Система водоснабжения и водоотведения лаборатории — это специально разработанная система на базе систем водоснабжения и водоотведения здания, отличающаяся нестандартным проектированием и разнообразием гибких схем компоновки.

Проектирование системы водоснабжения и водоотведения лаборатории выполняется до разработки архитектурно-строительного проекта. Она является комплексным решением, реализуемым совместно со строительными работами и системами водоснабжения и водоотведения здания; поэтому проект должен определяться специалистами с учетом требований к водоснабжению и водоотведению лабораторных столов, размещенных в лаборатории, после чего разрабатывается общая схема водоснабжения и водоотведения всего объекта.

I. Система водоснабжения

Лаборатория выступает важной базой для проведения научных исследований, поэтому безопасность и гигиена в ней имеют жизненно важное значение. Особенно это актуально для специализированных лабораторий, таких как медицинские лаборатории по исследованию инфекционных вирусов и биологические лаборатории: уровень их безопасности еще более значим, а роль систем водоснабжения и водоотведения — неотъемлемой части экспериментальных работ — нельзя недооценивать. Система водоснабжения лаборатории включает систему технологического водоснабжения лаборатории, систему хозяйственно-питьевого водоснабжения и систему противопожарного водоснабжения. Технологическая вода для лабораторий подразделяется на воду общего лабораторного назначения и очищенную лабораторную воду; система очищенной воды лаборатории является независимой системой водоснабжения. Системы хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения соответствуют системам водоснабжения обычных зданий и обычно могут объединяться с системой водоснабжения общего лабораторного назначения в единую систему.

Разные лаборатории предъявляют различные требования к лабораторной воде; качество оборотной охлаждающей воды для лабораторных приборов должно соответствовать индивидуальным требованиям к качеству воды для каждого типа приборов. В лабораториях, где проводятся эксперименты с сильными кислотами, сильными щелочами или высокотоксичными жидкостями с риском разбрызгивания или взрыва, поблизости должны быть оборудованы аварийные душевые установки; если напор воды на выходе из устройства аварийной промывки глаз превышает 1 м, необходимо принять меры по снижению давления; водоразборные краны в лабораториях класса II должны иметь ножной, локтевой или сенсорный механизм включения. Внутренние пожарные гидранты должны размещаться в чистой зоне; ввод трубопровода системы водоснабжения обычно располагается в чистой зоне, при этом используется водопроводная сеть с нисходящей (восходящей) подачей воды.

Система внутреннего противопожарного водоснабжения включает обычную противопожарную систему, систему водоснабжения автоматических спринклерных установок и систему водоснабжения водяных завес. Здания лабораторных корпусов, складов и другие подобные объекты при необходимости оснащаются системой наружного противопожарного водоснабжения, состоящей из наружных пожарных водопроводов, наружных гидрантов, пожарных насосов и т. д. См. рисунки 6-44 и 6-45.

II. Способы водоснабжения

Обычной лаборатории, как правило, достаточно одного вводного водопроводного трубопровода; однако если оборудование крупного лабораторного корпуса требует гарантированного водоснабжения, следует предусмотреть два вводных трубопровода. Один вводной трубопровод обычно заводят в лабораторный корпус из его центральной части, что обеспечивает более сбалансированное давление воды. При наличии двух вводных трубопроводов их обычно подводят к разным сторонам лабораторного корпуса. Если по особым обстоятельствам их можно завести только с одной стороны, между вводными трубопроводами необходимо выдержать расстояние не менее 10 м, а на соединяющей их водопроводной сети установить запорные клапаны, чтобы безопасное водоснабжение сохранялось даже при локальной неисправности. Вводные трубопроводы следует прокладывать от участка с наибольшим водопотреблением. Кроме того, внутренние водопроводные трубопроводы лаборатории должны быть рационально расположены для удобства технического обслуживания. Внутренние трассы трубопроводов должны быть как можно короче, без пересечений, что повышает безопасность и надежность водоснабжения. Прокладка трубопроводов в обычных лабораториях обычно выполняется открытой — вдоль коридоров,

[Рисунок: Рис. 6-44 «Чертеж водоснабжения лаборатории» — план расположения точек водоснабжения лаборатории (масштаб ориентировочно 1:100), включающий контур плана здания, перегородки помещений, точки водопотребления, трассу водопроводных труб, размерные линии и номера координационных осей.]

Рис. 6-44 Чертеж водоснабжения лаборатории

[Рисунок: Рис. 6-45 «Схема системы водоснабжения лаборатории» — включает аксонометрическую «Схему системы водоснабжения 1:100» и «Схему системы водоподготовки 1:100», на которых показаны стояки систем водоснабжения и водоподготовки, магистральные трубопроводы, ответвления, клапаны, соединения в точках водопотребления, трассы трубопроводов и их взаимное расположение по высоте.]

