高校实验用纯水系统设计范式探究

马 楠， 白 云

(中南民族大学 实验教学与实验室管理中心， 武汉 430074)

0 引 言

高校实验用纯水系统的设计质量，是保障相关学科门类科学研究和实验教学效果的重要基础条件之一。为了针对性地设计满足高校自身教学科研需求的纯水系统，实验室管理单位需要从技术和管理上对纯水系统进行规划与建设。本文首先以纯水系统的设计特征为切入点，分析高校纯水系统典型特征；从主机和管网两个角度分析高校实验用纯水系统的一般构成，并分别给出典型范例；最后对高校实验用纯水主机系统设计、系统管网设计展开规范性研究。

1 高校实验用纯水系统特征

高校实验用纯水系统的特点与工业用纯水系统、医疗用纯水系统、民用纯水系统等的要求有所区别。本文首先从使用功能、技术要求特征两个方面对其进行讨论。

1.1 使用功能特征

高校实验用纯水与其它纯水在功能定位有所不同。前者使用人群更为广泛，应用领域更为多样。在高校内纯水使用的人群主要分为教师和学生两类，二者在科研领域使用的纯水纯化级别要求较高，一般为一级纯水。而在教学领域使用的纯水往往级别要求相对较低，一般为三级纯水即可。应用范围主要分为化验分析、生物培养、表面清洗、实验动物(SPF级别及以上)饲养[1]、基础验证性实验等，一般情况下化验分析、生物培养、实验动物(SPF级别及以上)饲养对纯水纯化级别的要求要高于表面清洗、基础验证性实验等。因此针对不同使用人群和应用范围，纯水系统的设计方案要精准，不能一概而论，否则会直接影响纯水系统最终的使用效果。

1.2 技术要求特征

高校实验用纯水系统从技术参数来看，一般情况下其低于医疗用(透析)纯水系统要求[2]，而高于民用纯水系统要求[3]。高校实验用纯水系统的特殊性主要表现在5个方面：终端产水品质参数、纯水预处理系统参数、终端取水方式、纯水管网材质、系统整机产水能力。具体而言：产水终端产出纯水的品质参数(电导率、比阻率、可氧化物、吸光度、可溶性硅含量等)需要满足中国国家实验室分析用水标准(GB/T6682-2008)要求；纯水预处理系统应当重点关注水的浊度范围、污染指数(SDI)、余氯量等；终端取水方式结合高校自身教学科研使用特点及后期管理，一般情况下教学用途采用直接取水方式，科研用途采用刷卡取水方式；纯水管网材质根据纯水使用领域及终端产水品质要求可以动态选择，但为了保障纯水系统的长期使用效果，建议选用UPVC或316及以上标号的不锈钢材质管网；系统整机产水能力的确定应当考虑高校自身教学和科研的发展速度，在现有用水量的基础上预留一定扩容能力。通过以上5个方面的技术特性描述，高校实验用纯水系统能够得到客观且有效的表达。

2 高校实验用纯水系统的一般构成

2.1 高校纯水主机系统的一般构成

高校实验用纯水系统主机部分的构成要符合高校自身发展特点，不能一味追求高参数，而应当综合考虑后期运行成本、应急保障处理、系统及管网清洗是否方便等方面的问题。本文认为高校纯水系统主机部分一般包含5个主要组成部分：自来水预处理系统、反渗透单元、电去离子(Electro deionization，简称EDI)处理单元、后级纯化灭菌处理单元、整机控制单元。当然随着技术的不断发展，系统的构成可能会出现技术性变动。

(1) 自来水预处理单元。去除水中一些较粗的杂质、悬浮物、异味、余氯、有机物等。目前国内大部分高校纯水系统一般采用机械过滤、活性炭过滤和吸附的方法实现。

(2) 反渗透单元。能够精密地滤除水中的细菌、病毒、金属离子、盐类、农药及各种致癌物质。这一技术是目前应用范围十分广泛的水处理工艺，由于高校科研实验(如：液相色谱)及部分教学实验(如：化学仪器分析)会对水中的离子种类有很高要求，因此这一技术的采用能够满足实验对纯水品质的需求。同时，根据应用领域的不同，可以自由选择一级反渗透、两级反渗透、反渗透加纯化柱等方式，以达到更高的纯水离子含量洁净等级[4-5]。

(3) EDI处理单元。是一种电渗析和离子交换结合的除盐工艺，通过离子交换树脂和选择性离子膜达到高效脱盐的效果，其与反渗透单元共同使用，可以将纯水电阻值提升至10～15 MΩ[6-7]。同时，随着技术的进步，部分高校已经逐渐采用连续电去离子处理单元(Continuous electro deionization，简称CDI)代替EDI处理单元。CDI处理单元利用电容器的结构与充放电原理，以静电吸附，对水质进行净化处理[8-9]。

(4) 后级纯化灭菌处理单元。根据实际使用情况，一般采用UV紫外灯灭菌、0.1 μm超滤滤芯过滤、水箱臭氧灭菌的形式，去除水中的细菌、热源、胶体、微生物、蛋白质。

