基于熱消毒的透析用水處理系統的設計*

陳仙明，俞加，陳丹，呂維敏，張國雄

（1.浙江水利水電學院機械與汽車工程學院，浙江杭州310018；2.杭州之江水處理設備廠，浙江 杭州310011；3.浙江省醫療器械研究所，浙江 杭州310009；4.杭州市中醫院，浙江 杭州310007）

1 引 言

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，據統計，2010年全球接受血液透析治療患者已超200萬[1]。血液透析患者通過血液透析設備，每周要接觸近400 L水，是健康人每周攝入水量的近30倍[2]。透析膜對透析液中的有毒物質不具備選擇性。透析液中所含的有害物質，不但影響透析液電解質濃度，對血液透析設備造成損壞，更嚴重的是有害物質會通過透析膜擴散進入患者體內，造成透析患者發生急性和慢性并發癥。透析用水是透析液主要組成部分，其水質直接關系到血液透析的治療效果[3]。

2010年前我國透析用水處理設備未制定行業標準，各生產廠商按各自要求制定企業標準進行備案生產，市場上設備處理工藝和控制系統參差不齊，總體技術落后[4]。存在預處理不充分、運行參數監控缺失，反滲透膜處于惡劣運行環境，大大縮短其使用壽命的現象[5]。產水水質也不容樂觀，據報道湖南省疾病預防控制中心于2003～2011年間對128家醫院（三甲36家，非三甲92家）的透析用水進行隨機抽樣，共收集樣品 223份，總合格率僅為36.3%[6]。

在浙江省科技計劃項目（2006F11018）資助下，我們曾于2006年研制出了基于RO-EDI的新型血液透析用水處理系統，并取得了良好的臨床效果[7]。在此項目的基礎上，自2009年起作為標準主要起草人員全程參與了《血液透析和相關治療用水處理設備技術要求第1部分：用于多床透析》（YY0793.1-2010）[8]和《血液透析和相關治療用水處理設備技術要求第2部分：用于單床透析》（YY 0793.2-2011）[9]的起草工作。鑒于新標準對處理工藝和控制流程的要求較之前有較大提高，因此，有必要設計開發一套符合新標準要求的透析用水處理設備。

2 設計要求

項目組結合最新的臨床需求和行業標準要求，重新對水處理工藝和控制系統進行了分析、規劃和設計，并擬定如下改進點：

（1）透析用水處理設備在原有的處理工藝基礎上，增設熱消毒為常規消毒方式[8]，并確保其安全。

（2）根據行業標準和血液凈化質控要求，設備運行的重要參數需記錄和保存，并隨時備查。

（3）供水回路采用循環直供水方式，保證可靠運行的前提下，有效降低微生物二次污染。

（4）設置故障分析和報警功能，并具備應急處理程序，保證供水的連續性和可靠性。

（5）人機界面友好，自動化程度高，減少醫護人員的干預，降低誤操作。

3 水處理工藝

根據行業標準和各地原水水質的實際情況，本系統所采用的工藝和結構主要包括：預處理單元、反滲透單元、循環輸送單元和熱消毒單元等部分，見圖1。

3.1 預處理單元

預處理單元實現對自來水的初步處理，達到反滲透膜的進水要求。主要工藝包括：砂過濾器、軟化器、活性炭過濾器和精密過濾器（保安過濾器）。砂過濾器實現大顆粒物質的初步過濾，軟化器通過離子交換去除鈣鎂離子，降低硬度，活性炭過濾器吸附余氯和有機物，精密過濾器防止5 um以上顆粒進入反滲透膜，上述工藝最終有效保證反滲透進水的質量，延長膜的使用壽命。各濾器之間加裝壓力表，前三大濾器安裝多路閥，實現定時沖洗或再生。

圖1 工藝流程圖1.原水泵2.砂過濾3.軟化器4.活性炭5.精密過濾6.集水箱7.一級高壓泵8.一級反滲透9.二級高壓泵10.二級反滲透11.消毒水箱12.加熱器13.消毒泵14.透析機a-f.電動三通閥Fig 1 Technological flow diagram

3.2 反滲透單元

反滲透單元是本系統的工藝核心，負責去除絕大部分有害物質（不含余氯），保證終端產水達到《血液透析及相關治療用水》（YY 0572-2015）。根據多年設備設計運行經驗，一級反滲透能達到上述標準，本系統采用二級反滲透串聯作為處理工藝，有效保障產水水質的穩定性。同時在管路和控制的設計上預留了緊急情況下第一級反滲透或第二級反滲透單獨供水的能力，此冗余設計有效保障了供水的穩定性。

反滲透膜采用美國陶氏公司的聚酰胺復合膜，該膜能達到99%以上的脫鹽率，實現無機鹽、有機物、微生物、細菌等有害物質的去除，使產水符合要求[5]。一級反滲透采用格蘭富CR526作為加壓泵，三根陶氏BW30-400串聯方式進行排布，二級反滲透采用格蘭富CR327作為加壓泵，兩根陶氏BW30-400串聯方式進行排布，膜殼采用豎直布置，大大縮小了主機體積。反滲透單元的關鍵部位安裝足夠的壓力表、流量計和電導率計，滿足脫鹽率、回收率等運行參數的監測和計算。

3.3 循環輸送單元

系統采用直接循環供水模式，在預處理和反滲透中間設置了集水箱，作為來水和回水的暫存區域。反滲透的產水被輸送到血液透析使用點，多余的純水再回到集水箱。該工藝有效保證了第一級反滲透和第二級反滲透的可靠銜接，與靜態純水箱供水方式相比大大降低了微生物二次污染的可能性。

