Hệ thống cấp và thoát nước phòng thí nghiệm là hệ thống được thiết kế đặc biệt dựa trên hệ thống cấp và thoát nước của tòa nhà, có đặc điểm là thiết kế phi tiêu chuẩn và nhiều cách bố trí linh hoạt.

Việc thiết kế hệ thống cấp và thoát nước phòng thí nghiệm được hoàn thành trước khi thiết kế kỹ thuật kiến trúc. Đây là sản phẩm tích hợp cùng với công trình xây dựng và hệ thống cấp và thoát nước của tòa nhà; do đó, thiết kế phải được các chuyên gia xác định theo yêu cầu cấp và thoát nước của các bàn thí nghiệm được lắp đặt trong phòng thí nghiệm, sau đó mới tiến hành thiết kế bố trí cấp và thoát nước tổng thể của dự án.

I. Hệ thống cấp nước

Là cơ sở quan trọng của nghiên cứu khoa học, an toàn và vệ sinh phòng thí nghiệm có tầm quan trọng sống còn. Điều này đặc biệt đúng đối với các phòng thí nghiệm đặc biệt, chẳng hạn như phòng thí nghiệm nghiên cứu virus lây nhiễm y tế và phòng thí nghiệm sinh học, mức độ an toàn của chúng càng quan trọng hơn, và vai trò của hệ thống cấp và thoát nước – một bộ phận không thể thiếu trong quá trình thí nghiệm – không thể bị đánh giá thấp. Hệ thống cấp nước phòng thí nghiệm bao gồm hệ thống nước quy trình phòng thí nghiệm, hệ thống nước sinh hoạt và hệ thống nước chữa cháy. Nước quy trình phòng thí nghiệm được chia thành nước phòng thí nghiệm thông thường và nước tinh khiết phòng thí nghiệm; hệ thống nước tinh khiết phòng thí nghiệm là một hệ thống cấp nước độc lập. Hệ thống nước sinh hoạt và hệ thống nước chữa cháy phù hợp với hệ thống cấp nước của các tòa nhà thông thường và thường có thể kết hợp với hệ thống nước phòng thí nghiệm thông thường thành một hệ thống duy nhất.

Các phòng thí nghiệm khác nhau có yêu cầu khác nhau đối với nước phòng thí nghiệm; chất lượng nước làm mát tuần hoàn cho thiết bị thí nghiệm phải đáp ứng các yêu cầu chất lượng nước khác nhau của từng loại thiết bị. Các phòng thí nghiệm tiến hành thí nghiệm với axit mạnh, kiềm mạnh hoặc chất lỏng độc tính cao có khả năng bắn tung tóe hoặc nổ phải được trang bị thiết bị tắm khẩn cấp ở gần đó; khi cột nước thải ra từ thiết bị rửa mắt khẩn cấp vượt quá 1 m, phải áp dụng các biện pháp giảm áp; vòi nước trong phòng thí nghiệm loại II phải sử dụng công tắc điều khiển bằng chân, bằng khuỷu tay hoặc bằng cảm ứng. Họng nước chữa cháy trong nhà phải được đặt tại khu vực sạch; điểm vào đường ống của hệ thống cấp nước thường nên đặt tại khu vực sạch, sử dụng mạng lưới cấp nước từ trên xuống (upfeed).

Hệ thống nước chữa cháy trong nhà bao gồm hệ thống chữa cháy thông thường, hệ thống cấp nước phun nước tự động chữa cháy và hệ thống cấp nước màn nước. Các tòa nhà như tòa nhà phòng thí nghiệm và nhà kho phải có hệ thống cấp nước chữa cháy ngoài trời khi cần thiết, bao gồm đường ống nước chữa cháy ngoài trời, họng nước chữa cháy ngoài trời, bơm chữa cháy, v.v. Xem Hình 6-44 và 6-45.

II. Phương pháp cấp nước

Một phòng thí nghiệm thông thường thường chỉ cần một ống cấp nước dịch vụ; tuy nhiên, nếu thiết bị của một tòa nhà phòng thí nghiệm lớn yêu cầu cấp nước an toàn, cần phải lắp đặt hai ống cấp nước dịch vụ. Một ống cấp nước dịch vụ đơn thường đi vào tòa nhà phòng thí nghiệm từ vị trí giữa tòa nhà, để áp suất nước cân bằng hơn. Với hai ống cấp nước dịch vụ, chúng thường đi vào từ các phía khác nhau của tòa nhà phòng thí nghiệm. Nếu trong trường hợp đặc biệt, chúng chỉ có thể đi vào từ cùng một phía, phải duy trì khoảng cách lớn giữa các ống cấp nước dịch vụ — không dưới 10 m — và phải lắp đặt van trên mạng lưới cấp nước kết nối hai ống này, để vẫn có thể duy trì cấp nước an toàn trong trường hợp xảy ra sự cố cục bộ. Các ống cấp nước dịch vụ nên được dẫn vào từ vị trí có mức tiêu thụ nước lớn hơn. Ngoài ra, hệ thống đường ống cấp nước bên trong phòng thí nghiệm cần được bố trí hợp lý để thuận tiện cho việc bảo trì đường ống. Đường đi của ống bên trong nên ngắn nhất có thể và tránh giao nhau, giúp việc cấp nước an toàn và đáng tin cậy hơn. Hệ thống đường ống trong các phòng thí nghiệm thông thường thường đi lộ thiên dọc theo hành lang,

[Hình: Hình 6-44 “Bản vẽ cấp nước phòng thí nghiệm” — sơ đồ bố trí điểm/mặt bằng cấp nước phòng thí nghiệm (tỷ lệ khoảng 1:100), bao gồm đường viền mặt bằng tòa nhà, vách ngăn phòng, điểm sử dụng nước, lộ trình đường ống cấp nước, đường kích thước và số trục.]

