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醫用純化水設備係統設計綜述

                 

近年來,隨著國家對醫療衛生基礎設施投入的加大,全國各地醫院的新建、遷建、擴建工程逐漸進入了高峰醫用淨水係統也逐漸被規模較大的綜合性醫院納入到設計與規劃中。醫用淨水係統的重要程度不亞於醫用氣體係統,一套安全可靠的醫用淨水係統源自設計過程中的嚴謹和細致。本文主要從淨水的分類、工藝流程設計、輸送係統設計、運行管理係統設計、機房設計 5個方麵進行探討與分析。
一、
醫用純化水設備產水分類

醫院的水源絕大部分均來自於市政自來水,因此原水的指標均應符合《生活飲用水衛生標準》。但是醫院很多專業科室均需要對原水進行水質處理才能達到實際使用的要求,由於水質指標要求的差異性,從而決定了醫用淨水係統“集中製水、分質供水”的係統特性。醫用淨水按水質指標差異主要分如下幾種:
(一)血液透析用水
原水經淨水係統處理後濾除固形顆粒、細菌、病毒、內毒素、有害離子,供血透機用水和透析液配製用水,終端水質指標達到血液透析和相關治療用水標準萬方數據(YY0572-2005)。使用科室主要為:血透中心、ICU等。
(二)器械清洗消毒用水
原水經淨水係統處理後濾除固形顆粒、細菌、病毒、有害離子,終端水質指標達到《醫院消毒供應中心第 1部分:管理規範》(WS310.1-2009)和《醫院消毒供應中心第 2部分:清洗消毒及滅菌技術操作規範》( WS310.1-2009)的相關要求,由於這兩個規範對器械
清洗用水的指標要求為建議性的框架要求,因此比對國外消毒供應中心的用水要求和主流大型自動清洗機的進水水質指標要求,建議采用歐盟 EN 285標準。使用科室主要為:中心供應室、手術部供應室、手術部洗消間、內鏡清洗室、DSA導管清洗間、口腔科等。清洗用水的指標要求為建議性的框架要求,因此比對國外消毒供應中心的用水要求和主流大型自動清洗機的進水水質指標要求,建議采用歐盟 EN 285標準。使用科室主要為:中心供應室、手術部供應室、手術部洗消間、內鏡清洗室、DSA導管清洗間、口腔科等。原水經淨水係統處理後濾除固形顆粒、細菌、病毒、有害離子,終端水質指標達到《醫院消毒供應中心第 2部分:清洗消毒及滅菌技術操作規範》(WS310.1-2009)附錄D 表 D.1的指標要求。使用科室主要為:中心供應室。
(四)生化檢驗用水
原水經淨水係統處理後幾乎濾除全部雜質和離子,終端水質指標達到《中國國家實驗室分析用水標準》(GB/T6682-2008)中一級水指標和 2005版藥典純化水指標。使用科室主要為:生化檢驗科、病理科、藥物配置中心等。
(五)手術刷手用水
原水經淨水係統處理後濾除固形顆粒、細菌、病毒,終端水質指標、離子指標與原水基本一致,固形顆粒和細菌的濾除率>99%,因此又被稱為無菌衝洗水。以上 5種水基本上涵蓋了一個綜合性醫院的常用淨水種類,其他類型的特殊用水可以根據具體的要求在以上 5種水的基礎上對淨水工藝進行微調就可以實現。

 

二、醫藥純化水設備工藝設計
醫用淨水係統的設計實際上是設計一個過濾係統將原水中雜質脫除的過程,雜質的物理尺寸從大到小依次為固形顆粒 >細菌 >病毒 >內毒素 >雜質離子。從雜質過濾的難易程度來看,最高的過濾精度是對雜質離子的過濾,也就是水處理技術中的脫鹽工藝。從淨水的分類可以看出,除手術刷手用水對離子脫除沒有要求外,其餘用水都有脫鹽的要求。實現脫鹽的工藝常用的有反滲透、離子交換、 EDI電滲析、蒸餾 4種方式,其中以反滲透工藝應用最為廣泛,特別是隨著反滲透元件性價比的大幅提升,反滲透技術承擔醫用淨水係統的核心也是大勢所趨。在確定了醫用淨水係統以反滲透工藝為主線工藝後,係統嚴格遵循預處理、反滲透、後處理的分級處理原則,合理設計各級膜與非膜處理工藝及其先後次序,是確保係統穩定可靠的必要條件。

