简要信息

【获奖类型】应用二等奖

【任务来源】现代水利科技创新项目（水利部科技创新项目）

【课题编号】节0105422006

【课题起止时间】2006年6月～2009年12月

【完成单位】中国水利水电科学研究院    天津市正方科技发展有限公司

【主要完成人】胡  孟、李晓琴、贾燕南、邬晓梅、孙丽华、李  斌、金书芳

立项背景

据统计，截至2004年底，全国农村饮水不安全人口为3.23亿人，占农村总人口的34%，其中饮水水质不安全人口为2.27亿人，水量不足、保证率低和取水不便人口为9558万人。饮水水质不安全人口中，氟超标5000余万人，苦咸水3800余万人，污染水9000余万人，这严重危害着广大农村居民的身心健康。

国内现有的除氟、除盐等水处理设备，存在着操作复杂、运行费用高、不能自动投加药剂、自动化程度低、维护管理困难、可持续性较差等一系列问题，迫切需要研发适宜的技术和设备。

农村供水工程建设任务重，基层技术力量薄弱，缺乏可操作性的技术发展模式，严重制约着农村供水工程的高质量建设和良性运营。因此，为保障全国农村饮水安全工程的顺利实施，全面提升工程质量与科技水平，迫切需要研究提出适宜的农村安全供水工程技术发展模式，为选择合理的工程建设方式、水源类型以及水处理技术、消毒方式、管网型式等提供技术指导。

2002年由中国水利水电科学研究院和北京智网科技有限公司共同开发了“村镇供水工程辅助设计软件”。随着新农村建设和农民生活水平的不断提高，农村供水工程已经由以前的饮水解困要求转变为目前的饮水安全要求，与此同时，《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的颁布对水质标准提出了新的更高要求；此外，软件在实际供水工程设计中也逐渐暴露出一些问题，如管网可视化水力计算功能只能设计枝状管网，编辑操作不方便；缺少系统管理模块，用户不能自行定制模板等，因此，亟需研究改进原有系统。

详细科学技术内容

（1）研究集成了4套农村安全供水水处理技术和设备

① 高吸附容量骨炭除氟技术和装置

开发了一种高吸附容量骨炭的烧制技术，形成了一整套从选料、烧焙、粉碎、炒制和火候等烧制方案，解决了高吸附容量骨炭的生产问题；用本技术烧制的骨炭吸附容量在5mg/g以上，处理后出水氟含量≤1.0mg/L，且水中不增加其它离子，满足饮用水的卫生、安全要求；

开发了氟化物检测试剂盒技术，为更换滤料提供了方便快捷的指标数值，同时，可以用氟化物检测试剂盒技术进行质量控制和运行管理，确保饮水安全；

研发了骨炭全自动再生装置，实现完全闭合环自动控制，可根据饮水中的氟含量，计算出周期性再生时间，通过PLC控制系统，实现全自动再生。

② 二氧化氯发生技术和设备

集成应用了多级增压反应技术、分片多级双向涡流混合技术、传感技术、带霍尔开关的程序控制技术和液体涡轮流量计技术，解决了二氧化氯精确计量和安全投加问题，提高了二氧化氯发生器自动化程度，通过水体流量测量－控制－计量－安全保障的复合环控制系统，实现比例投加、冲击投加、在线监测、充分反应（二氧化氯产生纯度＞96%）、极少残留（亚氯酸钠残留量仅为0.02mg/L）、全程智能化操作（超过0.05ppm将自动发出报警讯号）。

③ 智能型苦咸水处理技术和装置

研发解决了现有设备阴阳膜的选用难题，提高了苦咸水的处理质量，解决了电渗析装置自动化程度不高的问题；综合运用了钛涂钌电极技术（设备寿命延长数倍以上）、离子交换膜（吨水耗能可减少20%）和隔板网性能的构件，可以实现自动化倒极和全自动化操作，出水含盐量可在线监测，确保水质达标。

