日本供水服务的发展状况分析

在全面达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的106项水质标准要求后,为了契合对高品质生活的追求,全国各地水司纷纷起步探索更高的供水目标,其中以上海、深圳等城市为先。2018年6月,上海率先发布了国内第一部水质地方标准——《上海市生活饮用水水质标准》(DB31/T 1091—2018);深圳盐田区实现全区直饮的目标也计划将于年底完成;此外,江苏省、浙江省等也纷纷制订了基于现代化水厂或更高标准要求的供水管理内部导则。但是,供水行业和水司未来的发展目标究竟是什么?所谓“直饮水”或“高品质水”仅仅是用更严格的水质标准来衡量吗?本期栏目介绍了日本供水服务的发展状况,或许能为这一问题的解决提供一些思路。

1、深度处理系统

近年来,诸如福岛核泄漏事故、利根川水系甲醛含量超标、水源地原水霉臭以及隐孢子虫、二恶英、内分泌干扰物等水质事件频发,使得水源地水质状况日益复杂和多变。另一方面,由于东京居民对高品质生活的需求日益提升,不仅需要安全的自来水,同时还需要口感更好的自来水。

为应对这些问题,东京都水道局引入了深度处理系统,并在充分的水处理、水质调查及试验检测的基础上,不断推进水质精细化控制和水处理技术优化升级,从而实现提供更安全、适口的饮用水的目标。

1.1臭氧-生物活性碳深度处理工艺

1.1.1建设背景

1965年开始,江户川(利根川水系支流)流域迅速发展,成为东京都的住宅区。但由于污水处理设施建造滞后,江户川水质恶化急剧。约1972年开始,以江户川河水为原水的金町水厂的夏季出厂水中存在霉味致嗅物质,东京都水道局因此每年会收到近千起投诉。另外,冬季出水氨氮含量高也成为一个重要问题。为此,粉末活性炭工艺被用于金町水厂,并取得了一定效果。尽管如此,由于霉味物质的浓度变化较大,粉末活性炭工艺难以应对,且粉末活性炭投加量升高时存在颗粒穿透问题,因此仅用该方法难以稳定处理水质。根据这一情况,东京都水道局于1984年开始进行臭氧-生物活性碳吸附深度处理试验,以减少氨氮与三卤甲烷的生成,并稳定有效地去除嗅味物质。

1.1.2建设进展

由于长达5年的水厂大试结果较为理想,东京都水道局决定首先在金町水厂引入臭氧-生物活性碳工艺。该工程于1989年开工,第一期规模为26万m3/d的深度处理设施于1992年6月完工。随后,根据江户川上游水域污水处理厂的建设状况、原水水质的每日波动情况以及东京居民日益增长的用水需求,在其他水厂逐一引入该深度处理系统。

以2014年3月朝霞水厂二期深度处理设施完工为标志,利根川水系沿河所有水厂内的深度处理设施全部完工(表1)。自此,即使在夏季用水高峰期,东京都水道局也能供应安全、适口的自来水。

该大规模深度处理系统工程的建设共历时四分之一个世纪,总投资为2 300亿日元,总供水能力为548万m3/d。

表1利根川水系沿河水厂深度处理系统建设情况

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1.1.3处理机理

臭氧-生物活性碳深度处理系统用于去除或削减常规处理方法不能有效去除的嗅味物质、氨氮以及甲醛等各种有机物。臭氧-生物活性炭吸附工艺一般被置于絮凝-沉淀处理与快速砂滤两个工序之间。其中,臭氧具有仅次于氟的强氧化性,能去除原水中的色度与嗅味,并分解有机物。另外,臭氧能将原水中的高分子难降解有机物分解成低分子量有机物,提高工艺后段生物活性炭工艺的处理能力。臭氧-生物活性碳工艺对各类污染物的去除效果如表2所示。

生物活性炭吸附处理用于去除有机物和氨氮,其不仅利用了活性炭床上生长微生物的分解能力,还利用了颗粒活性炭具有的物理吸附作用。

表2臭氧-生物活性炭工艺的去除效果

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东京都水道局开发的生物活性炭吸附池由一层2.5 m厚的颗粒活性炭床层及下部集水池构成(图1),经臭氧处理的水以重力流的形式流过生物活性炭吸附池,实现水处理。

为了让东京居民意识到水质的提升并对优质自来水产生认同,东京都水道局会在水博会(Water Week)及东京各种活动期间组织宣传教育,对深度处理后的龙头水与市售瓶装矿泉水的用户接受度进行比较。根据2013年的调查结果,约58 000位用户中超过一半的人更偏好饮用龙头水,证明东京的龙头水在口感上也经得起与瓶装矿泉水的比较。

