全自動在線血透水處理系統的設計

賀昕路 顧偉新

全自動在線血透水處理系統的設計

賀昕路①顧偉新①

[First-author’s address] Hangzhou First People’s Hospital, Hangzhou 310006, China.

隨著我國經濟的快速發展，科學技術在各學科領域內交流與合作得到廣泛開展。血液透析中的水處理技術是血液凈化領域內重要組成部分之一，受到越來越多的關注，并直接影響到患者的生存質量，對改善和延續患者的生命有著深遠的意義[1]。血液透析是維持腎衰患者生命的有效手段，透析用水的質量直接或者間接地影響患者的治療效果，不合格的透析用水輕則導致透析并發癥，重則引發透析事故。目前，各研究機構對于透析用水水質與治療效果關聯度的認識逐漸加深，水處理設備倍受重視。透析用水和日常飲用水的水質有著巨大的差別，常規血液透析患者每周大約需要360 L，普通患者每周飲用水約為14 L[2]。飲用水在進入血液之前經過了胃腸道屏障的保護作用，而血液透析患者水和血液接觸是通過半透膜實現，對水質有很高的要求。為此，本研究設計全自動血透水處理系統，確定水處理工藝流程，對水處理系統進行質量控制。

1 血液透析水處理系統的基本原理

目前使用的水處理機一般為雙級反滲技術(如圖1所示)。

圖1 血液透析水處理系統水路圖

反滲水使用生活自來水作為水源，經過砂罐、碳罐和樹脂罐的深度凈化和軟化處理，去除自來水中的余氯、高價陽離子和一些雜質，經過除氣罐去除氣泡后進入集水器備用；再由反滲膜進行凈化，從而去除水中的病菌、細菌、懸浮物和大分子物質，得到適合血液透析機使用的反滲水。透析用水常用的檢測指標有透析離子濃度、透析水電導度、透析水壓力、氯離子濃度、pH值以及內毒素濃度。

2 透析水處理系統水平和發展趨勢

在過去的數十年里，科技創新帶動的處理工藝變革提升了產水的指標，水處理工藝和設備的控制主要經歷3個階段。

(1)20世紀60-70年代。人們逐漸認識到鈣、鎂離子的超標將導致患者的“硬水綜合癥”，因此，水處理設備特別強調了軟化工藝，對應的水處理設備相對簡單，主要包括各種精度的過濾裝置和軟化器，此時水處理設備尚未形成獨立的控制系統。

(2)20世紀70-90年代。隨著世界各地水源受污染程度的加劇和各種消毒液特別是氯、氯胺等可能導致患者不良影響的物質加入，水質要求開始向純化水方面發展，處理工藝在保證軟化的同時強調了活性炭吸附有害物質的功能，并開始采用反滲透工藝作為主要的除鹽、除菌技術。此時為了保護反滲透中高壓泵等裝置的可靠運行，開始采用了以繼電器、接觸器為核心的控制單元，初步實現設備的自動控制功能。

(3)20世紀90年代以后。人們開始認識到微生物污染的嚴重危害，形成了以反滲透為核心，結合預處理、精處理和后處理以及消毒為一體的綜合性水處理設備。同時提出了超純透析用水的概念，部分設備采用了二級反滲透或反滲透聯合電去離子等更加先進的處理技術，在完善各類化學消毒的基礎上，出現了熱消毒、臭氧消毒等新型殺菌消毒技術[3-4]?？刂撇糠謱崿F了以可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)和觸摸屏為核心的控制單位，結合電導率、水位及壓力等傳感器，實現了故障報警及切換、遠程控制、恒壓供水以及自動消毒等一系列高要求動作，極大方便了用戶的操作。

目前，各類透析水處理系統在線檢測透析水質量及控制氯離子、內毒素等方面均存在漏洞。瑞典金寶和德國勞爾的透析制水系統均不具備在自動化消毒過程中的檢測和質量控制[5]。多數醫院的透析水氯離子和內毒素檢測由人工檢測，費工、費時，且人為因素多，使得對透析水氯離子和內毒素的檢測和質量控制不準確，且成本很高。個別地區存在未按國家法定的規章進行操作的現象，造成大量的化學消毒液殘留，給患者造成巨大傷害[6-11]。