④ 全自动反渗透技术水处理设备

研究集成了RO膜反渗透技术直饮水机，由预处理、保安过滤、高压反渗透和管网输水四部分组成，针对农村供水的实际条件，采用了无压力源水处理技术、单级过滤器技术、直饮水输水管网二氧化氯消毒技术，又根据水源状况和特殊要求进行了阴阳离子交换树脂技术等方面的设计。设备平均脱盐率≥99%，产水量0.1-2.0m³/h，水质符合国家相关标准要求。

（2）研发改进了农村安全供水工程辅助设计系统

该系统以客户端远程登录服务器的方式访问，包括工程设计、系统管理和系统帮助。其中，工程设计是本系统的核心功能模块，包括概述、供水规模、水源论证、取水工程、输水工程、净水工程、配水工程、调节构筑物、电气与自控、水厂总体设计、投资估算、经济评价与环境影响评价12个部分。针对不同的供水条件，系统提供多种实用、可靠的技术方案以备用户选用，包括供水规模确定、环树结合状管网水力计算、净水工艺流程选择、消毒设计、电气与自控设计等，能实现自动生成可行性研究报告、初步设计报告、管网水力计算图，满足不同水源、水质、供水规模的集中供水工程设计需要。

（3）农村安全供水工程技术模式

课题组对10个省区市的典型工程进行现场调查，组织召开多次专家咨询和研讨会，分析了我国农村居民饮水安全形状、存在问题及原因，在总结各地农村供水技术经验教训的基础上，研究提出农村供水工程建设、管理、水处理、消毒管材选择和管网计算等技术模式。对各种供水工程技术模式进行了详细地研究和对比，包括每种模式的产生背景、优缺点、适用条件等。

发明及创新点

（1）研究集成农村安全供水关键技术和设备

① 研发的除氟技术和装置，解决了高吸附容量骨炭生产技术、大流量降氟成套技术和装置自动控制技术、骨炭全自动再生装置三个技术难点。

② 研发的二氧化氯消毒装置，集成了多级增压反应技术、分片多级双向涡流混合技术、传感技术、带霍尔开关的程序控制技术和液体涡轮流量计技术；实现比例投加、在线监测、无残留，二氧化氯转化率超过96%。

③ 研发的智能型除盐设备，阴阳离子交换膜选择了采用混炼换汽和压制方法生产，兼具离子交换膜和隔板网性能的新型构件，能耗低，并采用了钛涂钌电极技术，实现了自动化倒极和全自动化操作，出水含盐量可在线监测。

（2）研发农村安全供水工程辅助设计系统

在供水规模计算方面，首次提出了农村饮水安全工程供水规模校核方法，避免设计供水规模不当的现象。在供水管网水力计算方面，首次实现了针对农村供水工程的环状、环树结合状可视化管网水力计算，同时节点流量计算既采用了适合农村供水工程的人均用水当量法，也采用常用的比流量法，满足用户对节点流量计算的不同要求。

系统引入了自控设计模块，实现了对不同水源、不同规模供水工程的自动监控系统类别、监测指标、控制指标、视频监控指标的设计和指导，初步满足了农村供水工程构建自动监控系统的基本方案需要。

（3）农村安全供水工程技术模式

对每种农村安全供水模式的产生背景、优缺点、适用条件进行了综合对比。

系统总结了常规水处理、特殊水处理、一体化净化水处理模式，针对劣质地下水氟超标、砷超标、苦咸水、高铁锰水、高硬度水，从设备投资、试剂价格、运行成本、优缺点等方面进行了详细的分析和综合比较。

系统对比分析了农村供水常用的次氯酸钠、二氧化氯、臭氧、紫外线消毒模式的消毒机理、适用范围、优缺点，以及经济性和可操作性等。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

（1）农村安全供水关键技术和设备

研究形成的高吸附容量骨炭材料对氟有较为专一的选择性吸附作用，吸附容量较大，处理的水不增加其它离子，克服了传统除氟材料的不足。研发的除氟设备可组合化、系列化处理。全自动除氟调控装置和氟化物检测试剂盒等多项专利技术进行质量控制和运行管理，可靠性高。

