建筑给水安全保障技术

摘要：当市政供水压力不足，需要建筑给水加压，提升供水压力才能满足使用要求。现代建筑几乎无例外地采用离心泵加压。众所周知，当水泵的额定转速一定，水泵加压所能达到的压力由水泵的外特性曲线（当n一定时的H：fcQ特性曲线）所制约。也就是说，给水加压系统的最高压力受离心泵的外特性曲线限制，加压系统不会超过水泵所能达到的最高压力。 关键词：建筑给水 安全保障 当市政供水压力不足，需要建筑给水加压，提升供水压力才能满足使用要求。现代建筑几乎无例外地采用离心泵加压。众所周知，当水泵的额定转速一定，水泵加压所能达到的压力由水泵的外特性曲线（当n一定时的H：fcQ特性曲线）所制约。也就是说，给水加压系统的最高压力受离心泵的外特性曲线限制，加压系统不会超过水泵所能达到的最高压力。 在使用过程当中，当水泵突然开、停、止回阀突然开、闭，电磁阀快速开、关等等，在管网系统中可能出现水锤冲而。在发生水锤时，在管网系统中可能形成很高的压力，引起管网爆裂。应当指出，发生水锤与多种因素有关，很难在设计阶段确定。在系统调试时如果发生水锤，则应采取针对性的措施进行解决。 由此可见，对于给水加压系统而言，在通常情况下，系统不会出现超压，在不发生水锺的情况下，其最高压力不会超过水泵的最高压压力。设离心泵的额定压力为P2；按水泵样本，在零流量下的最高压力通常为Pmax≤1.3P2.为确保安全给水管网和设备必须能承受Pmax而不致于损坏；在设计上无必要设置安全阀等防超压措施。 应当指出，用设置安全阀来防水锤超压是不可靠的。水锤通常是通过调试来发现并合理解决；在设计阶段通常不予考虑。我们认为，管网系统为不能承受离心泵在零流量下的最高压力Pmax是不安全的。 综上所述，我们认为对于给水系统无必要设置安全阀，管网和设备应能承受离心泵在零流量出现的最高压力（对于有驼蜂H=f（Q）外特性的离心泵，其最高压力可能在某一小流量下出现）。 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，中国的给水形势日益严峻。在此基础上，中国政府提出了以水质问题为中心的《中国2000年水工业可持续发展战略》。它的一个内涵是，随着水质问题的突出，传统的给水排水工艺技术与工程技术已经不能完全满足新的要求。虽然“七五”、“八五”期间，通过国家科技攻关等科研计划的实施，对水工业科学技术开展了广泛的研究，但由于纵深发展不够，集成化水平低，使得我国水工业科学技术总体水平仍然较低。在对水污染进行新的理解的基础上，本文从净水工艺的有限性出发，提出突破大系统式水质观，建立新型水质观，靠人工智能等先进科技手段实现一种从整体？亡把握的新水质保障思想，从而达到给水服务水平的根本提高。 1.从两种水厂管理自动化意见谈起 经过多年努力，我国水厂自动化控制水平现在已有了很大发展，如在大型水厂已较为普遍地采用了自动加矾、自动加氯、水泵自动变速、全厂的生产运行监测和滤池自动冲洗等工艺。但水厂自动化程度的提高，也给设计、施工、使用带来一系列问题，褒贬不一。 对于水厂的自动化，目前还存在不同意见。一种是极力主张，如刘灿生教授等人认为，随着水环境污染加剧和人们对于水质日益提高的要求，水净化处理操作控制单靠手工难以达到，考虑到净水工作的可靠性，考虑到降低电耗、药耗、减少人员等问题，自控将成为水厂必不可少的系统。 国外专家持不同意见，如美国德克萨斯州奥斯汀的给水研究专家Susan K.Booth等人认为饮用水处理正变得越来越复杂，必须有人作用于其中。理由是水处理工作需要随时调整，哪怕艺术级的（state-of-the-art equipment）给水装备，使其具有类似于人的训练，也不足以优化整个水厂的运行。他们认为，正是操作者知道什么时候处理过程可能要出问题，需要人来评价周围环境，作出各种运行决策，采取正确行动。在此思想指导下，他们发展的是辅助性技术工具，如PAS（process assistance system）。这种工具系统所要达到的是，通过给出水厂运行信息，提供解决问题的一些线索，帮助人们了解水厂运行状况，提高人们的决策技能，使操作者能更加独立、有效地工作。 刘灿生等人则认为，自动化控制水平的提高必然促进水处理工艺及构筑物的发展，从而使人工不能控制的复杂高效的工艺得以产生，甚至会完全改变现有的净化工艺流程。