高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室用水選擇探討

2022-02-04 08:02:52薛森仁董踐瀟王博駿胡洋易洪敏林靜雯

應(yīng)用化工 2022年12期

薛森仁，董踐瀟，王博駿，胡洋，易洪敏，林靜雯

(1.四川大學(xué) 華西醫(yī)院生物安全實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041；2.中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013)

隨著我國生物安全領(lǐng)域快速發(fā)展，結(jié)合生物安全領(lǐng)域的需求，相繼出臺(tái)了針對(duì)性的法律法規(guī)，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(guān)國家安全和社會(huì)穩(wěn)定，是國家總體安全的重要組成部分，需加強(qiáng)疫病防控、關(guān)鍵防護(hù)設(shè)備研發(fā)和公共衛(wèi)生科研攻關(guān)體系和能力建設(shè)。在落實(shí)生物安全實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)維過程中，也逐漸細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)化很多指標(biāo)。特別是近些幾年來，國內(nèi)生物安全實(shí)驗(yàn)室數(shù)量不斷增加。《高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室體系建設(shè)規(guī)劃(2016～2025年)》也明確了高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室體系的必要性和重要性。而高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)離不開設(shè)施設(shè)備的良好運(yùn)行和穩(wěn)定維保，高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室所使用的雙扉高溫高壓滅菌器、化學(xué)淋浴系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)、空調(diào)熱水系統(tǒng)和活毒廢水罐等設(shè)備如長期使用硬度較高的水，會(huì)產(chǎn)生大量的水垢，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。針對(duì)高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室用水問題鮮有參考，很多新建實(shí)驗(yàn)室直接沿用舊實(shí)驗(yàn)室的規(guī)劃，未來依舊會(huì)面臨已經(jīng)暴露出的問題，特此就水質(zhì)對(duì)水垢與腐蝕關(guān)系這個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，希望對(duì)高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室建設(shè)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(jī)鹽沉積在管道或用水設(shè)備上形成的固體沉淀，也可能是經(jīng)過不斷地蒸發(fā)，溶解的固形物濃度達(dá)到飽和狀態(tài)產(chǎn)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(qū)不同地下水質(zhì)不同，各種鹽類含量不同，水垢成分也會(huì)有區(qū)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(zhì)地比較堅(jiān)硬，常存在于水系統(tǒng)溫度較低處。水垢成分與水質(zhì)條件和受熱面溫度等因素有關(guān)，形成的具體原因主要有：水中雜質(zhì)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(shè)備設(shè)施蒸發(fā)濃縮、金屬表面的靜電吸附、水渣轉(zhuǎn)化和金屬腐蝕沉積等。

由于水垢的導(dǎo)熱性能非常差，遠(yuǎn)小于設(shè)備鋼材導(dǎo)熱，其是很多熱交換設(shè)備、高溫高壓滅菌設(shè)備和高溫清洗設(shè)備損毀的主要原因(表1)。導(dǎo)熱是指物體的各部分沒有相對(duì)位移或者直接接觸時(shí)借助自由電子等熱運(yùn)動(dòng)從而實(shí)施的一種傳遞熱量的現(xiàn)象[3]。設(shè)施設(shè)備受熱部位若結(jié)垢，由于水垢導(dǎo)熱性差，控溫系統(tǒng)為維持有效溫度便會(huì)進(jìn)一步增加溫，當(dāng)溫度超過設(shè)施設(shè)備材料承受極限，會(huì)導(dǎo)致設(shè)施設(shè)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)室中特定設(shè)施設(shè)備的熱效率，增加了功能消耗，縮短設(shè)施設(shè)備使用壽命，也會(huì)引發(fā)熱事故等。

2 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與水垢的關(guān)系

I Bekri-Abbes等[4]根據(jù)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(jī)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(zhì)監(jiān)測指標(biāo)之一[5-7]。電導(dǎo)率是不同水質(zhì)屬性指標(biāo)之一，王卉[8]建立的回歸方程檢驗(yàn)，通過測定電導(dǎo)率來推算溶解性總固體含量，得出電導(dǎo)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(guān)系數(shù)達(dá)0.999以上，張娟等[9]也通過數(shù)值建模也得出C溶≈0.712Kw+7.831，相關(guān)系數(shù)在0.92以上，二者的線性特征顯著，驗(yàn)證了電導(dǎo)率越高水中可溶離子越高，研究自來水中電導(dǎo)率與溶解性總固體的相關(guān)性。程玉山等利用Langelier指數(shù)、Ryznar指數(shù)和Puckorius指數(shù)判斷水的結(jié)垢傾向，得出循環(huán)冷卻水電導(dǎo)率<1 500 μS/cm 時(shí)水質(zhì)基本穩(wěn)定不結(jié)垢，當(dāng)電導(dǎo)率>1 500 μS/cm 時(shí)開始結(jié)垢，隨電導(dǎo)率增大，結(jié)垢越嚴(yán)重[10-11]。而水的導(dǎo)電能力不僅與溶解性總固體含量有關(guān)，還與溫度有關(guān)，溫度上升1 ℃，電導(dǎo)率值將增大1.4%左右[12]，谷建強(qiáng)等[13]通過對(duì)溫度和電導(dǎo)率進(jìn)行一元線性回歸分析，得出溫度和電導(dǎo)率之間的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.99。故溶解性總固體含量越高，溫度越高，電導(dǎo)率就越大，腐蝕率就越高，結(jié)垢就越嚴(yán)重，控制溶解性總固體含量和溫度直接影響水垢產(chǎn)生。

