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医用纯化水设备系统设计综述

医用纯化水设备系统设计综述

                 

近年来,随着国家对医疗卫生基础设施投入的加大,全国各地医院的新建、迁建、扩建工程逐渐进入了高峰医用净水系统也逐渐被规模较大的综合性医院纳入到设计与规划中。医用净水系统的重要程度不亚于医用气体系统,一套安全可靠的医用净水系统源自设计过程中的严谨和细致。本文主要从净水的分类、工艺流程设计、输送系统设计、运行管理系统设计、机房设计 5个方面进行探讨与分析。
一、
医用纯化水设备产水分类

医院的水源绝大部分均来自于市政自来水,因此原水的指标均应符合《生活饮用水卫生标准》。但是医院很多专业科室均需要对原水进行水质处理才能达到实际使用的要求,由于水质指标要求的差异性,从而决定了医用净水系统“集中制水、分质供水”的系统特性。医用净水按水质指标差异主要分如下几种:
(一)血液透析用水
原水经净水系统处理后滤除固形颗粒、细菌、病毒、内毒素、有害离子,供血透机用水和透析液配制用水,终端水质指标达到血液透析和相关治疗用水标准万方数据(YY0572-2005)。使用科室主要为:血透中心、ICU等。
(二)器械清洗消毒用水
原水经净水系统处理后滤除固形颗粒、细菌、病毒、有害离子,终端水质指标达到《医院消毒供应中心第 1部分:管理规范》(WS310.1-2009)和《医院消毒供应中心第 2部分:清洗消毒及灭菌技术操作规范》( WS310.1-2009)的相关要求,由于这两个规范对器械
清洗用水的指标要求为建议性的框架要求,因此比对国外消毒供应中心的用水要求和主流大型自动清洗机的进水水质指标要求,建议采用欧盟 EN 285标准。使用科室主要为:中心供应室、手术部供应室、手术部洗消间、内镜清洗室、DSA导管清洗间、口腔科等。清洗用水的指标要求为建议性的框架要求,因此比对国外消毒供应中心的用水要求和主流大型自动清洗机的进水水质指标要求,建议采用欧盟 EN 285标准。使用科室主要为:中心供应室、手术部供应室、手术部洗消间、内镜清洗室、DSA导管清洗间、口腔科等。原水经净水系统处理后滤除固形颗粒、细菌、病毒、有害离子,终端水质指标达到《医院消毒供应中心第 2部分:清洗消毒及灭菌技术操作规范》(WS310.1-2009)附录D 表 D.1的指标要求。使用科室主要为:中心供应室。
(四)生化检验用水
原水经净水系统处理后几乎滤除全部杂质和离子,终端水质指标达到《中国国家实验室分析用水标准》(GB/T6682-2008)中一级水指标和 2005版药典纯化水指标。使用科室主要为:生化检验科、病理科、药物配置中心等。
(五)手术刷手用水
原水经净水系统处理后滤除固形颗粒、细菌、病毒,终端水质指标、离子指标与原水基本一致,固形颗粒和细菌的滤除率>99%,因此又被称为无菌冲洗水。以上 5种水基本上涵盖了一个综合性医院的常用净水种类,其他类型的特殊用水可以根据具体的要求在以上 5种水的基础上对净水工艺进行微调就可以实现。

 

二、医药纯化水设备工艺设计
医用净水系统的设计实际上是设计一个过滤系统将原水中杂质脱除的过程,杂质的物理尺寸从大到小依次为固形颗粒 >细菌 >病毒 >内毒素 >杂质离子。从杂质过滤的难易程度来看,最高的过滤精度是对杂质离子的过滤,也就是水处理技术中的脱盐工艺。从净水的分类可以看出,除手术刷手用水对离子脱除没有要求外,其余用水都有脱盐的要求。实现脱盐的工艺常用的有反渗透、离子交换、 EDI电渗析、蒸馏 4种方式,其中以反渗透工艺应用最为广泛,特别是随着反渗透元件性价比的大幅提升,反渗透技术承担医用净水系统的核心也是大势所趋。在确定了医用净水系统以反渗透工艺为主线工艺后,系统严格遵循预处理、反渗透、后处理的分级处理原则,合理设计各级膜与非膜处理工艺及其先后次序,是确保系统稳定可靠的必要条件。