由此，水厂运行可以向智能化方向发展。应该讲，这就没有完全局限在现有水厂水处理的技术框架内，而是看出了智能化努力的本身，将可能改变水处理，甚至整个技术构架。 当然，上述仅是国内外两种代表性观点。Susan等人感觉到在现有水处理技术框架内人的作用无法取代，自动化天地极为有限。这也是有道理的，因为“从上至下”的现有水处理技术构架本身就是基于人而不是机器起主要作用而构筑的，在这种技术框架内，根本没有办法实现高度自动化的水厂运行管理。Susan等人观点之所以得出，毕竟从某种意义上反映出了现有水处理技术构架或水处理思想本身的局限；刘灿生等人从具体技术工艺的智能化问题需要入手，提出了整个水厂的智能化的发展方向，并且。认为智能化工作可能对净水工艺的整个流程都能予以改变。 上述两种意见或观点都是在净水思想框架内认识自动化，没有从水处理所面临的根本问题或水质技术根本发展的要求来考虑可能容涵或需要发展整个自动化或智能化工作。从对水厂自动化存在不同观点这一现实情况来看，至少说明已有自动化工作和目前的自动化努力还没有与水工业发展的根本问题紧密联系起来，以致使自动化工作方向成为了一个问题。 我们的观点是，水厂自动化或智能化发展，与水处理技术根本性发展紧密联系在一起，或者可以说为后者所内在需求。没考虑到水处理技术的根本发展，就搞不清给水自动化或智能化发展的真正必要及整体发展朝向。总言之，只有在对现行水处理技术思想是否应该予以根本突破的研究过程中，才能看出水厂或整个给水系统智能化的根本发展思路或前景。而若想搞清这一点，首先就应该从现有水处理技术到底存在哪些根本局限入手。 2.现行水处理技术的局限 从本质上讲，现有净水技术并不是针对或能够解决水污染问题，这可以从病毒污染、有机污染、新型污染和重金属污染等方面来加以阐述。 首先，现有水处理技术无法解决病毒污染问题。众所周知，病毒对健康的危害是明显、严重的，然而在目前“要直接测定水中病原菌（如伤寒、霍乱、痢疾等肠道传染病，一般均通过饮用水进行传播）并以之作为水质分析的例行项目，还不能做到。”也就是说，对于病毒，目前尚无完善的技术可供例行检测。所谓消毒，主要是去除细菌，现行水处理工艺对病毒的消除还无能为力。如在西班牙阿尔卑斯河62陆军营地就曾发生过因供水受病毒污染，造成500名士兵突然爆发传染性肝炎的事例。《科学美国人（中文版）》1997年第4期上的一篇文章也指出：“目前人类尚对大多数生物病毒一筹莫展。” 其次，现有水处理技术无法解决有机污染问题。对此，李圭白院士提出：“以现行城市的自来水厂常规水处理技术处理的水，水中仍含有许多有毒、有害物质，特别是微量有机污染物可检出数百种，其中有许多是具有‘三致’作用的重点污染物。有相当多的城市自来水厂出水的致突变试验（Ames试验）显示阳性，表明饮用这种水是不安全的……，由于饮用水中出现的污染物种类数量众多、多数浓度极低，无论检测和去除都十分困难，所以饮用水除污染是一个涉及多学科的高科技项目。” 第三，现有水处理技术无法解决似激素作用的污染问题。近年来科学家们讨论内分泌紊乱（导致癌症、不育症、甲状腺机能障碍、先天缺陷、行为障碍、神经系统压抑和生殖器官畸形等）的原因，认为人造化学物质可能正在严重破坏人和野生动物的激素。过去曾认为低水平污染是安全的，现在认识到低水平污染也危害健康。近年来在自然界发现了不少畸型动物，在人类社会中出现了逐渐增加的癌症病例，专家们认为这是由于近似于生物激素的化学物质引起的，是一种新型环境污染。美国图兰大学的约翰。麦克拉克伦教授等人在1996年6月发表的一篇论文中指出，用作杀虫剂的多种化学物质，每个个体物质虽然浓度极低，只有几百亿分之一，单个来看没有不良影响，但如果混合在一起就会产生相当于个体160至1600倍的激素作用。王占生教授指出，如果这个结论属实，那么它将彻底推翻化学物质的安全标准。 第四，现有水处理技术还不能有效解决重金属污染问题。随着中国工业经济迅速发展，重金属污染问题日益突出。从国内外的研究可知，对水中重金属离子的去除，现有的方法多是针对某种特定形态存在的重金属污染物，普遍存在着对重金属离子选择性差的缺点。至今，人们还在寻找一种不受高背景的碱金属和碱土金属影响，对重金属离子有着较高选择性的新方法。 