实验室纯水系统设计经验
针对目前国内科研实验室对纯水水质的高标准需求，结合实际工程设计，介绍了在实验室设计过程中应注意的事项，包括纯水的水质要求和制备方法，实验室纯水用量和储存，实验室纯水管路分配设计和管材选择以及在运行过程中的水质监控等，同时设计过程中还应该结合不同类型项目综合考虑上述各部分之间的关系并得出具体解决办法，同时满足业主要求和相关标准，为此类项目的纯水系统设计积累经验。
在实验室纯水系统设计之前，作为设计人员首先要考虑用户要求，用水量和水质纯度对系统的设计来说至关重要。
1实验室纯水水质
不同实验室所需的纯水水质也可能各不相同。许多国际组织（ASTM，NCCLS，CAP，USP）也都有自己所颁布的纯水水质标准和指南，这都将帮助设计者确定适当的水质。
其中，经大多数用户认可的3种标准如表1所示（三级水指一般纯水，二级水为分析级，一级水为而对于更加敏感的研究实验则需要用二级水甚至一级水。
结合笔者以往的一些项目设计，如某大型跨国生物制药公司北京研发中心（以下简称“NN”）和某知名医药企业上海研发中心（以下简称“COV”）实验室，实验清洗用水、消毒灭菌器等用水一般为二级水即可，通过集中管路系统供给，在一些局部有高纯要求的使用点再单独加设末端超滤装置以制备出高纯水。笔者参与的“NN”项目坐落于北京市海淀区环保园内，实验楼区域分为CB、MC和PC三个部分，使用功能和用户均不尽相同，但均需满足GLP/GMP等认证要求，设计中采用的当地原水水质（进水水质）如表2所示。
出水水质要求达到上述实验室纯水水质二级标准，局部达到一级标准，本项目实验室CB、MC和PC三个部分纯水使用量总计为1500L/d。
纯水制备流程如下:
自来水→石英砂过滤器→活性炭过滤器→软水器→5μm预过滤器→反渗透柱→EDI装置(电去离子)→储存罐→紫外灯→(精纯化柱→超纯水)
其中本项目采用密理博的2台Elix100型模块化纯水制备设备，其中每台产水量为100L/h，以自来水为进水，通过预处理(包括软化处理装置)、反渗透(ＲO)以及连续电流去离子模块(EDI)制备出不低于上述二级纯水水质标准。其产水水质可达到:电阻率为5～15MΩ·cm@25℃(带温度补偿)，总有机碳(TOC)＜30μg/L，微生物＜10CFU/mL。
2实验室纯水用量和储存
实验室每天纯水的用量有可能从几升到几千升不等。在设计之初首先应考虑：确定每个用户和每台仪器每天的用水量和所需纯水的水质，以及用水规律，据此计算出整个实验室每天总的用水量以及高峰用水量。
纯水储存系统应该能够平衡纯水制备系统和实验室每天用水总量、高峰用水量之间的关系。每个实验室都有其用水规律，因此纯水储存系统不仅应该满足客户每天的用水量，还应满足实验室高峰用水的需求。
储存系统在每日高峰用水之间可以起到缓冲的作用，使得纯水制备系统有足够的时间生产出实验室每日所需的纯水。同时纯水储存水箱必须能够保证纯水的水质免受污染。水箱的材料和诸多设计细节都会影响到水箱所存储纯水的水质。
“NN”项目经过计算采用了容量为1000L的圆柱形水箱，用以调节用户峰值流量。另外还有几点在设计中需引起注意：首先圆锥形底部的无死角设计可使水箱内水完全排空；水箱材料采用进口原装超纯PE材料，可降低溶出物，虽然投资会略高，但可最大限度降低二次污染；另外水箱还配有0．22μm空气过滤器，以降低外界对水箱内水质的污染，并设有卫生防溢流装置。
3实验室纯水管道分配
纯水分配系统的主要目的在于通过分配泵和纯水分配管路将纯水输送到每个用水点，一般采用串联式循环管路，从而使得管路中纯水能够以适当的流速循环，抑制微生物的滋生并避免发热。同时为保证管路中纯水的流速和压力，应根据使用点的用水状况和频率计算管路系统和管路中设备所带来的压力损失，从而选择合适的分配循环泵。纯水管路流程图见图1。
纯水管路如何进行分配也是设计中很重要的一环，直接体现于是否能满足用户的要求，例如笔者设计的“NN”中心实验楼，一共4层，存在很多不同用水部门和不同使用要求的纯水点，传统设计方法通常整个楼采用一套大的集中循环管路系统串联上所有用水点，但是这种设计会带来如下问题：
①因为管路过长通常会带来一些末端出水水质下降；
②一旦发生管路或其他问题以及维修，每一个用水部门都会受限于纯水的供给；
③管路水头损失的增加带来水泵扬程的提高，造成靠近分配水泵的用水点出水压力过高；
④不利于管路的灵活性管理；
⑤由于水质唯一，对于某些原本纯度要求不高的用户（例如器皿清洗）不太合理。
故在设计管路时，充分结合使用方的具体情况（包括用量、水质以及分布情况），灵活地设计管路分配系统，制备系统尽量靠近使用点，例如分层供给或分部门供给，通常一套纯水循环管路长度尽量不要超过250m，以避免出现上述不利的情况，当然也要结合造价统一考虑，不能千篇一律。
“NN”项目的纯水制备、储存以及加压循环设备均放置在三层的设备机房内，供给各层纯水使用点，管路设计为每层单独成环，循环供给，尽可能最大限度减少每个循环管路长度，设计管径时考虑纯水在分配管路中的流速保持在1～1．5m/s（一层和二层环路管径为DN32，三层和四层管径为DN25），以降低微生物在管路内表面生长的风险。每套循环泵组采用双泵轮流工作分配纯水方式。
为保证管路中纯水的水质，还应选择合适的管道材料和管道连接方法，一般采用不锈钢和塑料管材（二级及以下可选用PP型，一级可选用PVDF），这两种管材各有优缺点并与造价有关，每个项目情况也不同，故一般通过技术经济综合比较确定。如“NN”和“COV”项目实验室纯水集中管路系统出水为二级水，其设备和材料选用聚丙烯管材，而对于高纯水或医药中注射用水则需改用316L不锈钢或PVDF管材。
纯水分配系统还应该包含附加的设备，在维持纯水水质的同时，对纯水进行进一步纯化，并对管路中水质进行监控。“NN”项目在出水端和回水端各配一个经FDA认证的0．22μm循环管路过滤器，以避免储存系统和管路系统的交叉污染，同时采用管路紫外装置以降低管路纯水的微生物和总有机碳水平。
4实验室纯水控制
纯水控制系统对于整个系统的操作、维护以及运行非常重要。为了保证纯水制备系统的正常运行和产水水质，不仅要监控产水水质和管路水质，同时也应该对进水水质进行监控（自来水水质）。
“NN”项目在管路设计中设有电导率测试仪和总有机碳测试仪对管路中的水质进行实时监控，并在配水管路上设有微生物检测阀，定时取水样，定期监测微生物含量。
项目在后期试运行过程中效果良好，由于采用密理博的2台Elix100型模块化纯水制造设备（内带ＲO+EDI），通过不同点位的取样检测，出水电阻率均达到10MΩ·cm以上，其他各项也均符合二级纯水标准，完全能满足本项目各实验室用水要求。
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