Hình 6-44 Bản vẽ cấp nước phòng thí nghiệm

[Hình: Hình 6-45 “Sơ đồ hệ thống cấp nước phòng thí nghiệm” — bao gồm “Sơ đồ hệ thống cấp nước tỷ lệ 1:100” (sơ đồ trục đo) và “Sơ đồ hệ thống sản xuất nước tỷ lệ 1:100”, thể hiện các ống đứng cấp nước/sản xuất nước, ống chính, ống nhánh, van, kết nối tại các điểm sử dụng nước, lộ trình đường ống và mối quan hệ độ cao.]

Hình 6-45 Sơ đồ hệ thống cấp nước phòng thí nghiệm

tường, trần nhà hoặc góc cột dưới dạng đường đi lộ thiên, cách này thuận tiện cho việc quan sát nhưng dễ tích tụ bụi bẩn. Do đó, tại các phòng thí nghiệm có yêu cầu an toàn tương đối cao, thường ưu tiên lắp đặt kín, với đường ống được đặt trong giếng ống, trần nhà, rãnh ống hoặc hành lang ống chung. Cần lưu ý rằng tất cả các đường ống lắp kín phải có cửa tiếp cận tại vị trí các van điều khiển để thuận tiện cho việc sửa chữa sự cố. Các đường ống cấp nước sinh hoạt thường được đặt trong khu vực sạch. Đối với đầu vào đường ống của hệ thống cấp nước phòng thí nghiệm phóng xạ, mạng lưới cấp nước thường áp dụng bố trí từ trên xuống (cấp nước lên). Khi đường ống đi từ khu vực sạch đến các thiết bị trong khu vực bị ô nhiễm — chẳng hạn như hộp găng tay, tủ hút khí độc và vòi hoa sen — có thể xảy ra ô nhiễm; do đó, chúng cần được cấp nước qua bể ngắt cục bộ. Dung tích và chiều cao của bể ngắt cần phù hợp, và cần bổ sung thiết bị tăng áp nếu cần thiết. Một cách khác, tại điểm giao nhau giữa các khu vực có mức độ bức xạ khác nhau, có thể lắp đặt van cách ly ở mỗi đầu đường ống cùng với một nhánh ống kết nối giữa chúng; khi đường ống không hoạt động, các van cách ly được đóng lại và van xả được mở để làm cạn nước còn sót lại. Đối với các phòng thí nghiệm hóa phóng xạ nhỏ, có thể lắp đặt van một chiều trên đường ống trước khi đi vào khu vực bị ô nhiễm để ngăn ngừa ô nhiễm. Hệ thống cấp nước phòng thí nghiệm phải đảm bảo áp suất, chất lượng nước và lưu lượng nước cần thiết. Đối với các tòa nhà phòng thí nghiệm cao tầng lớn, khi mạng lưới bên ngoài không thể đáp ứng yêu cầu nước của các phòng thí nghiệm ở tầng trên, hoặc khi áp suất mạng lưới bên ngoài không đủ theo chu kỳ — đặc biệt là để đảm bảo cấp nước an toàn cho phòng thí nghiệm — phải trang bị thiết bị tăng áp cục bộ hoặc bể nước mái và máy bơm dành riêng cho các phòng thí nghiệm ở tầng trên; vòi hoa sen tắm khẩn cấp và thiết bị rửa mắt khẩn cấp phải được lắp đặt, với lưu lượng nước đủ lớn và van mở nhanh. Các phương pháp cấp nước phổ biến như sau:

  1. Cấp nước trực tiếp. Khi phòng thí nghiệm có ít tầng, áp lực và lưu lượng nước đủ dùng, thông thường có thể áp dụng phương pháp cấp trực tiếp; với phương pháp này không cần lắp bơm tăng áp trong nhà và hệ thống thường được kết nối với mạng lưới cấp nước bên ngoài.

  2. Cấp nước bằng bể nước trên cao. Phương pháp này có thể sử dụng khi vào giờ cao điểm tiêu thụ nước, áp lực trong mạng lưới bên ngoài giảm khiến không thể đáp ứng nhu cầu nước của các tầng trên, hoặc khi áp lực mạng lưới bên ngoài thiếu hụt định kỳ.

  3. Cấp nước bằng bơm tăng áp. Phương pháp này có thể áp dụng khi áp lực của mạng lưới bên ngoài thấp hơn áp lực cần thiết cho nước phục vụ phòng thí nghiệm, nước sinh hoạt và nước chữa cháy.

Yêu cầu về cơ sở vật chất cấp và thoát nước đối với các cấp độ phòng thí nghiệm khác nhau:

  1. BSL-1: Mỗi phòng thí nghiệm phải có bồn rửa tay gần lối ra.

  2. BSL-2: Mỗi phòng thí nghiệm phải có bồn rửa tay gần lối ra; phải trang bị thiết bị rửa mắt, thiết bị tắm khẩn cấp, v.v.

  3. BSL-3: Phải trang bị cơ sở rửa tay tại lối ra của vùng bán ô nhiễm và vùng ô nhiễm; hệ thống cấp nước phải lắp thiết bị ngăn chặn dòng chảy ngược và sử dụng van cấp nước không thao tác bằng tay (không chạm tay). Phải bố trí cơ sở tắm trong vùng sạch; khi cần thiết phải lắp thiết bị tắm khử trùng khẩn cấp tại vùng bán ô nhiễm. Không được lắp cống sàn bên trong phòng thí nghiệm chính; hệ thống thoát nước của vùng bán ô nhiễm và vùng ô nhiễm phải được cách ly hoàn toàn với các hệ thống thoát nước khác, được thu gom qua đường ống chuyên dụng vào thiết bị độc lập, sau đó tiến hành khử trùng và tiệt trùng.

