智能建筑给水系统中水质安全保障的技术研究

张欣

（中国城市建设研究院有限公司，北京 100120）

1 引言

随着城市化进程的加快和科技的飞速发展，智能建筑已逐渐成为现代城市的重要组成部分，为人们的生活和工作提供了更多的便利和舒适。然而，与此同时，智能建筑的给水系统也面临着更高的要求和挑战，尤其是水质安全问题，已经成为关乎人们健康的重大问题。因此，对智能建筑给水系统的研究，特别是对水质安全保障技术的研究，显得越来越重要和紧迫。

2 智能建筑给水系统概述

2.1 智能建筑给水系统的组成

智能建筑给水系统是一个综合性、高效能的系统，核心水源供给系统是其最基本的组成部分。水源供给系统根据建筑的需要，从自然水源或人工水源获取必要的水量，经过初步处理后，将其供给整个建筑系统及水质处理设备，确保供给水质的安全，从而保证建筑内各个部分的正常运行，一般来说，智能建筑给水系统的水质处理设备按照级别分为： 初级处理设备、中级处理设备和高级处理设备，能够有效去除水中的微生物、化学污染物和悬浮颗粒等，提高水的安全性和可用性。为了进行水量控制和调节，需要水泵、阀门、控制器和传感器等精确控制水的流量、压力和温度，以满足不同的使用需求，可以根据环境条件进行调节，以提高整体系统的效率和节约资源。智能控制系统是整个给水系统中最关键的组成部分，可以利用先进的信息技术，如物联网、大数据和人工智能等实现对给水系统的实时监控、故障预警、优化运行等，还可以与建筑的其他系统（如空调系统、电力系统等）进行信息交互，实现整个建筑的智能化运行。为了维护和保证整个系统的正常运行，还需要一套维护和管理系统，包括各种维修工具、备件、清洁设备以及专业的维护团队等，及时地进行设备的检修、清洁和故障排除，以保证整个系统的长期稳定运行[1]。

2.2 智能建筑给水系统的功能特性

智能建筑给水系统的功能特性表现在其高效性、 智能化和灵活性等多个方面。高效性主要体现在其能够准确而迅速地满足建筑内不同区域、不同时段的水使用需求，通过精确的水量控制和调节系统，有效调整水的流量、压力和温度，从而实现资源的最优化使用。智能化是因系统借助先进的信息技术，如物联网、大数据和人工智能，实时监控和分析水质和水量情况，预警可能出现的问题，并进行自动调整或报告，智能控制系统还可以与建筑的其他系统进行信息交互，实现整个建筑的智能化运行。灵活性表现在智能建筑给水系统能够根据不同的水源、水质和使用需求，灵活调整其操作策略和设备配置。例如，当水源发生变化时，系统可以自动调整水质处理设备的工作模式；当建筑内的用水需求发生变化时，系统可以自动调整水量控制和调节策略。除此之外，智能建筑给水系统还具有良好的稳定性和安全性。通过维护和管理系统的持续运行，可以及时进行设备的检修、清洁和故障排除，保证系统的长期稳定运行；而在水质安全方面，通过持续的水质监控和高效的水质处理设备，可以有效保证建筑内的水质安全[2]。

