建筑小區再生水水源切換末端水質安全保障研究

朱立鑫, 陳彥熹

(1.天津城建設計院有限公司, 天津 300000; 2.天津市建筑設計研究院有限公司, 天津 300074)

水的再生利用在世界許多地區都是一個不斷增長的現實需求,如何保障再生水安全利用極為關鍵。天津市是我國嚴重缺水的城市之一,屬于資源性缺水,為改善這種現狀,天津市要求城市雜用水均應使用再生水,并在設計中分別建設自來水與再生水管網。 目前,因再生水市政管網建設修復時間與建筑使用交付時間存在差異,部分建筑小區未供應再生水,仍使用自來水作為沖廁、綠化等雜用水,待再生水市政管網建設完成,具備供應條件后再進行水源切換。

建筑小區中再生水可用于道路澆灑、綠化灌溉、景觀補水、室內沖廁等,這使得人體與再生水的直接或間接接觸變得愈發頻繁。 相對于常規淡水及飲用水,再生水含鹽量更高,含有的有機物和營養物質更加豐富,同時還含有持久性有機污染物(POPs)、內分泌干擾物(EDCs)等特殊污染物。 為保證人體接觸后不產生不利影響,必須通過安全的途徑進行回用。

為實現水源安全切換,避免因自來水切換再生水引發的供水安全問題,保障用戶安全,本文針對人體接觸最為直接的室內沖廁用再生水,確定了再生水入戶盲管的最佳長度,降低因盲管過長導致的生物膜過度生長,提高末端用戶的出水水質。

1 建筑再生水系統盲管水質隱患及影響因素

1.1 建筑再生水系統盲管水質隱患

供水管網系統是一個在貧營養條件下維持較高余氯質量濃度的極端環境體系,很多微生物仍然能夠存活于供水管網系統中[1]。 由于管道內壁具有較大的比表面積,供水管網系統至少有95%的微生物附著在管道內壁生長,這些附著在管壁生物膜的微生物會威脅水質安全。 再生水水質復雜,存在潛在的污染風險。

一方面,在供水管網的貧營養條件下,生長的微生物對余氯具有較高抵抗性,甚至在極高的余氯條件(10 或25 mg/L)下,管壁生物膜的微生物仍然可以再生長并使有效氯衰減[2];另一方面,生物膜在水力沖刷下會帶來感官學(如視覺、嗅覺、味覺等)和衛生學(如致病微生物)問題[3]。 微生物細菌大量滋生,有毒有害物質在管道生物膜中聚集,暴發后將危害人體健康[4]。

再生水盲管是指為保證不使用再生水的用戶無再生水進入戶內而截斷的管段,見圖1。 該管段為再生水橫支管,盲管內水的流動性差,隨時間積累的微生物易在管壁大量附著,一旦發生微生物脫落,則可通過水的流動進入其他用水點,從而導致再生水用戶的健康風險增大。

圖1 建筑再生水系統盲管Fig.1 Blind pipe of building reclaimed water system

1.2 管道生物膜中微生物生長的影響因素

由于供水管網是由管材、水、運行條件等構成的一個極其復雜的動態體系,水力條件、管材、消毒劑類型及濃度、水體中營養物質濃度、溫度、pH 等,都會影響生物膜的形成和生長。 主要因素如下:①溫度:高溫適合微生物生長。 ②營養物質:再生水中有機物濃度高適合微生物生長。 ③管材:PE 管道能夠釋放有機物,為微生物提供營養物質。 ④系統水力條件:在水力停滯或高水齡的供水區域,有機物、沉淀物較多,有利于微生物的附著和生長。 在市政再生水水源水質較為穩定的前提下,影響管道內生物膜的形成和生長的主要因素為水力條件。 ⑤消毒劑:管道內余氯濃度越低越易于滋生細菌。 ⑥管材:戶內水表前廣泛采用襯塑鋼管,絲扣連接。 襯塑鋼管內襯一般為PE,根據管道生物膜生長的研究成果,PE 管道出水細菌總數快速增加,第53 d 后增速放緩,第81 d 后出水細菌總數基本維持在 1 100 ～1 800 CFU/mL。

