高校實驗用純水系統(tǒng)設(shè)計范式探究

馬 楠， 白 云

(中南民族大學(xué) 實驗教學(xué)與實驗室管理中心， 武漢 430074)

0 引 言

高校實驗用純水系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，是保障相關(guān)學(xué)科門類科學(xué)研究和實驗教學(xué)效果的重要基礎(chǔ)條件之一。為了針對性地設(shè)計滿足高校自身教學(xué)科研需求的純水系統(tǒng)，實驗室管理單位需要從技術(shù)和管理上對純水系統(tǒng)進行規(guī)劃與建設(shè)。本文首先以純水系統(tǒng)的設(shè)計特征為切入點，分析高校純水系統(tǒng)典型特征；從主機和管網(wǎng)兩個角度分析高校實驗用純水系統(tǒng)的一般構(gòu)成，并分別給出典型范例；最后對高校實驗用純水主機系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計展開規(guī)范性研究。

1 高校實驗用純水系統(tǒng)特征

高校實驗用純水系統(tǒng)的特點與工業(yè)用純水系統(tǒng)、醫(yī)療用純水系統(tǒng)、民用純水系統(tǒng)等的要求有所區(qū)別。本文首先從使用功能、技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域更為多樣。在高校內(nèi)純水使用的人群主要分為教師和學(xué)生兩類，二者在科研領(lǐng)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(xué)領(lǐng)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(yīng)用范圍主要分為化驗分析、生物培養(yǎng)、表面清洗、實驗動物(SPF級別及以上)飼養(yǎng)[1]、基礎(chǔ)驗證性實驗等，一般情況下化驗分析、生物培養(yǎng)、實驗動物(SPF級別及以上)飼養(yǎng)對純水純化級別的要求要高于表面清洗、基礎(chǔ)驗證性實驗等。因此針對不同使用人群和應(yīng)用范圍，純水系統(tǒng)的設(shè)計方案要精準，不能一概而論，否則會直接影響純水系統(tǒng)最終的使用效果。

1.2 技術(shù)要求特征

高校實驗用純水系統(tǒng)從技術(shù)參數(shù)來看，一般情況下其低于醫(yī)療用(透析)純水系統(tǒng)要求[2]，而高于民用純水系統(tǒng)要求[3]。高校實驗用純水系統(tǒng)的特殊性主要表現(xiàn)在5個方面：終端產(chǎn)水品質(zhì)參數(shù)、純水預(yù)處理系統(tǒng)參數(shù)、終端取水方式、純水管網(wǎng)材質(zhì)、系統(tǒng)整機產(chǎn)水能力。具體而言：產(chǎn)水終端產(chǎn)出純水的品質(zhì)參數(shù)(電導(dǎo)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(biāo)準(GB/T6682-2008)要求；純水預(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注水的濁度范圍、污染指數(shù)(SDI)、余氯量等；終端取水方式結(jié)合高校自身教學(xué)科研使用特點及后期管理，一般情況下教學(xué)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(wǎng)材質(zhì)根據(jù)純水使用領(lǐng)域及終端產(chǎn)水品質(zhì)要求可以動態(tài)選擇，但為了保障純水系統(tǒng)的長期使用效果，建議選用UPVC或316及以上標(biāo)號的不銹鋼材質(zhì)管網(wǎng)；系統(tǒng)整機產(chǎn)水能力的確定應(yīng)當(dāng)考慮高校自身教學(xué)和科研的發(fā)展速度，在現(xiàn)有用水量的基礎(chǔ)上預(yù)留一定擴容能力。通過以上5個方面的技術(shù)特性描述，高校實驗用純水系統(tǒng)能夠得到客觀且有效的表達。

2 高校實驗用純水系統(tǒng)的一般構(gòu)成

2.1 高校純水主機系統(tǒng)的一般構(gòu)成

高校實驗用純水系統(tǒng)主機部分的構(gòu)成要符合高校自身發(fā)展特點，不能一味追求高參數(shù)，而應(yīng)當(dāng)綜合考慮后期運行成本、應(yīng)急保障處理、系統(tǒng)及管網(wǎng)清洗是否方便等方面的問題。本文認為高校純水系統(tǒng)主機部分一般包含5個主要組成部分：自來水預(yù)處理系統(tǒng)、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(dāng)然隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的構(gòu)成可能會出現(xiàn)技術(shù)性變動。

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

(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(nóng)藥及各種致癌物質(zhì)。這一技術(shù)是目前應(yīng)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(xué)實驗(如：化學(xué)儀器分析)會對水中的離子種類有很高要求，因此這一技術(shù)的采用能夠滿足實驗對純水品質(zhì)的需求。同時，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)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(jié)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(shù)的進步，部分高校已經(jīng)逐漸采用連續(xù)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(jié)構(gòu)與充放電原理，以靜電吸附，對水質(zhì)進行凈化處理[8-9]。