Рис. 6-45 Схема системы водоснабжения лаборатории

стен, потолков или углов колонн в виде открытых ветвей, что удобно для визуального контроля, но приводит к накоплению пыли. Поэтому в лабораториях с повышенными требованиями к безопасности обычно предпочитают скрытую прокладку: трубопроводы размещают в трубных шахтах, подпотолочном пространстве, траншеях для труб или общих трубопроводных коллекторах. Важно отметить, что у всех скрыто проложенных трубопроводов в местах установки регулирующих клапанов должны быть предусмотрены ревизионные люки для удобства устранения неисправностей. Трубопроводы хозяйственно-питьевого водоснабжения часто проходят в чистых зонах. Для ввода труб системы водоснабжения радиационной лаборатории водопроводная сеть часто выполняется по схеме с нижней разводкой (подача воды снизу вверх). В случаях когда трубопроводы идут из чистой зоны к оборудованию в загрязненной зоне — такому как перчаточные боксы, вытяжные шкафы и душевые — существует риск загрязнения, поэтому их питание должно осуществляться через локальный бак-разрывник. Емкость и высота установки бака-разрывника должны быть соответствующими, при необходимости монтируют повысительное устройство. Как альтернативный вариант, на стыке зон с разным уровнем радиационной опасности на каждом конце трубопровода можно установить отсечной клапан, а между ними подключить ответвление со спускным клапаном; когда трубопровод не эксплуатируется, отсечные клапаны закрывают, а спускной клапан открывают для слива остаточной воды. Для небольших радиохимических лабораторий на трубопроводе перед входом в загрязненную зону допускается установка обратного клапана для предотвращения загрязнения. Система водоснабжения лаборатории должна гарантировать требуемое давление, качество и объем подаваемой воды. Для крупных высотных лабораторных корпусов, когда наружная водопроводная сеть не может обеспечить потребности в воде лабораторий на верхних этажах, либо когда давление в наружной сети периодически падает — особенно для гарантии безопасного водоснабжения лабораторий — следует предусмотреть локальное повысительное оборудование или крышные баки с насосами, предназначенные исключительно для нужд лабораторий верхних этажей; в обязательном порядке устанавливаются аварийные обливные души и аварийные фонтанчики для промывания глаз с достаточно большим расходом воды и быстродействующими запорными клапанами. Распространенные схемы водоснабжения приведены ниже:

  1. Прямое водоснабжение. Если лаборатория занимает небольшое число этажей, а напор и расход воды в сети достаточны, обычно допускается применение схемы прямого водоснабжения; при такой схеме не требуется монтаж внутренних повысительных насосов, а система обычно подключается к наружной сети водоснабжения.

  2. Водоснабжение с верхним напорным баком. Данный метод применяется в случаях, когда в период пикового водопотребления напор в наружной сети падает до уровня, не позволяющего обеспечить потребности в воде верхних этажей, либо при периодической нехватке напора в наружной сети.

  3. Водоснабжение с повысительными насосами. Этот метод используется, когда напор в наружной сети ниже давления, необходимого для обеспечения лабораторных, бытовых и противопожарных нужд водоснабжения.

Требования к объектам систем водоснабжения и водоотведения для лабораторий разных уровней:

  1. BSL-1: В каждой лаборатории уровня BSL-1 рядом с выходом должна быть установлена раковина для мытья рук.

  2. BSL-2: В каждой лаборатории уровня BSL-2 рядом с выходом должна быть установлена раковина для мытья рук; также должны быть предусмотрены устройства для экстренного промывания глаз, аварийные душевые установки и прочее подобное оборудование.

  3. BSL-3: У выходов из полузагрязнённой и загрязнённой зон должны быть обустроены места для мытья рук; система водоснабжения должна быть оснащена устройствами для предотвращения обратного тока воды и бесконтактными клапанами подачи воды. В чистой зоне должны быть предусмотрены душевые. При необходимости в полузагрязнённой зоне устанавливаются устройства для экстренного дезинфекционного душа. В помещении основной лаборатории не допускается монтаж половых трапов. Система водоотведения полузагрязнённой и загрязнённой зон должна быть полностью изолирована от других систем водоотведения: стоки собираются по выделенным трубопроводам в независимое устройство, где проходят дезинфекцию и стерилизацию.

