羅華生 劉 頌 梁景棠

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快和亞健康生活方式的增多，慢性腎衰竭發(fā)病率持續(xù)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(fēng)險的醫(yī)療技術(shù)，如果消毒不當(dāng)，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(yī)療負擔(dān)[2-3]。為了保障透析治療的質(zhì)量和安全，水處理系統(tǒng)及水質(zhì)量控制是其中重要環(huán)節(jié)。按照血液凈化標(biāo)準規(guī)定，透析用水管道末端采樣水質(zhì)要求細菌數(shù)必須＜200 cfu/ml，內(nèi)毒素必須＜2 EU/ml[4-5]。

血液透析設(shè)備經(jīng)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(tǒng)會使流速減慢，并增加系統(tǒng)的總流量和潮濕表面的面積。管道內(nèi)殘留液體中的革蘭氏陰性菌在經(jīng)過12 h靜置后會在潮濕的管道內(nèi)表面迅速繁殖，因此細菌與內(nèi)毒素的數(shù)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]?；诖耍狙芯恳匝和肝鲋行乃幚硌b置管道消毒系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計一種基于溫度控制的透析用水管道消毒系統(tǒng)，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(jiān)測臭氧水的溫度，消毒時根據(jù)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)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(jù)設(shè)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(zhì)，殺滅多種致病菌、霉菌及病毒，而且處理后在水中不產(chǎn)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(zhì)，因而在水處理消毒中應(yīng)用最為廣泛[10]。熱消毒因依靠高于80 ℃的熱水在管道中循環(huán)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(yīng)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(tǒng)均采用人工控制的辦法，在非供水期開啟循環(huán)泵將臭氧水、消毒劑或熱水輸送至循環(huán)管道進行消毒，人工監(jiān)測液體的濃度或溫度，根據(jù)經(jīng)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(jīng)系統(tǒng)都有較大影響，在使用臭氧消毒裝置時，還需要對區(qū)域中的環(huán)境空氣臭氧濃度進行監(jiān)測，以確保區(qū)域內(nèi)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(wěn)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(tǒng)中，水的pH值及色度都不變，假設(shè)臭氧的通氣流量恒定，即臭氧發(fā)生器以恒定功率工作，則水溫是影響水中臭氧濃度和穩(wěn)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(guān)系

基于水溶臭氧濃度和溫度的變化關(guān)系，在特定的透析用水管道消毒系統(tǒng)中，當(dāng)臭氧發(fā)生裝置和循環(huán)水泵的功率恒定時，管道中水溶臭氧濃度持續(xù)達到一定值以上所需要的時間只與水的溫度有關(guān)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(tǒng)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(yīng)的時間，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，可得到溫度和時間之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。利用溫度和時間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，只要采集到臭氧水的溫度數(shù)據(jù)，就可通過單片機控制管道消毒系統(tǒng)的工作時間。

2 透析用水管道消毒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

管道消毒系統(tǒng)由消毒水箱、臭氧發(fā)生器、循環(huán)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(guān)。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(huán)閥1、循環(huán)閥2和三通閥ab端→開啟臭氧發(fā)生器和循環(huán)泵→臭氧經(jīng)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(jīng)循環(huán)管道進行消毒后經(jīng)回水口注入消毒水箱，如此循環(huán)。溫度傳感器實時監(jiān)測臭氧水溫度，以控制消毒時間，消毒時間到，關(guān)閉臭氧發(fā)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 透析用水管道消毒系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

為了得到臭氧水溫度和消毒時間的關(guān)系，需在實際的管道消毒系統(tǒng)中測得數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)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(shè)計的管道消毒系統(tǒng)設(shè)置臭氧濃度達到＞1.2 mg/L并持續(xù)15 min。手動控制管道消毒系統(tǒng)，用臭氧濃度檢測儀實時監(jiān)測消毒水箱內(nèi)臭氧水的臭氧濃度，當(dāng)臭氧濃度達到1.2 mg/L時，臭氧發(fā)生器的工作時間記為t。模擬得到兩者的數(shù)學(xué)關(guān)系，滿足t=35.76e0.032T指數(shù)方程，得到消毒時間(t1)與臭氧水的溫度(T)的關(guān)系，其計算為公式1：

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

圖2 臭氧發(fā)生器工作時間與臭氧水溫度關(guān)系曲線圖

4 透析用水管道消毒系統(tǒng)電氣控制設(shè)計

電氣控制是實現(xiàn)整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的重要工具，實現(xiàn)對臭氧水溫度的監(jiān)測及對閥門、循環(huán)泵和臭氧發(fā)生器的控制。電氣控制部分主要包括硬件電路設(shè)計和軟件流程設(shè)計。

4.1 硬件電路設(shè)計

管道消毒系統(tǒng)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(tǒng)硬件電路示意圖

(1)測溫模塊。溫度傳感器采用SLST-3工業(yè)型的數(shù)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(shù)，硬件設(shè)計簡單[16]。

(2)繼電器模塊。在管道消毒系統(tǒng)中將其數(shù)據(jù)線DQ與AT89C51單片機的P1.2口連接，即可實現(xiàn)傳感器與微控制器之間的數(shù)據(jù)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(huán)閥1、循環(huán)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(huán)泵和臭氧發(fā)生器工作。

4.2 軟件流程設(shè)計

管道消毒系統(tǒng)觸發(fā)后，單片機對開關(guān)量和模擬量進行實時監(jiān)測，并輸出信號控制各部件協(xié)調(diào)工作，軟件流程如圖4所示。

圖4 管道消毒系統(tǒng)軟件流程圖

4.3 實驗驗證

為了驗證管道消毒系統(tǒng)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(shè)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(shè)定濃度的最大絕對誤差為0.02 mg/L，曲線擬合的結(jié)果可滿足系統(tǒng)的消毒要求(見表1)。

表1 實測臭氧水濃度的誤差(mg/L)

5 結(jié)論

本研究設(shè)計的管道消毒系統(tǒng)關(guān)鍵是獲得不同溫度環(huán)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(shè)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(shè)計有恒溫系統(tǒng)程序。然而，數(shù)學(xué)關(guān)系式的模擬結(jié)果只適用于本系統(tǒng)，實際使用時，需要根據(jù)不同裝置實測的消毒液體流速、供水管內(nèi)徑及長度數(shù)據(jù)進行模擬得到。

本研究系統(tǒng)以肇慶市第一人民醫(yī)院血液透析中心水處理裝置管道消毒系統(tǒng)為基礎(chǔ)，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(guān)，用溫度傳感器實時監(jiān)測臭氧水的溫度，并根據(jù)溫度的不同自動控制消毒時間，以達到消毒效果，同時增設(shè)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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