另外，在污水生物处理方法中，由于废水中一些成份对细菌的抑制作用，即使我们知道了水中某些要除去的污染物，净化目的也达不到。那么我们就要问，为什么直到今天，水处理技术还存在上述问题呢？ 3.污染问题实质及其启示 钟淳昌先生指出，在原水和出水水质的要求下，我国的水处理工艺正开始变化，预计一个更完善的针对有机污染为重点的处理工艺流程将逐步形成。由上述，已经看到不只是有机污染使先行水处理技术遇到阻碍，还有重金属污染和生物污染等问题同样使水技术显得无能为力。我们认为出现这种局面的主要原因是人们没有从污染问题的实质出发，没有研究开发出针对污染问题的水质保障技术，而一味地在“去除理念”的作用下，发展净化朝向的水处理技术。这就无形中使水中含又杂质与水整个受到污染问题发生了不应有的混淆。 应该看到，污染问题与水质不好或水中个别元素含量过多不是一回事。污染必须是水中存在不是离散存在，而是出现整体组织性变异。已有的水处理（常规及基于常规水处理工艺的预处理和深度处理）没有达到整体把握水质的程度，结果因水的组织性存在，要么去不掉想去的东西，要么将水中那些有益健康的微量元素也一并去除。 再说，在水的组织没变的情况下，去掉组织中的某个成份，自有别的来顶替，组织的功能即在于此。现在还不知道如何超越对水中个别成份进行处理的技术境界，而达到整体地改变水的组织性存在的效果。也就是说，现在的水处理根本不是解决污染问题，而只是去水中杂质。应该讲，污染问题是水质工作的崭新问题，需要发展新的水质保证思想和给水工程理论。 长期以来，人们一直将水作为简单系统存在，即将水分成由若多成份或要素组成的大系统。现有的水处理技术都是基于一定的水质分析和指标要求，即水处理工艺都是针对水中某些特定成分的去除而开发的。 对水质指标的依赖不仅体现了现有水处理技术的实质，而且也是导致水处理技术局限性的根本原因。因为随着水环境的日益恶化和人们对水质工作要求的不断提高，对水中成份的浓度起限定作用的《标准》也正在失去意义。所谓标准，除了对检验项目的数量限定，还落实到对所包含项目浓度的限定上。人们已经注意到，即使在水中成份能被检测且“达标”的情况下，由于一些化学沾污物质在中的的累积效应，也会对产生危害作用。因为“饮用水是参加内代谢过程的一种物质，它所含的任何沾污成分，都有可能对产生短期的、长期的，甚至遗传性的影响。” 约翰。麦克拉克伦教授等人对浓度极低人工化学物质的组成成份可以在水中合而成害的发现，加上人们已经了解到，在任何浓度水平上，能导致体细胞遗传物质突变，诱发致癌的物质都可以发挥作用，即无阈值的事实，这些就更从根本上否定了对水中物质的浓度加以限定的思想方法。 考察污染问题的实质给我们的一个直接启示，就是要突破那种单独考虑水中成份的大系统水质观，而代之以复杂、整体和动态的，能解释水污染与水中杂质不同问题类型的新的水质观。只有这样，才能真正有效地发展针对污染问题的新技术。 4.新型水质观及水质保障思想的建立 许保玖先生在评论美国包含83项沾污物的水质标准时，早在1990年就提出：“对那些含有数以百计沾污物的原料水”即时在制成自来水成品后，对每种沾污物都有了浓度限制，仍然不能对它们在内所起的代谢效应，进行清楚的解释。“ 美国这一包括83项沾污物的水质标准，应该说，还是基于大系统水质观，还没有完整地考虑水与生理活动的关系问题。当然，也没从污染是水发生整体组织性变异，与水质含有杂质问题不同这一角度考虑。 目前水环境问题对水质标准造成了根本性的冲击，应该从新的角度来寻找和建立更有效的水质保障思想。在突破大系统水质观这一问题上，值得注意的是，COD和BOD就并不是直接表示有机物内容和量的指标，也不是把有机物完全分解的方法，而是根据近一个世纪的经验和研金，目前在世界上被用来作为一种有价值的衡量污染程度的尺度。除COD和BOD之外，作为新的测定法，现在开始使用TOC、TOD、UV（紫外吸光）等方法。这些都不是纯粹的大系统水质观，但还没有达到我们所期望的地步。 从污染问题的实质，我们可以看出水实际上一个可变组织或开放的复杂系统存在，用复杂观看水是必须的。所谓水污染，就是水本身发生了整体转型。水回用或解决污染情况下的饮水问题，就不是“去污”，或者说去除水中个别成份就可了事，而是要将那个变化过去的整体“水型”给纠正过来。我们进行的可谓是某种组织的“重建”工作。 