III. Система водоотведения

Система водоотведения лаборатории конфигурируется в зависимости от состава, свойств, расхода и режима сброса сточных вод, отводимых из лаборатории. Охлаждающая вода, сбрасываемая лабораторным оборудованием, а также прочие сточные воды, содержащие только безвредные взвешенные или коллоидные вещества, не нуждаются в очистке и могут напрямую сбрасываться в наружную сеть водоотведения. Сточные воды с многокомпонентным составом, а также воды, содержащие токсичные и опасные вещества, которые могут вступать во взаимное реакционное взаимодействие, повреждать трубопроводы или провоцировать аварийные ситуации, должны отводиться отдельно от бытовых сточных вод по специальным трубопроводам в дезинфекционный резервуар для централизованной дезинфекции. Относительно чистые отработанные растворители и токсичные реагенты предпочтительно сбрасывать после предварительной обработки; сточные воды, предназначенные для повторного использования, должны проходить соответствующую очистку. Данные отходы относятся к категории химических медицинских отходов и не могут напрямую сбрасываться на канализационную станцию. Прокладка трубопроводов водоотведения также должна быть рациональной, с минимальным количеством изгибов, чтобы предотвращать засорение примесями, а их расположение должно быть относительно компактным, чтобы облегчить техническое обслуживание после возникновения неисправностей. Дренажные трубы должны прокладываться вдоль коридоров, углов колонн, стен, потолков и т. д., при этом необходимо следить за тем, чтобы они не проходили через лаборатории с высокими требованиями к безопасности, например, помещения для точных приборов. Магистральные трубы следует располагать как можно ближе к оборудованию с большим объемом дренажа. В небольших лабораториях с малым объемом сточных вод может использоваться единая дренажная система. Однако в случаях, когда объем сточных вод мал, но их концентрация высока, их можно собирать в специальные контейнеры и отправлять в зону хранения сточных вод или подвергать соответствующей обработке. Сбрасываемые радиоактивные сточные воды требуют специальной обработки: после распада изотопов они обрабатываются как медицинские сточные воды; они не должны проходить через чистую зону и должны отводиться из чистой зоны в направлении загрязненной зоны во избежание распространения загрязнения. Если уровень радиации высокий, должны быть предусмотрены специальные дренажные траншеи, шахты и трубные каналы, а также необходимые защитные меры. Если радиоактивные сточные воды являются коррозионно-активными, для труб необходимо выбирать соответствующие коррозионностойкие материалы, чтобы избежать коррозии и утечек. Как правило, траншеи для труб могут сооружаться из кирпича; в случаях, когда требуется защита или уровень грунтовых вод высокий, необходимо использовать бетон. Облицовка траншей выполняется из цементной штукатурки, углеродистой стали или нержавеющей стали, покрытых антикоррозийной краской. См. рисунки 6-46 и 6-47.

[Рисунок: План дренажа пола лаборатории (цветной чертеж CAD), на котором показаны планировка и точки дренажа функциональных помещений отделения клинической лаборатории; обозначения помещений включают: помещение приточной вентиляции, складское помещение, зона лаборатории ВИЧ-иммунологии, зона анализа продукции, зона амплификации, зона подготовки проб, зона подготовки реагентов, моечное помещение, буферная зона, подготовительная зона, специальный коридор, помещение для инокуляции и культивирования, помещение для исследования мокроты, помещение для исследования биологических жидкостей, идентификационное помещение, стерильное помещение, дезинфекционное помещение, помещение для флеботомии, зона крупных напольных приборов, биохимия, иммунология, гематология, клинические анализы, зона ожидания, женские/мужские раздевалки, помещение для получения воды, ИБП, холодильная камера, помещение для хранения проб, помещение молекулярной диагностики патогенов, лаборатория тканевого типирования, клеточное помещение, помещение для анализа микроэлементов, помещение для обработки проб, VIP-помещение для забора крови, зона выдачи заключений, переговорная комната, архивное помещение, офис отделения лаборатории, кабинет директора, дежурное помещение и т. д.]

Рис. 6-46 Чертеж дренажа лаборатории

[Рисунок: Аксонометрическая схема дренажной системы лаборатории с обозначениями диаметров труб, например De50/De75/De110, символами уклона и высотных отметок, ответвленными трубами/стояками, напольными трапами и ревизиями; на рисунке имеется название «Схема дренажной системы 1:100»]

Рис. 6-47 Схема дренажной системы лаборатории

1. Состав и опасность сточных вод

Сточные воды, образующиеся в лабораториях, включают излишки проб, остатки аналитических проб, просроченные маточные растворы и моющие растворы, а также большое количество промывной воды. Практически все рутинные аналитические процедуры в той или иной степени связаны с проблемой загрязнения сточных вод. Состав этих сточных вод чрезвычайно разнообразен: в него входят наиболее распространенные органические вещества, ионы тяжелых металлов и вредные микроорганизмы, а также относительно редко встречающиеся цианиды, требующие отдельной обработки; бактерии, токсины и т. д. должны подвергаться стерилизации.