3 全自動在線血液透析水處理機具體設計

全自動在線血液透析水處理機的整體設計是利用單片機微控制單元(micro control unit，MCU)控制血液透析機的制水和消毒過程，利用各種傳感器對水質的化學和生物指標進行監測，并利用觸摸屏作為人機交互界面，使整個控制過程非常友好和方便。

3.1 日常制水

在經過砂罐、樹脂罐和碳罐過濾和軟化處理之后將軟化水注入容積約為200 L的集水器中備用，其目的是為了防止在供水系統缺水后系統仍然繼續工作而造成高壓泵空轉引發事故。該設計與世界較為先進的瑞典金寶和德國勞爾的透析制水系統均為開路的結構。系統產生的二級反滲水進入病房給血液透析機供水后，剩余的反滲水直接排光，其目的是當少量患者進行血液透析時反滲水需求量小，而供水量卻為整個病房，將會產生大量的浪費。全自動在線血液透析水處理機的設計是將用剩余的反滲水重新打回前端的集水箱，重新進入系統，進行兩次反滲透處理，其設計可極大節約用水，每日用水量為原用水量的1/4。由于反滲水的水質化學生物指標優于生活用自來水，因此系統運行一段時間后前端水質會越來越好，對反滲膜的使用時間大有益處，該設計在化學消毒時同樣有益處。

該設計的缺陷是在反滲水不斷循環的過程中，由于與管壁的摩擦生熱，溫度會持續上升，使反滲水溫度超過標準(≤30 ℃)。為此，本研究設計制水系統中的各個傳感器可發揮作用，當溫度超過＞30 ℃時由溫度傳感器發出信號告知MCU，MCU控制水路電磁閥直接強行排水直到溫度下降至標準溫度，再重新開始新的循環。集水器儲水完成以后，通過MCU的控制進行反滲透，經過兩次反滲透得到合適的血液透析用水，其整個過程中系統需要對水質進行濃水電導度、純水電導度、純水的壓力、溫度、余氯、pH值和內毒素含量監測。

(1)濃水電導度。指膜前未處理水的電導度，通常維持在300～400 uS/cm，當前端水質出現污染，濃水電導度上升，過高的電導度會對反滲膜造成一定的損傷。

(2)純水電導度。指經過兩次反滲后產生的反滲水的電導度，這是反滲水的重要化學指標，關系到反滲水中電解質含量的多少(衛生部規定一般≤5 uS/cm)。

(3)純水壓力。是出水端的壓力，按照病房不同的治療床數，調節合適的水壓，由于現階段血液透析機監測供水情況是依據水壓進行檢測，故合適的水壓才不會造成后端的血液透析機出現供水不足的現象，也不會由于壓力過大，造成滲透。

(4)溫度。指整個水處理中水的溫度，反滲水溫度≤30 ℃，否則會對患者造成損傷。而且目前國內血液透析管路一般使用PPC管，在高溫下PPC管會出現軟化的情況.

(5)余氯。由于生活用水是依靠氯氣進行消毒，所以余氯是指反滲水中的游離氯和化合氯，一般是指水中的氯胺化合物。余氯對人體危害極大，微量的化合氯就會引起患者缺血。國家標準反滲水中的余氯≤0.5 ppm。一般自來水中的余氯含量很少，經過碳罐吸附，均能達到衛生部頒發的標準。

(6)pH值。指反滲水的酸堿性，由于反滲膜的陽離子脫出率達到99.9%，再加上16 kPa的壓力，會將空氣中的CO2壓到水中，產生了CO3-2，所以反滲水呈現偏酸性。衛生部血液凈化標準操作規程規定pH值為5.8～6.3。

(7)內毒素。細菌繁殖新陳代謝所產生的一種脂多糖，進入人體后會引起人體免疫反應，其表現是發熱，故又叫做發熱源。水處理設備管路長時間使用會滋生微生物而產生內毒素，內毒素直徑很小可以通過半透膜進入人體，因此血液透析治療室需定期進行內毒素檢測(臨床一般使用凝膠法進行檢測)。水處理機利用MCU的控制，自動完成凝膠法利用感光元件進行檢測，衛生部血液凈化標準操作規程規定內毒素＜2 EU/ml。

