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第3章 水处理系统基本原理和透析用水质量控制
一、透析用水处理系统
【水处理系统的流程和设备】
达标的纯净透析用水是每一个透析中心正常运转的基础，直接关系到血液透析的疗效。自来水会经过复杂的水处理过程除去水中的污染物质，达到透析用水的标准，需符合《血液透析及相关治疗用水（YY0572-2015）》的标准（图3-1、表3-6）。一般来说，透析用水处理系统至少会包含有前处理系统、反渗透装置和后级管道三个部分。
（一）前处理系统
自来水进入反渗膜之前先经过前处理装置，是为了保护反渗系统不受水中化学物质和污染物的破坏，保证反渗膜的产水效率，延长反渗膜的工作寿命。前处理设备一般包括以下部分：
1.单向阀
在前处理系统中装有单向阀可防止水处理的水反流到自来水系统造成污染，尤其是阻止含有消毒剂的前处理用水。
2.原水过滤器
因为原水中杂质可能对泵有损害，为保护前级加压泵，会在泵前装一个原水过滤器过滤掉水中较大颗粒的杂质。
3.增压泵（原水泵）
供给前处理的用水需要经过增压泵加压后供给前处理，保证反渗透主机所要求的工作压力。
4.多介质过滤器（砂滤罐）
多介质滤过器是纯化水的第一步。它是由数层细沙至粗碎石的过滤介质组成，用来清除水中较大直径的悬浮颗粒，因为水质当中的大颗粒物质会损伤到反渗膜。多介质滤过器应具备自动反冲程序，保证定期反冲砂滤罐。
5.活性过滤器（炭罐）
活性炭过滤器是用活性炭吸附的原理，清除原水中的总余氯，一些除草剂、除虫剂和工业溶剂等。炭罐规定使用碘值>900的经酸洗的活性炭，不应使用再生炭，常用椰壳活性炭。因为总余氯可导致患者促红细胞生成素抵抗、溶血，甚至死亡，而且反渗膜对总余氯的清除效果差，并且会被其降解破坏，因此一定要严格控制透析用水中总余氯的浓度。最新透析用水标准要求总氯浓度<0.1mg/L。虽然目前透析标准操作规程（SOP）规定一周测一次总余氯浓度，但是由于自来水厂投放消毒剂的时间和频率不确定，为保证万无一失，建议使用两台活性炭罐串联。这样一方面可以保证治疗的安全性，而且可以保证当第一个炭罐总余氯超标时，第2个炭罐仍可检测正常，还能保证患者治疗的继续进行。
图3-1 常见水处理系统各装置示意图
具体监测方法如下：每班治疗开始前检测第一个炭罐后（取样口）水质（图3-2），如果第一个炭罐取样口水总余氯浓度测试超标，第二个炭罐取样口总余氯浓度测试合格，治疗可以继续进行，但是保证要在72小时内更换第一个炭罐；第二个炭罐单独运行过程中，要每隔半小时监测一下总余氯浓度。如果一、二级取样口测试均超标，为保证治疗安全，要立即停止透析治疗。
总余氯是指游离氯和氯胺（结合氯）的总和，目前尚没有直接测定氯胺的方法，通常采用氯胺=总余氯-游离氯的公式来推算，目前经常使用检测总氯的方法有下列三种：
图3-2 两个炭罐串联的取样和监测方法
（1）DPD余氯测定试剂盒：
半定量检测，较为快速、经济、简单。选择试剂盒时，需要注意其测量范围和测量精度。
（2）便携式余氯检测仪：
使用分光光度法，定量检测，精度高，适合于便携、较为方便，但是水中的酸碱度及加入的碘都会影响读数，且需要定期校准。
（3）在线总余氯检测仪：
定量检测，精度较高，可自动检测，但成本高，需要定期校准，校准时可使用DPD测定法进行测量结果对比。
由于消毒剂投放的频率和时间不确定等因素，我们推荐在水处理上安装在线总余氯监测仪来持续的监测。由于检测设备需要定期校准，建议使用仪器检测的同时，仍然需要配合手工检测。
6.软化器（树脂罐）