(一)預處理係統設計要點

反滲透膜工藝在進行水體脫鹽處理的同時,幾乎可以截留係統進水中的全部懸浮物,無機物,有機物,微生物等雜質,同時反滲透膜結構的特征決定了若沒有合理的預處理係統流程反滲透膜很快就會被雜質汙染和堵塞,因此為使反滲透膜係統能夠持續穩定工作,保持良
好特性,根據分級工藝處理原則,必須在膜係統的進水前設置預處理係統。
根據常用反滲透膜元件的技術特征,預處理係統的出水指標一般需要滿足如下的條件:
1.餘氯濃度低於 0.1mg/L;
2.汙染指數(SDI)低於 5;
3.難溶鹽的飽和度低於100%,碳酸鈣結構趨勢指標LSI值小於零;
4.鐵離子含量低於 0.3mg/L,錳離子含量低於0.05mg/L;
醫用淨水係統的預處理流程需要根據原水的指標進行設置,一般采用傳統的多介質濾器 ->軟水器 ->活性炭濾器 ->精密濾器的工藝流,這樣就可以達到反滲透進水的指標要求。
多介質濾器一般采用無煙煤 +石英砂組合的雙層或三層濾料布置,上層濾料為相對的大粒徑、低密度濾料,下層濾料為相對的小粒徑、高密度濾料。濾層厚度應采取上層厚度高於下層厚度的原則。濾速的設計一般控製在10 m/h ~15m/h。
軟水器采用陽離子交換樹脂將原水中的難溶鹽的鈣鎂離子用鈉離子進行置換,從而達到水質軟化的效果,確保反滲透係統的給水被濃縮時 CaCO 3、 CaSO 4、 MgSO 4不會因飽和析出而在膜麵結垢。樹脂軟化工藝基本上采用動態固定式單層床結構,選用進口或國產食品衛生級
的 001*7濕態樹脂,當底層樹脂失效後軟水器就失去軟化功能,因此必須在樹脂交換飽和前進行及時的再生。因此軟水器需要配置一套樹脂再生裝置,定期對軟化樹脂進行再生。
醫用淨水係統中的活性炭濾器一般選用果殼(椰殼最佳)型活性炭濾料,活性炭表麵布滿平均直徑為2~3nm的微孔,具有 500~1500m/g的比表麵積,顆粒型活性炭的粒徑為
1~4mm,填充密度約為 0.5Kg/L。活性炭可吸附 60%~80%的膠體,吸附 50%~70%的有機物,還原幾乎全部遊離氯等氧化劑,對降低總有機炭( TOC)也有一定功效。
反滲透係統入口的精密濾器一般也稱為保安濾器,一般選用 5um濾芯,其作用是防止微小顆粒在經高壓泵加壓後擊穿反滲透膜,從而造成破膜,同時也可以防微小的顆粒劃傷高壓泵的葉輪和內腔。在經過以上的預處理工藝後,預處理係統的出水指標完全可以保證反滲透係統的正常運行。