3.2 化學消毒

水處理設備長期使用管路會滋生細菌和病菌，對患者造成嚴重傷害的物質，因此必須定期進行消毒。化學消毒時應先將管路中充滿反滲水，然后在消毒桶中加入一定量的化學消毒劑，稀釋后在整個管路中進行循環一段時間之后靜止浸泡，以加強消毒功能，最后將消毒水排放并用清水不斷沖洗。在沖洗的過程中利用傳感器檢測余氯和pH值兩個指標，由于化學消毒使用次氯酸鈉，消毒效果非常好，但是次氯酸鈉會產生大量的余氯，因此化學消毒后要進行長時間的沖洗，直到余氯含量和pH值達到標準。完成整個消毒過程后打印生成消毒報告，其程序流程如圖2所示。

圖2 化學消毒程序流程圖

3.3 熱消毒

化學消毒會有大量消毒劑殘留，故日常消毒采用熱消毒，其效果基本與化學消毒相同，但是由于RO膜不耐熱，熱消毒只在膜后進行。先將加熱桶注滿反滲水，然后用加熱管進行加熱到指定溫度(80 ℃)，到達溫度后用此桶水進行循環熱消毒。在熱消毒過程中需不斷檢測桶中水位是否下降。由于病房管路CPPC管和使用的血液透析機進水橡皮管受熱會有微微變形，水壓增大后容易引發滲透，其后果嚴重，當水處理系統MCU通過傳感器發現水位下降后會自動關閉消毒程序。在熱消毒一段時間后用清水沖洗，完成整個消毒過程后打印生成消毒報告。

4 結語

全自動在線水處理機的特點是制水、消毒和檢測全自動化，節省了人工時間，并且在整個制水工程中不斷對水質進行檢測，保證反滲水水質達到國家血液透析用水標準，有效地防止血液透析醫療事故。同時，自動消毒極大地節省了消毒時間，全程自動開始、自動檢測和自動結束。并且在每日制水、消毒結束后可通過打印機將水質報告和消毒報告打印出來，方便以后進行質量控制，方便操作人員及時發現水處理機報警。

隨著血液透析的普及使用，對水處理的要求提高，每日血液透析水用量極大增加，以往老式的制水設備已經無法滿足臨床需求[5]。良好的操作界面，全程自動制水消毒和自動生成紙質報告已經成為新一代血液透析水處理設備的趨勢，也必將越來越收到臨床操作人員的青睞[12-15]。

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Design of automatic reverse osmosis water system

HE Xin-lu, GU Wei-xin
China Medical Equipment,2015,12(2):53-56.

目的：運用全新的水處理系統的設計思想，設計全自動血透水處理系統，確定水處理工藝流程。方法：在設計水處理過程中，應用單片機技術，對水處理系統的制水和消毒過程進行實時控制。結果：利用單片機技術在制水和消毒過程中，控制水處理系統，實時監控各個水質指標。當指標超標時系統自動報警并生成記錄。結論：將單片機技術應用到水處理系統中，不僅降低了人工損耗，也提高了系統的安全性和可控性，同時對水處理系統進行質量控制。

血液透析；水處理；全自動；在線監測

Objective: To design automatic reverse osmosis water system with new design idea of reverse osmosis water system, to make sure of the procedure. Methods: During the design, using microcomputer technology to control water preparation and disinfection. Results: Using MCU to control preparation of water and disinfection, in order to monitor water quality. If water quality exceeds the standard, the system will alarm and generate records. Conclusion: Using microcomputer technology to design Reverse osmosis water system, not only reducing artificial, but also to improve the safety and controllability, even the quality control of reverse osmosis water system.

Hemodialysis; Reverse osmosis water; Auto system; On-line monitoring

1672-8270(2015)02-0053-04

R197.324

A

賀昕路,男,(1986- ),本科學歷，助理工程師。杭州市第一人民醫院設備科，從事醫療設備維修工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.02.017

2014-03-06

①杭州市第一人民醫院設備科 浙江 杭州 310006