При сбросе сточных вод с избыточным содержанием тяжелых металлов ниже по течению в чистые водоемы происходит загрязнение больших площадей воды; поскольку такая загрязненная тяжелыми металлами вода не отличается от обычной по цвету и запаху, при ее использовании для орошения почва и сельскохозяйственные культуры неизбежно загрязняются тяжелыми металлами. Люди, употребляющие в пищу культуры, выращенные на загрязненной тяжелыми металлами почве, легко подвергаются отравлению тяжелыми металлами.

2. Методы очистки сточных вод

Обычно выделяют физические, химические и биологические методы очистки сточных вод. Физический метод основан преимущественно на физическом воздействии для отделения взвешенных веществ из сточных вод; химический метод использует главным образом химические реакции для обработки растворенных или коллоидных веществ в сточных водах; биологический метод предназначен для удаления коллоидных и растворенных органических веществ из сточных вод. Каждый из трех базовых методов очистки имеет свои особенности и условия применения. Перед сбросом сточных вод в муниципальную канализационную сеть степень их очистки определяют в соответствии с требованиями к сбросу, с учетом самоочищающей способности принимающего водного объекта; допустимая нагрузка на водный объект — то есть допустимая концентрация веществ, сбрасываемых в него, — обычно определяется по показателям содержания вредных веществ и растворенного кислорода.

2.1 Обработка кислых сточных вод

Нейтрализация щелочными сточными водами, при которой значение pH смешанных сточных вод приближается к нейтральному; добавление нейтрализующих реагентов в кислые сточные воды; либо фильтрация кислых сточных вод через щелочной фильтрующий слой для их нейтрализации.

2.2 Обработка щелочных сточных вод

Нейтрализация кислыми сточными водами; добавление кислых нейтрализующих реагентов в щелочные сточные воды;

барботаж дымовых газов (кислых газов, таких как диоксид углерода или диоксид серы) в щелочные сточные воды; либо использование растворенного в воде диоксида углерода для нейтрализации щелочных сточных вод.

2.3 Обработка смешанных сточных жидкостей

Применяется технологическая схема «гомогенизация качества воды + нейтрализационная фильтрация — нейтрализационная коагуляция — вытеснительный внутренний электролиз — биологический адсорбер — отстойник в комплексе с резервуаром чистой воды». При очистке сточных вод для защиты системы онлайн-контроля значения pH используется технология нейтрализационной фильтрации, которая обеспечивает стабильное соответствие кислых и щелочных сточных вод нормативам сброса и позволяет снизить расход реагентов. Для иммобилизации ила применяется комбинированная насадка; на этапе дезинфекции используется современный озонатор; для сбраживания ила применяется импульсный водораспределитель, что позволяет достичь сокращения объема ила. Данная технология обеспечивает разложение сложных органических веществ и стабильную нейтрализацию действия реагентов в лабораторных сточных водах. Кроме того, она отличается низкими эксплуатационными затратами, удобством управления и широкой областью применения.

За счет рациональной компоновки оборудования площадь застройки очистной станции сведена к минимуму; при качественном ландшафтном дизайне станция рационально вписывается в инфраструктуру лабораторного центра и становится его отличительной особенностью.

2.4 Обработка специальных сточных вод

Сточные воды, содержащие радионуклиды, по периоду полураспада нуклидов подразделяют на сточные воды с долгоживущими и короткоживущими радионуклидами, которые обрабатывают раздельно. Сточные воды с долгоживущими радионуклидами при относительно высокой радиоактивной концентрации подлежат централизованному хранению; после накопления определенного объема их обрабатывают методами очистки, а небольшое количество концентрата, образующегося в процессе очистки, может быть переработано методом отверждения. Сточные воды с короткоживущими радионуклидами обрабатывают методом хранения. Обработка сточных вод, содержащих радионуклиды, должна соответствовать требованиям действующего стандарта GB 8703-88 Правила радиационной защиты. Сточные воды из лабораторий уровней биобезопасности 3 и 4 подлежат обязательной дезинфекции; после очистки они должны соответствовать Нормативам на сброс больничных сточных вод. См. рис. 6-48. [Рисунок: Схема технологического процесса очистки сточных вод. Последовательность: лабораторные сточные воды → резервуар гомогенизации качества воды → нейтрализационный фильтровальный резервуар → нейтрализационный резервуар (подключен к воздуходувке, осуществляется дозирование кислоты и щелочи) → отстойный резервуар (ил отводится в резервуар для сбраживания и сгущения ила) → резервуар внутреннего электролитического вытеснения → резервуар биологической адсорбции → дезинфекционный резервуар (озон подается озонатором) → резервуар чистой воды → сброс, соответствующий нормативным требованиям. Примечание к рисунку: отходы решетчатой очистки и ил проходят дезинфекцию, после чего вывозятся вместе с опасными отходами для обезвреживания.]