3 水质安全的关键要素

3.1 微生物安全

微生物安全是指保障人类生活和工作环境中的微生物状况处于一个安全的水平，以避免微生物对人类健康的潜在威胁。微生物包括细菌、病毒、真菌和寄生虫等，在自然环境和人工环境中都存在，尽管许多微生物对人类健康有益，但也有些微生物可能导致各种疾病的发生。微生物安全涵盖了微生物检测、微生物控制和微生物防护等多个领域。在微生物检测方面，通过各种微生物检测技术和设备，可以实时监测环境中的微生物数量和种类，评估微生物污染的程度和风险，为微生物控制提供依据。微生物检测的准确性和及时性对于确保微生物安全至关重要，需要借助先进的检测设备和检测方法，包括现代分子生物学技术、 生物传感器技术等。在微生物控制方面，可以采用物理消毒、化学消毒和生物消毒等方法来消除或降低环境中的微生物数量，从而减少微生物对人类健康的威胁。微生物控制的效果和效率取决于控制策略的选择和执行，这需要科学的决策和有效的操作。在微生物防护方面，通过个人防护措施、 环境防护设施以及法律法规等来防止微生物的传播和感染，从而保护人类的健康，微生物防护的实施需要全社会的参与和努力[3]。微生物安全在公共卫生、食品安全、医疗保健和环境保护等领域较为重要，在智能建筑的给水系统中，水是微生物的主要传播途径之一。通过有效的微生物检测、控制和防护确保给水系统中的水质安全，防止水源性疾病的发生，从而保护建筑内人员的健康。

3.2 化学污染安全

化学污染安全涉及如何控制和防范环境中的化学物质污染，为人们带来健康和福祉。化学物质包括各种无机物、有机物和生物毒素，存在于空气、水和土壤中，可能来自自然过程，如火山喷发和生物降解，也可能来自人类活动，如工业排放、农业施肥和家庭生活。化学污染的风险因化学物质的性质、浓度和暴露时间等多种因素而异，部分化学物质具有毒性、致癌性、生物积累性等危害，对人体的神经系统、内分泌系统、免疫系统和生殖系统等可能产生负面影响；还可以通过空气、水和食物进入人体，长期暴露可能导致慢性疾病的发生。因此，化学污染安全需要对环境中的化学物质进行有效的监测、 控制和防护。化学污染的监测需要借助各种化学分析方法和仪器，如色谱法、光谱法和质谱法等，实时监测环境中的化学物质种类和浓度，通过监测结果了解化学污染的状况和趋势，评估化学污染的风险，为化学污染的控制和防护提供依据。化学污染的控制可采取提高生产工艺的清洁度、 减少有害化学物质的使用、 加强废弃物的处理和回收等措施，改善人们的生活方式，减少化学物质的消费和排放。化学污染的防护主要通过减少人体的暴露来实现，如戴口罩、喝过滤水、吃有机食物、避免接触有害化学物质等，同时提高健康意识，增强身体抵抗力，避免化学污染的危害。化学污染安全是公共卫生、环境保护、食品安全等领域的重要任务，也是智能建筑给水系统需要解决的重要问题。通过有效的化学污染监测、控制和防护，保障给水系统中的水质安全，防止化学污染疾病的发生，从而保护建筑内人员的健康。

4 智能建筑给水系统中水质安全的技术研究

4.1 水质检测与监控技术

水质检测与监控技术以及相关的在线监控技术、 生物检测技术和其他相关检测技术，是维护和确保水质安全的重要手段，为人们提供了关于水质的全方位信息，及时发现和解决水质问题，保障良好的生活和工作环境。其中，水质检测与监控技术是通过各种化学、物理和生物方法，对水样中的主要污染物进行定性和定量分析，以评估水质的状况和变化[4]。这些技术涵盖了多种参数的检测，包括pH、电导率、溶解氧、浊度、总有机碳含量、重金属离子含量、营养物质含量、微生物含量等，可用于评估水的化学质量、物理性质和生物活性，通过定期或持续的水质检测与监控，可以了解水质的实时状况，预警可能出现的污染问题，并为水质改善和管理提供科学依据；在线监控技术是利用先进的传感器和通信技术实时采集和传输水质数据，以实现对水质的连续监控，能够提供实时、连续、大范围的水质数据，大大提高了监控效率和准确性。在线监控技术的应用不仅限于传统的水质参数，也包括了一些新型的水质指标，如微生物活性、荧光物质、有机污染物等，提供了更全面、更深入的水质信息，便于了解水质的复杂性和多变性；生物检测技术是利用生物的敏感性和选择性，对水中的特定污染物进行检测，可以直接反映污染物对生物的影响，更准确地评估水质的生态安全性。生物检测技术涵盖了多种生物和生物分子，如细菌、藻类、酵母、酶、抗体、DNA 等。这些生物和生物分子可以作为生物传感器，对特定的有毒物质进行快速、灵敏、特异性的检测。随着生物技术的发展，生物检测技术将在水质监控中发挥越来越重要的作用。此外，其他相关的检测技术，如纳米技术可以用于制备高性能的检测传感器；光谱技术可以用于非破坏性、无须样品前处理的水质检测；分子生物学技术可以用于微生物的鉴定和分子水平的污染物检测。

