建筑集中生活热水系统水质安全保障技术
0 引言
2020年3月11日,世界卫生组织(WHO)总干事长谭德塞宣布新冠病毒感染的肺炎(以下简称新冠肺炎,COVID-19)已为全球性流行病。全球抗击新冠肺炎进入关键时刻,中国应对新冠肺炎疫情的防控工作取得了大量的临床经验、治疗技术和高效的管控措施,中国抗击疫情的经验具有重要借鉴意义。2020年3月12日国家卫健委高级别专家组组长、中国工程院院士钟南山教授应约同欧洲呼吸学会候任主席安妮塔·西蒙斯博士进行了视频连线,介绍中国抗击新冠肺炎疫情的成果和经验时,特别提醒,对于新冠病毒的传播途径仍需深入研究,查明是否会由于淋浴器或排气管泄露造成传播。他举例,在钻石公主号上,直到2月29日,总共709名患者中(近20%乘客)感染了COVID-19,究其原因可能通过管道或淋浴器传播所致。
这是自2月18日,钟南山院士强调防范新冠肺炎,保持下水道畅通极为重要后,再次强调建筑生活热水系统卫生安全性在防控新冠肺炎疫情中的重要性。集中生活热水系统正确的设计、运行与维护,在防疫期间应采取的一些强化应对技术措施,是巩固新冠肺炎防疫工作已取得的成果、保障百姓身体健康的需要。
集中热水供应系统就是在锅炉房、热交换间将水集中加热,通过热水管网输送至整栋或几栋建筑的热水供应系统。适用于热水用量较大,用水点比较集中的建筑,如较高级居住建筑、旅馆、公共浴室、医院、疗养院、体育馆、游泳馆(池)、大型饭店等公共建筑,布置较集中的工业企业建筑等。集中生活热水系统的水质应符合行业标准《生活热水水质标准》(CJ/T 521-2018)的要求。集中热水系统中使用频率最高的卫生器具就是淋浴器,淋浴器的出水温度为37~40℃,要求工作压力为0.1~0.2 MPa。军团菌是一种典型定植生活热水系统,经由热水管道系统传播,并以气溶胶形式被人吸入肺部感染致病的细菌。由于淋浴器花洒头有一定的出水温度及工作压力,具有产生气溶胶的条件。气溶胶是集中生活热水系统传播细菌病毒的一种典型方式,如新冠病毒由病毒携带者传播进入集中生活热水系统中,经由集中生活热水系统管道随水流传播,在淋浴器处,以气溶胶形式被使用者吸入肺部,致人体感染病毒后,病毒在人体内繁殖、传播,那么集中生活热水系统将可能成为新型冠状病毒社区竖向传播的传染源,其潜在危害风险大,影响范围广,必须采取正确的预防措施,切断细菌、病毒在淋浴器处传播的条件。
1 冠状病毒在水系统中生存的特性
中国科学院北京基因组研究所研究发现,2019新冠病毒与2003年爆发的SARS病毒基因组序列相似度为80%
王新为、Gundy、Pagat、Lai、Duan、Rabenau等对冠状病毒SARS-CoV和HCoV-229E的生存试验的研究数据显示,冠状病毒在水中的存活时间均受水温与水质的影响,在较低水温下病毒生存时间更长;SARS-CoV在室温(20~25℃)下,在清水和排泄物中病毒生存时间更长,此外在培养液中存活时间略长于干燥条件
根据研究发现,新冠病毒与SARS-CoV病毒有共性,在温度22~25℃,液态环境中存活时间更久,可存活21d,详见表1。
2 集中生活热水系统要求
2.1 集中生活热水系统末端出水温度
集中生活热水系统,是冷水供水经热源加热后由管道系统输送到各个用水末端的系统。冷水供水的水质应符合国家标准《生活饮用水卫生标准》(GB5749)的要求是保证生活热水水质安全的前提,但如果热水系统设计与运维不合理,热水水质仍难以保证,而热水水质与使用人员的身体健康密切相关。军团菌、分支杆菌等管道机会致病菌,是我们关注已久威胁集中生活热水系统水质安全的一个重要原因。为保障集中生活热水系统水质安全,由中国建筑设计研究院有限公司承担的国家“十二五”水专项课题《建筑水系统微循环重构技术研究与示范》课题(以下简称“课题”)为支撑,主编了行业标准《生活热水水质标准》(CJ/T 541-2018,以下简称“标准”)和协会标准《生活热水水质安全技术规程》(T/CECS510∶2018,以下简称“规程”),可供设计、物业管理人员科学、合理地设计、使用与维护集中生活热水系统。
水传播疾病的爆发绝大多数是由病原体引起的,包括细菌、病毒、原生动物和肠虫等。一般细菌、病毒和寄生原虫热抵抗能力低,50℃水温作用下1~2min即被灭活,因此在生活热水系统中并不常见,也不能成为威胁生活热水水质安全的主要因素。