树脂罐可以根据树脂自身是否耐氯来决定安装在活性炭罐的上游或下游。安装在上游，可以避免原水里的消毒剂被炭罐过早清除，再进入树脂罐中造成细菌的滋生增加；安装在下游是因为树脂罐可能不耐受原水里的消毒剂成分，从而会损伤树脂或分解树脂造成有机物增加。
树脂罐是根据离子交换的原理将原水中的钙、镁交换出去，从而实现对原水软化的目的（图3-3）。过多的钙、镁可使患者出现硬水综合征。尽管目前的水处理系统中都具有反渗膜装置，本身可以清除钙和镁，但钙和镁的沉积会堵塞反渗膜，树脂罐的存在同时也是为了保护反渗膜装置。需要注意的是，当树脂上所有的钠离子被交换以后，树脂上的钙、镁离子达到饱和，树脂将不再具有软化作用，应定期对树脂罐进行再生。再生过程是软化的反过程，利用饱和的氯化钠溶液，将树脂上的钙、镁离子交换出来。应每天检测软化水的硬度，要求硬度≤1德国度，或<10mg/L（CaO）或<17.8mg/L（CaCO 3）。如果硬度超标，需要增加再生频率，直至达标。
硬度检测的主要方法有：
（1）比色法试剂盒：方法简单、经济、但是精度差。硬度大的时候需要稀释后进行检测，选择试剂盒时，需要注意其测量范围和测量精度。
（2）便携式硬度分析仪：适合现场检测，但要定期对其进行校准。
（3）在线硬度监测：可持续性的监测，但价格较昂贵，需要定期对其校准。
图3-3 树脂的软化原理图
7.保安过滤器（精密过滤器）
保安过滤器安装在反渗膜上游，是前处理过程的最后一个环节，可清除活性炭过滤器冲洗掉的微小颗粒，以保护反渗膜。其孔径为1~5µm。应该按照厂家要求定期更换保安过滤器滤芯。
8.前处理中可能有的其他部分（可选）
（1）原水加温/降温装置：
在低温情况下，低于1℃产水量约下降3%，因此为了保证水处理系统最大产水量。在当地供水温度过高或过低时，应考虑增加温度控制装置。主要有以下几种方式：
1）混水阀：在提供热水供应的透析室，可以利用混水阀将冷热水按一定的比例混合成25℃。目前在美国的透析中心，绝大部分装有这种混水阀装置（见第一篇末彩图3-4）。
2）热交换器：目的与混水阀相似，是利用冷热交换的模式，将进入前处理的原水与热水进行热量交换（尤其是反渗机处理后的废水），以发挥反渗膜的最大功效（见第一篇彩图3-5）。
3）原水加温器：在原水泵前安装加温装置，可考虑将原水的温度控制在25℃左右（见第一篇彩图3-6）。
上面的三种方式，都要安装温度监测以及警报控制，以免加温系统失灵，过高的水温损伤前处理或反渗膜（见第二篇末彩图3-7）。
（2）原水水箱：
如果原水的水压或者原水的水量不足以保证时，可以考虑加装原水水箱。要求安装位置不要在室外被阳光直射。
（二）反渗透系统
1.反渗透装置（RO）
反渗透是利用压力差为动力的膜分离过滤技术，源于20世纪60年代美国宇航科技的研究，后逐渐转化为民用，目前已广泛运用于科研、医药、食品、饮料、海水淡化等领域。
反渗透膜孔径小至9~10Å，清除范围是分子量200道尔顿以上的有机物和95%~99%离子无机物（内毒素分子量为10万道尔顿，所以反渗膜可有效地清除内毒素）。在一定压力下，H 2O分子可以通过RO膜，而原水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过RO膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。最常用的反渗膜材料是聚酰胺复合物。目前国内对于透析用水处理的主要采用双级反渗透配置。
反渗膜在水处理系统中起着重要作用。脱盐率是评价反渗膜的常用指标。脱盐率是指通过反渗透膜从系统进水中去除可溶性杂质浓度的百分比。新水处理装置脱盐率应大于95%。当反渗装置脱盐率<80%时，应停止透析，寻找原因，进行维修（见图3-8、图3-9）。