现有的一些二氧化氯发生器自动化程度低，发生器和混合器部分存在缺陷，造成生成的二氧化氯不能精确计量，安全控制部分存在隐患，本项目研制的二氧化氯发生器，解决了上述关键技术问题，产生的二氧化氯纯度高，生产效率高，投加浓度可以智能控制。

目前电渗析设备处理苦咸水技术的主要问题包括自控系统和检测系统不能实现有机匹配、自动化程度低、不锈钢或石墨电极易损坏等，本项目通过采用“阴阳离子交换膜的选择”、“自动化倒极”、“使用钛涂钌电极”等技术再加上智能全自动化操作，解决了上述问题。

上述研究成果经鉴定，整体达到国内领先水平

（2）农村安全供水工程辅助设计系统

与上一版系统相比，研发的系统设置灵活，每个设计环节功能相对独立，可分别进行设计和生成可行性研究报告与初步设计报告；系统能够远程登录，实现工程设计多人协作和知识共享；可视化配水管网水力计算模块，实现了环状管网、环树结合状管网水力计算，提供了人均用水当量和比流量两种节点流量计算方法，实现了管网水力计算软件的功能完善，同时用户操作简化。

（3）农村安全供水工程技术模式

以前虽有一些农村供水工程运行机制和管理体制方面的研究，本项目首次全面系统地在农村供水水源选择、工程建设、水处理、消毒、管材比选和管网计算方面进行了技术模式的归纳，尤其对水处理（常规水处理、劣质水处理、微污染地表水处理、其他水质超标地表水）模式、消毒（液氯、二氧化氯、次氯酸钠、臭氧、紫外线）模式、管材比选和管网计算模式等进行了大量深入的研究与分析，对农村供水工程中各环节技术模式的优缺点、适用范围、选择方式进行了全面总结，并结合典型案例进行了深入分析，提出了各种工程技术模式的技术要点。

成果应用情况及社会经济效益

（1）成果应用情况

研究形成的4套农村安全供水关键技术和设备，在天津武清区和静海县的农村饮水安全工程中得以示范应用，应用效果良好。研发的直饮水机在四川阿坝州汶川县地震灾区的多处供水工程中得以应用，获得了相关部门好评。

研发改进的农村安全供水工程辅助设计系统，已经在6个省、地级设计单位得以应用，并得到其认可。

农村安全供水工程技术模式报告，已在有关省市级农村饮水安全规划、以及多处农村安全供水工程中获得应用，为农村饮水安全工程科学规划设计和建设管理提供了有力的技术支撑。

（2）社会经济效益

研发的农村安全供水技术及设备，改善了农村居民的饮用水水质，提高了农民健康生活水平，社会效益显著。

原农村供水工程辅助设计系统在1千多个县进行了应用，本课题针对存在问题进行了有针对性的研究改进，必将对提高基层水利工作人员工作效率、减少工程投资，推动了农村水利信息化建设，具有显著的效益。

农村安全供水工程技术模式，对区域规划、工程规划与设计、以及运行管理中发挥着技术参考甚至工具书的作用，具有显著的社会效益和经济效益。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

课题研发的农村安全供水关键技术和设备，需要在今后的推广或产业化方面与相关企业进行更广泛的合作，并明确本课题科研单位与企业各自的工作任务、利益分配等关系，做好产品的售后服务与应用效果持续跟踪工作。

课题研发改进的农村供水工程辅助设计系统，需要在推广过程中注重对基层水利工作人员、系统用户等的培训工作，并持续跟踪系统使用中存在的问题，及时修改和调整，使其发挥应有的效果。

课题研究形成的农村安全供水工程技术模式，需要加强对基层人员的技术培训工作。与此同时，任何模式都是在不断发展和创新的，因此需要及时对各地农村安全供水新出现的技术进行调研总结，不断丰富和完善现有成果。

项目组研发的除氟骨炭净水装置（在天津市静海县应用，处理规模为2m³/h）