(4) 后級純化滅菌處理單元。根據(jù)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(zhì)。

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

圖1 高校純水主機系統(tǒng)一般構(gòu)成示意圖

2.2 高校純水系統(tǒng)管網(wǎng)的一般構(gòu)成

純水系統(tǒng)產(chǎn)水等級的優(yōu)劣不僅僅由主機決定，系統(tǒng)送水管網(wǎng)的合理設(shè)計與材質(zhì)選型也對純水終端出水等級起著至關(guān)重要的作用。錯誤的管網(wǎng)設(shè)計方式會使得高品質(zhì)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(zhì)損失。這不僅會對教學(xué)科研效果產(chǎn)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(wǎng)設(shè)計必須結(jié)合取水點和后期管理方式，進行整體考慮。

圖2所示“非循環(huán)式”管網(wǎng)布局不能夠滿足純水系統(tǒng)循環(huán)供水的基本要求，將會導(dǎo)致管網(wǎng)中存留的水形成“死水”，降低純水系統(tǒng)供水品質(zhì)。圖3所示“非均勻壓力式”管網(wǎng)布局雖然滿足了循環(huán)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(dāng)n樓用水量較大時，n+1樓、n+2樓會出現(xiàn)水壓降低甚至斷水的現(xiàn)象，影響使用。

圖2 “非循環(huán)式”管網(wǎng)布局圖3 “非均勻壓力式”管網(wǎng)布局

在滿足“循環(huán)供水”和“壓力均勻”的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前國內(nèi)主流的高校純水系統(tǒng)設(shè)計方法，研究認為，“蛇形”管網(wǎng)分布方式是一種能夠滿足高校純水使用需求的典型管網(wǎng)布局方式[10]?！吧咝巍惫芫W(wǎng)布局示意如圖4所示。

圖4 一種典型的“蛇形”管網(wǎng)布局示意圖

3 高校實驗用純水系統(tǒng)設(shè)計范式的討論

3.1 高校實驗用純水主機系統(tǒng)設(shè)計范式的討論

高校實驗用純水主機系統(tǒng)設(shè)計范式的討論主要包含兩個層面，①主機系統(tǒng)應(yīng)用；②主機系統(tǒng)實施。

(1) 主機系統(tǒng)應(yīng)用。①純水主機系統(tǒng)終端出水等級；②純水主機系統(tǒng)后期運行成本；③純水主機系統(tǒng)增壓揚程是否滿足樓層高度要求。

純水主機系統(tǒng)終端出水等級。純水系統(tǒng)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(jīng)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(jù)我校多年純水系統(tǒng)建設(shè)實踐經(jīng)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(biāo)準的純水；高?；窘虒W(xué)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(biāo)準的純水。

純水主機系統(tǒng)后期運行成本。純水系統(tǒng)后期耗材主要包含精密濾芯、反滲透膜、純化柱等。純水系統(tǒng)的設(shè)計方案必須與終端純水等級要求高度匹配，如果在系統(tǒng)設(shè)計時不考慮后期的運行成本，雖然采用技術(shù)手段最終可以解決設(shè)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(tǒng)運行帶來較大經(jīng)費負擔(dān)。如，系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)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(tǒng)的運行效果。系統(tǒng)增壓揚程的穩(wěn)定性是純水系統(tǒng)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(xiàn)終端純水水量較小或斷水的現(xiàn)象，不僅影響了純水系統(tǒng)的正常運行，出現(xiàn)因回流較小而導(dǎo)致的系統(tǒng)頻繁停機，同時也影響了科研和教學(xué)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(tǒng)實施。①純水系統(tǒng)源水壓力是否穩(wěn)定；②純水系統(tǒng)(包含出水終端刷卡取水設(shè)備)供電是否滿足要求；③純水管網(wǎng)(包含主機系統(tǒng)接口部分)是否存在變徑現(xiàn)象。

純水系統(tǒng)源水壓力是否穩(wěn)定。純水系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)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(shè)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(tǒng)進水最好設(shè)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(tǒng)水壓不穩(wěn)，頻繁停機。

純水系統(tǒng)(包含出水終端刷卡取水設(shè)備)供電是否滿足要求。純水系統(tǒng)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(shè)計必須能夠滿足主機要求。根據(jù)具體實施經(jīng)驗，本文認為純水主機應(yīng)該采用單獨回路完成供電，回路中最好不要串、并聯(lián)任何其它設(shè)備；回路線徑根據(jù)具體主機功率選型，線徑一定不能過細，否則會頻繁出現(xiàn)系統(tǒng)斷電的現(xiàn)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(guān)應(yīng)選擇相應(yīng)電流型號的工業(yè)用空氣開關(guān)[13]，即D型空氣開關(guān)。