图3-8 反渗装置工作原理
图3-9 反渗膜结构原理图
2.反渗膜后的其他装置（可选）
（1）连续电除盐装置（EDI）：
是利用两端电极高压使水中带电离子定向移动，并配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除，从而达到水纯化的目的。在EDI除盐过程中，离子在电场作用下通过选择性树脂膜被清除。同时，水分子在电场作用下产生氢离子和氢氧根离子，这些离子对离子交换树脂进行连续再生，以使离子交换树脂保持最佳状态。
EDI设施的除盐率可高达99%以上，在RO装置后如果再经EDI除盐就可以生产出电导度极低的近似于蒸馏水样的超纯水。
（2）紫外线灯消毒：
紫外线的杀菌能力较弱，波长在240~280nm的紫外线具有高效杀菌功能。辐照器应采用波长为254nm低压汞灯，辐射量至少为30mW·s/cm 2。当最小辐射量低于16mW·s/cm 2时应提示更换灯管，或在随机文件中说明更换灯管的周期。注意紫外线灯杀菌装置后面应安装内毒素过滤装置。
（3）内毒素过滤器：
内毒素过滤膜安装在反渗透装置下游，是水纯化的最后一步，与反渗透装置共同组成了清除内毒素的双保险。
（三）反渗水供水系统
反渗水供水系统有直接供水系统和间接供水系统两种，建议采用直接供水，两者主要区别如下（表3-1）。
表3-1 直接供水系统和间接供水系统的主要区别
对于供水管道，要求如下：
（1）供水管道是最容易滋生细菌的位置，因此在设计管道时，一定要注意减少无效腔和流速低的现象。
（2）管道材料的选择：不同的管道材料耐受的消毒方式不同，如U-PVC的材料不能热消毒，交联聚乙烯（PEX）、不锈钢等可耐受热消毒（表3-2）。
（3）可将水机、管道和透析机进行联机消毒，从而可以减少水机与透析机连接处的菌膜形成。
（4）主供水管路的出水口和回水口末端应安装取样口。
表3-2 管路材料与消毒剂的兼容性比对表
注：“√”表示适用的项目；“—”表示不适用的项目
（四）水处理系统的消毒及注意事项
1.化学消毒
使用化学消毒时，要求消毒剂应达到有效消毒浓度，消毒完成后，应能达到残留安全浓度。建议尽量避免采用甲醛作为消毒液，含氯物质作为消毒液时，残留浓度为0.1mg/L，含氯消毒仅适用于供水管路消毒。过氧乙酸作为消毒液时，残留浓度应小于0.1mg/L。
2.热消毒
对于设备的要求较高，需要耐热的管道和反渗膜。水温高于80℃并维持20分钟以上，在应用过程中要注意管道的保温。热消毒并不能够清除已经形成的生物膜，但是频繁的热消毒可以避免生物膜的形成。与化学消毒相比，热消毒的优点是冲洗时间短，不会造成化学物质的残留。
3.臭氧消毒
臭氧氧化能力极强，仅次于氟，能迅速分解有害物质，而杀菌能力强于氯，是氯的600~3000倍，因此是极强的消毒剂。因为它的强氧化性，只能对管道等部件进行消毒，对使用的材料及过程有严格要求。消毒时要求浓度0.2~0.5mg/L并保持10分钟以上，而且要严格控制空气中的泄漏量。
二、透析用水质量控制
【透析用水质量控制的意义】
供应透析中心自来水中的杂质根据其来源，可分为天然和人工添加的两种。天然杂质包括无机物（硫酸盐类、硝酸盐类）和有机物。如地下水以矿物质为主，硬度大，有机物和微生物含量少；地表水（包括河水、湖水等）以有机物为主、细菌含量高，硬度偏低。除了这些天然污染物以外，在自来水的生产过程中，常会添加一些其他的化学物质（表3-3）。
表3-3 城市自来水所添加的化学物质和目的
血液透析用水的标准要远远高于饮用水，这是因为：
1.透析治疗时要接触大量的水，健康人每天饮用约2L水，一周饮用水量14L，而透析患者每周会接触4h×60min×0.5L/min×3次/周=360L，接触水量远大于健康人。