(一)预处理系统设计要点

反渗透膜工艺在进行水体脱盐处理的同时,几乎可以截留系统进水中的全部悬浮物,无机物,有机物,微生物等杂质,同时反渗透膜结构的特征决定了若没有合理的预处理系统流程反渗透膜很快就会被杂质污染和堵塞,因此为使反渗透膜系统能够持续稳定工作,保持良
好特性,根据分级工艺处理原则,必须在膜系统的进水前设置预处理系统。
根据常用反渗透膜元件的技术特征,预处理系统的出水指标一般需要满足如下的条件:
1.余氯浓度低于 0.1mg/L;
2.污染指数(SDI)低于 5;
3.难溶盐的饱和度低于100%,碳酸钙结构趋势指标LSI值小于零;
4.铁离子含量低于 0.3mg/L,锰离子含量低于0.05mg/L;
医用净水系统的预处理流程需要根据原水的指标进行设置,一般采用传统的多介质滤器 ->软水器 ->活性炭滤器 ->精密滤器的工艺流,这样就可以达到反渗透进水的指标要求。
多介质滤器一般采用无烟煤 +石英砂组合的双层或三层滤料布置,上层滤料为相对的大粒径、低密度滤料,下层滤料为相对的小粒径、高密度滤料。滤层厚度应采取上层厚度高于下层厚度的原则。滤速的设计一般控制在10 m/h ~15m/h。
软水器采用阳离子交换树脂将原水中的难溶盐的钙镁离子用钠离子进行置换,从而达到水质软化的效果,确保反渗透系统的给水被浓缩时 CaCO 3、 CaSO 4、 MgSO 4不会因饱和析出而在膜面结垢。树脂软化工艺基本上采用动态固定式单层床结构,选用进口或国产食品卫生级
的 001*7湿态树脂,当底层树脂失效后软水器就失去软化功能,因此必须在树脂交换饱和前进行及时的再生。因此软水器需要配置一套树脂再生装置,定期对软化树脂进行再生。
医用净水系统中的活性炭滤器一般选用果壳(椰壳最佳)型活性炭滤料,活性炭表面布满平均直径为2~3nm的微孔,具有 500~1500m/g的比表面积,颗粒型活性炭的粒径为
1~4mm,填充密度约为 0.5Kg/L。活性炭可吸附 60%~80%的胶体,吸附 50%~70%的有机物,还原几乎全部游离氯等氧化剂,对降低总有机炭( TOC)也有一定功效。
反渗透系统入口的精密滤器一般也称为保安滤器,一般选用 5um滤芯,其作用是防止微小颗粒在经高压泵加压后击穿反渗透膜,从而造成破膜,同时也可以防微小的颗粒划伤高压泵的叶轮和内腔。在经过以上的预处理工艺后,预处理系统的出水指标完全可以保证反渗透系统的正常运行。