(5) 整机控制单元。主要对系统主机进行智能控制。具体构成示意，如图1所示。

图1 高校纯水主机系统一般构成示意图

2.2 高校纯水系统管网的一般构成

纯水系统产水等级的优劣不仅仅由主机决定，系统送水管网的合理设计与材质选型也对纯水终端出水等级起着至关重要的作用。错误的管网设计方式会使得高品质的纯水在输送过程中被二次污染，如：细菌滋长、生物膜增长、逆向污染、溶出物污染、腐蚀等，造成较大纯水品质损失。这不仅会对教学科研效果产生影响，同时也增加了后期的维护及耗材成本。因此纯水管网设计必须结合取水点和后期管理方式，进行整体考虑。

图2所示“非循环式”管网布局不能够满足纯水系统循环供水的基本要求，将会导致管网中存留的水形成“死水”，降低纯水系统供水品质。图3所示“非均匀压力式”管网布局虽然满足了循环供水的要求，但是各个楼层之间(n、n+1、n+2)压力分布不均匀，当n楼用水量较大时，n+1楼、n+2楼会出现水压降低甚至断水的现象，影响使用。

图2 “非循环式”管网布局图3 “非均匀压力式”管网布局

在满足“循环供水”和“压力均匀”的基础上，结合目前国内主流的高校纯水系统设计方法，研究认为，“蛇形”管网分布方式是一种能够满足高校纯水使用需求的典型管网布局方式[10]。“蛇形”管网布局示意如图4所示。

图4 一种典型的“蛇形”管网布局示意图

3 高校实验用纯水系统设计范式的讨论

3.1 高校实验用纯水主机系统设计范式的讨论

高校实验用纯水主机系统设计范式的讨论主要包含两个层面，①主机系统应用；②主机系统实施。

(1) 主机系统应用。①纯水主机系统终端出水等级；②纯水主机系统后期运行成本；③纯水主机系统增压扬程是否满足楼层高度要求。

纯水主机系统终端出水等级。纯水系统终端出水等级的选取并不是越高越好，其要与实际需求相匹配，否则不仅仅前期经费投入较大，同时后期的维护和耗材成本也会随之增加。根据我校多年纯水系统建设实践经验以及其他院校的使用情况，研究认为高校科研用纯水一般可以选用满足《GB/T6682-2008》国家实验室一级水标准的纯水；高校基本教学实验用纯水一般可以选用满足《GB/T6682-2008》国家实验室三级水标准的纯水。

纯水主机系统后期运行成本。纯水系统后期耗材主要包含精密滤芯、反渗透膜、纯化柱等。纯水系统的设计方案必须与终端纯水等级要求高度匹配，如果在系统设计时不考虑后期的运行成本，虽然采用技术手段最终可以解决设计方案与终端纯水等级要求不匹配的问题，但这会给后期的系统运行带来较大经费负担。如，系统设计(三级纯水)与终端用水(一级纯水)等级要求不匹配，虽然可用通过增加纯化柱的方式，强行将纯水等级提高，但是这样也造成了非常大的耗材支出。

纯水主机系统增压扬程是否满足楼层高度要求。这一问题虽然十分具体，但是会直接影响系统的运行效果。系统增压扬程的稳定性是纯水系统运行效率的重要保证，如果其扬程不能满足楼层高度则会出现终端纯水水量较小或断水的现象，不仅影响了纯水系统的正常运行，出现因回流较小而导致的系统频繁停机，同时也影响了科研和教学实验的正常开展。扬程的计算方法，如公式1所示[11-12]。

(1)

式中：H为扬程;P1，P2为泵进、出口处液体的压力;C1，C2为流体在泵进、出口处的流速;Z1，Z2为进、出口高度;ρ为液体密度;g为重力加速度。

(2) 主机系统实施。①纯水系统源水压力是否稳定；②纯水系统(包含出水终端刷卡取水设备)供电是否满足要求；③纯水管网(包含主机系统接口部分)是否存在变径现象。

纯水系统源水压力是否稳定。纯水系统的主机送水方式有两种，①从低层输送至高层，然后由高层回流至低层；②从高层流至低层，然后由低层输送至高层。无论哪种送水方式，源水压力都是系统运行的重要保证。若主机送水采用第1种方式(即纯水主机放在低楼层)，则不需要设计专用的生活用水增压泵。若主机送水采用第2种方式(即纯水主机放在高楼层)，则需要设计专用的生活用水增压泵。但无论采用何种供水方式，都需要特别注意，纯水系统进水最好设计单独的分支管路进行供水，否则很可能会因“其它用水分压”而造成纯水系统水压不稳，频繁停机。