(二)反滲透係統設計要點
醫用淨水係統中的反滲透係統設計是以進水水質、產水水質與產水流量為依據,設計係統中的膜元件、膜外殼、高壓泵三大設備參數,計算係統中的回收率、脫鹽率、濃差極化度、段均通量比等主要技術參數,並得出運行能耗、投資成本、運行成本等主要經濟指標。由於聚酰胺卷式複合膜占據了絕大部分膜市場,因此醫用淨水係統的膜元件都選用高品質的芳香聚酰胺卷式複合膜,考慮到醫用淨水係統的安全性和穩定性,一般以進口的膜元件為主。膜元件的尺寸以 4英寸(4040)和 8英寸(8040)為主,根據原水水質指標和醫用淨水的產水指標反滲透膜選用苦鹹水膜,工作壓力在 1.00~1.55MPa。在考慮安全係數的前提下,一般一支 4040的膜產水流量設計按 250L/H設計,8040的膜產水流量按 1000L/H設計。(實際指標需參考膜元件廠商提供的技術規格書)。係統的回收率一般設計在65%~75%,脫鹽率指標控製在 95%以上。膜的組合排列形式可以通過膜元件廠商的計算軟件或憑經驗進行排列,通過膜元件廠商的計算軟件需要輸入詳細的原水指標,而自來水廠的詳細指標一般不大容易獲得,實際操作中一般以經驗為主,在東南沿海地區一般以地表水為市政自然水的水源,實踐證明以經驗法設計一般都可以滿足淨水係統的出水指標。在中西部地區以地下水為主的市政自來水我們一般需要對原水進行詳細的水質檢測,預防有害離子指標超標。膜元件的數量及排列已經確定的情況下,膜殼的選擇就比較容易了,根據工作壓力,膜殼的耐壓一般達到300PSI就可以了,材質一般為不鏽鋼或玻璃鋼, 8英寸以上的膜殼一般都是玻璃鋼材質,膜殼的衛生級別為食品衛生級。按膜殼內元件容量的不同分為單芯、雙芯、三芯、多芯,在醫用淨水係統中由於機房場地的限製加上設備的整體美觀的考慮,一般不選用高於三芯的膜殼。國內的膜殼專業廠家技術越來越成熟,產品質量一般都可以保證,供應周期也比較短,加上耐壓級別較低,因此在醫用淨水係統中國產膜殼已經成為首選。反滲透係統中高壓泵的技術參數主要是流量和揚程,流量的確定根據反滲透膜元件的進水流量要求進行配置,一般設計餘量在 10%~20%。根據反滲透元件的工作壓力選擇泵的揚程,設計的範圍在 120m~160m之間。泵的型式以立式多級離心泵為主。根據醫用淨水係統的特點,一般高壓泵的過流材質(葉輪、泵腔、軸)選擇 304不鏽鋼或 316不鏽鋼。醫用淨水係統中高壓泵的可靠性要求比一般的水處理係統要求更高,因此我們建議選擇進口主流品牌或國產高檔品牌的產品。高壓泵由於功耗較大,因此從節能角度出發,一般需要設計壓力變頻控製來降低能耗,降低係統的運行成本。
(三)後處理係統設計要點
進水在經過反滲透係統處理後,對照醫用淨水的分類指標的要求,已經可以滿足大部分指標要求,但還不能完全達到,因此需要對一級反滲透產水進行差別化的後處理,以嚴格達到淨水指標要求,特別是長時間運行過程中的水質的持續保證。後處理係統一般由純水箱、深度水質處理器、滅菌器、末端過濾器組成。
純水箱材質一般選擇 304或 316不鏽鋼,內外雙拋光;容量的設計根據產品水的用量進行設計,太大或太小的水箱都是不合適的,太大的水箱會導致產品水新鮮度下降,太小的水箱會發生高峰期用水時主機的頻繁啟停。純水箱要求內置浸沒式紫外殺菌器,頂部裝空氣過濾器,濾膜精度 0.22μm,內部進水口裝萬向噴淋洗球和水流轉向導管,外裝液位可視器;桶體上頂、下底采用鍋型衝壓成型封頭,不得采用板材加工焊接成型封頭;每套純水箱須有 Ф600以上的清洗人孔。
血液透析用水:血透用水水質處理器一般又叫血透水機,該設備屬二類醫療器械,因此該設備必須具有國家醫療器械注冊證( 6845二類醫療器械)方可選用,采用一級或二級反滲透工藝進行水質處理以使產水達到血液透析用水標準。其他的輔助功能性需求為具有自動消毒功能,具有恒壓直供功能,具有應急短路操作等,確保設備能長期安全運行。器械清洗消毒用水:反滲透係統的產水通過過流式UV殺菌裝置,輻射器應采用波長 254nm的低壓汞燈,輻射量至少為 40mJ/cm 2,燈管壽命在 8000小時以上(一年更換一次)。再通過 0.22um的末端過濾器後基本能滿足器械清洗消毒用水的指標要求,高溫滅菌器用水:由於一級反滲透裝置的脫鹽效果無法可靠的滿足該部分水質指標,因此需要一套專用的反滲透裝置或 EDI裝置進一步脫鹽處理,具體的選擇應根據前級係統的產水指標和淨水需求量結合成本做出合適的選擇,總的來講從指標實現和使用成本上 EDI裝置具有比較明顯的優勢,但不絕對。通過深度水質處理後,達到離子濃度指標的產水再需要經過 UV殺菌裝置和0.22um的末端過濾器就可以供高溫滅菌器使用了。生化檢驗用水:該部分用水是所有產品水中純度最高的水,又被稱為高純水。基本上要求將水中的雜質離子脫除徹底,從而達到分析實驗的要求。按照分析實驗
室一級水的要求,醫用淨水係統設計中一般需要將一級反滲透係統的產水經過混床樹脂交換塔或采用 EDI裝置深度去除離子。這兩種工藝從本質上來說都是采用離子交換技術,所謂離子交換就是水中的離子和離子交換樹脂上的功能基團所進行的等電荷反應。它利用陰、陽離
子交換樹脂上的活性基團對水中陰、陽離子的不同選擇性吸附特性,在水與離子交換樹脂接觸的過程中,陰離子交換樹脂中的氫氧根離子( OH-)同溶解在水中的陰離子(例如 CI-等)交換,陽離子交換樹脂中的氫離子(H+)同溶解在水中的陽離子(例如 Na+等)交換。從而使溶解在水中的陰、陽離子被去除,達到純化的目的。兩者的區別在於對樹脂的再生方式前者采用的是化學再生後者使用的是電再生,前者需要定期更換混床樹脂,後者則在壽命期無需更換耗材。總體而言,隨著 EDI技術的進步,高純水製備領域 EDI的優越性逐漸顯現,因此首選EDI。
手術刷手用水:從醫院感控的角度出發將原水中的細菌、病毒進行脫除後供給手術台刷手台盆,特別是中心手術淨化區域內的刷手台盆,應該說有百利而無一害。該部分用水對於離子含量的要求與原水基本一致,因此無須經過反滲透係統,一般在醫用淨水係統設計中采用水經預處理係統處理後通過超濾( UF)或微濾( MF)後經 UV殺菌達到雜質過濾和滅菌的效果。該部分用水還需要考慮熱水的供應,可以采用台盆下置分體式加熱器或集中加熱器的方式對產品水加熱後經混合閥供應至刷手龍頭。