(二)反渗透系统设计要点
医用净水系统中的反渗透系统设计是以进水水质、产水水质与产水流量为依据,设计系统中的膜元件、膜外壳、高压泵三大设备参数,计算系统中的回收率、脱盐率、浓差极化度、段均通量比等主要技术参数,并得出运行能耗、投资成本、运行成本等主要经济指标。由于聚酰胺卷式复合膜占据了绝大部分膜市场,因此医用净水系统的膜元件都选用高品质的芳香聚酰胺卷式复合膜,考虑到医用净水系统的安全性和稳定性,一般以进口的膜元件为主。膜元件的尺寸以 4英寸(4040)和 8英寸(8040)为主,根据原水水质指标和医用净水的产水指标反渗透膜选用苦咸水膜,工作压力在 1.00~1.55MPa。在考虑安全系数的前提下,一般一支 4040的膜产水流量设计按 250L/H设计,8040的膜产水流量按 1000L/H设计。(实际指标需参考膜元件厂商提供的技术规格书)。系统的回收率一般设计在65%~75%,脱盐率指标控制在 95%以上。膜的组合排列形式可以通过膜元件厂商的计算软件或凭经验进行排列,通过膜元件厂商的计算软件需要输入详细的原水指标,而自来水厂的详细指标一般不大容易获得,实际操作中一般以经验为主,在东南沿海地区一般以地表水为市政自然水的水源,实践证明以经验法设计一般都可以满足净水系统的出水指标。在中西部地区以地下水为主的市政自来水我们一般需要对原水进行详细的水质检测,预防有害离子指标超标。膜元件的数量及排列已经确定的情况下,膜壳的选择就比较容易了,根据工作压力,膜壳的耐压一般达到300PSI就可以了,材质一般为不锈钢或玻璃钢, 8英寸以上的膜壳一般都是玻璃钢材质,膜壳的卫生级别为食品卫生级。按膜壳内元件容量的不同分为单芯、双芯、三芯、多芯,在医用净水系统中由于机房场地的限制加上设备的整体美观的考虑,一般不选用高于三芯的膜壳。国内的膜壳专业厂家技术越来越成熟,产品质量一般都可以保证,供应周期也比较短,加上耐压级别较低,因此在医用净水系统中国产膜壳已经成为首选。反渗透系统中高压泵的技术参数主要是流量和扬程,流量的确定根据反渗透膜元件的进水流量要求进行配置,一般设计余量在 10%~20%。根据反渗透元件的工作压力选择泵的扬程,设计的范围在 120m~160m之间。泵的型式以立式多级离心泵为主。根据医用净水系统的特点,一般高压泵的过流材质(叶轮、泵腔、轴)选择 304不锈钢或 316不锈钢。医用净水系统中高压泵的可靠性要求比一般的水处理系统要求更高,因此我们建议选择进口主流品牌或国产高档品牌的产品。高压泵由于功耗较大,因此从节能角度出发,一般需要设计压力变频控制来降低能耗,降低系统的运行成本。
(三)后处理系统设计要点
进水在经过反渗透系统处理后,对照医用净水的分类指标的要求,已经可以满足大部分指标要求,但还不能完全达到,因此需要对一级反渗透产水进行差别化的后处理,以严格达到净水指标要求,特别是长时间运行过程中的水质的持续保证。后处理系统一般由纯水箱、深度水质处理器、灭菌器、末端过滤器组成。
纯水箱材质一般选择 304或 316不锈钢,内外双抛光;容量的设计根据产品水的用量进行设计,太大或太小的水箱都是不合适的,太大的水箱会导致产品水新鲜度下降,太小的水箱会发生高峰期用水时主机的频繁启停。纯水箱要求内置浸没式紫外杀菌器,顶部装空气过滤器,滤膜精度 0.22μm,内部进水口装万向喷淋洗球和水流转向导管,外装液位可视器;桶体上顶、下底采用锅型冲压成型封头,不得采用板材加工焊接成型封头;每套纯水箱须有 Ф600以上的清洗人孔。
血液透析用水:血透用水水质处理器一般又叫血透水机,该设备属二类医疗器械,因此该设备必须具有国家医疗器械注册证( 6845二类医疗器械)方可选用,采用一级或二级反渗透工艺进行水质处理以使产水达到血液透析用水标准。其他的辅助功能性需求为具有自动消毒功能,具有恒压直供功能,具有应急短路操作等,确保设备能长期安全运行。器械清洗消毒用水:反渗透系统的产水通过过流式UV杀菌装置,辐射器应采用波长 254nm的低压汞灯,辐射量至少为 40mJ/cm 2,灯管寿命在 8000小时以上(一年更换一次)。再通过 0.22um的末端过滤器后基本能满足器械清洗消毒用水的指标要求,高温灭菌器用水:由于一级反渗透装置的脱盐效果无法可靠的满足该部分水质指标,因此需要一套专用的反渗透装置或 EDI装置进一步脱盐处理,具体的选择应根据前级系统的产水指标和净水需求量结合成本做出合适的选择,总的来讲从指标实现和使用成本上 EDI装置具有比较明显的优势,但不绝对。通过深度水质处理后,达到离子浓度指标的产水再需要经过 UV杀菌装置和0.22um的末端过滤器就可以供高温灭菌器使用了。生化检验用水:该部分用水是所有产品水中纯度最高的水,又被称为高纯水。基本上要求将水中的杂质离子脱除彻底,从而达到分析实验的要求。按照分析实验
室一级水的要求,医用净水系统设计中一般需要将一级反渗透系统的产水经过混床树脂交换塔或采用 EDI装置深度去除离子。这两种工艺从本质上来说都是采用离子交换技术,所谓离子交换就是水中的离子和离子交换树脂上的功能基团所进行的等电荷反应。它利用阴、阳离
子交换树脂上的活性基团对水中阴、阳离子的不同选择性吸附特性,在水与离子交换树脂接触的过程中,阴离子交换树脂中的氢氧根离子( OH-)同溶解在水中的阴离子(例如 CI-等)交换,阳离子交换树脂中的氢离子(H+)同溶解在水中的阳离子(例如 Na+等)交换。从而使溶解在水中的阴、阳离子被去除,达到纯化的目的。两者的区别在于对树脂的再生方式前者采用的是化学再生后者使用的是电再生,前者需要定期更换混床树脂,后者则在寿命期无需更换耗材。总体而言,随着 EDI技术的进步,高纯水制备领域 EDI的优越性逐渐显现,因此首选EDI。
手术刷手用水:从医院感控的角度出发将原水中的细菌、病毒进行脱除后供给手术台刷手台盆,特别是中心手术净化区域内的刷手台盆,应该说有百利而无一害。该部分用水对于离子含量的要求与原水基本一致,因此无须经过反渗透系统,一般在医用净水系统设计中采用水经预处理系统处理后通过超滤( UF)或微滤( MF)后经 UV杀菌达到杂质过滤和灭菌的效果。该部分用水还需要考虑热水的供应,可以采用台盆下置分体式加热器或集中加热器的方式对产品水加热后经混合阀供应至刷手龙头。