1.2膜过滤处理工艺

膜过滤处理即用孔径超小的膜过滤原水,以分离与去除其中的悬浮物与微生物(隐孢子虫等)等各种杂质。2007年3月,东京都水道局在水厂内引入了当时国内处理规模最大的膜过滤设施(4万m3/d)。另外,目前多摩川流域的8家小型水厂也采用膜过滤处理法。

1.3处理工艺和设施的提升进程

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1900年以来东京水处理工艺和设施的提升进程如图2所示。由图可知,传统慢速砂滤工艺自1900年开始应用以来沿用至今,但目前处理水量较少;传统快速砂滤自1940年开始应用,至今仍用于大部分的原水处理;深度处理工艺自二十世纪九十年代开始应用,其处理水量逐年有所提升,应用范围越来越广;近年来膜过滤技术在一小部分水厂开始应用,目前处理的水量仍较少。

2、二次供水对策

2.1带贮水箱供水设施的管理对策

带贮水箱的供水设施通常先采用水箱来暂时储存自来水,然后再将自来水分配给用户。根据2001年7月修正后的自来水法,供水经营方必须从供应商的立场出发,对贮水箱的卫生管理工作负责。

2002年12月东京都市政府更改了东京都供水条例,其中对于“供水方对带贮水箱供水设施的管理职责”、“报告和调查带贮水箱供水设施存在的问题”、“对带贮水箱供水设施的安置进行通告”、“负责带贮水箱供水设施安置的代表主体的责任”等方面,设置了新的条例规定。

另外,为了使带贮水箱的供水设施能够配送更加安全适口的自来水,东京都水道局提出了“实现对带贮水箱供水设施的合理管理”及“普及和发展直供水服务”的发展目标及相关对策。该项目以2004年后服务区域内建成的带贮水箱供水设施为对象,定期进行检验和调查工作,对其维护和管理工作以及直供水服务的公共宣传工作提出指导和建议。

2.2直供水服务范围扩张

为了促进“普及和发展直供水服务”目标的实现,2004年6月以后,直接供水系统的适用范围和施工基准部分放宽,其主要内容如下。

(1)将直供水服务的范围扩大至4楼或5楼(特例直供水服务系统)

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以往直供水服务的范围通常限制到3楼,但是放宽之后,如果该区域内配水管道的水压足以供水,或者有足够的空间来安装供水增压设备,直供水服务的范围可扩大至4楼或5楼(图3)。2007年1月之后,直供水服务的楼层范围进一步扩大。

(2)不高于三层建筑的水箱供水模式转换为直供水服务系统的特别条例

以往将楼高不高于三层建筑的贮水箱供水模式转换为直供水服务系统时,需将所有楼层的水表移至一楼,同时可能还要变更建筑物内部分管道的安装位置。放宽之后,水表可保留在原来楼层,无需移动(图4)。

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(3)扩大直供水服务系统在高层建筑及大规模集体住宅中的应用

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2009年2月在标准式增压供水系统(图5)的基础上引入了分段式增压供水系统(图6)和并行式增压供水系统(图7),前者通过在高层建筑的底层和中层分段安置多台增压泵来实现分程传递水压,将自来水送至高层;后者通过在建筑底层并行部署多台增压泵,将自来水送至大规模集体住宅。与此同时,还取消了增压直供水服务系统的管道口径限制。

3、气候变化应对

根据世界气象组织(WMO)的数据,近年来大气中温室气体的浓度持续升高,全球平均浓度在2017年再创高点(二氧化碳浓度达到405.55 mg/cm3)。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告表明,由于温室气体浓度升高,全球平均温度在大约130年(1880年~2012年)内上升了0.85℃,过去三十年的十年平均气温比1850以来的任何一个十年平均气温都要高。到二十一世纪底,地球地表温度预计将上升4.8℃。

近年来,由于气候变化的影响,极端天气在世界各地频繁发生(酷暑、暴雨和龙卷风等),而这些事件在日本也日益明显,如频繁的暴雨(在日本被称为“游击暴雨”)等。在气候变化的全球趋势下,为了控制潜在的灾害风险,日本政府要求2100年前的气温与前工业化时期的水平(pre-industrial levels)相比,上升的幅度控制在2℃以内。

值得关注的是,全球变暖等气候变化也可能会对供水服务产生巨大影响(例如水资源总量及水质的变化等)。因此,为了更好地运营和维护好未来的供水服务,需要研究和考虑气候变化对供水服务的影响及其程度,及时采取必要的措施。为此,东京都水道局将继续确保履行温室气体减排义务,致力于资源的有效利用和水环境的保护。