III. Hệ thống thoát nước

Hệ thống thoát nước phòng thí nghiệm được cấu hình dựa trên thành phần, tính chất, lưu lượng và kiểu thải của nước thải phát sinh từ phòng thí nghiệm. Nước làm mát thải ra từ thiết bị phòng thí nghiệm hoặc các loại nước thải khác chỉ chứa chất lơ lửng hay chất keo vô hại không cần xử lý, có thể thải trực tiếp vào mạng lưới thoát nước bên ngoài. Nước thải chứa nhiều thành phần hoặc các chất độc hại, nguy hiểm có khả năng tương tác lẫn nhau, làm hỏng đường ống hoặc gây tai nạn phải được tách riêng khỏi nước thải sinh hoạt và dẫn qua đường ống chuyên dụng đến bể khử trùng để khử trùng tập trung. Đối với dung dịch thải dung môi tương đối tinh khiết hoặc thuốc thử độc, nên ưu tiên xử lý trước khi thải; nước thải cần tái sử dụng phải được xử lý phù hợp. Loại nước thải này được xử lý như chất thải y tế hóa học và tuyệt đối không được thải trực tiếp vào trạm xử lý nước thải. Bố cục đường ống thoát nước cũng cần hợp lý, hạn chế tối đa số khúc cua để Ngăn ngừa tắc nghẽn do tạp chất, và việc bố trí nên tương đối tập trung để thuận tiện cho việc bảo trì sau khi xảy ra sự cố. Ống thoát nước nên chạy dọc theo hành lang, góc cột, tường, trần nhà, v.v., nhưng cần lưu ý tránh đi qua các phòng thí nghiệm có yêu cầu an toàn cao, chẳng hạn như phòng dụng cụ chính xác. Ống chính nên được bố trí càng gần thiết bị có lưu lượng thoát nước lớn càng tốt. Các phòng thí nghiệm nhỏ có lưu lượng nước thải nhỏ có thể sử dụng hệ thống thoát nước đơn. Tuy nhiên, đối với trường hợp lưu lượng nước thải nhỏ nhưng nồng độ cao, có thể thu gom vào các thùng chứa chuyên dụng và chuyển đến khu vực lưu trữ nước thải hoặc xử lý tương ứng. Nước thải phóng xạ thải ra cần được xử lý đặc biệt: sau khi đồng vị phân rã, nó được xử lý như nước thải y tế; không được đi qua khu vực sạch và phải thoát nước từ khu vực sạch về phía khu vực bị ô nhiễm để tránh lây lan ô nhiễm. Nếu mức độ bức xạ cao, phải cung cấp các rãnh thoát nước, giếng và kênh ống chuyên dụng, cùng với các biện pháp bảo vệ cần thiết. Nếu nước thải phóng xạ có tính ăn mòn, phải chọn vật liệu chống ăn mòn phù hợp cho ống để tránh ăn mòn và rò rỉ. Thông thường, rãnh ống có thể được xây bằng gạch; ở những nơi cần bảo vệ hoặc mực nước ngầm cao, phải sử dụng bê tông. Lớp lót rãnh sử dụng vữa xi măng, thép carbon hoặc bề mặt thép không gỉ, sơn bằng sơn chống gỉ. Xem Hình 6-46 và 6-47.

[Hình: Bản kế hoạch thoát nước sàn phòng thí nghiệm (bản vẽ màu CAD), thể hiện cách bố trí và các điểm thoát nước của các phòng chức năng của khoa xét nghiệm lâm sàng; nhãn phòng bao gồm: phòng máy không khí tươi, phòng lưu trữ, khu vực phòng thí nghiệm miễn dịch HIV, khu vực phân tích sản phẩm, khu vực khuếch đại, khu vực chuẩn bị mẫu, khu vực chuẩn bị thuốc thử, phòng giặt, khu vực đệm, khu vực chuẩn bị, hành lang chuyên dụng, phòng cấy và nuôi cấy, phòng xét nghiệm đờm, phòng dịch thể, phòng định danh, phòng vô trùng, phòng khử trùng, phòng lấy máu tĩnh mạch, khu vực dụng cụ đứng sàn lớn, sinh hóa, miễn dịch, huyết học, xét nghiệm lâm sàng, khu vực chờ, phòng thay đồ nữ/nam, phòng sản xuất nước, UPS, kho lạnh, phòng lưu trữ mẫu, phòng chẩn đoán phân tử tác nhân gây bệnh, phòng thí nghiệm phân loại mô, phòng tế bào, nguyên tố vi lượng, phòng xử lý mẫu, phòng lấy máu VIP, khu vực cấp báo cáo, phòng họp, phòng lưu trữ hồ sơ, văn phòng khoa xét nghiệm, văn phòng giám đốc, phòng trực, v.v.]

Hình 6-46 Bản vẽ thoát nước phòng thí nghiệm

[Hình: Sơ đồ trục đo của hệ thống thoát nước phòng thí nghiệm, có nhãn đường kính ống như De50/De75/De110, ký hiệu độ dốc và độ cao, ống nhánh/ống đứng, cống sàn và lỗ làm sạch; có tiêu đề “Sơ đồ hệ thống thoát nước 1:100” trong hình]

Hình 6-47 Sơ đồ hệ thống thoát nước phòng thí nghiệm

1. Thành phần và nguy hại của nước thải

Nước thải do các phòng thí nghiệm tạo ra bao gồm mẫu dư thừa, cặn mẫu phân tích, dung dịch gốc và dung dịch rửa hết hạn, và một lượng lớn nước rửa. Hầu hết tất cả các hạng mục phân tích định kỳ đều có vấn đề ô nhiễm nước thải ở các mức độ khác nhau. Thành phần của nước thải này rất đa dạng, bao gồm chất hữu cơ phổ biến nhất, ion kim loại nặng và vi sinh vật có hại, cũng như xyanua tương đối hiếm hơn cần xử lý riêng; vi khuẩn, độc tố, v.v. phải được khử trùng.