纯水系统(包含出水终端刷卡取水设备)供电是否满足要求。纯水系统主机一般供电要求为380 V三相电源(波动不大于10%)，单台主机功率各有不同，因此配套电源的设计必须能够满足主机要求。根据具体实施经验，本文认为纯水主机应该采用单独回路完成供电，回路中最好不要串、并联任何其它设备；回路线径根据具体主机功率选型，线径一定不能过细，否则会频繁出现系统断电的现象，严重影响纯水的使用；除此之外，考虑主机启动瞬间电流较大，因此与之配套的空气开关应选择相应电流型号的工业用空气开关[13]，即D型空气开关。

纯水管网(包含主机系统接口部分)是否存在变径现象。若管网尺寸与主机不匹配或本身管网存在变径现象(管径由小变大，如：DN20转DN25)，都会产生系统进水水压过低的情况，因此在主机安装之前需要注意排查。

3.2 高校实验用纯水系统管网设计范式的讨论

高校实验用纯水系统管网设计范式的讨论主要包含6个方面：①循环回路的设计；②循环回路的流速；③循环回路中的“死水角”；④循环回路的材质选择；⑤纯水终端水阀及其附件的选择；⑥循环管路的消毒与钝化。

循环回路的设计。纯水管网应当采用图4所示的“蛇形”布局，避免任何“死水端”或者“死水角”的出现，否则会导致纯水净化品质的降低。在输送距离较长或者流动阻力较大的管网中，为了保障系统循环压力，必须在循环回路中予以加压，在具体实施过程中可使用贮存桶和输送泵的形式进行加压，以确保各取水点的纯水流动速度与循环压力。在跨楼层进行纯水循环时，可以采用两种管网设计形式。①各楼层设计独立的“蛇形”循环回路，各回路设计独立贮存桶进行供水，统一回流至减压回流管。②从主“蛇形”循环管路中衍生支线回路，并辅以隔离回路，这些回路可以使用配备卫星副回路再循环泵的卫星贮存桶。

循环回路的流速。循环回路中纯水的流速对回路中生物膜的生长有较大影响[14-17]。在管径确定以后，纯水流速需要结合纯水取水点最大瞬间放水速度进行设定，一般情况下循环回路内纯水流速为取水点最大瞬间放水速度的1.3～1.5倍。结合我校实际经验及国内外的证实研究，一般情况下循环回路干管流速为3.0 m/s(一般建议可以维持在1.5 m/s左右即可)，即可有效减少在循环回路内壁生物膜的产生。

循环回路中的“死水角”。“死水角”定义为以循环回路中心线为基准，大于6倍管路直径的区域。“死水角”会造成循环回路中滋生细菌。对于采用热水消毒的管路可以采用6D法则，对于采用常温消毒的管路应当避免任何“死水角”的出现。若在常温消毒的管路中出现了“死水角”则需要进行氧化清洗作业。在消毒作业时，需要充分保障氧化剂对“死水角”区域的扩散时间，保障“死水角”区域与循环回路内氧化剂浓度一致，达到消毒效果。清洗作业时，与消毒作业一样，需要保障对“死水角”区域的清洗效果，避免氧化剂残留。循环回路材质选择。管路材质必须具备十分稳定的物理和化学特性，溶出物能够达到纯水标准要求。由于纯水(尤其是超纯水)往往腐蚀性较强，因此循环管路需要具备较强的防腐蚀能力，一般情况下应选用UPVC或316及以上标号不锈钢材质。

纯水终端水阀及其附件的选择。终端取水阀及附件(如：流量计等)的选取，应当谨慎考虑其是否会对纯水造成反向污染。一般情况下，终端取水阀可以选取隔膜阀，并且保持隔膜阀的清洁。

循环管路消毒与钝化。循环管路安装以后，在系统整机使用之前，需要对循环管路进行消毒和钝化处理，其主要目的是增加管路内壁铬元素含量，进一步增加管路的抗腐蚀特性。研究认为管网消毒与钝化的实施需要分两种情况：①若纯水循环管路使用UPVC或316及以上标号不锈钢材质，对于316及以上标号不锈钢材质的管路可用热水消毒，而对于UPVC材质的管路则可以使用过氧化氢或过醋酸消毒。②若纯水循环回路采用不明溶出特性的管材(如：一般土建工程常采用的内衬胶钢管或者PPR管材)，则不能盲目的选用第一种消毒钝化方式，而应当利用纯水的腐蚀特性，对管路进行消毒与钝化冲洗，虽然效果没有第一种消毒钝化方式明显，但这样可以最大限度保障循环管路安全，避免发生管路漏水现象。

4 结 语

本文在研究高校纯水系统典型特征的基础上，从主机和管网两个角度分析了高校实验用纯水系统的一般构成，并对纯水主机系统和纯水管网的设计展开了范式研究，并最终得出了一套相对较为科学的范式框架体系。在此范式框架体系下，各高校能够较为有效结合自身教学科研情况，精准进行实验用纯水系统的设计与建设工作。在保障相关学科门类教学科研基础纯水实验条件质量的同时，也避免了在系统实施过程中一些不必要的变更和经费支出。此范式框架体系的搭建在一定程度上弥补了高校纯水系统规范性研究领域的弱项，以期能够为高校纯水系统的设计与实施提供借鉴与参考。