建筑小区再生水水源切换末端水质安全保障研究

朱立鑫, 陈彦熹

(1.天津城建设计院有限公司, 天津 300000; 2.天津市建筑设计研究院有限公司, 天津 300074)

水的再生利用在世界许多地区都是一个不断增长的现实需求,如何保障再生水安全利用极为关键。天津市是我国严重缺水的城市之一,属于资源性缺水,为改善这种现状,天津市要求城市杂用水均应使用再生水,并在设计中分别建设自来水与再生水管网。 目前,因再生水市政管网建设修复时间与建筑使用交付时间存在差异,部分建筑小区未供应再生水,仍使用自来水作为冲厕、绿化等杂用水,待再生水市政管网建设完成,具备供应条件后再进行水源切换。

建筑小区中再生水可用于道路浇洒、绿化灌溉、景观补水、室内冲厕等,这使得人体与再生水的直接或间接接触变得愈发频繁。 相对于常规淡水及饮用水,再生水含盐量更高,含有的有机物和营养物质更加丰富,同时还含有持久性有机污染物(POPs)、内分泌干扰物(EDCs)等特殊污染物。 为保证人体接触后不产生不利影响,必须通过安全的途径进行回用。

为实现水源安全切换,避免因自来水切换再生水引发的供水安全问题,保障用户安全,本文针对人体接触最为直接的室内冲厕用再生水,确定了再生水入户盲管的最佳长度,降低因盲管过长导致的生物膜过度生长,提高末端用户的出水水质。

1 建筑再生水系统盲管水质隐患及影响因素

1.1 建筑再生水系统盲管水质隐患

供水管网系统是一个在贫营养条件下维持较高余氯质量浓度的极端环境体系,很多微生物仍然能够存活于供水管网系统中[1]。 由于管道内壁具有较大的比表面积,供水管网系统至少有95%的微生物附着在管道内壁生长,这些附着在管壁生物膜的微生物会威胁水质安全。 再生水水质复杂,存在潜在的污染风险。

一方面,在供水管网的贫营养条件下,生长的微生物对余氯具有较高抵抗性,甚至在极高的余氯条件(10 或25 mg/L)下,管壁生物膜的微生物仍然可以再生长并使有效氯衰减[2];另一方面,生物膜在水力冲刷下会带来感官学(如视觉、嗅觉、味觉等)和卫生学(如致病微生物)问题[3]。 微生物细菌大量滋生,有毒有害物质在管道生物膜中聚集,暴发后将危害人体健康[4]。

再生水盲管是指为保证不使用再生水的用户无再生水进入户内而截断的管段,见图1。 该管段为再生水横支管,盲管内水的流动性差,随时间积累的微生物易在管壁大量附着,一旦发生微生物脱落,则可通过水的流动进入其他用水点,从而导致再生水用户的健康风险增大。

图1 建筑再生水系统盲管Fig.1 Blind pipe of building reclaimed water system

1.2 管道生物膜中微生物生长的影响因素

由于供水管网是由管材、水、运行条件等构成的一个极其复杂的动态体系,水力条件、管材、消毒剂类型及浓度、水体中营养物质浓度、温度、pH 等,都会影响生物膜的形成和生长。 主要因素如下:①温度:高温适合微生物生长。 ②营养物质:再生水中有机物浓度高适合微生物生长。 ③管材:PE 管道能够释放有机物,为微生物提供营养物质。 ④系统水力条件:在水力停滞或高水龄的供水区域,有机物、沉淀物较多,有利于微生物的附着和生长。 在市政再生水水源水质较为稳定的前提下,影响管道内生物膜的形成和生长的主要因素为水力条件。 ⑤消毒剂:管道内余氯浓度越低越易于滋生细菌。 ⑥管材:户内水表前广泛采用衬塑钢管,丝扣连接。 衬塑钢管内衬一般为PE,根据管道生物膜生长的研究成果,PE 管道出水细菌总数快速增加,第53 d 后增速放缓,第81 d 后出水细菌总数基本维持在 1 100 ～1 800 CFU/mL。

