高级别生物安全实验室用水选择探讨

薛森仁，董践潇，王博骏，胡洋，易洪敏，林静雯

(1.四川大学 华西医院生物安全实验室，四川 成都 610041；2.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013)

随着我国生物安全领域快速发展，结合生物安全领域的需求，相继出台了针对性的法律法规，如《中华人民共和国生物安全法》等。重大传染病和生物安全事件事关国家安全和社会稳定，是国家总体安全的重要组成部分，需加强疫病防控、关键防护设备研发和公共卫生科研攻关体系和能力建设。在落实生物安全实验室设计、建设和运维过程中，也逐渐细化标准化很多指标。特别是近些几年来，国内生物安全实验室数量不断增加。《高级别生物安全实验室体系建设规划(2016～2025年)》也明确了高级别生物安全实验室体系的必要性和重要性。而高级别生物安全实验室的建设离不开设施设备的良好运行和稳定维保，高级别生物安全实验室所使用的双扉高温高压灭菌器、化学淋浴系统、生活热水系统、空调热水系统和活毒废水罐等设备如长期使用硬度较高的水，会产生大量的水垢，对设备的安全运行造成严重的影响。针对高级别生物安全实验室用水问题鲜有参考，很多新建实验室直接沿用旧实验室的规划，未来依旧会面临已经暴露出的问题，特此就水质对水垢与腐蚀关系这个关键问题进行探讨，希望对高级别生物安全实验室建设有所助益。

1 水垢及其危害

水垢是指溶解度较小或难溶的无机盐沉积在管道或用水设备上形成的固体沉淀，也可能是经过不断地蒸发，溶解的固形物浓度达到饱和状态产生沉淀[1-2]。垢类可分为碳酸盐类水垢、硅酸盐类水垢、硫酸盐类水垢、磷酸盐类水垢、混合水垢和氧化铁垢等，地区不同地下水质不同，各种盐类含量不同，水垢成分也会有区分，其中以碳酸盐类水垢为主，其主要成分为碳酸钙和氢氧化镁，质地比较坚硬，常存在于水系统温度较低处。水垢成分与水质条件和受热面温度等因素有关，形成的具体原因主要有：水中杂质溶解度低、易溶盐类受热分解、溶解度较大的盐类相互作用、设备设施蒸发浓缩、金属表面的静电吸附、水渣转化和金属腐蚀沉积等。

由于水垢的导热性能非常差，远小于设备钢材导热，其是很多热交换设备、高温高压灭菌设备和高温清洗设备损毁的主要原因(表1)。导热是指物体的各部分没有相对位移或者直接接触时借助自由电子等热运动从而实施的一种传递热量的现象[3]。设施设备受热部位若结垢，由于水垢导热性差，控温系统为维持有效温度便会进一步增加温，当温度超过设施设备材料承受极限，会导致设施设备材料管道过热，造成变型、破损、爆管甚至爆炸等事故。

表1 不同种类水垢的热导率[1]Table 1 Thermal conductivity of different types of scale

各种水垢不仅降低了生物安全实验室中特定设施设备的热效率，增加了功能消耗，缩短设施设备使用寿命，也会引发热事故等。

2 水质标准与水垢的关系

I Bekri-Abbes等[4]根据水的硬度大小(表2)，将其分为软水、轻度硬水、中度硬水和硬水4种。溶解性总固体为水中溶解的无机矿物成分的总含量，包括各种离子、分子与化合物，其主要成分有钙、镁、钠、钾离子、碳酸离子、碳酸氢离子、氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子，是水质监测指标之一[5-7]。电导率是不同水质属性指标之一，王卉[8]建立的回归方程检验，通过测定电导率来推算溶解性总固体含量，得出电导率与溶解性总固体线性回归方程为y=0.63x-4.82，且二者相关系数达0.999以上，张娟等[9]也通过数值建模也得出C溶≈0.712Kw+7.831，相关系数在0.92以上，二者的线性特征显著，验证了电导率越高水中可溶离子越高，研究自来水中电导率与溶解性总固体的相关性。程玉山等利用Langelier指数、Ryznar指数和Puckorius指数判断水的结垢倾向，得出循环冷却水电导率<1 500 μS/cm 时水质基本稳定不结垢，当电导率>1 500 μS/cm 时开始结垢，随电导率增大，结垢越严重[10-11]。而水的导电能力不仅与溶解性总固体含量有关，还与温度有关，温度上升1 ℃，电导率值将增大1.4%左右[12]，谷建强等[13]通过对温度和电导率进行一元线性回归分析，得出温度和电导率之间的相关系数R达到0.99。故溶解性总固体含量越高，温度越高，电导率就越大，腐蚀率就越高，结垢就越严重，控制溶解性总固体含量和温度直接影响水垢产生。