按照行業標準要求，所采用的集水箱底部安裝液位傳感器，能實現液位監測和無水保護。水箱頂部配備0.45μm疏水性空氣過濾器，溢流管加裝防污染裝置，內部安裝噴淋系統，底部設計成圓錐形，并最低點安裝排液口。輸送管路采用氯化聚氯乙烯（CPVC）材質，管路外包隔熱保溫棉，在熱消毒過程中有效降低熱量流失。該管路材料不僅能有效輸送熱水，同時與含氯消毒劑、過氧乙酸、甲醛、臭氧等常用消毒介質相兼容。

3.4 熱消毒單元

熱消毒單元主要用于輸送管路的消毒，由熱水箱、熱水泵、加熱器、溫度傳感器和液位開關等組成。通過程序設置，實現非供水期自動對熱水箱補水加熱，再由熱水泵將熱水輸送至循環管路進行熱消毒，消毒完成后對輸送管路的熱水進行排放。

熱水箱采用中空雙層不銹鋼設計，層間填充隔熱泡沫顆粒。熱水箱內部和管路回水點安裝PT100溫度傳感器，箱內安裝自制耐高溫的干簧管浮球式液位開關。加熱器采用兩組2 KW并聯方式，有效保證消毒區域水溫高于80℃，內部電熱絲串接熱熔斷保護裝置，有效防止干燒發生。熱水循環泵選南方泵CHL2-30LSWSR，實現熱水輸送。熱消毒單元的熱水泵出口通過電動三通球閥與血透室輸送管路入口相通，輸送管路回集水箱部分通過電動三通球閥與熱水箱相通，最終實現管路的熱消毒流程。

4 電氣控制

電氣控制是實現處理工藝協調的重要工具，能夠對水質和設備運行參數實現監控，高效可靠的電氣控制是設備運行的重要保障[10]。電氣控制部分主要包括硬件電路設計、軟件流程設計、人機界面設計三大部分。

4.1 硬件電路

硬件電路是控制系統的載體，主要由可編程邏輯控制器（PLC）、模擬量輸入模塊（A／D）、RS232通訊模塊、觸摸屏等控制核心和開關量輸入、模擬量輸入和開關量輸出等外圍器件組成，見圖2。

4.2 軟件流程

本系統軟件流程見圖3，觸摸屏接受用戶的參數設置和控制命令，PLC對開關量和模擬量實時監測，通過PLC內部梯形圖程序和觸摸屏組態設置，實現系統協調運行。主要控制要點如下：

圖2 硬件框圖Fig 2 Block diagram of the hardware

圖3 主程序流程圖Fig 3 Flow diagram of the main program

（1）加熱器和泵高／低壓（滿／無水）聯鎖保護

系統中的高壓泵、熱水泵、加熱器均與前后級水箱液位或管路壓力開關建立安全聯鎖關系，當不符合運行條件時，控制核心及時關閉泵等執行器件，保證泵和加熱器的安全運行。

（2）多工藝多模式選擇控制

內部編制了二級反滲透聯動運行、第一級反滲透單獨供水和第二級反滲透單獨供水等三套供水工藝。每套工藝程序啟動后，相應的三通閥和安全聯鎖信號會重新匹配，實現一主二備的功能。通過觸摸屏組態還實現了所有執行器件單獨“點動”的運行模式，有助于設備調試和用水的緊急調配。

（3）熱消毒運行、保護和警示

熱消毒中加熱器的工作受溫度設置、現場溫度及消毒時間的影響。結合熱消毒過程的風險分析，程序對預加熱失敗、管路或水箱漏水、前端補水失敗等潛在故障因素進行識別，消毒啟動后，程序一旦監測到上述任一故障，則停止消毒程序，中斷下次自動開機流程，并在手動開機供水時，提示“消毒未完成”，并給出未完成的故障代號。

（4）自動開關機和自動熱消毒設置

觸摸屏設置了開關機和熱消毒的手／自動啟動模式，兩者自動模式的啟動、觸發均采用周制（7天）設計。開、關機和消毒采用獨立系統設計，并相互聯鎖，系統處于開機時不會啟動消毒程序，反之亦然。

（5）參數的記錄、保存和交換

設備運行過程中電導率是重要的水質在線檢測參數，該參數通過傳感器送入PLC，最終存入觸摸屏內存中。此外，設備運行和消毒日志也被存入觸摸屏內存中。每次開機時微型打印機自動打印電導率，消毒結束（含因故障結束）時自動打印消毒日志。用戶可以通過觸摸屏上的USB口，將內部保存的參數拷貝到個人電腦，對數據進一步保存和分析。

圖4 主控制界面Fig 4 Themain control interface

4.3 人機界面

采用7英寸觸摸屏作為人機界面，界面主要包括：工藝流程監控區、按鍵控制區、參數設置區、消毒過程監控區、電導率歷史曲線顯示區等區域，主要包括主控制界面和輔控制界面，上述區域有效涵蓋了參數設置、運行監控和歷史數據查詢，圖4為主控制界面。軟件部分取得了計算機軟件著作權登記證（2015SR155444）。由于采用全自動開、關機運行方式，大大降低了人為的干預程度，減少了誤操作的可能性。

5 結束語

本系統結合新的水處理設備行業標準，對原有處理工藝進行優化，增設了熱消毒部分，通過控制部分升級，實現手／自動開關機和手／自動熱消毒、多級反滲透獨立運行、熱消毒故障診斷與顯示、關鍵參數存儲與打印等新功能。該類型的設備自研制成功以來，已在杭州市第二人民醫院、平湖市中醫院、建德市中醫院、余杭區第三人民醫院、蒼南縣第三人民醫院等進行臨床使用，設備驗收和醫院常規水質檢驗，均符合標準要求，無不良事故發生，臨床反應良好。