2 基于流场模拟的盲管长度分析

2.1 模型约束条件

为降低生物膜对水质的不利影响,提高末端用户的出水水质,保证再生水生物稳定性,本文通过水力模型模拟入户盲管,选择合适的盲管长度。

水力模型模拟前先对本项目的再生水用水规律进行分析。 当前获得的水量监测数据的监测周期为日,日再生水用水量变化不明显,各月平均日再生水用水量见表1。 典型月日用水变化见图2。

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

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

由图2 可知,本项目中典型月的再生水日用水量偏低,每日用水量变化较大,日用水量在工作日和休息日无明显规律。 经分析,由于该住宅项目的业主多为在附近工作的人员,日间用水量少,部分住户甚至并非长期居住,仅偶尔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时间长,利于微生物生长。

由于顶层的再生水立管水量最小,且立管内水流动次数最少,因此,选择顶层作为最不利位置进行分析,根据住宅建筑的再生水用水特点,各小时再生水用水量占日用水量比例见图3。

图3 时用水量比例Fig.3 Hourly water consumption ratio

根据本项目日用水量监测数据及该楼户数,结合图3 中各小时用水比例,考虑不同使用时间每小时的冲厕次数,最终计算得到立管各时间段的流速,如表2 所示。 计算得到的最大流速作为后续模拟的初始边界条件。

表2 各时间段流量、流速Tab.2 Volume and velocity at each time period

2.2 模拟分析

为降低再生水长期停留造成的水质污染风险,在再生水立管日最大流速确定的前提下,适宜的盲管长度可尽量减少其内微生物生长。 因此,需要控制管道中的水力条件。

住宅再生水管道水力流动具有管道瞬时流速大、管道平均流速低、用水时间集中、每日滞水时间较长等特点。 研究表明,在0.5 m/s 流速条件下,管道生物膜中微生物由于冲刷出现明显脱落[5],这是造成水中微生物浓度增加的主要原因。

由于PE 及不锈钢管均在0.4 m/s 下生物膜细菌总数最大,且在0.5 m/s 以上生物膜中的微生物才出现由于冲刷作用的脱落而减少生物量。 因此,为保证盲管管壁每天都能得到有效的水力冲刷,建议管道内的每日冲刷最小流速大于0.5 m/s。

本研究采用数值模拟方法计算水流参数的流场分布,通过分析得到适宜的盲管长度。 管壁是微生物生长附着的主要场所,因此,分析管道管壁处水流速度能否满足v≥0.5 m/s。 盲管长度50 ～100 mm的管内水流速度模拟结果见图4。

图4 50～100 mm 盲管模拟Fig.4 Blind tube simulation of 50～100 mm

模拟结果表明,随盲管长度的增加,水流速度v＜0.5 m/s 的管壁面积逐渐增大。 长度50 mm 的盲管内管壁流速除角落位置均高于0.5 m/s,长度60 mm 盲管内大部分面积的管壁流速高于0.5 m/s,长度70 mm 盲管内下部及盲管末端管壁上水流速度均低于0.5 m/s。 综上,盲管长度50 ～60 mm 较适宜,此时盲管内大部分管壁上水流速度v＞0.5 m/s,从而保证大部分面积管壁可每日被冲刷到。 根据住宅再生水管道水力特征,盲管长度越短越好,建议盲管长度≤60 mm。

4 结论

再生水水源切换可能对用水产生一定的风险。由于再生水水源的复杂性,水中物质种类多,包括重金属、消毒副产物、有机物等对人体有健康风险的污染物。 水源切换后再生水盲管内水力流动性差,随时间积累微生物易在管壁大量附着。 本研究基于水力模型对再生水盲管的适宜长度进行分析,模拟结果表明,为了保证盲管内的水力冲刷,降低盲管内微生物大量滋生后对用户的健康风险,盲管长度不宜大于60 mm。