Một khi nước thải chứa kim loại nặng vượt mức được thải hạ lưu vào nước sạch, nó sẽ làm ô nhiễm một khu vực nước lớn; vì nước bị ô nhiễm kim loại nặng như vậy không thể phân biệt được với nước bình thường về màu sắc và mùi, một khi được sử dụng để tưới tiêu, đất và cây trồng chắc chắn sẽ bị ô nhiễm kim loại nặng. Người ăn các loại cây trồng được trồng trên đất bị ô nhiễm kim loại nặng dễ bị ngộ độc kim loại nặng.

2. Phương pháp xử lý nước thải

Nhìn chung có các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học. Phương pháp vật lý chủ yếu sử dụng tác động vật lý để tách các chất lơ lửng khỏi nước thải; phương pháp hóa học chủ yếu sử dụng phản ứng hóa học để xử lý các chất hòa tan hoặc dạng keo trong nước thải; phương pháp sinh học loại bỏ các chất hữu cơ dạng keo và hòa tan khỏi nước thải. Mỗi phương pháp xử lý cơ bản trong ba phương pháp trên đều có đặc điểm và điều kiện áp dụng riêng. Trước khi nước thải được xả vào mạng lưới cống thoát nước đô thị, mức độ xử lý phải được xác định theo yêu cầu xả thải, đồng thời cân nhắc khả năng tự thanh lọc của nguồn nước tiếp nhận; tải trọng cho phép của nguồn nước — tức là nồng độ cho phép được xả vào nguồn nước — thường được xác định dựa trên chỉ số các chất có hại và oxy hòa tan.

2.1 Xử lý nước thải axit

Trung hòa bằng nước thải kiềm để độ pH của hỗn hợp nước thải tiến gần mức trung tính; thêm chất trung hòa vào nước thải axit; hoặc lọc nước thải axit qua lớp lọc kiềm để thực hiện quá trình trung hòa.

2.2 Xử lý nước thải kiềm

Trung hòa bằng nước thải axit; thêm chất trung hòa axit vào nước thải kiềm; sục khí thải ống khói (các khí axit như cacbonic hoặc lưu huỳnh đioxit) vào nước thải kiềm; hoặc sử dụng cacbonic hòa tan trong nước để trung hòa nước thải kiềm.

2.3 Xử lý dung dịch thải hỗn hợp

Quy trình “đồng nhất hóa chất lượng nước + lọc trung hòa — keo tụ trung hòa — điện phân nội thế chỗ — bể hấp phụ sinh học — bể lắng kết hợp bể nước sạch” được áp dụng. Trong xử lý nước thải, để bảo vệ hệ thống kiểm soát pH trực tuyến, công nghệ lọc trung hòa được sử dụng nhằm đảm bảo nước thải axit và kiềm đạt tiêu chuẩn xả thải một cách ổn định, đồng thời tiết kiệm lượng tiêu thụ thuốc thử. Vật liệu lấp đầy kết hợp được sử dụng để cố định bùn; bước khử trùng sử dụng máy tạo ozone tiên tiến; quá trình tiêu hóa bùn sử dụng bộ phân phối nước xung để đạt được mục tiêu giảm thiểu lượng bùn. Quy trình này có thể phân hủy các chất hữu cơ phức tạp và xử lý ổn định tác động của các thuốc thử trong nước thải phòng thí nghiệm. Hơn nữa, quy trình có chi phí vận hành thấp, quản lý thuận tiện và phạm vi áp dụng rộng.

Thông qua bố trí hợp lý, diện tích chiếm đất được giảm thiểu tối đa; với thiết kế cảnh quan tốt, trạm xử lý nước thải được quy hoạch hợp lý để trở thành một điểm nhấn trong trung tâm phòng thí nghiệm.

2.4 Xử lý nước thải đặc biệt

Nước thải chứa hạt nhân phóng xạ phải được phân loại theo chu kỳ bán rã của nuclit thành nước thải hạt nhân phóng xạ tồn tại dài hạn và tồn tại ngắn hạn, sau đó xử lý riêng biệt. Đối với nước thải chứa hạt nhân phóng xạ tồn tại dài hạn có nồng độ phóng xạ tương đối cao, nước thải phải được lưu trữ tập trung; sau khi tích lũy được một lượng nhất định, sẽ được xử lý bằng phương pháp thanh lọc, và một lượng nhỏ chất cô đặc sinh ra trong quá trình thanh lọc có thể được xử lý bằng phương pháp cố định hóa. Nước thải hạt nhân phóng xạ tồn tại ngắn hạn phải được xử lý bằng phương pháp lưu trữ. Việc xử lý nước thải chứa hạt nhân phóng xạ phải tuân thủ tiêu chuẩn GB 8703-88 Quy định về bảo vệ bức xạ hiện hành. Nước thải từ các phòng thí nghiệm an toàn sinh học cấp 4 và cấp 3 phải được khử trùng; sau khi xử lý, nước thải phải tuân thủ Tiêu chuẩn xả thải nước thải bệnh viện. Xem Hình 6-48. [Hình: Sơ đồ quy trình xử lý nước thải. Trình tự là: nước thải phòng thí nghiệm → bể đồng nhất chất lượng nước → bể lọc trung hòa → bể trung hòa (kết nối với quạt thổi, bổ sung axit và kiềm) → bể lắng (bùn được xả vào bể phân hủy và cô đặc bùn) → bể chuyển dịch điện phân nội bộ → bể hấp thụ sinh học → bể khử trùng (ozon được cung cấp bởi máy tạo ozon) → bể nước sạch → xả thải đạt tiêu chuẩn. Ghi chú trong hình: chất rắn sàng lọc và bùn được khử trùng sau đó được vận chuyển ra ngoài cùng với chất thải nguy hại để xử lý vô hại.]