为抑制病菌在集中生活热水系统中的传播和定植,“标准”和“规程”都对集中生活热水系统中的水温进行了规定。其中“标准”要求集中生活热水系统热水管道末端出水水温不得低于46℃,而“规程”中要求集中生活热水供应系统的水温应符合下列规定:(1)水加热设备出水水温,医院、疗养院、养老院、幼儿园等类型建筑不应低于60℃,其他建筑不应低于55℃;(2)集中生活热水供应系统回水温度不应低于50℃;(3)水温不满足以上任一要求时,应采取能够有效灭菌的技术措施,且水加热设备出水温度降低不应超过5℃;(4)用水点水温不应低于46℃;水加热设备的出水温度不应大于70℃。
供水温度过高不仅散热损失大、耗费能源,而且有可能造成烫伤人员的事故,并加速加热设备和管道的结垢、腐蚀。因此,热水供应系统水加热器出口的水温不应高于70℃。供水温度过低,将为军团菌等有害人体健康的病菌提供生存、繁殖的条件与环境。美英等国外有关调查表明:12%~70%的医院水系统中有军团菌繁殖,在伦敦高达70%的大型建筑水系统中藏有军团菌。美国通过模拟管道系统的玻璃管试验进一步证实了适宜的温度对军团菌生存与繁殖的重要性,其结果为军团菌能够在20℃、40℃的环境中存活和生长繁殖,温度超过50℃水中就几乎找不到军团菌了。
2.2 集中热水系统管道末端水温现状
然而在实际工程中,为了节约能源、节约成本及支出,很多场所集中生活热水系统水温达不到“标准”和“规程”的要求。2014年和2016年,“课题”组分别对湖南、湖北、河南等地主要城市及北京市主城区具有代表性的大中型建筑物,随机选取建筑内集中生活热水水质进行检测分析,探索并评价建筑物集中热水系统的水质情况。
2014年调研情况显示,4家医院和3家星级酒店宾馆都采用集中供热系统,设置集中加热锅炉或集中太阳能加热系统,设计热水循环系统经过热水供水管路和热水回水管路,保证建筑热水系统的沐浴水对水温的要求。2家住宅、1所工厂和3所高校所采水样利用城市热网加热热水(夏季)、空气源热泵热水系统或太阳能热水系统,为了节能降低了管网热水水温的热水系统,由于管道保温及长度分布不一,很难保证在供水的最远端即热水系统末端出水水温不低于46℃。另外北京14个样品中仅有一家高档酒店和一家医院热水系统末端出水高于46℃,且低于50℃,分别为47.42℃和45.32℃。其他12个取样点的末端出水水温均低于46℃,且水温处于30~40℃的水样较多。14个采样点生活热水平均水温是37.15℃。
2016年调研合计采样点为33个,包括湖南、湖北、河南、北京多地酒店、高校、办公、住宅等,热水平均水温45.5℃,水温高于46℃采样点个数为15个,其中医院热水样品水温较高,5家医院平均热水水温为53.08℃,最高点水温为59℃,只有一个采样点水温低于46℃为43.4℃。18家酒店平均热水水温为46.3℃,最高水温为52℃,50%的采样点热水水温高于46℃。4个住宅类建筑平均热水水温为38℃,4个采样点均不高于46℃,最高水温为42℃。4所高校采样点只有南阳市一所高校水温45.6℃,其余北京3所高校采样点热水水温均低于40℃,最高水温为38℃。3所高级办公楼平均热水水温为46℃。各类建筑热水系统实际水温见图1。
2.3 集中生活热水系统病毒传染途径
“课题”调研的数据显示,超50%的集中生活热水系统水温达不到“标准”规定的管道末端出水温度46℃。根据冠状病毒在水系统中的存活特性来看,当水温不达标的集中生活热水系统感染了新冠病毒,病毒可能会在该系统中至少存在2d以上。在高浓度新型冠状病毒暴露条件下,冷水系统或集中生活热水系统一旦被病毒感染,系统内水温不仅不利于对新冠病毒的灭活和抑制,还会延长病毒的存活时间,此时集中生活热水系统将会成为无形的传染源,就像一只无形的手,游走在每家每户之间,即便闭门不出,居家隔离,一旦打开热水龙头,就面临被传染的风险。集中生活热水系统将成为病毒社区传播的致命传染源,会造成大面积社区传播,严重威胁到使用者的生命健康安全。
钻石公主号事件,在船舱内多是密闭环境的情况下,假设病毒感染到淋浴喷头,当某种情况下(如管道负压、直接接触等),病毒被带到热水系统中,随水流在管道内游走传播,势必会造成跨房间、跨楼层感染。普通住宅、高校宿舍、普通旅馆等建筑热水循环系统定时循环,如若集中热水系统无人使用时,管道回水温度降低至环境温度(25℃)时,将更有利于病毒的存活并延长其存活时间,增加了病毒传播和感染的风险。
