高級別生物安全實驗室用水選擇探討

薛森仁，董踐瀟，王博駿，胡洋，易洪敏，林靜雯

(1.四川大學 華西醫院生物安全實驗室，四川 成都 610041；2.中國建筑技術集團有限公司，北京 100013)

隨著我國生物安全領域快速發展，結合生物安全領域的需求，相繼出臺了針對性的法律法規，如《中華人民共和國生物安全法》等。重大傳染病和生物安全事件事關國家安全和社會穩定，是國家總體安全的重要組成部分，需加強疫病防控、關鍵防護設備研發和公共衛生科研攻關體系和能力建設。在落實生物安全實驗室設計、建設和運維過程中，也逐漸細化標準化很多指標。特別是近些幾年來，國內生物安全實驗室數量不斷增加?！陡呒墑e生物安全實驗室體系建設規劃(2016～2025年)》也明確了高級別生物安全實驗室體系的必要性和重要性。而高級別生物安全實驗室的建設離不開設施設備的良好運行和穩定維保，高級別生物安全實驗室所使用的雙扉高溫高壓滅菌器、化學淋浴系統、生活熱水系統、空調熱水系統和活毒廢水罐等設備如長期使用硬度較高的水，會產生大量的水垢，對設備的安全運行造成嚴重的影響。針對高級別生物安全實驗室用水問題鮮有參考，很多新建實驗室直接沿用舊實驗室的規劃，未來依舊會面臨已經暴露出的問題，特此就水質對水垢與腐蝕關系這個關鍵問題進行探討，希望對高級別生物安全實驗室建設有所助益。

1 水垢及其危害

水垢是指溶解度較小或難溶的無機鹽沉積在管道或用水設備上形成的固體沉淀，也可能是經過不斷地蒸發，溶解的固形物濃度達到飽和狀態產生沉淀[1-2]。垢類可分為碳酸鹽類水垢、硅酸鹽類水垢、硫酸鹽類水垢、磷酸鹽類水垢、混合水垢和氧化鐵垢等，地區不同地下水質不同，各種鹽類含量不同，水垢成分也會有區分，其中以碳酸鹽類水垢為主，其主要成分為碳酸鈣和氫氧化鎂，質地比較堅硬，常存在于水系統溫度較低處。水垢成分與水質條件和受熱面溫度等因素有關，形成的具體原因主要有：水中雜質溶解度低、易溶鹽類受熱分解、溶解度較大的鹽類相互作用、設備設施蒸發濃縮、金屬表面的靜電吸附、水渣轉化和金屬腐蝕沉積等。

由于水垢的導熱性能非常差，遠小于設備鋼材導熱，其是很多熱交換設備、高溫高壓滅菌設備和高溫清洗設備損毀的主要原因(表1)。導熱是指物體的各部分沒有相對位移或者直接接觸時借助自由電子等熱運動從而實施的一種傳遞熱量的現象[3]。設施設備受熱部位若結垢，由于水垢導熱性差，控溫系統為維持有效溫度便會進一步增加溫，當溫度超過設施設備材料承受極限，會導致設施設備材料管道過熱，造成變型、破損、爆管甚至爆炸等事故。

表1 不同種類水垢的熱導率[1]Table 1 Thermal conductivity of different types of scale

各種水垢不僅降低了生物安全實驗室中特定設施設備的熱效率，增加了功能消耗，縮短設施設備使用壽命，也會引發熱事故等。

2 水質標準與水垢的關系

I Bekri-Abbes等[4]根據水的硬度大小(表2)，將其分為軟水、輕度硬水、中度硬水和硬水4種。溶解性總固體為水中溶解的無機礦物成分的總含量，包括各種離子、分子與化合物，其主要成分有鈣、鎂、鈉、鉀離子、碳酸離子、碳酸氫離子、氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子，是水質監測指標之一[5-7]。電導率是不同水質屬性指標之一，王卉[8]建立的回歸方程檢驗，通過測定電導率來推算溶解性總固體含量，得出電導率與溶解性總固體線性回歸方程為y=0.63x-4.82，且二者相關系數達0.999以上，張娟等[9]也通過數值建模也得出C溶≈0.712Kw+7.831，相關系數在0.92以上，二者的線性特征顯著，驗證了電導率越高水中可溶離子越高，研究自來水中電導率與溶解性總固體的相關性。程玉山等利用Langelier指數、Ryznar指數和Puckorius指數判斷水的結垢傾向，得出循環冷卻水電導率<1 500 μS/cm 時水質基本穩定不結垢，當電導率>1 500 μS/cm 時開始結垢，隨電導率增大，結垢越嚴重[10-11]。而水的導電能力不僅與溶解性總固體含量有關，還與溫度有關，溫度上升1 ℃，電導率值將增大1.4%左右[12]，谷建強等[13]通過對溫度和電導率進行一元線性回歸分析，得出溫度和電導率之間的相關系數R達到0.99。故溶解性總固體含量越高，溫度越高，電導率就越大，腐蝕率就越高，結垢就越嚴重，控制溶解性總固體含量和溫度直接影響水垢產生。

