朱立鑫, 陳彥熹

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

水的再生利用在世界許多地區(qū)都是一個不斷增長的現(xiàn)實需求,如何保障再生水安全利用極為關(guān)鍵。天津市是我國嚴(yán)重缺水的城市之一,屬于資源性缺水,為改善這種現(xiàn)狀,天津市要求城市雜用水均應(yīng)使用再生水,并在設(shè)計中分別建設(shè)自來水與再生水管網(wǎng)。 目前,因再生水市政管網(wǎng)建設(shè)修復(fù)時間與建筑使用交付時間存在差異,部分建筑小區(qū)未供應(yīng)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(wǎng)建設(shè)完成,具備供應(yīng)條件后再進行水源切換。

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

為實現(xiàn)水源安全切換,避免因自來水切換再生水引發(fā)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(nèi)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(dǎo)致的生物膜過度生長,提高末端用戶的出水水質(zhì)。

1 建筑再生水系統(tǒng)盲管水質(zhì)隱患及影響因素

1.1 建筑再生水系統(tǒng)盲管水質(zhì)隱患

供水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個在貧營養(yǎng)條件下維持較高余氯質(zhì)量濃度的極端環(huán)境體系,很多微生物仍然能夠存活于供水管網(wǎng)系統(tǒng)中[1]。 由于管道內(nèi)壁具有較大的比表面積,供水管網(wǎng)系統(tǒng)至少有95%的微生物附著在管道內(nèi)壁生長,這些附著在管壁生物膜的微生物會威脅水質(zhì)安全。 再生水水質(zhì)復(fù)雜,存在潛在的污染風(fēng)險。

一方面,在供水管網(wǎng)的貧營養(yǎng)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(xué)(如視覺、嗅覺、味覺等)和衛(wèi)生學(xué)(如致病微生物)問題[3]。 微生物細菌大量滋生,有毒有害物質(zhì)在管道生物膜中聚集,暴發(fā)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(nèi)而截斷的管段,見圖1。 該管段為再生水橫支管,盲管內(nèi)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(fā)生微生物脫落,則可通過水的流動進入其他用水點,從而導(dǎo)致再生水用戶的健康風(fēng)險增大。

圖1 建筑再生水系統(tǒng)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(wǎng)是由管材、水、運行條件等構(gòu)成的一個極其復(fù)雜的動態(tài)體系,水力條件、管材、消毒劑類型及濃度、水體中營養(yǎng)物質(zhì)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(yǎng)物質(zhì):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(yǎng)物質(zhì)。 ④系統(tǒng)水力條件:在水力停滯或高水齡的供水區(qū)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(zhì)較為穩(wěn)定的前提下,影響管道內(nèi)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(nèi)余氯濃度越低越易于滋生細菌。 ⑥管材:戶內(nèi)水表前廣泛采用襯塑鋼管,絲扣連接。 襯塑鋼管內(nèi)襯一般為PE,根據(jù)管道生物膜生長的研究成果,PE 管道出水細菌總數(shù)快速增加,第53 d 后增速放緩,第81 d 后出水細菌總數(shù)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(zhì)的不利影響,提高末端用戶的出水水質(zhì),保證再生水生物穩(wěn)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(guī)律進行分析。 當(dāng)前獲得的水量監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)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(guī)律。 經(jīng)分析,由于該住宅項目的業(yè)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(nèi)水流動次數(shù)最少,因此,選擇頂層作為最不利位置進行分析,根據(jù)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(jù)本項目日用水量監(jiān)測數(shù)據(jù)及該樓戶數(shù),結(jié)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(shù),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(xù)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(zhì)污染風(fēng)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(nèi)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(xiàn)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(shù)最大,且在0.5 m/s 以上生物膜中的微生物才出現(xiàn)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(nèi)的每日沖刷最小流速大于0.5 m/s。

本研究采用數(shù)值模擬方法計算水流參數(shù)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(nèi)水流速度模擬結(jié)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(jié)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(nèi)管壁流速除角落位置均高于0.5 m/s,長度60 mm 盲管內(nèi)大部分面積的管壁流速高于0.5 m/s,長度70 mm 盲管內(nèi)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(nèi)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(jù)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(jié)論

再生水水源切換可能對用水產(chǎn)生一定的風(fēng)險。由于再生水水源的復(fù)雜性,水中物質(zhì)種類多,包括重金屬、消毒副產(chǎn)物、有機物等對人體有健康風(fēng)險的污染物。 水源切換后再生水盲管內(nèi)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(jié)果表明,為了保證盲管內(nèi)的水力沖刷,降低盲管內(nèi)微生物大量滋生后對用戶的健康風(fēng)險,盲管長度不宜大于60 mm。