Hình 6-48 Quy trình xử lý nước thải

IV. Lưu ý khi thiết kế hệ thống cấp và thoát nước

  1. Hệ thống cấp và thoát nước của phòng thí nghiệm phải được thiết kế khoa học để đảm bảo nguồn nước không bị ô nhiễm; nếu nguồn nước dùng cho phòng thí nghiệm và nguồn nước uống khác nhau, vòi nước uống và vòi nước phòng thí nghiệm phải được dán nhãn riêng biệt để tránh nhầm lẫn.

  2. Tòa nhà phòng thí nghiệm phải có nguồn nước dự phòng; khi nguồn cấp nước đô thị không đủ hoặc bị gián đoạn, nguồn dự phòng có thể đảm bảo cung cấp bình thường nước làm mát cho các thiết bị, nước cho thiết bị rửa mắt, nước cho thiết bị chưng cất và nước cho ống ngưng tụ bình chưng cất.

  3. Hệ thống cấp và thoát nước phải phù hợp với các mô-đun phòng thí nghiệm, được bố trí hợp lý và dễ bảo trì; đường ống phải càng ngắn càng tốt và tránh giao nhau. Ống cấp và thoát nước phải được đi dọc theo tường, cột, giếng ống, khoang bàn thí nghiệm, tấm lót tủ hút khí độc và các vị trí tương tự; không được đi ống cạnh các vật chất dễ phân hủy nhanh, dễ cháy, dễ nổ hoặc bị hỏng khi tiếp xúc với nước, cũng không được đi phía trên các thiết bị và dụng cụ có giá trị. Ống ở các phòng thí nghiệm thông thường có thể lắp đặt lộ thiên; ở các phòng thí nghiệm có yêu cầu an toàn cao hơn nên che giấu ống càng nhiều càng tốt, và tất cả các ống được che giấu phải có cửa tiếp cận tại van điều khiển để phục vụ bảo trì.

  4. Hệ thống cấp và thoát nước phải được thiết kế linh hoạt, dự trữ một số cơ sở vật chất để đảm bảo độ tin cậy và hoạt động liên tục của phòng thí nghiệm.

Đối với hệ thống cấp nước từ trên xuống (cấp nước hướng lên), ống chính cấp nước ngang tốt nhất nên được lắp đặt phía trên hành lang tầng trệt hoặc trên trần tầng hầm; đối với hệ thống cấp nước từ dưới lên (cấp nước hướng xuống), ống chính ngang tốt nhất nên được lắp đặt trong không gian dịch vụ đường ống của tầng cao nhất hoặc phía trên hành lang tầng cao nhất; ở các khu vực không có đóng băng có thể lắp đặt ống trên mái nhà. Mỗi ống nhánh dẫn từ ống chính cấp vào phòng thí nghiệm phải được lắp đặt van.

  1. Vị trí các điểm sử dụng nước bên trong phòng thí nghiệm phải được xác định vị trí khoa học và lắp đặt trước; các điểm sử dụng nước nên được đặt sát tường càng nhiều càng tốt, thuận tiện cho việc bố trí điểm thoát nước và đáp ứng nhu cầu cải tạo trong tương lai.

  2. Tại các vị trí đặt máy phân tích sinh hóa tự động hoàn toàn, máy phân tích huyết học và máy phân tích xét nghiệm miễn dịch trong phòng thí nghiệm, phải trang bị cống sàn chống mùi chuyên dụng, khoảng cách tối đa giữa cống sàn và thiết bị không vượt quá 2 m.

V. Hệ thống nước tinh khiết

Trong các phòng thí nghiệm ngày nay, môi trường nước — môi trường cơ bản nhất của phần lớn các phòng thí nghiệm — giữ vị trí rất quan trọng. Chất lượng nước thường quyết định tính xác thực và khả năng tái lập của nhiều kết quả thí nghiệm; đối với các thí nghiệm, nồng độ các nguyên tố và hợp chất tạp chất trong nước tinh khiết thường được yêu cầu ở mức ppb thậm chí thấp hơn. Trong nghiên cứu khoa học tại phòng thí nghiệm, điểm bắt đầu của quá trình tinh chế là nước máy; nếu phòng thí nghiệm đã có nước cất, nước khử ion hoặc nước thẩm thấu ngược, thì chỉ cần chú ý đến quy trình siêu tinh chế. Hệ thống nước tinh khiết phòng thí nghiệm tạo ra nước có độ tinh khiết cực cao — loại nước mà các môi trường dẫn điện đã được loại bỏ gần như hoàn toàn, đồng thời các khí không phân ly, chất keo và chất hữu cơ (bao gồm cả vi khuẩn) cũng được loại bỏ xuống mức rất thấp. Độ dẫn điện của nó thường nằm trong khoảng 0,1–0,055 μS/cm, điện trở suất (ở 25°C) > 10×10⁶ Ω·cm, hàm lượng muối < 0,1 mg/L; nước tinh khiết lý tưởng (theo lý thuyết) có độ dẫn điện 0,055 μS/cm và điện trở suất (ở 25°C) là 18,3×10⁶ Ω·cm. Xem Hình 6-49.