2 基于流場模擬的盲管長度分析

2.1 模型約束條件

為降低生物膜對水質的不利影響,提高末端用戶的出水水質,保證再生水生物穩定性,本文通過水力模型模擬入戶盲管,選擇合適的盲管長度。

水力模型模擬前先對本項目的再生水用水規律進行分析。 當前獲得的水量監測數據的監測周期為日,日再生水用水量變化不明顯,各月平均日再生水用水量見表1。 典型月日用水變化見圖2。

表1 各月平均日再生水用水量Tab.1 Monthly average daily recycled water consumption

圖2 典型月日用水量Fig.2 Typical monthly daily water consumption

由圖2 可知,本項目中典型月的再生水日用水量偏低,每日用水量變化較大,日用水量在工作日和休息日無明顯規律。 經分析,由于該住宅項目的業主多為在附近工作的人員,日間用水量少,部分住戶甚至并非長期居住,僅偶爾有再生水的用水需求。因此,再生水在管道的再生水水力停留時間長,利于微生物生長。

由于頂層的再生水立管水量最小,且立管內水流動次數最少,因此,選擇頂層作為最不利位置進行分析,根據住宅建筑的再生水用水特點,各小時再生水用水量占日用水量比例見圖3。

圖3 時用水量比例Fig.3 Hourly water consumption ratio

根據本項目日用水量監測數據及該樓戶數,結合圖3 中各小時用水比例,考慮不同使用時間每小時的沖廁次數,最終計算得到立管各時間段的流速,如表2 所示。 計算得到的最大流速作為后續模擬的初始邊界條件。

表2 各時間段流量、流速Tab.2 Volume and velocity at each time period

2.2 模擬分析

為降低再生水長期停留造成的水質污染風險,在再生水立管日最大流速確定的前提下,適宜的盲管長度可盡量減少其內微生物生長。 因此,需要控制管道中的水力條件。

住宅再生水管道水力流動具有管道瞬時流速大、管道平均流速低、用水時間集中、每日滯水時間較長等特點。 研究表明,在0.5 m/s 流速條件下,管道生物膜中微生物由于沖刷出現明顯脫落[5],這是造成水中微生物濃度增加的主要原因。

由于PE 及不銹鋼管均在0.4 m/s 下生物膜細菌總數最大,且在0.5 m/s 以上生物膜中的微生物才出現由于沖刷作用的脫落而減少生物量。 因此,為保證盲管管壁每天都能得到有效的水力沖刷,建議管道內的每日沖刷最小流速大于0.5 m/s。

本研究采用數值模擬方法計算水流參數的流場分布,通過分析得到適宜的盲管長度。 管壁是微生物生長附著的主要場所,因此,分析管道管壁處水流速度能否滿足v≥0.5 m/s。 盲管長度50 ～100 mm的管內水流速度模擬結果見圖4。

圖4 50～100 mm 盲管模擬Fig.4 Blind tube simulation of 50～100 mm

模擬結果表明,隨盲管長度的增加,水流速度v＜0.5 m/s 的管壁面積逐漸增大。 長度50 mm 的盲管內管壁流速除角落位置均高于0.5 m/s,長度60 mm 盲管內大部分面積的管壁流速高于0.5 m/s,長度70 mm 盲管內下部及盲管末端管壁上水流速度均低于0.5 m/s。 綜上,盲管長度50 ～60 mm 較適宜,此時盲管內大部分管壁上水流速度v＞0.5 m/s,從而保證大部分面積管壁可每日被沖刷到。 根據住宅再生水管道水力特征,盲管長度越短越好,建議盲管長度≤60 mm。

4 結論

再生水水源切換可能對用水產生一定的風險。由于再生水水源的復雜性,水中物質種類多,包括重金屬、消毒副產物、有機物等對人體有健康風險的污染物。 水源切換后再生水盲管內水力流動性差,隨時間積累微生物易在管壁大量附著。 本研究基于水力模型對再生水盲管的適宜長度進行分析,模擬結果表明,為了保證盲管內的水力沖刷,降低盲管內微生物大量滋生后對用戶的健康風險,盲管長度不宜大于60 mm。