基于溫度控制的透析用水管道消毒系統設計

羅華生 劉 頌 梁景棠

隨著現代生活節奏的加快和亞健康生活方式的增多，慢性腎衰竭發病率持續增高，僅2010年全球接受血液透析治療的患者已超200萬[1]。血液透析治療是一項高風險的醫療技術，如果消毒不當，容易造成病毒性肝炎等傳染性疾病的傳播，進而加重患者的痛苦和醫療負擔[2-3]。為了保障透析治療的質量和安全，水處理系統及水質量控制是其中重要環節。按照血液凈化標準規定，透析用水管道末端采樣水質要求細菌數必須＜200 cfu/ml，內毒素必須＜2 EU/ml[4-5]。

血液透析設備經常采取較大直徑和較長的水管來滿足所需的流量，而較大號的管道系統會使流速減慢，并增加系統的總流量和潮濕表面的面積。管道內殘留液體中的革蘭氏陰性菌在經過12 h靜置后會在潮濕的管道內表面迅速繁殖，因此細菌與內毒素的數量是與管道的體積和表面積成比例，此類菌落的繁殖會形成一層難以去除的生物膜[6-7]。基于此，本研究以血液透析中心水處理裝置管道消毒系統為基礎，設計一種基于溫度控制的透析用水管道消毒系統，并將原來的手動控制改為由單片機控制，以臭氧消毒為主要方式，用溫度傳感器實時監測臭氧水的溫度，消毒時根據溫度的不同自動控制消毒時間，以達到消毒效果。

1 透析用水管道消毒系統設計思路

1.1 控制微生物繁殖措施

控制透析用水管道微生物繁殖的措施主要包括正確的系統設計和操作，以及對管道的定期消毒[8]。目前，透析用水管道消毒的方式主要有臭氧消毒、含氯消毒劑消毒及熱消毒[9]。不同的水處理廠家根據設計工藝的不同會采取其中一種消毒方式。

臭氧因其具有極強的氧化能力，可以降解水中多種雜質，殺滅多種致病菌、霉菌及病毒，而且處理后在水中不產生二次污染，多余的臭氧也會較快分解為氧氣，而不像含氯消毒劑在水中易形成氯氨、氯仿等致癌物質，因而在水處理消毒中應用最為廣泛[10]。熱消毒因依靠高于80 ℃的熱水在管道中循環進行消毒，對透析用水管道工藝要求較高，且需要較長時間才能達到相應的消毒效果[11]。

1.2 臭氧消毒裝置

目前，大部分在用的透析用水管道消毒系統均采用人工控制的辦法，在非供水期開啟循環泵將臭氧水、消毒劑或熱水輸送至循環管道進行消毒，人工監測液體的濃度或溫度，根據經驗控制消毒時間以達到消毒效果。因臭氧對人體皮膚、呼吸道和神經系統都有較大影響，在使用臭氧消毒裝置時，還需要對區域中的環境空氣臭氧濃度進行監測，以確保區域內人員的健康和安全[12-13]。臭氧雖然對各種水中的微生物有較強的殺滅作用，但在水中很不穩定。臭氧在水中的溶解能力受到水中溫度、pH值、色度和臭氧的通氣流量等因素的影響[14]。在一個固定的透析用水管道消毒系統中，水的pH值及色度都不變，假設臭氧的通氣流量恒定，即臭氧發生器以恒定功率工作，則水溫是影響水中臭氧濃度和穩定性的主要因素。低溫時臭氧在水中分解速度慢，高溫時在水中分解速度快，而分解速度常用半衰期來表示。有研究表明，水溫對水中臭氧半衰期的影響非常顯著，在0 ℃時水中臭氧的半衰期可達到45 min，而隨著水溫的逐漸升高，臭氧的半衰期快速降低，在40 ℃時臭氧的半衰期只有3 min[15]。高溫不利于臭氧在水中的溶解，同時也會加速臭氧分解。

1.3 水溶臭氧濃度和溫度的變化關系

基于水溶臭氧濃度和溫度的變化關系，在特定的透析用水管道消毒系統中，當臭氧發生裝置和循環水泵的功率恒定時，管道中水溶臭氧濃度持續達到一定值以上所需要的時間只與水的溫度有關系。水的溫度越低，所需要的時間越少；水的溫度越高，所需要的時間越多。因此，可以在特定的系統中測得不同水溫下管道中水溶臭氧濃度達到一定值以上對應的時間，根據測得的數據，建立數學模型，可得到溫度和時間之間的數學關系。利用溫度和時間的數學關系式，只要采集到臭氧水的溫度數據，就可通過單片機控制管道消毒系統的工作時間。