[Hình: Sơ đồ cấp nước tinh khiết phòng thí nghiệm (bản vẽ CAD), thể hiện bố trí mặt bằng của phòng thí nghiệm y tế, có thể nhìn thấy khu vực chờ, khu vực xử lý mẫu, nhiều phòng thí nghiệm, hành lang và lõi thang máy/cầu thang ở hai đầu; đường ống nước tinh khiết được thể hiện bằng các đường màu sắc chỉ định tuyến đường và các điểm sử dụng nước, với các kích thước được đánh dấu xung quanh chu vi]

Hình 6-49 Bản vẽ cấp nước tinh khiết phòng thí nghiệm

1. Các phương pháp tinh chế nước và ứng dụng kết hợp của chúng

Trong các phòng thí nghiệm y tế — như phòng hóa sinh, phòng vi khuẩn học, phòng tế bào, phòng miễn dịch học và phòng huyết học — nước tinh khiết được sử dụng.

Nước tinh khiết phòng thí nghiệm có thể được sản xuất bằng các phương pháp sau; nước siêu tinh khiết phải kết hợp nhiều biện pháp kỹ thuật để đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật.

1.1 Phương pháp chưng cất

Chưng cất là một phương pháp truyền thống và là cách phổ biến để sản xuất nước tinh khiết từ nước uống. Theo số lần chưng cất, nó được chia thành chưng cất đơn, chưng cất kép và chưng cất ba lần; độ tinh khiết của nước tăng theo số lần chưng cất.

Ưu điểm của phương pháp chưng cất là tính đơn giản và mức đầu tư một lần cho thiết bị thấp; nhược điểm là mức tiêu thụ năng lượng tương đối cao, độ tinh khiết và sản lượng bị hạn chế.

1.2 Phương pháp lọc

Phương pháp này thường đầu tiên sử dụng lọc sơ bộ để loại bỏ các hạt lớn và phù sa khỏi nước, sau đó sử dụng lõi lọc bông thô và mịn, cuối cùng là thẩm thấu ngược (RO). Màng RO thường được sử dụng để lọc các chất ô nhiễm có đường kính xuống tới 1 nm; một quy trình thẩm thấu ngược điển hình có thể loại bỏ 90% ô nhiễm ion, hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ và gần như toàn bộ ô nhiễm hạt khỏi nước. Thẩm thấu ngược có khả năng loại bỏ thấp đối với các chất ô nhiễm không ion có khối lượng phân tử dưới 100 dalton, và khả năng loại bỏ của màng RO tăng khi khối lượng phân tử chất ô nhiễm tăng. Về lý thuyết, phương pháp này có thể loại bỏ 100% các phân tử có khối lượng phân tử lớn hơn 300 dalton và các hạt bao gồm chất keo và vi sinh vật; không thể loại bỏ các khí hòa tan.

Trong quy trình thẩm thấu ngược, nước cấp được bơm ở một áp suất nhất định (thường là 4–15 bar, 60–220 psi) vào phía cấp của màng RO theo dòng tiếp tuyến. Màng RO nói chung là màng polyamide rất mỏng, ổn định trong khoảng pH rộng, nhưng chúng có thể bị hỏng bởi các chất oxy hóa như clo trong nguồn nước cấp đô thị. Bộ lọc chiều sâu vi lỗ và cột lọc than hoạt tính được sử dụng để tiền xử lý nước cấp thường bảo vệ màng RO khỏi các hạt lớn, kim loại nặng và clo tự do. Thông thường 15%–25% nước cấp trở thành nước thấm; phần cô đặc được giữ lại ở thượng nguồn chứa hầu hết muối, chất hữu cơ và gần như toàn bộ các hạt. Tỷ lệ thể tích nước thấm so với nước cấp được gọi là tỷ lệ thu hồi.

Hiệu suất của màng RO trong hệ thống tinh chế nước thường được giám sát bằng cách đo tỷ lệ loại bỏ ion, là hiệu số giữa độ dẫn điện của nước cấp và nước thấm chia cho độ dẫn điện của nước cấp, được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm. Tỷ lệ loại bỏ ion và tỷ lệ thu hồi phụ thuộc vào chất lượng nước cấp, áp suất cấp, nhiệt độ nước và tình trạng của màng RO. Nhờ hiệu quả thanh lọc vượt trội, thẩm thấu ngược là công nghệ rất hiệu quả để loại bỏ phần lớn các tạp chất. Tuy nhiên, tốc độ tạo nước thấm của công nghệ này tương đối thấp, nên thường được lắp đặt cùng bể chứa để trữ nước thành phẩm cho mục đích sử dụng hoặc thanh lọc sâu hơn. Bộ phận thẩm thấu ngược bảo vệ các hệ thống hạ nguồn khỏi hiện tượng bám bẩn hoặc ô nhiễm do chất keo và chất hữu cơ; các hệ thống hạ nguồn thường được trang bị thiết bị trao đổi ion hoặc điện khử ion. Để hiểu nguyên tắc khử muối của thẩm thấu ngược, trước hết cần nắm được khái niệm “thẩm thấu”. Thẩm thấu là một hiện tượng vật lý: khi hai khối nước có nồng độ muối khác nhau được ngăn cách bởi màng bán thấm, các phân tử nước từ phía có nồng độ muối thấp hơn sẽ đi qua màng vào khối nước có nồng độ muối cao hơn, trong khi muối không thấm qua; theo cách này, nồng độ muối ở cả hai phía dần dần trở nên cân bằng.

(1) Lọc sơ bộ. Quá trình lọc được thực hiện bằng vật liệu có kích thước lỗ lọc trên 5–8 μm được gọi là lọc sơ bộ; phương pháp này chủ yếu được áp dụng tại đầu vào của thiết bị thanh lọc nước để loại bỏ các hạt lớn khỏi nước máy.