我们暂且给这个完整的组织性存在，即一定水质起一个名，就叫作“阵”。阵有相对相和的意思，两个相和的阵共同成就一个“文”。如果将的生命生理特点也看作一个阵的话，那么，所谓有益健康的水，就是一个正好可以与人这个阵相和，即成文的存在。由此更可以看出，水污染是指水阵被变动，以致于不能与正常的生命生理活动，即人这个阵成就一个文。 如果这样讲来的话，下一步水工业工程发展的目标就应是从生命生理活动，即人这个阵性存在出发，本着与之相和成文的原则，来塑造水这个阵。这样的话，我们对水就不是进行简单的处理，而是一种整体设计。 不管怎么说，站在使水这个复杂系统对生命生理活动具有服务可靠性这个观点上，即使二阵相和成文来发展新的水质保障思想，都是必然的趋势。现在关键的问题是要在理论上对这一思想进一步阐述和论证，直至最终可以工程化。当然，这一工作需要高级的科学技术手段加以支持才行，如分布式人工智能思想和技术；但反过来也同样，这种新的从整体出发的水质保障思想也一定会对智能技术的发展提供原动力，对原本已经落后的水工业设备制造业给以根本性的促动。这一点，正如张悦先生所提出的：“从国外发展趋势看，一种新型处理工艺的问世总伴随着一批专用设备投向市场……，加快设备制造业的技术进步，尽快提高产品的综合技术水平是污水处理设备发展的当务之急……，尽快形成高层次、高质量的产品群，满足迫在眉睫的市场需求。由此兴起的我国污水处理设备产业，将会超越一个发展时代，迅速接近或达到国际先进水平。 本质上讲，现在的水处理技术只是一个固定的阵，其中混合、絮凝、沉淀、过滤和消毒在各自不同的阵下存在。这种技术之所以不能奏效于污染问题的解决，在于存在层次的差异。因为问题的解决是要求变阵的，而技术手段却是一个固化的阵性存在，在水平上根本就达不到。生物式污水处理技术也是如此，都是一个以定阵存在来试图达到变阵结果。 现在人们已经明白，芦苇湿地示范工程是一个完整的生态系统，其所有因素之间都是相互联系、互为因果的。在人工湿地污水处理法中，存在着的是一种共生机制。我们认为这种共生机制，就是一种水土与植物两种阵性存在的相和成文，并且在保持成文的过程中，各自都得到整体改进，即植物得到了生长和成熟，水土也由最开始的被污染得到了恢复和再生。 通过初步的研究，可以基本推断人工湿地法与生物处理法在原理上有着根本的不同，不能简单地认定人工湿地法就单纯靠的是一种生物化学工程原理来使水质得到提高。如果按着我们的说法搞清了人工湿地与生物处理的本质区别，或者说更进一步弄明白了人工湿地处理洁中所蕴含着的一般道理，那么，就可以在此基础上进一步研究，以期对污水处理或水的再生利用提供强有力的指导。这种工作，也许就是我们今后需要努力的一个重要方向。 总之，本文紧密围绕解决水污染问题这个中心，从要根本超越净水工艺和净水思想的角度来谈水质保障思想及给水技术的根本发展问题。水工业工程技术的发展一定要从整体技术构架上进行创新，要在技术思想水平上根本提高，即不再进行“从上到下”的总体优化问题，而代之以“由下至上”的自组织或智能行为。这种技术或工程思想不仅可以适应解决水污染问题的工程需要，而且能够适应外在环境的复杂多变，如实现智能给水。人到时所要进行的是设计，是对整个技术构架的维持，而并非是如今这样的运行决策。如果达到此种工程技术境界，就可以完满实现水工业战略，即更好地进行水质保障，为的健康，为社会经济的可持续发展可靠地服务。 参考文献 [1]傅涛，水工业的学科体系建设研究，哈尔滨建筑大学博士论文，1999.3 [2]聂梅生，中国2000年水工业可持续发展战略，建设部科技司，1996 [3]钟淳昌、任鹤云，中国城市给水工程的发展方向，给水排水，V01.20，No.6，1994 [4]刘灿生、费霞丽、高欣忠，我国水厂自控技术的发展趋势，给水排水，V01.24，No.1，1998 [5]SusanK.Booth etal，JOURNAL AWWA，May 1999，V0l.91，No.5，pp42—50 [6l李圭白、李星，污染源治理与饮用水除污染并重，哈尔滨建筑大学学报，V01.29，No.5，1996 [7]王占生，非危言耸听 应见微知著，给水排水，V01.24，No.6，1998 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