 

三、医用纯化水设备输送系统设计
经后处理后达标的净化水需要一套于此匹配的输送系统才能输送至各用水科室,根据医用净水系统的特征,该输送系统要求每路纯水设计成全封闭、串联的循环输送管路。该系统主要由输送水泵、管路、阀门(件)组成。
(一)输送水泵
根据医用净水系统的特征,一般要求纯水输送泵的过流材质不低于 304不锈钢。每路输送泵必须采用一开一备设计,并要求运行中的泵遇故障时,备用泵能自动切换运行,为保证系统的压力保持恒定,建议采用压力变频方式调节输送泵的输出,同时也可以达到节能的目的。

(二)管路
由于医用净水系统的输送管路基本与基建设施同步施工,很多区域还会采用预埋件,因此必须选择能和建筑物寿命匹配的管路材质。根据实际的使用效果,首选卫生级不锈钢管路,材质选用 304或 316不锈钢。在管路的路由设计上采用全串联单回路的方式,即采用下层进水上层回水或上层进水下层回水的方式,在管路系统设计中重点是尽可能消除循环水流无法冲刷的“死水点”,因为 “死水点 ”的存在会加大细菌指标超标的风险。管路的施工工艺建议采用焊接的方式,虽然焊接工艺相对比较复杂,施工成本高,但投入使用后后续的管路渗漏风险就可以避免,这也是其他管路施工工艺(卡压式、环压式、沟槽式等)所无法保证的。风险就可以避免,这也是其他管路施工工艺(卡压式、环压式、沟槽式等)所无法保证的。医用净水系统的阀门(件)的选择,也是确保系统能否可靠安全的重要环节,因此要求选择阀门(件)的过流材质与管路材质匹配,高品质的卫生级不锈钢阀门(件)是首选。

 

四、医用纯化水设备运行管理系统设计
传统的水处理设备一般仅提供有限的现场检测仪表及单机设备的管理接口,作为医用净水系统设备,这些手段是远远不够的,特别在医院信息化建设水平日新月益的大背景下,只提供简单的现场控制手段就显得落后了。
医用净水系统要求全自动全天候无人值守运行,系统自动控制分本地设备控制层和集中运行控制层,本地设备控制层至少提供中央运行机组和血透水机的独立控制,集中运行控制层采用服务器或高性能工控机运行平台,两层通过网络通讯进行无缝连接,本地层在脱离集中运行控制层时能独立操作不影响正常使用,本地历史数据提供不少于 48小时的运行记录。提供网络远程监控功能,支持实时故障报警与自动故障隔离并提供历史数据存档,为医院建筑智能化系统留有集成接口以便集中管理(只监不控),提供分级(不少于 5级)的用户权限管理,确保系统安全。

 

五、医用纯化水设备机房设计
医用净水系统的机房设计也是系统设计中很重要的一个环节,前期规划设计中必须将水机房的配套公用设施做好预留才能确保系统的安全,同时也能最大程度地减少对建筑安全的隐患,因此这里提出一个概要性的设计导则供参考,本导则以 20T/H产水量的机房为例——水机房一般不占用办公用房及病房,基本上以技术层和地下层为主,楼层净高不低于 2.2m;机房设备总占地面积为 80~120m 2为宜(最小不得小于 60m 2),机房门为双开门,高 2m宽 2.5m为宜;水机房需要市政自来水接入,进水管径为≥ 65mm, Q ≥ 30m3/H;水机房尽可能靠近水管道井,送 /回水管道采用走廊吊顶敷设进入各用水点;水机房在正常运转过程中产生废水较少,但在调试阶段及设备维护消毒阶段需要排水,因此排水系统管径略大于进水管即可;水机房设备正常运转不会产生溢水,考虑维护及液位传感器失效的概率,因此需要在机房低处设计地漏及沟道,地面做小坡度散水处理;水机房若不用地下层,地面需做防水处理;机房设备正常运转时总荷重 ≤ 25T,楼层承重若不满足,则需要加固处理;
机房设备用电需从配电间单独敷设三相五线供电置机房配电柜,总容量不小于 50KVA;系统运行支持网络化远程监控(只监不控),因此机房至少需预留一个数据信息点和一个语音信息点,信息点采用双口面板墙装,离地
30cm;机房照明按照普通机房设计。

如上五个设计环节是一个完善的医用净水系统设计前提条件,在设计过程中设计师还需要在医院建筑设计规划阶段与建设单位做详细地沟通,充分地了解医院的实际需求,结合医院建筑的功能性区块合理地设计用水点和用水量。随着净水系统用途的逐渐丰富,设计师需要前瞻性地考虑医院建筑后期使用的扩展性,确保系统设计规模和容量与发展趋势所匹配。



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