(2) Siêu lọc (UF). Quá trình lọc liên tục có ngưỡng cắt khối lượng phân tử là 5.000 đalton được gọi là siêu lọc. Phương pháp này chủ yếu được sử dụng để thanh lọc các đại phân tử sinh học hoặc loại bỏ tạp chất. Trong các thiết bị tạo nước siêu tinh khiết, phương pháp này chủ yếu dùng để loại bỏ các đại phân tử sinh học như nucaza và nội độc tố khỏi nước siêu tinh khiết, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của thí nghiệm sinh học đối với nước siêu tinh khiết.

(3) Vi lọc (MF). Quá trình lọc được thực hiện bằng vật liệu có kích thước lỗ lọc từ 0,1 μm đến 5 hoặc 8 μm được gọi là vi lọc. Phương pháp này được sử dụng để loại bỏ hạt và vi sinh vật khỏi nước đã thanh lọc; có thể lắp đặt bộ vi lọc trực tuyến trong đường dẫn lưu chất hoặc bộ vi lọc tại điểm sử dụng ở đầu ra.

1.3 Hấp phụ

Phương pháp hấp phụ tận dụng độ xốp cao của than hoạt tính để hấp phụ và loại bỏ một số vi sinh vật, clo tự do và các tạp chất khác.

1.4 Quang oxy hóa

Quang oxy hóa sử dụng tia cực tím bước sóng 185 nm và/hoặc 254 nm để tiêu diệt và phân hủy bằng oxy hóa các vi sinh vật trong nước, từ đó kiểm soát mức tổng carbon hữu cơ (TOC) của nước siêu tinh khiết.

1.5 Trao đổi ion

Cùng với sự cải tiến liên tục của sản xuất công nghiệp, nhựa trao đổi ion cũng đã được nâng cấp; khi kết hợp với một số phương tiện kỹ thuật khác, chúng đã tạo ra điện khử ion, một phương pháp trao đổi ion có thể tái tạo trực tuyến.

1.5.1 Trao đổi ion cổ điển (SDI)

Thông thường, nhựa cation và nhựa anion được đặt trong các bình chứa riêng biệt; sau một thời gian sử dụng, chúng về cơ bản sẽ bị bão hòa và sau đó có thể được tái tạo ngoại tuyến. Độ tinh khiết của nước khử ion được tạo ra bằng phương pháp này đạt khoảng 1 MΩ·cm.

1.5.2 Trao đổi ion bằng nhựa cấp hạt nhân

Đây là sản phẩm nhựa trao đổi ion hiệu quả nhất cho đến nay; nước được xử lý bằng loại nhựa này có thể đạt 18,2 MΩ·cm, đạt tiêu chuẩn nước siêu tinh khiết loại I. Trong các thiết bị tạo nước siêu tinh khiết, nhựa trao đổi ion cation và anion cấp hạt nhân được trộn và đóng gói trong một bình chứa duy nhất để sử dụng một lần; chúng là loại dùng một lần và không thể tái tạo.

1.5.3 Điện khử ion (EDI)

Đây là phương pháp trao đổi ion kết hợp giữa trao đổi ion, màng chọn lọc ion và tái tạo tức thời dưới tác dụng của điện trường. EDI là phiên bản nâng cấp của trao đổi ion. Lợi thế lớn nhất của công nghệ này là về mặt lý thuyết không sử dụng vật tư tiêu hao; nhưng nhược điểm của nó là đầu tư một lần lớn và mô-đun EDI có yêu cầu cao về độ tinh khiết đối với các ion kim loại nặng và các chất tương tự trong nước cấp—nếu không sẽ dễ bị nhiễm độc, và dưới tác dụng của điện trường, nhựa trao đổi ion hoạt tính không thể được tái tạo, do đó phải thay thế mô-đun EDI. Ý nghĩa thực sự của EDI nằm ở các doanh nghiệp như nhà máy dược phẩm có yêu cầu chứng nhận nghiêm ngặt, nơi có thể đảm bảo sản xuất liên tục. Trong lĩnh vực phòng thí nghiệm, việc sử dụng mô-đun EDI để sản xuất nước làm tăng chi phí mua sắm và không phải là lựa chọn hiệu quả nhất. Với phương pháp trao đổi ion, đường đi của nước qua nhựa trao đổi ion càng dài thì hiệu quả trao đổi càng tốt.

(1) Sử dụng trao đổi ion, quy trình như sau: nước thô → bơm tăng áp nước thô → bộ lọc đa phương tiện → bộ lọc than hoạt tính → máy làm mềm nước → bộ lọc chính xác → lọc nhựa cation → lọc nhựa anion → nhựa cation/anion tầng hỗn hợp → bộ lọc vi lỗ → điểm sử dụng (hoặc bể chứa)

(2) Sử dụng thẩm thấu ngược hai cấp, quy trình như sau: nước thô → bơm tăng áp nước thô → bộ lọc đa phương tiện → bộ lọc than hoạt tính → máy làm mềm nước → bộ lọc chính xác → thẩm thấu ngược cấp một → điều chỉnh pH → bể trung gian → thẩm thấu ngược cấp hai → bể nước tinh khiết → bơm nước tinh khiết → bộ lọc vi lỗ → điểm sử dụng

(3) Sử dụng EDI, quy trình như sau: nước thô của thiết bị nước siêu tinh khiết → bơm tăng áp nước thô → bộ lọc đa phương tiện → bộ lọc than hoạt tính → máy làm mềm nước → bộ lọc chính xác → đơn vị thẩm thấu ngược cấp một → bể trung gian → bơm trung gian → hệ thống EDI → bộ lọc vi lỗ → điểm sử dụng

(4) Nước thô → bộ lọc đa phương tiện → bộ lọc than hoạt tính → máy làm mềm nước → bể trung gian → bơm áp thấp → điều chỉnh pH → máy trộn hiệu quả cao → bộ lọc chính xác → thẩm thấu ngược hiệu quả cao → bể trung gian → bơm EDI → hệ thống EDI → bộ lọc vi lỗ → điểm sử dụng

1.6 Ứng dụng kết hợp các công nghệ tinh chế

Các nhà cung cấp nước tinh khiết hoặc nước siêu tinh khiết cho phòng thí nghiệm thường kết hợp nhiều phương pháp để chuyển đổi nước máy thành nước độ tinh khiết cao mà phòng thí nghiệm yêu cầu.