除供水温度低引起的细菌、病毒繁殖外,集中热水系统为保证系统压力安全而设置的膨胀罐,当设置在循环回水管上时,如采用了隔膜式或囊式膨胀罐,不是通过式膨胀罐(见图2),有滞水区,也会加剧细菌、病毒的传播。
如何避免这种情况的发生,保障集中生活热水水质安全,切断病毒通过管道系统进行传播是关键。
3 集中生活热水系统水质保障技术
3.1 集中生活热水系统消毒技术
“课题”组通过大量调研数据和试验研究,以抑制管道机会致病菌等常规病菌为核心,编制了“标准”和“规程”。其核心技术要求包括规定热水系统的最低水温、管道系统增设消毒装置等技术措施。
集中生活热水系统可采用银离子、紫外光催化二氧化钛、高温或二氧化氯等灭菌措施。在防疫期间的应急灭菌处理宜采用投加氯、二氧化氯或热冲击灭菌等措施。当氯用于应急灭菌处理时,投加量为20~50mg/L,最不利出水点游离余氯浓度不应低于2mg/L,运行时间不应小于2h。采用二氧化氯应急处理时,投加量宜为8~19mg/L,最不利点游离余氯浓度不低于0.8 mg/L,运行时间不小于2h。热冲击灭菌处理时,最不利点水温不低于60℃,系统持续运行时间不应小于1h,各用水点冲洗时间不应小于5min。
值得注意的是,王新为等
加热处理可以有效灭活冠状病毒,参考灭活温度和时间为58℃/120min、67℃/60min或75℃/45min以上
2011~2016年,中国院热水课题研究团队,开发引进2种新的热水系统消毒技术,银离子消毒灭菌技术和紫外光催化二氧化钛消毒灭菌技术(AOT)。建立了中试系统,并多次进行了消毒灭菌试验。其中中试采用银离子对35℃热水中军团菌的灭活试验结果表明,在银离子浓度0.10mg/L灭活180min时,灭活率可达99.92%,满足中国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)要求,也达到了世界卫生组织规定每100mL水中军团菌数小于1CFU的要求;在银离子浓度为0.05~0.07mg/L下灭活180min时,细菌总数和异养菌的灭活率分别达到97.86%和85.71%,可见银离子对军团菌具有显著的灭活效果。
另外常涛等
3.2 集中热水系统的管道循环
集中生活热水系统应在设计阶段做好循环系统,优先采用机械循环,保证干管、立管或干管、立管和支管中的热水循环;对于设有3个或3个以上卫生间的酒店式公寓、住宅、别墅共用水加热设备的局部热水供应系统时,采用设小循环泵进行机械循环。高层建筑热水系统当采用减压阀分区供水时,各分区要分别设置热水循环系统。
单体建筑的循环管道在有条件时采用同程布置,当采用异程布置时,热水回水干、立管应采用导流循环管件连接,在回水立管上设温度控制或流量控制的循环阀件。小区集中热水供应系统应设热水回水总干管和总循环水泵,单体建筑连接小区总回水管处设分循环水泵、流量控制或温度控制等循环配件。保证热水系统回水温度,阻断细菌、病毒的繁殖条件。
4 结论
(1)建筑集中生活热水系统应采取一定的技术措施,保障水质安全,集中生活热水水质不合格的系统需根据“规程”进行整改,以保障系统安全。
(2)特别值得注意,对于医院、疗养院、养老院、幼儿园等特殊类型建筑,其热水使用者多为易感人群,存在各种疾病传播的可能,因此规定其热水加热设备出水温度不应低于60℃。当水加热设备出水水温无法保证60℃时,应采取有效的消毒灭菌技术措施。可行的办法有:在回水管道上设置银离子消毒灭菌装置、供水干管上设置紫外光催化二氧化钛设备或采用高温消毒灭菌等方法。
(3)当建筑集中生活热水系统设备出水和管道末端出水达不到“标准”和“规程”要求时,存在传播新型冠状病毒的风险,新冠病毒是否以其为传播路径,需进一步调查研究。
(4)建筑集中生活热水系统增设消毒装置,有利于规避和消除新型冠状病毒在热水系统中传播的风险。
(5)当发现集中生活热水系统被冠状病毒感染后,热冲击法是一种很有效的消毒方法。将水加热到75~80℃可将原生动物、病原体或者细菌杀死。
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