3.1水源涵养林的维护管理

为了维护和改善森林涵养水源及通过光合作用吸收二氧化碳的功能,东京都水道局每十年制定新的水源涵养林管理计划,对多摩川流域内分布的22 km2水源涵养林进行长期养护。通过养护森林,使森林能够充分发挥水源补给、水质净化、水土保持等公共服务功能,实现水资源保护的目标。

对于涵养林的养护管理工作,东京都水道局明确了以可开发多层次森林为人工森林,通过两代的人工种植树木和天然阔叶树木使其转化为针阔叶混交多层次森林,并通过世代更替实现植被的自然更新恢复,同时在全年内植被生长的各个阶段开展各种保护工作。

此外,多摩川上游的私有森林由于长期缺乏林业管理,森林退化情况严重;通过购买有意出售的私有森林,对其进行综合管理,使其充分发挥作用。

3.2缓解热岛效应

热岛效应是指中心城区温度高于周边郊区的现象,主要是由城市绿地面积减少、城市活动废热散发等引起的。屋顶绿化能够产生隔热效应,从而有效缓解热岛效应,减少城市降温的能耗成本。为此,东京都水道局已在各水处理设施顶部进行屋顶绿化,未来将进一步推广,借由新建或整修各类供水设施与其他公共建筑的机会,持续扩大绿化面积。

3.3提高与改善废弃物管控与再循环

东京都水道局通过有效利用水厂污泥、提升建筑垃圾的循环利用与开展办公室垃圾处理活动等措施,提高与改善废弃物的管控与循环使用。其中,水厂污泥不仅加工成地砖,或作为农业/园艺用土和地基土使用,还用于建设东京海之森公园。

气候变化对供水服务各个方面的影响是不可估量的,须从长远角度出发,采取措施应对气候变化风险。东京都水道局还计划与各国水务运营机构进行合作,收集和分析气候变化相关信息,采取各类应对措施。

4、大区域供水服务运营

日本社会已进入人口递减时期,未来极有可能面临供水规模减小、服务人口减少的情况。在这样的背景下,东京都水道局将面临诸多挑战,如待更新翻修的供水设施如何进行合理的重组整合,经验丰富的技术人员即将退休、重要岗位后继无人等问题。

为应对这些挑战,东京都水道局密切关注大区域合作(wide-area cooperation)及公私合营(PPP)模式的推进工作。一方面,当突发状况发生时,小型水厂运行人员需采取独立应对措施,在这一过程中如果遇到一定困难,邻近水厂、供水服务机构、行政管理部门及私营企业等单位人员有必要予以配合支持,尽管他们平常可能各司其职,互不直接干涉。另一方面,从供水区域的整体优化出发,辖区政府部门和主要水厂都需要积极参与到整个合作框架中。

过去,多摩区域(东京都除去东京23区及岛屿地区外的区域,人口约占整个东京都的三分之一)的供水服务由各行政区的政府部门独立运营。由于1960年以来人口增长和城镇化推进速度加快,在保护水源地以及消除流域内各行政区之间运价水平和供水覆盖率存在的巨大差异方面,各区政府陷入了一系列困难。因此,这些地区强烈要求对这一供水服务模式进行改革。

为此,东京都水道局在1973年发布了一项将多摩区域的供水服务纳入东京都政府集中管理的计划,将原先由多摩各行政区政府独立运行的供水服务系统逐步整合至东京都供水服务系统中。

在整合过程中,东京都政府基于地方自治法将供水服务相关职责委派给了多摩各区政府,而没有将地方相关部门的员工调至东京都水道局都工作。因此,多摩地区的供水服务受制于东京都-地方二元结构体系下的运行管理模式——东京都负责水源地的保护、大区域供水设施的建设管理以及公共财政的行政管理,地方政府负责居民供水所需相关服务的具体管理和执行。

4.1职责委派引发的问题及解决途径

4.1.1职责委派引发的问题

供水职责委派引发了一系列问题,因为东京都水道局将多摩当地的供水服务委派给了相应各区的政府部门运营。由于东京都政府将水费征收的权限也委派给了各区政府,负责水费缴纳、通知发放或问询反馈的各区相关部门只受理该区的住户,区外机构不能提供上述服务。

同时,各区水务部门需要花费很长时间才能了解水费收缴信息,因为相关信息是由各区政府的财政部门提交至东京都水道局的,这也制约了东京都水道局在掌握最新信息的基础上为用户提供更精准的服务。

