基于温度控制的透析用水管道消毒系统设计

罗华生 刘 颂 梁景棠

随着现代生活节奏的加快和亚健康生活方式的增多，慢性肾衰竭发病率持续增高，仅2010年全球接受血液透析治疗的患者已超200万[1]。血液透析治疗是一项高风险的医疗技术，如果消毒不当，容易造成病毒性肝炎等传染性疾病的传播，进而加重患者的痛苦和医疗负担[2-3]。为了保障透析治疗的质量和安全，水处理系统及水质量控制是其中重要环节。按照血液净化标准规定，透析用水管道末端采样水质要求细菌数必须＜200 cfu/ml，内毒素必须＜2 EU/ml[4-5]。

血液透析设备经常采取较大直径和较长的水管来满足所需的流量，而较大号的管道系统会使流速减慢，并增加系统的总流量和潮湿表面的面积。管道内残留液体中的革兰氏阴性菌在经过12 h静置后会在潮湿的管道内表面迅速繁殖，因此细菌与内毒素的数量是与管道的体积和表面积成比例，此类菌落的繁殖会形成一层难以去除的生物膜[6-7]。基于此，本研究以血液透析中心水处理装置管道消毒系统为基础，设计一种基于温度控制的透析用水管道消毒系统，并将原来的手动控制改为由单片机控制，以臭氧消毒为主要方式，用温度传感器实时监测臭氧水的温度，消毒时根据温度的不同自动控制消毒时间，以达到消毒效果。

1 透析用水管道消毒系统设计思路

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确的系统设计和操作，以及对管道的定期消毒[8]。目前，透析用水管道消毒的方式主要有臭氧消毒、含氯消毒剂消毒及热消毒[9]。不同的水处理厂家根据设计工艺的不同会采取其中一种消毒方式。

臭氧因其具有极强的氧化能力，可以降解水中多种杂质，杀灭多种致病菌、霉菌及病毒，而且处理后在水中不产生二次污染，多余的臭氧也会较快分解为氧气，而不像含氯消毒剂在水中易形成氯氨、氯仿等致癌物质，因而在水处理消毒中应用最为广泛[10]。热消毒因依靠高于80 ℃的热水在管道中循环进行消毒，对透析用水管道工艺要求较高，且需要较长时间才能达到相应的消毒效果[11]。

1.2 臭氧消毒装置

目前，大部分在用的透析用水管道消毒系统均采用人工控制的办法，在非供水期开启循环泵将臭氧水、消毒剂或热水输送至循环管道进行消毒，人工监测液体的浓度或温度，根据经验控制消毒时间以达到消毒效果。因臭氧对人体皮肤、呼吸道和神经系统都有较大影响，在使用臭氧消毒装置时，还需要对区域中的环境空气臭氧浓度进行监测，以确保区域内人员的健康和安全[12-13]。臭氧虽然对各种水中的微生物有较强的杀灭作用，但在水中很不稳定。臭氧在水中的溶解能力受到水中温度、pH值、色度和臭氧的通气流量等因素的影响[14]。在一个固定的透析用水管道消毒系统中，水的pH值及色度都不变，假设臭氧的通气流量恒定，即臭氧发生器以恒定功率工作，则水温是影响水中臭氧浓度和稳定性的主要因素。低温时臭氧在水中分解速度慢，高温时在水中分解速度快，而分解速度常用半衰期来表示。有研究表明，水温对水中臭氧半衰期的影响非常显著，在0 ℃时水中臭氧的半衰期可达到45 min，而随着水温的逐渐升高，臭氧的半衰期快速降低，在40 ℃时臭氧的半衰期只有3 min[15]。高温不利于臭氧在水中的溶解，同时也会加速臭氧分解。

1.3 水溶臭氧浓度和温度的变化关系

基于水溶臭氧浓度和温度的变化关系，在特定的透析用水管道消毒系统中，当臭氧发生装置和循环水泵的功率恒定时，管道中水溶臭氧浓度持续达到一定值以上所需要的时间只与水的温度有关系。水的温度越低，所需要的时间越少；水的温度越高，所需要的时间越多。因此，可以在特定的系统中测得不同水温下管道中水溶臭氧浓度达到一定值以上对应的时间，根据测得的数据，建立数学模型，可得到温度和时间之间的数学关系。利用温度和时间的数学关系式，只要采集到臭氧水的温度数据，就可通过单片机控制管道消毒系统的工作时间。