Рис. 6-48 Технологический процесс очистки сточных вод

IV. Меры предосторожности при проектировании системы водоснабжения и водоотведения

  1. Система водоснабжения и водоотведения лаборатории должна быть научно обоснованно спроектирована для гарантии отсутствия загрязнения источника воды; если источники воды для лабораторных нужд и питьевой воды различаются, водоразборные краны питьевой и лабораторной воды должны быть отдельно промаркированы во избежание путаницы.

  2. В здании лаборатории должен быть предусмотрен резервный источник водоснабжения; при недостатке или прекращении муниципального водоснабжения резервный источник обеспечивает нормальную подачу охлаждающей воды для различных приборов, воды для промывателей глаз, воды для дистилляторов и воды для конденсаторов перегонных колб.

  3. Система водоснабжения и водоотведения должна соответствовать модульной структуре лаборатории, иметь рациональную компоновку и быть удобной в техническом обслуживании; трассы трубопроводов должны быть максимально короткими, по возможности без пересечений. Трубопроводы водоснабжения и водоотведения прокладываются вдоль стен, колонн, трубных шахт, полостей лабораторных столов, внутренних панелей вытяжных шкафов и в аналогичных зонах; их запрещено размещать рядом с веществами, которые быстро разлагаются, воспламеняются, взрываются или повреждаются при контакте с водой, а также над ценными приборами и оборудованием. В обычных лабораториях допускается открытая прокладка труб; в лабораториях с повышенными требованиями к безопасности трубопроводы по возможности прокладываются скрыто, при этом все скрытые трубопроводы должны иметь ремонтные отверстия в местах установки регулирующих клапанов для обслуживания.

  4. Система водоснабжения и водоотведения должна проектироваться по гибкой схеме, с предусмотром определенного резерва мощностей для обеспечения надежности и непрерывности работы лаборатории.

Для систем с нижней разводкой (восходящая подача воды, upfeed) горизонтальный главный водопроводный трубопровод предпочтительно прокладывать над коридором первого этажа или под потолком подвального помещения; для систем с верхней разводкой (нисходящая подача воды, downfeed) горизонтальный главный трубопровод предпочтительно прокладывать в техническом трубном пространстве верхнего этажа или над коридором верхнего этажа; в незамерзающих регионах допускается его прокладка на крыше. На каждой ответвительной трубе, отходящей от главного водопровода в помещение лаборатории, должен быть установлен запорный клапан.

  1. Точки водоразбора внутри лаборатории должны быть научно обоснованно локализованы и подготовлены на этапе предварительного монтажа; точки водоразбора по возможности размещаются у стен, что упрощает организацию точек водоотведения и удовлетворяет потребности будущей реконструкции.

  2. В местах размещения полностью автоматических биохимических анализаторов, гематологических анализаторов и иммуноанализаторов в лаборатории должны быть предусмотрены специальные антизапахные напольные трапы, при этом максимальное расстояние от трапа до прибора не должно превышать 2 м.

V. Система очищенной воды

В современных лабораториях водная среда, являющаяся базовой для подавляющего большинства исследований, занимает крайне важное место. Качество воды часто определяет достоверность и воспроизводимость результатов многих экспериментов; для проведения опытов обычно требуется, чтобы концентрация примесных элементов и соединений в очищенной воде находилась на уровне ppb и даже ниже. В лабораторных научных исследованиях исходным сырьем для очистки выступает водопроводная вода; если в лаборатории уже имеется дистиллированная, деионизированная вода или вода, полученная методом обратного осмоса, то достаточно уделить внимание только процессу ультраочистки. Система лабораторной очищенной воды производит воду чрезвычайно высокой чистоты — воду, из которой почти полностью удалены проводящие среды, а недиссоциированные газы, коллоиды и органические вещества (включая бактерии) также удалены до очень низкого уровня. Ее электропроводность обычно составляет 0,1–0,055 мкСм/см, удельное сопротивление (при 25 °C) > 10×10⁶ Ом·см, а содержание солей < 0,1 мг/л; идеальная чистая вода (теоретическая) имеет электропроводность 0,055 мкСм/см и удельное сопротивление (при 25 °C) 18,3×10⁶ Ом·см. См. рис. 6-49.