2. Phân loại nước tinh khiết phòng thí nghiệm

Nước tinh khiết phòng thí nghiệm có thể được chia thành ba cấp độ thông thường: nước tinh khiết, nước tinh khiết phòng thí nghiệm cấp II và nước tinh khiết phòng thí nghiệm cấp III.

2.1 Nước tinh khiết cấp III thường có độ tinh khiết vật lý dưới 50 μS/cm; nước cất đơn, nước cất kép, nước khử ion thông thường và nước thẩm thấu ngược đều thuộc cấp này và thường được sản xuất bằng cách tinh chế nước máy. Các mục đích sử dụng chính của nước tinh khiết cấp III là rửa dụng cụ thủy tinh, nước cho nồi hấp tiệt trùng, nước cho môi trường nhân tạo và nước cấp cho thiết bị nước siêu tinh khiết.

2.2 Nước tinh khiết cấp II thường được biểu thị bằng giá trị 5–15 MΩ·cm, mặc dù khoảng 1–17 MΩ·cm cũng có thể được coi là nước tinh khiết cấp II; nước tinh khiết cấp II thường được sản xuất bằng cách đưa nước tinh khiết cấp III qua quá trình trao đổi ion hoặc khử ion điện cực tiếp theo. Nó chủ yếu được sử dụng để pha chế thuốc thử thông thường, nước cho thí nghiệm hóa học thông thường và nước cấp cho thiết bị nước siêu tinh khiết.

2.3 Nước siêu tinh khiết cấp I là loại nước có độ tinh khiết vật lý lớn hơn 18 MΩ·cm; điện trở suất 18,2 MΩ·cm là chỉ số của nước siêu tinh khiết cấp I. Nước siêu tinh khiết cấp I được sản xuất bằng cách tinh chế thêm nước tinh khiết cấp III hoặc cấp II qua nhựa trao đổi ion cấp hạt nhân, và nó chủ yếu được sử dụng cho các thí nghiệm phân tích độ chính xác cao và các thí nghiệm khoa học sự sống có yêu cầu độ tinh khiết nước rất cao.

3. Các phương thức cung cấp nước tinh khiết phòng thí nghiệm

Có hai phương thức cung cấp nước tinh khiết phòng thí nghiệm: phương thức cung cấp tập trung và phương thức cung cấp phân tán.

3.1 Phương thức cung cấp nước tinh khiết tập trung

Chế độ cấp nước tinh khiết trung tâm là hình thức lắp đặt tập trung thiết bị sản xuất nước tinh khiết, nước dùng cho phòng thí nghiệm được dẫn qua đường ống cấp nước đến các điểm sử dụng nước của từng phòng thí nghiệm — dù là một phòng thí nghiệm đơn lẻ hay cả tòa nhà phòng thí nghiệm — để lấy nước tinh khiết hoặc nước siêu tinh khiết phục vụ phòng thí nghiệm trực tiếp từ vòi nước tinh khiết tại mỗi điểm sử dụng.

Ưu điểm của chế độ cấp nước tinh khiết trung tâm:

(1) Chi phí vận hành thấp và quản lý tập trung.

(2) Sử dụng chung, không có khả năng máy móc nhàn rỗi.

(3) Công suất lớn; việc sử dụng nước được nối mạng, có nhiều điểm lấy nước trong cùng một phòng thí nghiệm.

Nhược điểm của chế độ cấp nước tinh khiết trung tâm: hệ thống phải đảm bảo vận hành an toàn lâu dài, nếu không sẽ có nguy cơ gián đoạn cấp nước.

3.2 Chế độ cấp nước tinh khiết phân tán

Chế độ cấp nước tinh khiết phân tán là việc trang bị máy tinh chế nước hoặc nước tinh khiết thành phẩm tại mỗi vị trí sử dụng nước trong phòng thí nghiệm.

Ưu điểm của chế độ cấp nước tinh khiết phân tán: mỗi thiết bị có quyền sử dụng riêng và tỷ lệ sử dụng cao.

Nhược điểm của chế độ cấp nước tinh khiết phân tán:

(1) Chi phí vận hành cao, quản lý phân tán và chi phí tiêu thụ tương đối cao.

(2) Lắp đặt cố định vị trí dưới dạng thiết bị đặt sàn hoặc để bàn, lấy nước tại điểm cố định, công suất và lưu lượng máy nhỏ, hiệu quả công việc thấp.

(3) Nếu mỗi nhóm thí nghiệm tự mua riêng, tổng mức đầu tư của chủ sở hữu cho các sản phẩm này sẽ rất cao, đồng thời tỷ lệ nhàn rỗi có thể tăng do khối lượng công việc của từng nhóm khác nhau, không thuận lợi cho việc tối đa hóa hiệu quả đầu tư.

(4) Chất lượng nước không đồng đều.

Cùng với sự phát triển của thiết bị phòng thí nghiệm, việc cấp nước phòng thí nghiệm nối mạng và tập trung đã trở thành xu hướng của nước tinh khiết [trong các tòa nhà phòng thí nghiệm quy mô lớn]