生物安全實驗室給排水設計重點要點研究

周鍔

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

自新冠疫情大流行以來，國內生物醫學產業發展迅速，生物醫學類的生產、研究建筑大量新建，由于此類建筑的功能復雜，給排水系統設計難度較大，若設計人員對相關設計理解不夠透徹，缺少設計經驗，容易在設計上造成缺陷，影響建筑使用功能，嚴重情況下還可能使污染水源泄漏，造成生產安全事故?；仡櫺苑治鲆郧案叩燃壣锇踩珜嶒炇抑谐霈F的工作人員感染情況，發現國內外高等級生物安全實驗室中工作人員感染死亡的病例不在少數[1]?，F針生物安全實驗室在給排水設計中的重點難點進行分析總結。

1 生物安全實驗室給水防回流污染問題

為避免生物安全實驗室防護區的給水供應對其他區域造成回流污染，應在供水系統中設置防止背壓回流或虹吸回流的措施[2]。通常情況下有以下3 種技術措施，如圖1 所示。

圖1 三種常用的防回流污染給水措施

（1）斷流水箱（圖1a）是給水系統防回流污染效果最好，也是最徹底的措施，通過設置斷流水箱及變頻加壓水泵，徹底隔斷實驗室區域與非實驗室區域的給水系統。該系統能有效應對各種設備故障突發情況，避免任何情況下的污染水源回流風險[3]。但是缺點也比較明顯，額外設置的斷流水箱及變頻加壓系統需要占用較大的設備空間且需要專人管理。以廣州市某BSL-2 醫學實驗室為例，其內部設置有細胞實驗室、細菌實驗室、儀器分析實驗室等共5000m2的科研用房，最高日用水量約80m3，給水系統設置了20m3的斷流水箱以及全變頻給水系統，根據用戶反映給水系統斷流效果好，但需要設置較大的設備間放置水箱及水泵?？傮w來說，斷流水箱給水措施效果雖好，但系統較為復雜，適用于對防回流污染要求較高的生物安全實驗室。

（2）倒流防止器（圖1b）是最常用，最便利的防回流污染措施。通過在生物安全實驗室的輔助工作區設置倒流防止器，阻止供水系統在任何工況下管道中的水倒流，以達到避免倒流污染的目的。倒流防止器系統設置簡單，使用方便，普遍應用于各類型生物安全實驗室的供水系統中，但其通過閥體控制水流方向的措施不能完全隔斷實驗區與非實驗區的供水系統，在設備發生故障等突發情況下存在污染水源回流的風險，該措施適用于安全風險較低的一級、二級生物安全實驗室。

（3）獨立供水環狀管網（圖1c）適用于需要設置環狀管網（如純水供應系統、熱水供應系統）的供水系統，對于環狀管網供水系統，其循環供水的管網特點導致其無法采用倒流防止器防止水源交叉污染，只能通過設置獨立環狀供水管網防止水源交叉污染。

2 生物安全實驗室供水需求多樣性問題

生物安全實驗室內部除科研人員的生活用水外，還包含大量的各式實驗儀器設備用水。各種儀器設備的用水水量水壓需求各不相同，在給水系統設計時若不加以區分將導致系統難以滿足使用要求。筆者曾經對某地某實驗動物中心進行實地調研，該中心的給水系統設計采用了統一給水系統，所有生活、生產、科研用水采用一套變頻調速加壓供水系統，對不同的用水設施采用可調式減壓閥控制其水壓，在實際使用中發現，該系統用水體驗一般。特別是在該實驗室的動物籠具清洗系統運作情況下，供水系統水壓下降明顯，難以滿足生活生產用水需求。

在上述經驗支持下，筆者在進行廣州市某生物安全實驗室動物中心設計時，針對各種儀器設備的用水需求分析研究，如表1 所示。

表1 廣州市某生物安全實驗室動物中心某樓層設備供水需求

通過對上述給水需求進行分析可知，該實驗室的動物飲水系統、動物籠具清洗系統、蒸汽發生器對供水的水量及水壓要求較高，其余設備用水量較低，且用水水壓需求與生活用水水壓需求接近，筆者在對上述需求進行分析后，決定采取設置兩套不同給水設備的系統方案。

對三個大用水量供水設備獨立設置供水系統，有效避免了各用水終端的相互影響，該系統在投入使用一年以來，供水系統運作穩定，能有效滿足生活生產需求。廣州市某生物安全實驗室動物中心供水系統如圖2 所示。

圖2 廣州市某生物安全實驗室動物中心供水系統

3 生物安全實驗室污水處理及工藝分析

生物安全實驗室污水由于其工藝特點，一方面含有多種病原微生物，如病毒、細菌、真菌等，另一方面還含有有毒有害化學藥劑，容易造成空間污染、潛伏性傳染病和急性傳染等危害[4]。對于生物安全實驗室所排放的污廢水應進行統一收集，并根據不同實驗功能分析其水質特點，采用相應的污水處理工藝。

對于一般的細胞、細菌實驗室，其廢水排放污染物主要以有毒有害化學藥劑為主，廢水的可生化性較低，COD 含量一般在100mg/L 以下，因此廢水難以采取生物處理法處理，固其主要采用物理化學方法進行處理。處理流程可采用“格柵—酸堿中和—混凝—沉淀—過濾—消毒”的處理工藝流程。