[Рисунок: План снабжения лабораторной очищенной водой (чертеж в формате CAD), на котором показана планировка этажа медицинской лаборатории с видимой зоной ожидания, зоной обработки образцов, несколькими лабораториями, коридорами и лестнично-лифтовыми узлами с обоих концов; трубопроводы очищенной воды показаны цветными линиями с указанием трассировки и точек водопотребления, по периметру отмечены размеры]

Рис. 6-49 Чертеж снабжения лабораторной очищенной водой

1. Методы очистки воды и их комплексное применение

В медицинских лабораториях — таких как кабинеты биохимии, бактериологии, клеточных технологий, иммунологии и гематологии — используется очищенная вода.

Лабораторную очищенную воду можно получить следующими методами; для производства сверхчистой воды необходимо комбинировать несколько технических средств, чтобы полностью соответствовать нормативным требованиям.

1.1 Дистилляция

Дистилляция — это традиционный метод и распространенный способ получения очищенной воды из питьевой воды. По количеству перегонок ее разделяют на однократную, двукратную и трехкратную дистилляцию; чистота воды повышается с увеличением количества перегонок.

Преимущества дистилляции — простота технологии и небольшие единовременные вложения в оборудование; недостатки — относительно высокое энергопотребление, а также ограниченные показатели чистоты и производительности.

1.2 Фильтрация

При этом методе обычно сначала проводят предварительную фильтрацию для удаления из воды крупных частиц и ила, затем используют картриджи из грубой и тонкой фильтровальной ваты, и в конце применяют обратный осмос (ОО). Мембраны обратного осмоса обычно используются для фильтрации загрязнений диаметром до 1 нм; типичный процесс обратного осмоса позволяет удалить из воды 90% ионных загрязнений, большинство органических загрязнений и почти все твердые частицы. Обратный осмос имеет низкую эффективность удаления неионных загрязнений с молекулярной массой ниже 100 дальтон, при этом эффективность удаления мембраной ОО повышается с ростом молекулярной массы загрязнителя. Теоретически этот метод позволяет удалить 100% молекул с молекулярной массой более 300 дальтон и частиц, включая коллоиды и микроорганизмы; растворенные газы при этом не удаляются.

В процессе обратного осмоса исходная вода подается насосом под определенным давлением (обычно 4–15 бар, 60–220 фунт/кв.дюйм) на входную сторону мембраны ОО в режиме тангенциального потока. Мембраны ОО обычно представляют собой очень тонкие полиамидные мембраны, стабильные в широком диапазоне значений pH, но они могут повреждаться окислителями, такими как хлор, содержащийся в муниципальной водопроводной воде. Микропористые глубинные фильтры и фильтрующие колонки с активированным углем, используемые для предварительной обработки исходной воды, обычно защищают мембрану ОО от крупных частиц, тяжелых металлов и свободного хлора. Как правило, 15–25% исходной воды превращается в пермеат; концентрат, задерживаемый на входной стороне, содержит большинство солей, органических веществ и почти все частицы. Объемное соотношение пермеата и исходной воды называется коэффициентом извлечения.

Эффективность работы мембран ОО в системах очистки воды обычно контролируют путем измерения коэффициента задержки ионов, который представляет собой выраженное в процентах отношение разницы электропроводности исходной воды и пермеата к электропроводности исходной воды. Коэффициент задержки ионов и коэффициент извлечения зависят от качества исходной воды, давления подачи, температуры воды и состояния мембраны ОО. Благодаря высокой эффективности очистки обратный осмос относится к очень действенным технологиям удаления подавляющего большинства примесей. Однако скорость образования пермеата при его использовании относительно низкая, поэтому установки обратного осмоса обычно комплектуют накопительным баком для хранения очищенной воды, предназначенной для использования или дальнейшей доочистки. Установка обратного осмоса защищает последующие технологические системы от зарастания и загрязнения коллоидами и органическими веществами; последующие системы обычно оснащаются ионообменными аппаратами или устройствами электродеионизации. Чтобы понять принцип опреснения воды методом обратного осмоса, сначала необходимо разобраться в явлении «осмоса». Осмос — это физическое явление: при разделении двух объемов воды с разной концентрацией солей полупроницаемой мембраной молекулы воды со стороны с меньшим солесодержанием проходят через мембрану в объем с большим солесодержанием, при этом сами соли через мембрану не проникают; таким образом концентрация солей по обе стороны мембраны постепенно выравнивается.

(1) Предфильтрация. Фильтрация с применением материалов с размером пор более 5–8 мкм называется предфильтрацией; она в основном используется на входе в водоочистные приборы для удаления крупнодисперсных частиц из водопроводной воды.