表2 水硬度類別[4]Table 2 Water hardness category

另外，根據《城市污水再生利用工業用水標準》GBT 19923—2005和《生活飲用水衛生標準》GB 5749—2022中顯示溶解性總固體限值均為1 000 mg/L， 總硬度(以CaCO3計)限值均為450 mg/L， 故Ca2+限值為180 mg/L，按照水硬度類別判斷其限定范圍較小，而各地工業用水和自來水水質差異較大，很難一概而論。

3 水質與腐蝕的關系

4 水質改善方法

水質改善的方法有很多，如將硬水軟化，反滲透技術和蒸餾等。

反滲透技術是溶液與半透膜接觸，通過靜壓梯度作用，溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等不能透過半透膜來取得凈制的水，其最先作為一種壓力驅動的節能海水淡化工藝和海水淡化比較基準，后由于具有脫鹽率高、適應水質范圍廣和節能環保能耗低等優點被應用于其他領域[19-22]。另外正滲透技術也被發現，同樣是以半透膜兩側靜壓梯度來實現濃縮或凈化[23]。反滲透技術的核心是水和鹽通過薄膜復合材料聚酰胺膜的溶解度和擴散率的差異來分離，對微生物排斥主要受膜的物理化學性質、病毒的表面性質(靜電和疏水相互作用)和溶液環境的影響[24-26]。脫除率是反滲透系統的主要技術指標與給水的電導率相關。靖大為等[27]檢測得出最低透鹽率的最佳給水參數應是電導率500 μS/cm及pH 7.5，而自來水的pH在6.5～8.5范圍內,電導率也在125～1 250 μS/cm之間[28],使用自來水作反滲透系統的水源其透鹽率較高。

5 高級別生物安全實驗室設備對水質的需 求分析

高級別生物安全實驗室在熱水系統、污水處理系統、純水系統、消防系統、科學研究和動物飼養等方面涵蓋著大量需要使用水或裝載水的設施設備，如蓄水池、采暖系統、空調系統、活毒廢水處理裝置、雙扉高壓滅菌器、生物安全型高壓滅菌鍋、冷卻塔、動物籠具清洗機和一些科研設備等等。生物安全實驗室內根據功能劃分為輔助區和防護區，高級別生物安全實驗室追求穩定運行，而防護區內更是需要特別注意的，防護區內有效減少水垢關乎設備運轉，使用溶解性總固體含量低的水能保障設備減少產生水垢。輔助區用水，一般生活用水即可滿足，如循環冷卻水系統是以水作為冷卻介質，會被使用為生物安全實驗室配套中的換熱設備、冷卻設備、水泵和管道等，但不是直接被使用于防護區內的設備，后期維護保養也是在防護區之外，水質對生物安全實驗室整體穩定運行影響不夠直接。工藝用水、洗滌用水等情況類似，初鍋爐補給水需要使用軟化除鹽，這類設備對水質整體要求不高。

軟化水設備只能去除水的中的Ca2+和Mg2+，換成Na+，不去除其它離子，軟化前后的電導率基本不變[20]。而反滲透設備不但能去除鈣鎂離子，還能去除各種有害的離子、顆粒和細菌，保證設備運行壽命。目前軟水機通常沒有按照當地自來水硬度指標去設計，高級別生物安全實驗室核心區所有的用水均需通過不銹鋼排水管網排出至活毒廢水設備進行處理，軟水無法保證氯離子的濃度，當濃度較大時會嚴重影響不銹鋼排水管網。此外，軟水設備去除Ca2+和Mg2+的效果是建立在對樹脂定期再生的基礎上，若無及時再生，樹脂失效去除硬度效果消失結垢風險增加。而脫鹽設備中的反滲透膜使用壽命很長，有污染或者堵塞也不會導致產品水質突然變差。值得說明的是國內某高級別生物安全實驗室在核心區包括淋浴，均采用反滲透水替代軟化水，起到了良好的防水垢、保護活毒廢水裝置的效果。

綜上所述，活毒廢水設備、雙扉高溫高壓滅菌器、化學淋浴系統和生活熱水換熱器等使用反滲透水可以保證不結垢，增強使用效果和延長運行壽命。鑒于生物安全三級實驗室后期維護的復雜性和危險性，以及更換設備和管道的極大成本，為提升高級別生物安全實驗室后期維護效率，建議使用反滲透水替代軟化水供給防護區所有用水設備與需求。