2 透析用水管道消毒系統結構及工作流程

管道消毒系統由消毒水箱、臭氧發生器、循環泵、射流器和電磁閥門等組成，消毒水箱里面安裝溫度傳感器和液位開關。具體工作流程為：開啟水處理機制水，向消毒水箱注入透析用水400 L→打開循環閥1、循環閥2和三通閥ab端→開啟臭氧發生器和循環泵→臭氧經防回水裝置進入射流管，與透析用水混合，制造臭氧水→臭氧水經循環管道進行消毒后經回水口注入消毒水箱，如此循環。溫度傳感器實時監測臭氧水溫度，以控制消毒時間，消毒時間到，關閉臭氧發生器，打開三通閥bc端，排放臭氧水沖刷管道(如圖1所示)。

圖1 管道消毒系統結構圖

3 透析用水管道消毒系統數學模型建立

為了得到臭氧水溫度和消毒時間的關系，需在實際的管道消毒系統中測得數據并進行數據模擬。臭氧濃度為0.98 mg/L的臭氧溶液，作用10 min可100%殺滅大部分種類的細菌和病毒[16]。為確保達到理想的消毒效果，本研究設計的管道消毒系統設置臭氧濃度達到＞1.2 mg/L并持續15 min。手動控制管道消毒系統，用臭氧濃度檢測儀實時監測消毒水箱內臭氧水的臭氧濃度，當臭氧濃度達到1.2 mg/L時，臭氧發生器的工作時間記為t。模擬得到兩者的數學關系，滿足t=35.76e0.032T指數方程，得到消毒時間(t1)與臭氧水的溫度(T)的關系，其計算為公式1：

改變水的溫度，測得一組數據，經過曲線擬合得到臭氧水的溫度(T)與臭氧發生器工作時間(t)的曲線圖，如圖2所示。

圖2 臭氧發生器工作時間與臭氧水溫度關系曲線圖

4 透析用水管道消毒系統電氣控制設計

電氣控制是實現整個系統協調工作的重要工具，實現對臭氧水溫度的監測及對閥門、循環泵和臭氧發生器的控制。電氣控制部分主要包括硬件電路設計和軟件流程設計。

4.1 硬件電路設計

管道消毒系統的硬件電路包括測溫模塊和繼電器模塊，硬件電路如圖3所示。

圖3 管道消毒系統硬件電路示意圖

(1)測溫模塊。溫度傳感器采用SLST-3工業型的數字化溫度傳感器DS18B20，該溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝，防水防潮，且使用單總線技術，硬件設計簡單[16]。

(2)繼電器模塊。在管道消毒系統中將其數據線DQ與AT89C51單片機的P1.2口連接，即可實現傳感器與微控制器之間的數據傳輸。繼電器模塊由三極管、光耦和24 V繼電器組成，由單片機的P2口控制。單片機P2.0、P2.1及P2.2通過繼電器模塊控制循環閥1、循環閥2和三通閥工作；單片機P2.3、P2.4通過繼電器模塊控制交流接觸器使循環泵和臭氧發生器工作。

4.2 軟件流程設計

管道消毒系統觸發后，單片機對開關量和模擬量進行實時監測，并輸出信號控制各部件協調工作，軟件流程如圖4所示。

圖4 管道消毒系統軟件流程圖

4.3 實驗驗證

為了驗證管道消毒系統的消毒效果，需要實驗測得在不同的溫度下臭氧水在t時的臭氧濃度值，并與設定值進行比較，得出兩者的絕對誤差。t時刻臭氧水的實測濃度與設定濃度的最大絕對誤差為0.02 mg/L，曲線擬合的結果可滿足系統的消毒要求(見表1)。

表1 實測臭氧水濃度的誤差(mg/L)

5 結論

本研究設計的管道消毒系統關鍵是獲得不同溫度環境下制得一定濃度的臭氧水所需要的時間。為保證溫度的恒定，設計時在消毒水箱中置入了加熱絲，和溫度傳感器一并接入單片機，設計有恒溫系統程序。然而，數學關系式的模擬結果只適用于本系統，實際使用時，需要根據不同裝置實測的消毒液體流速、供水管內徑及長度數據進行模擬得到。

本研究系統以肇慶市第一人民醫院血液透析中心水處理裝置管道消毒系統為基礎，以臭氧消毒為主要方式，通過在消毒水箱中接入溫度傳感器和水位開關，用溫度傳感器實時監測臭氧水的溫度，并根據溫度的不同自動控制消毒時間，以達到消毒效果，同時增設了自動排空和沖洗功能，可在消毒完成后盡快提供用于透析治療的純水。整個過程由單片機進行自動控制，確保消毒效果的同時免除了人工操作過程中臭氧對人體的影響。

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