純水管網(wǎng)(包含主機系統(tǒng)接口部分)是否存在變徑現(xiàn)象。若管網(wǎng)尺寸與主機不匹配或本身管網(wǎng)存在變徑現(xiàn)象(管徑由小變大，如：DN20轉(zhuǎn)DN25)，都會產(chǎn)生系統(tǒng)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(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計范式的討論

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

循環(huán)回路的設(shè)計。純水管網(wǎng)應(yīng)當(dāng)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(xiàn)，否則會導(dǎo)致純水凈化品質(zhì)的降低。在輸送距離較長或者流動阻力較大的管網(wǎng)中，為了保障系統(tǒng)循環(huán)壓力，必須在循環(huán)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(huán)壓力。在跨樓層進行純水循環(huán)時，可以采用兩種管網(wǎng)設(shè)計形式。①各樓層設(shè)計獨立的“蛇形”循環(huán)回路，各回路設(shè)計獨立貯存桶進行供水，統(tǒng)一回流至減壓回流管。②從主“蛇形”循環(huán)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(wèi)星副回路再循環(huán)泵的衛(wèi)星貯存桶。

循環(huán)回路的流速。循環(huán)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(jié)合純水取水點最大瞬間放水速度進行設(shè)定，一般情況下循環(huán)回路內(nèi)純水流速為取水點最大瞬間放水速度的1.3～1.5倍。結(jié)合我校實際經(jīng)驗及國內(nèi)外的證實研究，一般情況下循環(huán)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(huán)回路內(nèi)壁生物膜的產(chǎn)生。

循環(huán)回路中的“死水角”?！八浪恰倍x為以循環(huán)回路中心線為基準，大于6倍管路直徑的區(qū)域?！八浪恰睍斐裳h(huán)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(yīng)當(dāng)避免任何“死水角”的出現(xiàn)。若在常溫消毒的管路中出現(xiàn)了“死水角”則需要進行氧化清洗作業(yè)。在消毒作業(yè)時，需要充分保障氧化劑對“死水角”區(qū)域的擴散時間，保障“死水角”區(qū)域與循環(huán)回路內(nèi)氧化劑濃度一致，達到消毒效果。清洗作業(yè)時，與消毒作業(yè)一樣，需要保障對“死水角”區(qū)域的清洗效果，避免氧化劑殘留。循環(huán)回路材質(zhì)選擇。管路材質(zhì)必須具備十分穩(wěn)定的物理和化學(xué)特性，溶出物能夠達到純水標(biāo)準要求。由于純水(尤其是超純水)往往腐蝕性較強，因此循環(huán)管路需要具備較強的防腐蝕能力，一般情況下應(yīng)選用UPVC或316及以上標(biāo)號不銹鋼材質(zhì)。

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(yīng)當(dāng)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(huán)管路消毒與鈍化。循環(huán)管路安裝以后，在系統(tǒng)整機使用之前，需要對循環(huán)管路進行消毒和鈍化處理，其主要目的是增加管路內(nèi)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(wǎng)消毒與鈍化的實施需要分兩種情況：①若純水循環(huán)管路使用UPVC或316及以上標(biāo)號不銹鋼材質(zhì)，對于316及以上標(biāo)號不銹鋼材質(zhì)的管路可用熱水消毒，而對于UPVC材質(zhì)的管路則可以使用過氧化氫或過醋酸消毒。②若純水循環(huán)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(nèi)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(yīng)當(dāng)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(huán)管路安全，避免發(fā)生管路漏水現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

本文在研究高校純水系統(tǒng)典型特征的基礎(chǔ)上，從主機和管網(wǎng)兩個角度分析了高校實驗用純水系統(tǒng)的一般構(gòu)成，并對純水主機系統(tǒng)和純水管網(wǎng)的設(shè)計展開了范式研究，并最終得出了一套相對較為科學(xué)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(jié)合自身教學(xué)科研情況，精準進行實驗用純水系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)工作。在保障相關(guān)學(xué)科門類教學(xué)科研基礎(chǔ)純水實驗條件質(zhì)量的同時，也避免了在系統(tǒng)實施過程中一些不必要的變更和經(jīng)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(tǒng)規(guī)范性研究領(lǐng)域的弱項，以期能夠為高校純水系統(tǒng)的設(shè)計與實施提供借鑒與參考。