表2 水硬度类别[4]Table 2 Water hardness category

另外，根据《城市污水再生利用工业用水标准》GBT 19923—2005和《生活饮用水卫生标准》GB 5749—2022中显示溶解性总固体限值均为1 000 mg/L， 总硬度(以CaCO3计)限值均为450 mg/L， 故Ca2+限值为180 mg/L，按照水硬度类别判断其限定范围较小，而各地工业用水和自来水水质差异较大，很难一概而论。

3 水质与腐蚀的关系

4 水质改善方法

水质改善的方法有很多，如将硬水软化，反渗透技术和蒸馏等。

反渗透技术是溶液与半透膜接触，通过静压梯度作用，溶解盐类、胶体、微生物、有机物等不能透过半透膜来取得净制的水，其最先作为一种压力驱动的节能海水淡化工艺和海水淡化比较基准，后由于具有脱盐率高、适应水质范围广和节能环保能耗低等优点被应用于其他领域[19-22]。另外正渗透技术也被发现，同样是以半透膜两侧静压梯度来实现浓缩或净化[23]。反渗透技术的核心是水和盐通过薄膜复合材料聚酰胺膜的溶解度和扩散率的差异来分离，对微生物排斥主要受膜的物理化学性质、病毒的表面性质(静电和疏水相互作用)和溶液环境的影响[24-26]。脱除率是反渗透系统的主要技术指标与给水的电导率相关。靖大为等[27]检测得出最低透盐率的最佳给水参数应是电导率500 μS/cm及pH 7.5，而自来水的pH在6.5～8.5范围内,电导率也在125～1 250 μS/cm之间[28],使用自来水作反渗透系统的水源其透盐率较高。

5 高级别生物安全实验室设备对水质的需 求分析

高级别生物安全实验室在热水系统、污水处理系统、纯水系统、消防系统、科学研究和动物饲养等方面涵盖着大量需要使用水或装载水的设施设备，如蓄水池、采暖系统、空调系统、活毒废水处理装置、双扉高压灭菌器、生物安全型高压灭菌锅、冷却塔、动物笼具清洗机和一些科研设备等等。生物安全实验室内根据功能划分为辅助区和防护区，高级别生物安全实验室追求稳定运行，而防护区内更是需要特别注意的，防护区内有效减少水垢关乎设备运转，使用溶解性总固体含量低的水能保障设备减少产生水垢。辅助区用水，一般生活用水即可满足，如循环冷却水系统是以水作为冷却介质，会被使用为生物安全实验室配套中的换热设备、冷却设备、水泵和管道等，但不是直接被使用于防护区内的设备，后期维护保养也是在防护区之外，水质对生物安全实验室整体稳定运行影响不够直接。工艺用水、洗涤用水等情况类似，初锅炉补给水需要使用软化除盐，这类设备对水质整体要求不高。

软化水设备只能去除水的中的Ca2+和Mg2+，换成Na+，不去除其它离子，软化前后的电导率基本不变[20]。而反渗透设备不但能去除钙镁离子，还能去除各种有害的离子、颗粒和细菌，保证设备运行寿命。目前软水机通常没有按照当地自来水硬度指标去设计，高级别生物安全实验室核心区所有的用水均需通过不锈钢排水管网排出至活毒废水设备进行处理，软水无法保证氯离子的浓度，当浓度较大时会严重影响不锈钢排水管网。此外，软水设备去除Ca2+和Mg2+的效果是建立在对树脂定期再生的基础上，若无及时再生，树脂失效去除硬度效果消失结垢风险增加。而脱盐设备中的反渗透膜使用寿命很长，有污染或者堵塞也不会导致产品水质突然变差。值得说明的是国内某高级别生物安全实验室在核心区包括淋浴，均采用反渗透水替代软化水，起到了良好的防水垢、保护活毒废水装置的效果。

综上所述，活毒废水设备、双扉高温高压灭菌器、化学淋浴系统和生活热水换热器等使用反渗透水可以保证不结垢，增强使用效果和延长运行寿命。鉴于生物安全三级实验室后期维护的复杂性和危险性，以及更换设备和管道的极大成本，为提升高级别生物安全实验室后期维护效率，建议使用反渗透水替代软化水供给防护区所有用水设备与需求。