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

另外，根據(jù)《城市污水再生利用工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)》GBT 19923—2005和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》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(jì))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(yè)用水和自來水水質(zhì)差異較大，很難一概而論。

3 水質(zhì)與腐蝕的關(guān)系

4 水質(zhì)改善方法

水質(zhì)改善的方法有很多，如將硬水軟化，反滲透技術(shù)和蒸餾等。

反滲透技術(shù)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(jī)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(qū)動(dòng)的節(jié)能海水淡化工藝和海水淡化比較基準(zhǔn)，后由于具有脫鹽率高、適應(yīng)水質(zhì)范圍廣和節(jié)能環(huán)保能耗低等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于其他領(lǐng)域[19-22]。另外正滲透技術(shù)也被發(fā)現(xiàn)，同樣是以半透膜兩側(cè)靜壓梯度來實(shí)現(xiàn)濃縮或凈化[23]。反滲透技術(shù)的核心是水和鹽通過薄膜復(fù)合材料聚酰胺膜的溶解度和擴(kuò)散率的差異來分離，對(duì)微生物排斥主要受膜的物理化學(xué)性質(zhì)、病毒的表面性質(zhì)(靜電和疏水相互作用)和溶液環(huán)境的影響[24-26]。脫除率是反滲透系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)與給水的電導(dǎo)率相關(guān)。靖大為等[27]檢測得出最低透鹽率的最佳給水參數(shù)應(yīng)是電導(dǎo)率500 μS/cm及pH 7.5，而自來水的pH在6.5～8.5范圍內(nèi),電導(dǎo)率也在125～1 250 μS/cm之間[28],使用自來水作反滲透系統(tǒng)的水源其透鹽率較高。

5 高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室設(shè)備對(duì)水質(zhì)的需求分析

高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室在熱水系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、科學(xué)研究和動(dòng)物飼養(yǎng)等方面涵蓋著大量需要使用水或裝載水的設(shè)施設(shè)備，如蓄水池、采暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、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(dòng)物籠具清洗機(jī)和一些科研設(shè)備等等。生物安全實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根據(jù)功能劃分為輔助區(qū)和防護(hù)區(qū)，高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室追求穩(wěn)定運(yùn)行，而防護(hù)區(qū)內(nèi)更是需要特別注意的，防護(hù)區(qū)內(nèi)有效減少水垢關(guān)乎設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，使用溶解性總固體含量低的水能保障設(shè)備減少產(chǎn)生水垢。輔助區(qū)用水，一般生活用水即可滿足，如循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是以水作為冷卻介質(zhì)，會(huì)被使用為生物安全實(shí)驗(yàn)室配套中的換熱設(shè)備、冷卻設(shè)備、水泵和管道等，但不是直接被使用于防護(hù)區(qū)內(nèi)的設(shè)備，后期維護(hù)保養(yǎng)也是在防護(hù)區(qū)之外，水質(zhì)對(duì)生物安全實(shí)驗(yàn)室整體穩(wěn)定運(yùn)行影響不夠直接。工藝用水、洗滌用水等情況類似，初鍋爐補(bǔ)給水需要使用軟化除鹽，這類設(shè)備對(duì)水質(zhì)整體要求不高。

軟化水設(shè)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(dǎo)率基本不變[20]。而反滲透設(shè)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(xì)菌，保證設(shè)備運(yùn)行壽命。目前軟水機(jī)通常沒有按照當(dāng)?shù)刈詠硭捕戎笜?biāo)去設(shè)計(jì)，高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室核心區(qū)所有的用水均需通過不銹鋼排水管網(wǎng)排出至活毒廢水設(shè)備進(jìn)行處理，軟水無法保證氯離子的濃度，當(dāng)濃度較大時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響不銹鋼排水管網(wǎng)。此外，軟水設(shè)備去除Ca2+和Mg2+的效果是建立在對(duì)樹脂定期再生的基礎(chǔ)上，若無及時(shí)再生，樹脂失效去除硬度效果消失結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)增加。而脫鹽設(shè)備中的反滲透膜使用壽命很長，有污染或者堵塞也不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品水質(zhì)突然變差。值得說明的是國內(nèi)某高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室在核心區(qū)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(hù)活毒廢水裝置的效果。