(2) Ультрафильтрация (УФ). Непрерывная фильтрация с пределом отсечения по молекулярной массе 5000 дальтон называется ультрафильтрацией. Она преимущественно применяется для очистки биологических макромолекул или удаления примесей. В приборах для получения сверхчистой воды ультрафильтрация в основном используется для удаления из сверхчистой воды таких биологических макромолекул, как нуклеазы и эндотоксины, за счет чего обеспечивается соответствие сверхчистой воды строгим требованиям биологических экспериментов.

(3) Микрофильтрация (МФ). Фильтрация с применением материалов с размером пор от 0,1 мкм до 5 или 8 мкм называется микрофильтрацией. Она предназначена для удаления частиц и микроорганизмов из очищенной воды; по месту установки различают встроенные в поточный тракт линейные микрофильтры и микрофильтры точки использования, монтируемые на выходе.

1.3 Адсорбция

Метод адсорбции основан на использовании высокой пористости активированного угля, который адсорбирует и удаляет из воды часть микроорганизмов, свободный хлор и другие примеси.

1.4 Фотоокисление

Фотоокисление подразумевает использование ультрафиолетового излучения с длиной волны 185 нм и/или 254 нм для уничтожения и окислительного разложения микроорганизмов в воде, что позволяет контролировать уровень общего органического углерода (ООУ, TOC) в сверхчистой воде.

1.5 Ионообмен

По мере непрерывного развития промышленного производства ионообменные смолы также проходят модернизацию; в сочетании с рядом других технических решений на их основе была разработана электродеионизация — метод ионообмена с возможностью регенерации в режиме онлайн.

1.5.1 Классический ионообмен (SDI)

Как правило, катионообменные и анионообменные смолы размещаются в отдельных емкостях; после определенного срока эксплуатации они практически полностью насыщаются, после чего подлежат регенерации вне технологической линии. Удельное электрическое сопротивление деионизированной воды, получаемой этим методом, составляет около 1 МОм·см.

1.5.2 Ионообмен с применением смол ядерного класса

Это на сегодняшний день наиболее эффективный тип ионообменных смол; вода, очищенная с их помощью, имеет удельное сопротивление 18,2 МОм·см и соответствует сверхчистой воде I класса. В приборах для получения сверхчистой воды катионо- и анионообменные смолы ядерного класса смешивают и загружают в одну емкость для однократного применения; такие смолы являются одноразовыми и не подлежат регенерации.

1.5.3 Электродеионизация (ЭДИ, EDI)

Это метод ионообмена, сочетающий сам ионообмен, использование ионоселективных мембран и непрерывную регенерацию смол под действием электрического поля. Электродеионизация является модернизированной версией традиционного ионообмена. Главное преимущество этой технологии заключается в том, что теоретически она не предполагает использования расходных материалов; однако ее недостатками являются большие единовременные инвестиции, а также высокие требования модуля EDI к концентрации ионов тяжелых металлов и аналогичных примесей в питательной воде — в противном случае модуль легко отравляется, а в условиях электрического поля активная ионообменная смола не поддается регенерации, поэтому модуль EDI приходится заменять. Истинная ценность EDI раскрывается на таких предприятиях, как фармацевтические заводы с жесткими требованиями к сертификации, где технология позволяет гарантировать непрерывность производства. В лабораторной практике использование модуля EDI для получения воды повышает закупочные затраты и не является наиболее рациональным выбором. При ионном обмене чем длиннее путь воды через слой ионообменной смолы, тем выше эффективность обмена.

(1) При использовании ионного обмена технологический процесс выглядит следующим образом: исходная вода → повысительный насос исходной воды → мультимедийный фильтр → фильтр с активированным углем → умягчитель воды → прецизионный фильтр → фильтрация на катионообменной смоле → фильтрация на анионообменной смоле → смешанный слой катионо- и анионообменной смолы → микропористый фильтр → точка водоразбора (или накопительный бак)

(2) При использовании двухступенчатого обратного осмоса технологический процесс выглядит следующим образом: исходная вода → повысительный насос исходной воды → мультимедийный фильтр → фильтр с активированным углем → умягчитель воды → прецизионный фильтр → обратный осмос первой ступени → корректировка pH → промежуточный бак → обратный осмос второй ступени → бак очищенной воды → насос очищенной воды → микропористый фильтр → точка водоразбора

