生物安全实验室给排水设计重点要点研究

周锷

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

0 引言

自新冠疫情大流行以来，国内生物医学产业发展迅速，生物医学类的生产、研究建筑大量新建，由于此类建筑的功能复杂，给排水系统设计难度较大，若设计人员对相关设计理解不够透彻，缺少设计经验，容易在设计上造成缺陷，影响建筑使用功能，严重情况下还可能使污染水源泄漏，造成生产安全事故。回顾性分析以前高等级生物安全实验室中出现的工作人员感染情况，发现国内外高等级生物安全实验室中工作人员感染死亡的病例不在少数[1]。现针生物安全实验室在给排水设计中的重点难点进行分析总结。

1 生物安全实验室给水防回流污染问题

为避免生物安全实验室防护区的给水供应对其他区域造成回流污染，应在供水系统中设置防止背压回流或虹吸回流的措施[2]。通常情况下有以下3 种技术措施，如图1 所示。

图1 三种常用的防回流污染给水措施

（1）断流水箱（图1a）是给水系统防回流污染效果最好，也是最彻底的措施，通过设置断流水箱及变频加压水泵，彻底隔断实验室区域与非实验室区域的给水系统。该系统能有效应对各种设备故障突发情况，避免任何情况下的污染水源回流风险[3]。但是缺点也比较明显，额外设置的断流水箱及变频加压系统需要占用较大的设备空间且需要专人管理。以广州市某BSL-2 医学实验室为例，其内部设置有细胞实验室、细菌实验室、仪器分析实验室等共5000m2的科研用房，最高日用水量约80m3，给水系统设置了20m3的断流水箱以及全变频给水系统，根据用户反映给水系统断流效果好，但需要设置较大的设备间放置水箱及水泵。总体来说，断流水箱给水措施效果虽好，但系统较为复杂，适用于对防回流污染要求较高的生物安全实验室。

（2）倒流防止器（图1b）是最常用，最便利的防回流污染措施。通过在生物安全实验室的辅助工作区设置倒流防止器，阻止供水系统在任何工况下管道中的水倒流，以达到避免倒流污染的目的。倒流防止器系统设置简单，使用方便，普遍应用于各类型生物安全实验室的供水系统中，但其通过阀体控制水流方向的措施不能完全隔断实验区与非实验区的供水系统，在设备发生故障等突发情况下存在污染水源回流的风险，该措施适用于安全风险较低的一级、二级生物安全实验室。

（3）独立供水环状管网（图1c）适用于需要设置环状管网（如纯水供应系统、热水供应系统）的供水系统，对于环状管网供水系统，其循环供水的管网特点导致其无法采用倒流防止器防止水源交叉污染，只能通过设置独立环状供水管网防止水源交叉污染。

2 生物安全实验室供水需求多样性问题

生物安全实验室内部除科研人员的生活用水外，还包含大量的各式实验仪器设备用水。各种仪器设备的用水水量水压需求各不相同，在给水系统设计时若不加以区分将导致系统难以满足使用要求。笔者曾经对某地某实验动物中心进行实地调研，该中心的给水系统设计采用了统一给水系统，所有生活、生产、科研用水采用一套变频调速加压供水系统，对不同的用水设施采用可调式减压阀控制其水压，在实际使用中发现，该系统用水体验一般。特别是在该实验室的动物笼具清洗系统运作情况下，供水系统水压下降明显，难以满足生活生产用水需求。

在上述经验支持下，笔者在进行广州市某生物安全实验室动物中心设计时，针对各种仪器设备的用水需求分析研究，如表1 所示。

表1 广州市某生物安全实验室动物中心某楼层设备供水需求

通过对上述给水需求进行分析可知，该实验室的动物饮水系统、动物笼具清洗系统、蒸汽发生器对供水的水量及水压要求较高，其余设备用水量较低，且用水水压需求与生活用水水压需求接近，笔者在对上述需求进行分析后，决定采取设置两套不同给水设备的系统方案。

对三个大用水量供水设备独立设置供水系统，有效避免了各用水终端的相互影响，该系统在投入使用一年以来，供水系统运作稳定，能有效满足生活生产需求。广州市某生物安全实验室动物中心供水系统如图2 所示。

图2 广州市某生物安全实验室动物中心供水系统

3 生物安全实验室污水处理及工艺分析

生物安全实验室污水由于其工艺特点，一方面含有多种病原微生物，如病毒、细菌、真菌等，另一方面还含有有毒有害化学药剂，容易造成空间污染、潜伏性传染病和急性传染等危害[4]。对于生物安全实验室所排放的污废水应进行统一收集，并根据不同实验功能分析其水质特点，采用相应的污水处理工艺。

对于一般的细胞、细菌实验室，其废水排放污染物主要以有毒有害化学药剂为主，废水的可生化性较低，COD 含量一般在100mg/L 以下，因此废水难以采取生物处理法处理，固其主要采用物理化学方法进行处理。处理流程可采用“格栅—酸碱中和—混凝—沉淀—过滤—消毒”的处理工艺流程。

