高校實驗用純水系統設計范式探究

馬 楠， 白 云

(中南民族大學 實驗教學與實驗室管理中心， 武漢 430074)

0 引 言

高校實驗用純水系統的設計質量，是保障相關學科門類科學研究和實驗教學效果的重要基礎條件之一。為了針對性地設計滿足高校自身教學科研需求的純水系統，實驗室管理單位需要從技術和管理上對純水系統進行規劃與建設。本文首先以純水系統的設計特征為切入點，分析高校純水系統典型特征；從主機和管網兩個角度分析高校實驗用純水系統的一般構成，并分別給出典型范例；最后對高校實驗用純水主機系統設計、系統管網設計展開規范性研究。

1 高校實驗用純水系統特征

高校實驗用純水系統的特點與工業用純水系統、醫療用純水系統、民用純水系統等的要求有所區別。本文首先從使用功能、技術要求特征兩個方面對其進行討論。

1.1 使用功能特征

高校實驗用純水與其它純水在功能定位有所不同。前者使用人群更為廣泛，應用領域更為多樣。在高校內純水使用的人群主要分為教師和學生兩類，二者在科研領域使用的純水純化級別要求較高，一般為一級純水。而在教學領域使用的純水往往級別要求相對較低，一般為三級純水即可。應用范圍主要分為化驗分析、生物培養、表面清洗、實驗動物(SPF級別及以上)飼養[1]、基礎驗證性實驗等，一般情況下化驗分析、生物培養、實驗動物(SPF級別及以上)飼養對純水純化級別的要求要高于表面清洗、基礎驗證性實驗等。因此針對不同使用人群和應用范圍，純水系統的設計方案要精準，不能一概而論，否則會直接影響純水系統最終的使用效果。

1.2 技術要求特征

高校實驗用純水系統從技術參數來看，一般情況下其低于醫療用(透析)純水系統要求[2]，而高于民用純水系統要求[3]。高校實驗用純水系統的特殊性主要表現在5個方面：終端產水品質參數、純水預處理系統參數、終端取水方式、純水管網材質、系統整機產水能力。具體而言：產水終端產出純水的品質參數(電導率、比阻率、可氧化物、吸光度、可溶性硅含量等)需要滿足中國國家實驗室分析用水標準(GB/T6682-2008)要求；純水預處理系統應當重點關注水的濁度范圍、污染指數(SDI)、余氯量等；終端取水方式結合高校自身教學科研使用特點及后期管理，一般情況下教學用途采用直接取水方式，科研用途采用刷卡取水方式；純水管網材質根據純水使用領域及終端產水品質要求可以動態選擇，但為了保障純水系統的長期使用效果，建議選用UPVC或316及以上標號的不銹鋼材質管網；系統整機產水能力的確定應當考慮高校自身教學和科研的發展速度，在現有用水量的基礎上預留一定擴容能力。通過以上5個方面的技術特性描述，高校實驗用純水系統能夠得到客觀且有效的表達。

2 高校實驗用純水系統的一般構成

2.1 高校純水主機系統的一般構成

高校實驗用純水系統主機部分的構成要符合高校自身發展特點，不能一味追求高參數，而應當綜合考慮后期運行成本、應急保障處理、系統及管網清洗是否方便等方面的問題。本文認為高校純水系統主機部分一般包含5個主要組成部分：自來水預處理系統、反滲透單元、電去離子(Electro deionization，簡稱EDI)處理單元、后級純化滅菌處理單元、整機控制單元。當然隨著技術的不斷發展，系統的構成可能會出現技術性變動。

(1) 自來水預處理單元。去除水中一些較粗的雜質、懸浮物、異味、余氯、有機物等。目前國內大部分高校純水系統一般采用機械過濾、活性炭過濾和吸附的方法實現。

(2) 反滲透單元。能夠精密地濾除水中的細菌、病毒、金屬離子、鹽類、農藥及各種致癌物質。這一技術是目前應用范圍十分廣泛的水處理工藝，由于高校科研實驗(如：液相色譜)及部分教學實驗(如：化學儀器分析)會對水中的離子種類有很高要求，因此這一技術的采用能夠滿足實驗對純水品質的需求。同時，根據應用領域的不同，可以自由選擇一級反滲透、兩級反滲透、反滲透加純化柱等方式，以達到更高的純水離子含量潔凈等級[4-5]。

(3) EDI處理單元。是一種電滲析和離子交換結合的除鹽工藝，通過離子交換樹脂和選擇性離子膜達到高效脫鹽的效果，其與反滲透單元共同使用，可以將純水電阻值提升至10～15 MΩ[6-7]。同時，隨著技術的進步，部分高校已經逐漸采用連續電去離子處理單元(Continuous electro deionization，簡稱CDI)代替EDI處理單元。CDI處理單元利用電容器的結構與充放電原理，以靜電吸附，對水質進行凈化處理[8-9]。

(4) 后級純化滅菌處理單元。根據實際使用情況，一般采用UV紫外燈滅菌、0.1 μm超濾濾芯過濾、水箱臭氧滅菌的形式，去除水中的細菌、熱源、膠體、微生物、蛋白質。