4.2 水质处理技术

在智能建筑给水系统中，水质处理技术的主要任务是通过物理、化学和生物等手段，将原水中的悬浮物、溶解物和微生物等污染物去除或降低至可接受的水平，从而保证出水安全和健康，水质处理技术主要分为物理处理技术、化学处理技术、生物处理技术3 种。物理处理技术主要包括沉淀、过滤、膜分离、吸附、离子交换等，通过物理手段，如重力、电磁力、毛细力等，将水中的固体粒子和大分子物质分离出来。例如，沉淀法是利用重力的作用使悬浮物沉降到水底； 过滤法利用毛细力将水中的细小颗粒拦截在滤材上； 膜分离法的原理是利用膜的筛选作用将水中的溶质和溶剂分离； 吸附法是利用吸附作用将水中的有害物质吸附到吸附材料上； 离子交换法可以利用离子交换树脂的离子交换作用将水中的硬度离子和重金属离子替换出来。化学处理技术通过化学反应，如形成混凝体、氧化还原、酸碱中和、氧化消毒等，将水中的溶解物和微生物去除或降解。例如，混凝法是通过混凝剂与水中的悬浮物和胶体形成易沉淀的混凝体； 氧化法可以将水中的有害物质氧化降解；中和法是基于酸碱中和的化学原理调节水的酸碱度；消毒法可以利用氧化剂或紫外线灭杀水中的微生物。生物处理技术主要包括好氧和厌氧生物处理，将水中的有机物和氮磷等营养元素转化为无害或低害的物质。例如，好氧处理可以利用好氧微生物将水中的有机物氧化为二氧化碳和水； 厌氧处理可以利用厌氧微生物将水中的有机物还原为甲烷和二氧化碳； 硝化反硝化可以利用硝化菌和反硝化菌将水中的氨氮转化为氮气[5]。在实际应用中，通常需要根据水源的水质特性和出水要求灵活选用和组合各种物理、化学和生物处理技术，以达到最佳的水质处理效果。

4.3 水质预警与应急反应技术

水质预警与应急反应技术是维护智能建筑给水系统安全稳定运行的重要环节，将数据分析、预警机制、应急处理与反应等环节融为一体，形成一个连贯的系统。当水质出现异常或可能出现异常时，系统能够迅速产生预警，启动应急处理措施，以确保水质安全，保障建筑内人员的健康。预警机制和模型是预警系统的核心，依托于大数据和智能算法，对海量的水质数据进行实时分析和处理，及时发现水质的异常变化，预测可能出现的污染风险，并在必要时发出预警信号。随着大数据和人工智能技术的发展，预警机制和模型的性能与精度也在不断提高，能够更早、更准确地识别和预警水质问题。应急处理技术与方法是预警系统的另一个重要组成部分。当预警系统发出预警信号时，应急处理措施立即启动，以快速、有效地解决水质问题，在应急处理过程中，系统还会实时监测水质变化，调整处理措施，直到水质恢复正常。

5 结语

本文探讨了各种先进的水质检测与监控技术、 水质处理技术和水质预警与应急反应技术。这些研究成果不仅为理解和解决智能建筑给水系统中的水质问题提供了新的视角和方法，也为设计和运行更高效、更安全、更环保的智能建筑提供了有力的支持。然而，智能建筑给水系统的水质安全保障技术仍是一个充满挑战的领域，还需要不断探索和研究。未来期待通过更深入的研究和更广泛的应用，使智能建筑给水系统的水质安全保障技术能够更好地服务于人们的生活和工作。