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)院生物安全實驗室，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，相繼出臺了針對性的法律法規(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)。在落實生物安全實驗室設(shè)計、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)生物安全實驗室數(shù)量不斷增加。《高級別生物安全實驗室體系建設(shè)規(guī)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(shè)離不開設(shè)施設(shè)備的良好運(yùn)行和穩(wěn)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(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，會產(chǎn)生大量的水垢，對設(shè)備的安全運(yùn)行造成嚴(yán)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(guī)劃，未來依舊會面臨已經(jīng)暴露出的問題，特此就水質(zhì)對水垢與腐蝕關(guān)系這個關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，希望對高級別生物安全實驗室建設(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位移或者直接接觸時借助自由電子等熱運(yùn)動從而實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驗室中特定設(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，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 時水質(zhì)基本穩(wěn)定不結(jié)垢，當(dāng)電導(dǎo)率>1 500 μS/cm 時開始結(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)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 高級別生物安全實驗室設(shè)備對水質(zhì)的需 求分析

高級別生物安全實驗室在熱水系統(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、動物籠具清洗機(jī)和一些科研設(shè)備等等。生物安全實驗室內(nèi)根據(jù)功能劃分為輔助區(qū)和防護(hù)區(qū)，高級別生物安全實驗室追求穩(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)，會被使用為生物安全實驗室配套中的換熱設(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)對生物安全實驗室整體穩(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，高級別生物安全實驗室核心區(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)濃度較大時會嚴(yán)重影響不銹鋼排水管網(wǎng)。此外，軟水設(shè)備去除Ca2+和Mg2+的效果是建立在對樹脂定期再生的基礎(chǔ)上，若無及時再生，樹脂失效去除硬度效果消失結(jié)垢風(fēng)險增加。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)某高級別生物安全實驗室在核心區(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。

綜上所述，活毒廢水設(shè)備、雙扉高溫高壓滅菌器、化學(xué)淋浴系統(tǒng)和生活熱水換熱器等使用反滲透水可以保證不結(jié)垢，增強(qiáng)使用效果和延長運(yùn)行壽命。鑒于生物安全三級實驗室后期維護(hù)的復(fù)雜性和危險性，以及更換設(shè)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(hù)效率，建議使用反滲透水替代軟化水供給防護(hù)區(qū)所有用水設(shè)備與需求。