对于设置有实验动物设施的实验室，由于其废水中含有动物排泄物、动物尸体残留物等活性较强的污染物，其废水的可生化性较强，COD 的含量也高于一般的生活废水，这种类型的废水应充分利用水中丰富碳源，采用生物法进行处理。处理流程可采用“格栅—厌氧反应—酸碱中和—沉淀—污泥回流—消毒”的处理工艺流程，如表2 所示。

表2 广州市某生物安全实验室动物中心污水排放污染物指标

由于实验工艺不同，生物安全实验室的废水污染物组合也是千变万化的，笔者在广州市某生物安全实验室的设计中，根据废水性质的不同设置了上述两钟不同废水处理设施。笔者在本文中仅列出了两种常见的污染物组合，设计人员在进行污水处理工艺设计时应根据污水具体污染情况针对性选择合适的污水处理工艺。

4 生物安全实验室室内排水设计的其他细节及要点

（1）生物安全实验室的排水系统应设置独立的排水系统，由前文的经验总结可知，生物安全实验室的废水性质不仅与生活污水差异较大，不同功能的实验废水水质差异也非常大。对于不同性质的实验室废水，应分别设置独立的排水管道系统收集。设置独立的排水管道系统一方面可以避免受污染废水泄露，另一方面可以避免废水水量水质波动过大，影响后续的废水处理系统运作。

（2）生物安全实验室通常会采用高温灭菌装置对实验器具等进行消毒，其废水温度往往高于40℃，最高可达70℃。因此排水管材需要采用具有耐高温，耐腐蚀性的排水管材，如FRPP、CPVC、HDPE、ABS 等材质的排水管道。对于温度超过40℃的高温废水，应该设置降温池降温后方可排入市政下水道。

（3）生物安全实验室的平面布局中往往包含较多的贵重仪器室，排水管道应避免穿越此类房间[5]。在设计的方案阶段给排水设计就应充分介入，在实验室平面布置时贵重仪器室应尽量布置在洁净干燥的房间下方，当无法避免时，其上部房间的排水应采用设置沉箱同层排水或管道技术夹层走管的措施（沉箱排水及管道技术夹层措施不适用于BSL-3 及BSL-4 类实验室，因其管道需要明设）。

5 生物安全实验室室内消防给水系统的设计要点

生物安全实验室由于其内部有较多的洁净房间、贵重仪器室、设备夹层等特殊功能房间，在消防给水系统设计时往往有较多问题容易被忽视。

（1）室内消火栓除保护常规的公共走道，各类功能房间外，还应对实验室的各类设备层、可通行的技术夹层或技术夹道进行保护。生物安全实验室由于其工艺特点，各类设备、工艺管道较多，往往会设置管道技术夹层走管并在夹层内设置供检修人员走动的通道。设备夹层内的电线短路引发火灾是常见的火灾起因，在人员通道中设置消火栓可在第一时间扑灭火灾源头，避免发生人员伤亡事故。由于管道技术夹层布置在设计的方案文件中一般不会体现，因此在进行给排水消防施工图设计时，即使是经验丰富给排水设计师也容易因与土建专业配合不到位而忽视这些部位的室内消火栓设计。

（2）在实验室内部的洁净房间、贵重仪器室设置自动灭火系统时，为避免系统误喷造成不必要的经济损失，通常不会设置湿式自动喷水灭火系统，而采用预作用自动喷水灭火系统，对于不宜采用水进行灭火或存放特别贵重仪器的部位，可采用气体灭火系统进行保护。笔者在广州市某生物安全实验室的精密仪器室消防系统设计中，采用了预制式的七氟丙烷气体灭火系统，该系统技术成熟，设置较为独立，不需要设置专用管网。气体灭火剂喷放时对仪器设备的损害较低，在遇到突发火灾时能第一时间自动作用，既可保护人员避免伤亡，亦能有效保护房间内部的贵重仪器。

（3）生物安全实验室的某些功能区域无法设置自动灭火系统，如实验动物设施的屏障环境净化区域[6]、三级和四级生物安全实验室的防护区等，在这些区域设置自动灭火系统一旦发生误喷将产生严重的污染后果，因此这类区域一般仅设置消火栓、灭火器等手动灭火设施。这类区域的消防设计难度不在于系统本身的设计，而在于实验室方案设计阶段。在方案设计阶段应与土建设计师紧密配合，控制上述功能的建筑规模，避免将上述功能房间设置在高层公共建筑或规模较大的多层公共建筑中，否则将难以兼顾实验室的消防系统设计要求及《建筑设计防火规范》的相关规定。笔者在广州市某生物安全实验室的动物中心设计中，动物中心设置部位位于单层建筑面积1800m2，建筑高度为21m 的多层公共建筑，确保该部位的消防系统设计满足相关规范的要求。

6 结语

在生物安全实验室的给排水设计中，设计人员应熟悉理解相关规范、选择合适的给排水系统方案，对于给排水的安全防护要求应予以重视。对于缺乏设计经验的设计人员，应对现状运行生物安全实验室做必要的调研和考察，结合前人的设计经验及细节选择合理的给水排水系统。避免因不合理的系统设计产生污染水泄露等问题，造成生产安全事故。