(5) 整機控制單元。主要對系統主機進行智能控制。具體構成示意，如圖1所示。

圖1 高校純水主機系統一般構成示意圖

2.2 高校純水系統管網的一般構成

純水系統產水等級的優劣不僅僅由主機決定，系統送水管網的合理設計與材質選型也對純水終端出水等級起著至關重要的作用。錯誤的管網設計方式會使得高品質的純水在輸送過程中被二次污染，如：細菌滋長、生物膜增長、逆向污染、溶出物污染、腐蝕等，造成較大純水品質損失。這不僅會對教學科研效果產生影響，同時也增加了后期的維護及耗材成本。因此純水管網設計必須結合取水點和后期管理方式，進行整體考慮。

圖2所示“非循環式”管網布局不能夠滿足純水系統循環供水的基本要求，將會導致管網中存留的水形成“死水”，降低純水系統供水品質。圖3所示“非均勻壓力式”管網布局雖然滿足了循環供水的要求，但是各個樓層之間(n、n+1、n+2)壓力分布不均勻，當n樓用水量較大時，n+1樓、n+2樓會出現水壓降低甚至斷水的現象，影響使用。

圖2 “非循環式”管網布局圖3 “非均勻壓力式”管網布局

在滿足“循環供水”和“壓力均勻”的基礎上，結合目前國內主流的高校純水系統設計方法，研究認為，“蛇形”管網分布方式是一種能夠滿足高校純水使用需求的典型管網布局方式[10]。“蛇形”管網布局示意如圖4所示。

圖4 一種典型的“蛇形”管網布局示意圖

3 高校實驗用純水系統設計范式的討論

3.1 高校實驗用純水主機系統設計范式的討論

高校實驗用純水主機系統設計范式的討論主要包含兩個層面，①主機系統應用；②主機系統實施。

(1) 主機系統應用。①純水主機系統終端出水等級；②純水主機系統后期運行成本；③純水主機系統增壓揚程是否滿足樓層高度要求。

純水主機系統終端出水等級。純水系統終端出水等級的選取并不是越高越好，其要與實際需求相匹配，否則不僅僅前期經費投入較大，同時后期的維護和耗材成本也會隨之增加。根據我校多年純水系統建設實踐經驗以及其他院校的使用情況，研究認為高校科研用純水一般可以選用滿足《GB/T6682-2008》國家實驗室一級水標準的純水；高校基本教學實驗用純水一般可以選用滿足《GB/T6682-2008》國家實驗室三級水標準的純水。

純水主機系統后期運行成本。純水系統后期耗材主要包含精密濾芯、反滲透膜、純化柱等。純水系統的設計方案必須與終端純水等級要求高度匹配，如果在系統設計時不考慮后期的運行成本，雖然采用技術手段最終可以解決設計方案與終端純水等級要求不匹配的問題，但這會給后期的系統運行帶來較大經費負擔。如，系統設計(三級純水)與終端用水(一級純水)等級要求不匹配，雖然可用通過增加純化柱的方式，強行將純水等級提高，但是這樣也造成了非常大的耗材支出。

純水主機系統增壓揚程是否滿足樓層高度要求。這一問題雖然十分具體，但是會直接影響系統的運行效果。系統增壓揚程的穩定性是純水系統運行效率的重要保證，如果其揚程不能滿足樓層高度則會出現終端純水水量較小或斷水的現象，不僅影響了純水系統的正常運行，出現因回流較小而導致的系統頻繁停機，同時也影響了科研和教學實驗的正常開展。揚程的計算方法，如公式1所示[11-12]。

(1)

式中：H為揚程;P1，P2為泵進、出口處液體的壓力;C1，C2為流體在泵進、出口處的流速;Z1，Z2為進、出口高度;ρ為液體密度;g為重力加速度。

(2) 主機系統實施。①純水系統源水壓力是否穩定；②純水系統(包含出水終端刷卡取水設備)供電是否滿足要求；③純水管網(包含主機系統接口部分)是否存在變徑現象。

純水系統源水壓力是否穩定。純水系統的主機送水方式有兩種，①從低層輸送至高層，然后由高層回流至低層；②從高層流至低層，然后由低層輸送至高層。無論哪種送水方式，源水壓力都是系統運行的重要保證。若主機送水采用第1種方式(即純水主機放在低樓層)，則不需要設計專用的生活用水增壓泵。若主機送水采用第2種方式(即純水主機放在高樓層)，則需要設計專用的生活用水增壓泵。但無論采用何種供水方式，都需要特別注意，純水系統進水最好設計單獨的分支管路進行供水，否則很可能會因“其它用水分壓”而造成純水系統水壓不穩，頻繁停機。

純水系統(包含出水終端刷卡取水設備)供電是否滿足要求。純水系統主機一般供電要求為380 V三相電源(波動不大于10%)，單臺主機功率各有不同，因此配套電源的設計必須能夠滿足主機要求。根據具體實施經驗，本文認為純水主機應該采用單獨回路完成供電，回路中最好不要串、并聯任何其它設備；回路線徑根據具體主機功率選型，線徑一定不能過細，否則會頻繁出現系統斷電的現象，嚴重影響純水的使用；除此之外，考慮主機啟動瞬間電流較大，因此與之配套的空氣開關應選擇相應電流型號的工業用空氣開關[13]，即D型空氣開關。