(3) При использовании EDI технологический процесс выглядит следующим образом: исходная вода оборудования для сверхчистой воды → повысительный насос исходной воды → мультимедийный фильтр → фильтр с активированным углем → умягчитель воды → прецизионный фильтр → установка обратного осмоса первой ступени → промежуточный бак → промежуточный насос → система EDI → микропористый фильтр → точка водоразбора

(4) Исходная вода → мультимедийный фильтр → фильтр с активированным углем → умягчитель воды → промежуточный бак → насос низкого давления → корректировка pH → высокоэффективный смеситель → прецизионный фильтр → высокоэффективный обратный осмос → промежуточный бак → насос EDI → система EDI → микропористый фильтр → точка водоразбора

1.6 Комбинированное применение технологий очистки

Поставщики решений для получения лабораторной очищенной или сверхчистой воды часто комбинируют несколько методов, чтобы преобразовать водопроводную воду в высокочистую воду, требуемую для лабораторных работ.

2. Классификация лабораторной очищенной воды

Лабораторная очищенная вода подразделяется на три общепринятых класса: очищенная вода, лабораторная очищенная вода II класса и лабораторная очищенная вода III класса.

2.1 Очищенная вода III класса обычно имеет показатель физической чистоты менее 50 мкСм/см; к этому классу относятся однократно дистиллированная вода, дважды дистиллированная вода, обычная деионизированная вода и вода после обратного осмоса, которые обычно получают путем очистки водопроводной воды. Основные направления использования очищенной воды III класса — мойка стеклянной лабораторной посуды, питательная вода для автоклавов, вода для создания искусственных сред и питательная вода для приборов получения сверхчистой воды.

2.2 Очищенная вода II класса обычно характеризуется удельным сопротивлением 5–15 МОм·см, хотя диапазон 1–17 МОм·см также может соответствовать требованиям к очищенной воде II класса; очищенная вода II класса обычно получается путем дополнительной обработки очищенной воды III класса методом ионного обмена или электродеионизации. Она в основном используется для приготовления стандартных реагентов, получения воды для обычных химических экспериментов и в качестве питательной воды для приборов получения сверхчистой воды.

2.3 Сверхчистая вода I класса — это вода с показателем физической чистоты более 18 МОм·см; удельное сопротивление 18,2 МОм·см является нормативным показателем сверхчистой воды I класса. Сверхчистая вода I класса получается путем дополнительной очистки очищенной воды III или II класса с применением ядерной ионообменной смолы и в основном используется для высокоточных аналитических экспериментов и исследований в области наук о жизни, предъявляющих очень высокие требования к чистоте воды.

3. Режимы подачи лабораторной очищенной воды

Существует два режима подачи лабораторной очищенной воды: центральный режим подачи и децентрализованный режим подачи.

3.1 Центральный режим подачи очищенной воды

Централизованный режим подачи очищенной воды означает, что оборудование для производства очищенной воды устанавливается централизованно, а лабораторная вода доставляется по подводящим трубопроводам к точкам водопотребления каждой лаборатории — будь то отдельная лаборатория или целое лабораторное здание — благодаря чему лабораторная очищенная или сверхчистая вода получается непосредственно из крана очищенной воды в каждой точке потребления.

Преимущества централизованного режима подачи очищенной воды:

(1) Низкие эксплуатационные расходы и централизованное управление.

(2) Коллективное использование, отсутствует возможность простоя оборудования.

(3) Большая производительность; водопотребление организовано по сети, в одной лаборатории имеется несколько точек отбора воды.

Недостаток централизованного режима подачи очищенной воды: система должна гарантировать долгосрочную безопасную эксплуатацию, в противном случае существует риск перебоев с подачей воды.

3.2 Децентрализованный режим подачи очищенной воды

Децентрализованный режим подачи очищенной воды означает, что в каждой точке водопотребления в лаборатории предоставляется водоочистная машина или готовая очищенная вода.

Преимущества децентрализованной подачи очищенной воды: каждый прибор имеет собственное право на использование и высокий коэффициент использования.

Недостатки децентрализованной подачи очищенной воды:

(1) Высокие эксплуатационные расходы, рассредоточенное управление и относительно высокие затраты на потребление.

(2) Установка в фиксированных точках в напольном или настольном исполнении, отбор воды в фиксированных точках, малая производительность и расход машины, низкая эффективность работы.

(3) Если каждая экспериментальная группа закупает оборудование отдельно, общие инвестиции владельца в такую продукцию очень высоки, а коэффициент простоя может вырасти из-за разной рабочей загруженности каждой группы, что неблагоприятно для максимизации эффективности инвестиций.

(4) Качество воды различается.

С развитием лабораторного оборудования сетевая и централизованная подача лабораторной воды стала тенденцией для очищенной [воды в крупных лабораторных зданиях]