2 透析用水管道消毒系统结构及工作流程

管道消毒系统由消毒水箱、臭氧发生器、循环泵、射流器和电磁阀门等组成，消毒水箱里面安装温度传感器和液位开关。具体工作流程为：开启水处理机制水，向消毒水箱注入透析用水400 L→打开循环阀1、循环阀2和三通阀ab端→开启臭氧发生器和循环泵→臭氧经防回水装置进入射流管，与透析用水混合，制造臭氧水→臭氧水经循环管道进行消毒后经回水口注入消毒水箱，如此循环。温度传感器实时监测臭氧水温度，以控制消毒时间，消毒时间到，关闭臭氧发生器，打开三通阀bc端，排放臭氧水冲刷管道(如图1所示)。

图1 管道消毒系统结构图

3 透析用水管道消毒系统数学模型建立

为了得到臭氧水温度和消毒时间的关系，需在实际的管道消毒系统中测得数据并进行数据模拟。臭氧浓度为0.98 mg/L的臭氧溶液，作用10 min可100%杀灭大部分种类的细菌和病毒[16]。为确保达到理想的消毒效果，本研究设计的管道消毒系统设置臭氧浓度达到＞1.2 mg/L并持续15 min。手动控制管道消毒系统，用臭氧浓度检测仪实时监测消毒水箱内臭氧水的臭氧浓度，当臭氧浓度达到1.2 mg/L时，臭氧发生器的工作时间记为t。模拟得到两者的数学关系，满足t=35.76e0.032T指数方程，得到消毒时间(t1)与臭氧水的温度(T)的关系，其计算为公式1：

改变水的温度，测得一组数据，经过曲线拟合得到臭氧水的温度(T)与臭氧发生器工作时间(t)的曲线图，如图2所示。

图2 臭氧发生器工作时间与臭氧水温度关系曲线图

4 透析用水管道消毒系统电气控制设计

电气控制是实现整个系统协调工作的重要工具，实现对臭氧水温度的监测及对阀门、循环泵和臭氧发生器的控制。电气控制部分主要包括硬件电路设计和软件流程设计。

4.1 硬件电路设计

管道消毒系统的硬件电路包括测温模块和继电器模块，硬件电路如图3所示。

图3 管道消毒系统硬件电路示意图

(1)测温模块。温度传感器采用SLST-3工业型的数字化温度传感器DS18B20，该温度传感器采用不锈钢外壳封装，防水防潮，且使用单总线技术，硬件设计简单[16]。

(2)继电器模块。在管道消毒系统中将其数据线DQ与AT89C51单片机的P1.2口连接，即可实现传感器与微控制器之间的数据传输。继电器模块由三极管、光耦和24 V继电器组成，由单片机的P2口控制。单片机P2.0、P2.1及P2.2通过继电器模块控制循环阀1、循环阀2和三通阀工作；单片机P2.3、P2.4通过继电器模块控制交流接触器使循环泵和臭氧发生器工作。

4.2 软件流程设计

管道消毒系统触发后，单片机对开关量和模拟量进行实时监测，并输出信号控制各部件协调工作，软件流程如图4所示。

图4 管道消毒系统软件流程图

4.3 实验验证

为了验证管道消毒系统的消毒效果，需要实验测得在不同的温度下臭氧水在t时的臭氧浓度值，并与设定值进行比较，得出两者的绝对误差。t时刻臭氧水的实测浓度与设定浓度的最大绝对误差为0.02 mg/L，曲线拟合的结果可满足系统的消毒要求(见表1)。

表1 实测臭氧水浓度的误差(mg/L)

5 结论

本研究设计的管道消毒系统关键是获得不同温度环境下制得一定浓度的臭氧水所需要的时间。为保证温度的恒定，设计时在消毒水箱中置入了加热丝，和温度传感器一并接入单片机，设计有恒温系统程序。然而，数学关系式的模拟结果只适用于本系统，实际使用时，需要根据不同装置实测的消毒液体流速、供水管内径及长度数据进行模拟得到。

本研究系统以肇庆市第一人民医院血液透析中心水处理装置管道消毒系统为基础，以臭氧消毒为主要方式，通过在消毒水箱中接入温度传感器和水位开关，用温度传感器实时监测臭氧水的温度，并根据温度的不同自动控制消毒时间，以达到消毒效果，同时增设了自动排空和冲洗功能，可在消毒完成后尽快提供用于透析治疗的纯水。整个过程由单片机进行自动控制，确保消毒效果的同时免除了人工操作过程中臭氧对人体的影响。

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