純水管網(包含主機系統接口部分)是否存在變徑現象。若管網尺寸與主機不匹配或本身管網存在變徑現象(管徑由小變大，如：DN20轉DN25)，都會產生系統進水水壓過低的情況，因此在主機安裝之前需要注意排查。

3.2 高校實驗用純水系統管網設計范式的討論

高校實驗用純水系統管網設計范式的討論主要包含6個方面：①循環回路的設計；②循環回路的流速；③循環回路中的“死水角”；④循環回路的材質選擇；⑤純水終端水閥及其附件的選擇；⑥循環管路的消毒與鈍化。

循環回路的設計。純水管網應當采用圖4所示的“蛇形”布局，避免任何“死水端”或者“死水角”的出現，否則會導致純水凈化品質的降低。在輸送距離較長或者流動阻力較大的管網中，為了保障系統循環壓力，必須在循環回路中予以加壓，在具體實施過程中可使用貯存桶和輸送泵的形式進行加壓，以確保各取水點的純水流動速度與循環壓力。在跨樓層進行純水循環時，可以采用兩種管網設計形式。①各樓層設計獨立的“蛇形”循環回路，各回路設計獨立貯存桶進行供水，統一回流至減壓回流管。②從主“蛇形”循環管路中衍生支線回路，并輔以隔離回路，這些回路可以使用配備衛星副回路再循環泵的衛星貯存桶。

循環回路的流速。循環回路中純水的流速對回路中生物膜的生長有較大影響[14-17]。在管徑確定以后，純水流速需要結合純水取水點最大瞬間放水速度進行設定，一般情況下循環回路內純水流速為取水點最大瞬間放水速度的1.3～1.5倍。結合我校實際經驗及國內外的證實研究，一般情況下循環回路干管流速為3.0 m/s(一般建議可以維持在1.5 m/s左右即可)，即可有效減少在循環回路內壁生物膜的產生。

循環回路中的“死水角”。“死水角”定義為以循環回路中心線為基準，大于6倍管路直徑的區域。“死水角”會造成循環回路中滋生細菌。對于采用熱水消毒的管路可以采用6D法則，對于采用常溫消毒的管路應當避免任何“死水角”的出現。若在常溫消毒的管路中出現了“死水角”則需要進行氧化清洗作業。在消毒作業時，需要充分保障氧化劑對“死水角”區域的擴散時間，保障“死水角”區域與循環回路內氧化劑濃度一致，達到消毒效果。清洗作業時，與消毒作業一樣，需要保障對“死水角”區域的清洗效果，避免氧化劑殘留。循環回路材質選擇。管路材質必須具備十分穩定的物理和化學特性，溶出物能夠達到純水標準要求。由于純水(尤其是超純水)往往腐蝕性較強，因此循環管路需要具備較強的防腐蝕能力，一般情況下應選用UPVC或316及以上標號不銹鋼材質。

純水終端水閥及其附件的選擇。終端取水閥及附件(如：流量計等)的選取，應當謹慎考慮其是否會對純水造成反向污染。一般情況下，終端取水閥可以選取隔膜閥，并且保持隔膜閥的清潔。

循環管路消毒與鈍化。循環管路安裝以后，在系統整機使用之前，需要對循環管路進行消毒和鈍化處理，其主要目的是增加管路內壁鉻元素含量，進一步增加管路的抗腐蝕特性。研究認為管網消毒與鈍化的實施需要分兩種情況：①若純水循環管路使用UPVC或316及以上標號不銹鋼材質，對于316及以上標號不銹鋼材質的管路可用熱水消毒，而對于UPVC材質的管路則可以使用過氧化氫或過醋酸消毒。②若純水循環回路采用不明溶出特性的管材(如：一般土建工程常采用的內襯膠鋼管或者PPR管材)，則不能盲目的選用第一種消毒鈍化方式，而應當利用純水的腐蝕特性，對管路進行消毒與鈍化沖洗，雖然效果沒有第一種消毒鈍化方式明顯，但這樣可以最大限度保障循環管路安全，避免發生管路漏水現象。

4 結 語

本文在研究高校純水系統典型特征的基礎上，從主機和管網兩個角度分析了高校實驗用純水系統的一般構成，并對純水主機系統和純水管網的設計展開了范式研究，并最終得出了一套相對較為科學的范式框架體系。在此范式框架體系下，各高校能夠較為有效結合自身教學科研情況，精準進行實驗用純水系統的設計與建設工作。在保障相關學科門類教學科研基礎純水實驗條件質量的同時，也避免了在系統實施過程中一些不必要的變更和經費支出。此范式框架體系的搭建在一定程度上彌補了高校純水系統規范性研究領域的弱項，以期能夠為高校純水系統的設計與實施提供借鑒與參考。