在设备管理方面,水厂和供水站的维护和检修工作是由各区政府具体负责的,因此东京都水道局没有建立一套面向大区域的维护检修高效工作系统。另外,由于供水管网的管理维护也是由各区政府具体负责的,东京都水道局也无法跨行政区域提供管网管理服务。除此以外,小型行政区在接受东京都水道局的职责委派方面存在一定困难,因为当地的技术能力很难持续满足东京都水道局对供水服务的高要求。

4.1.2取消职责委派的制约因素

如果取消东京都水道局对多摩各区政府的职责委派,上述提到的问题也都将得到解决;但同时,这些委派出去的职责就必须由东京都水道局自行实施(2003年多摩各区有1 100名相关人员负责这些职责)。由于行政制度改革,东京都各政府单位近年间大力推行精简高效的部门结构,鉴于此,东京都水道局必须限制其未来员工数量的增长,因此取消东京都水道局对多摩各区政府的职责委派暂时不具备可行性。

4.2社会管理组织的运用

为取消职责委派,同时控制员工数量,东京都水道局需建立一套有效的服务运作体系,同时确保各区水司供水服务的公平性。为此,东京都水务局寻求建立一个大区域服务运营体系,充分利用行业内的社会管理组织,这些组织在受东京都水道局委托长期提供供水相关服务的过程中,往往也积累了丰富的经验与技术。

4.3社会管理组织的职责

(1)综合接待(多摩地区用户服务中心)

以往搬迁的居民需要在搬出和搬入时两次向当地的市政厅报备,但是成立用户服务中心后,居民只需要一次报备,即可继续通过金融机构缴纳水费。此外,东京都水道局开发了一套可以365天24小时响应紧急突发事件的系统。

(2)处理水费支付等相关服务(多摩地区服务站)

如今,用户可在多摩地区的12个服务站处理水费支付、情况咨询等相关事宜。

(3)水厂和供水站监测及供水运行控制(中央控制室)

东京都水道局将以往由人工操作的供水运行控制工作进行整合,在四个中央控制室即可实现远程监测和控制,使水厂和供水站在正常情况下实现无人值守,提高了供水系统的运行效率。

(4)供水设备设施管理系统和服务的开发

东京都水道局已经实现了高效的跨区域设施设备管理,形成了一个稳定的跨越行政区域的大区域供水运行系统及集约化的设施管理体系。

4.4社会管理组织的成效

通过有效利用社会管理组织,多摩地区的供水服务标准提高至东京23区的水平,不仅没有增加东京都水道局员工数量,还通过提供大区域供水服务、高效的设施建设和管理以及取消职责委派,实现了跨行政区的稳定供水。

如上文所提及的,多摩地区各区政府仍面临诸多挑战,例如如何留住有经验的技术人员,如何以各区政府为主导运行供水服务,以及如何保障一个可容纳1 100名相关政府员工来执行供水服务的系统(取消职责委派后东京都政府需安置这部分人员)等。通过委以社会管理组织重任来全面解决这些问题,以及成功建立大区域服务运行系统,可以平稳推进东京都水道局取消对多摩地区的职责委派。

如今,长期的职责委派已被完全取消。为了在过往取得的成绩上,进一步体现以东京都水道局为主体运行的大区域供水服务的优势,东京都水道局将继续致力于多摩地区供水服务的重组,加强对突发灾害的应对能力,同时加强与各地区政府间更高效的合作。

5、小结

东京都具备全球领先水平的供水水质和供水服务,这不仅有从水源到龙头各环节成熟的高品质饮用水保障技术和设施作为硬件支持,还有完善的供水运行服务体系、全面的管理制度规范以及未雨绸缪的风险管控措施等软实力为其保驾护航。同时也应该看到,东京高品质饮用水的供应并非一蹴而就,其间经历了漫长的发展历程,国内城市水司在发展自己的高品质饮用水体系的时候切忌急功近利,生搬硬套国外的成熟模式和先进技术,而应该稳扎稳打,从硬件支撑和软件配套两方面着手,建设符合自身实际情况的高品质饮用水体系。

编辑札记

自1898年始,日本东京自来水已历经百余年发展。东京都水道局作为目前全世界供水规模最大、水质标准最高、供水服务最好的知名水司之一,经过百年的探索和实践,已为东京自来水的发展制订了“确保供水安全”、“提升地震发生时的应对能力”及“提供可饮用、口感好的饮用水”三大整体目标,其做法和经验值得我们研读和学习。基于此,《净水技术》杂志社在东京水道局Yoshida等编写的《面向保障未来稳定供水能力的东京供水服务发展》(Development of water services towards ensuring stable water supply in the capital city Tokyo for the future)报告的基础上整理相关资料,为国内水司同行提供借鉴。摘译不当之处,还望批评指正。