對于設置有實驗動物設施的實驗室，由于其廢水中含有動物排泄物、動物尸體殘留物等活性較強的污染物，其廢水的可生化性較強，COD 的含量也高于一般的生活廢水，這種類型的廢水應充分利用水中豐富碳源，采用生物法進行處理。處理流程可采用“格柵—厭氧反應—酸堿中和—沉淀—污泥回流—消毒”的處理工藝流程，如表2 所示。

表2 廣州市某生物安全實驗室動物中心污水排放污染物指標

由于實驗工藝不同，生物安全實驗室的廢水污染物組合也是千變萬化的，筆者在廣州市某生物安全實驗室的設計中，根據廢水性質的不同設置了上述兩鐘不同廢水處理設施。筆者在本文中僅列出了兩種常見的污染物組合，設計人員在進行污水處理工藝設計時應根據污水具體污染情況針對性選擇合適的污水處理工藝。

4 生物安全實驗室室內排水設計的其他細節及要點

（1）生物安全實驗室的排水系統應設置獨立的排水系統，由前文的經驗總結可知，生物安全實驗室的廢水性質不僅與生活污水差異較大，不同功能的實驗廢水水質差異也非常大。對于不同性質的實驗室廢水，應分別設置獨立的排水管道系統收集。設置獨立的排水管道系統一方面可以避免受污染廢水泄露，另一方面可以避免廢水水量水質波動過大，影響后續的廢水處理系統運作。

（2）生物安全實驗室通常會采用高溫滅菌裝置對實驗器具等進行消毒，其廢水溫度往往高于40℃，最高可達70℃。因此排水管材需要采用具有耐高溫，耐腐蝕性的排水管材，如FRPP、CPVC、HDPE、ABS 等材質的排水管道。對于溫度超過40℃的高溫廢水，應該設置降溫池降溫后方可排入市政下水道。

（3）生物安全實驗室的平面布局中往往包含較多的貴重儀器室，排水管道應避免穿越此類房間[5]。在設計的方案階段給排水設計就應充分介入，在實驗室平面布置時貴重儀器室應盡量布置在潔凈干燥的房間下方，當無法避免時，其上部房間的排水應采用設置沉箱同層排水或管道技術夾層走管的措施（沉箱排水及管道技術夾層措施不適用于BSL-3 及BSL-4 類實驗室，因其管道需要明設）。

5 生物安全實驗室室內消防給水系統的設計要點

生物安全實驗室由于其內部有較多的潔凈房間、貴重儀器室、設備夾層等特殊功能房間，在消防給水系統設計時往往有較多問題容易被忽視。

（1）室內消火栓除保護常規的公共走道，各類功能房間外，還應對實驗室的各類設備層、可通行的技術夾層或技術夾道進行保護。生物安全實驗室由于其工藝特點，各類設備、工藝管道較多，往往會設置管道技術夾層走管并在夾層內設置供檢修人員走動的通道。設備夾層內的電線短路引發火災是常見的火災起因，在人員通道中設置消火栓可在第一時間撲滅火災源頭，避免發生人員傷亡事故。由于管道技術夾層布置在設計的方案文件中一般不會體現，因此在進行給排水消防施工圖設計時，即使是經驗豐富給排水設計師也容易因與土建專業配合不到位而忽視這些部位的室內消火栓設計。

（2）在實驗室內部的潔凈房間、貴重儀器室設置自動滅火系統時，為避免系統誤噴造成不必要的經濟損失，通常不會設置濕式自動噴水滅火系統，而采用預作用自動噴水滅火系統，對于不宜采用水進行滅火或存放特別貴重儀器的部位，可采用氣體滅火系統進行保護。筆者在廣州市某生物安全實驗室的精密儀器室消防系統設計中，采用了預制式的七氟丙烷氣體滅火系統，該系統技術成熟，設置較為獨立，不需要設置專用管網。氣體滅火劑噴放時對儀器設備的損害較低，在遇到突發火災時能第一時間自動作用，既可保護人員避免傷亡，亦能有效保護房間內部的貴重儀器。

（3）生物安全實驗室的某些功能區域無法設置自動滅火系統，如實驗動物設施的屏障環境凈化區域[6]、三級和四級生物安全實驗室的防護區等，在這些區域設置自動滅火系統一旦發生誤噴將產生嚴重的污染后果，因此這類區域一般僅設置消火栓、滅火器等手動滅火設施。這類區域的消防設計難度不在于系統本身的設計，而在于實驗室方案設計階段。在方案設計階段應與土建設計師緊密配合，控制上述功能的建筑規模，避免將上述功能房間設置在高層公共建筑或規模較大的多層公共建筑中，否則將難以兼顧實驗室的消防系統設計要求及《建筑設計防火規范》的相關規定。筆者在廣州市某生物安全實驗室的動物中心設計中，動物中心設置部位位于單層建筑面積1800m2，建筑高度為21m 的多層公共建筑，確保該部位的消防系統設計滿足相關規范的要求。

6 結語

在生物安全實驗室的給排水設計中，設計人員應熟悉理解相關規范、選擇合適的給排水系統方案，對于給排水的安全防護要求應予以重視。對于缺乏設計經驗的設計人員，應對現狀運行生物安全實驗室做必要的調研和考察，結合前人的設計經驗及細節選擇合理的給水排水系統。避免因不合理的系統設計產生污染水泄露等問題，造成生產安全事故。