2.透析患者缺乏健康人的肠道屏障和肾脏排泄的保护功能，其血液与透析用水之间只隔一层薄薄的半透膜，一些分子量小的物质如内毒素等很容易通过透析膜进入血液。因此，透析用水如果受到污染，有毒物质将会极易穿过透析膜进入血液循环，造成各种严重后果，甚至导致患者死亡（表3-4、表3-5）。
除了化学污染物之外，自来水中含有的不溶解颗粒、纤维和胶体等，会造成透析器堵塞，增加机器磨损造成故障。所以，无论是从保护患者还是保障设备正常运行的角度考虑，对透析用水的生产和管控工作都至关重要。
表3-4 有毒污染物对透析患者的不良作用
表3-5 临床症状和体征及其可能的水污染原因
【水处理各种指标的监测时间、频率及意义】
（一）水处理系统的监测（表3-6）
表3-6 水处理系统各部件的监测
（二）透析用水的质量监测
1.化学污染物
建议每年检测。新安装的水处理设备治疗前，反渗装置换膜后必须检测，具体指标见表3-7。
表3-7 透析用水有毒化学物和透析液电解质的最大允许量（参考YY 0572-2015：2017年1月1日起开始执行）
*除非有其他注明
2.细菌和内毒素（表3-8）
（1）建议每月至少做一次透析用水细菌培养，每3个月查一次内毒素含量。
（2）建议在血透机入口端及末端取样；做细菌培养时，建议多处采样。
表3-8 各个指南中细菌和内毒素的限值比较
（3）试样应在收集后4小时内进行检测，或立即冷藏，并在收集后24小时内检测。应采用常规的微生物检测方法（倾注平板法、涂布平板法、薄膜过滤法）获得细菌总数（标准培养皿计数），首选薄膜过滤法。
（4）培养基宜选用胰蛋白冻葡萄糖培养基（TGEA）、R2A营养琼脂培养基（R2A）或大豆酪蛋白琼脂培养基（TSA），不使用血琼脂培养基和巧克力琼脂培养基，推荐17~23℃的培养温度、7天的培养时间。
（5）使用鲎试剂（LAL）检测内毒素含量，推荐使用凝胶法。
（6）细菌数<100cfu/ml，内毒素<0.25EU/ml为合格。
【水处理系统】
（一）水处理系统的管理
1.透析中心主任在保障水处理系统正常运行上积极地担负领导角色，并承担水处理系统管理的最终职责。
2.医疗中心水处理系统和透析用水的供应要采取工程师负责、主管医生监督制，确保透析用水达标。
3.透析中心的主管医生应充分了解水处理的原理及运行流程，掌握透析用水不达标所产生的严重后果。
4.应至少三个月组织一次由透析室主任、主管医生及工程师参加的透析用水质量控制会议，对水处理系统的运行状况和透析用水的质量检测结果作细致的逐项评估，并对出现的问题作出处理的方案和未来的改进措施。
5.透析中心主管医生应随时检查水处理间和水处理设备运行参数表。
（二）水处理系统的维护和保养
1.每台水处理设备应有独立的工作日志，以记录其工作运行及维修情况。
2.水处理各个环节要定期检查后签字并及时更新，每一台机器上面要有注明水流方向和阀门位置的标签。每个标签上应有重要的压力、流速等仪器参数。同时标签上还应包括厂商的联系号码和操作指南的来源。
3.工程师或技术员应由设备生产厂商专门培训。
4.应按厂家要求对水处理设备进行维护和保养。
（三）水处理系统的应急处理措施
1.要保证每个透析中心应有水处理设备发生故障时的应急管理体系。
2.如水处理设备发生故障，按厂家所提供的应急方式，在确保透析用水安全的情况下，启动应急方式，同时联系厂家进行维修。
3.如发生停水停电，及时与相关部门确定停水及停电时间，上报透析中心主任，确定治疗方案。
（王 蓓 赵 伟）
【参考文献】
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