及高锰酸钾优化组合技术研究，形成了“混凝沉淀+过滤+活性炭吸附+消毒”的微污染水处理工程技术模式，并在江苏省宿迁农村供水中示范应用。
（2）农村分质供水工程技术模式。以河北沧州市普遍存在地下高氟水、苦咸水地区为研究对象，系统开展了分质供水可行性研究，形成了2种分质供水工程技术模式。①采用常规管道供应日常生活用水+反渗透处理的桶装水供饮用水模式，在河北省东光县普及应用，现阶段最为经济可行；②在地下水中氟含量、盐含量较低情况下，通过采用反渗透等处理后，按一定比例与未处理水混合，直接供水到户，该模式已在沧州地区得到应用，但投资和运行费用较高，适于经济发达地区。
4 结论与展望
“农村安全供水集成技术研究与示范”项目是我国农村供水领域第一个国家科技计划项目。由于立项目标任务突出农村饮水安全工程建设需要，组织实施突出科研与工程建设紧密结合，研发工作突出关键技术突破、集成创新与试点示范应用，取得了一批先进实用技术和成果，有力支撑了行业发展，促进了企业技术及产品升级换代。
但受项目规模和时间的限制，以及国家饮用水质标准提高、水污染加剧，农村饮水安全工程建设中还有许多关键技术问题需要解决。①水源保护、污染防治与生态修复技术相对缺乏；②面对饮用水水质标准提高和水源污染加剧，劣质水、污染水处理关键技术有待突破，常规净水工艺有待更新和强化；③应对突发事件的应急供水技术；④供水工程安全持续运行管理，节能节水与标准化、信息化技术等。为此，科技部和水利部正在组织实施“十二五”国家科技支撑计划重大项目“村镇饮用水安全保障重大科技工程”（2012～2015年），将巩固和扩大农村安全科技成果，攻克和解决一批共性关键技术问题，进一步提升农村供水科技水平。