 

三、醫用純化水設備輸送係統設計
經後處理後達標的淨化水需要一套於此匹配的輸送係統才能輸送至各用水科室,根據醫用淨水係統的特征,該輸送係統要求每路純水設計成全封閉、串聯的循環輸送管路。該係統主要由輸送水泵、管路、閥門(件)組成。
(一)輸送水泵
根據醫用淨水係統的特征,一般要求純水輸送泵的過流材質不低於 304不鏽鋼。每路輸送泵必須采用一開一備設計,並要求運行中的泵遇故障時,備用泵能自動切換運行,為保證係統的壓力保持恒定,建議采用壓力變頻方式調節輸送泵的輸出,同時也可以達到節能的目的。

(二)管路
由於醫用淨水係統的輸送管路基本與基建設施同步施工,很多區域還會采用預埋件,因此必須選擇能和建築物壽命匹配的管路材質。根據實際的使用效果,首選衛生級不鏽鋼管路,材質選用 304或 316不鏽鋼。在管路的路由設計上采用全串聯單回路的方式,即采用下層進水上層回水或上層進水下層回水的方式,在管路係統設計中重點是盡可能消除循環水流無法衝刷的“死水點”,因為 “死水點 ”的存在會加大細菌指標超標的風險。管路的施工工藝建議采用焊接的方式,雖然焊接工藝相對比較複雜,施工成本高,但投入使用後後續的管路滲漏風險就可以避免,這也是其他管路施工工藝(卡壓式、環壓式、溝槽式等)所無法保證的。風險就可以避免,這也是其他管路施工工藝(卡壓式、環壓式、溝槽式等)所無法保證的。醫用淨水係統的閥門(件)的選擇,也是確保係統能否可靠安全的重要環節,因此要求選擇閥門(件)的過流材質與管路材質匹配,高品質的衛生級不鏽鋼閥門(件)是首選。

 

四、醫用純化水設備運行管理係統設計
傳統的水處理設備一般僅提供有限的現場檢測儀表及單機設備的管理接口,作為醫用淨水係統設備,這些手段是遠遠不夠的,特別在醫院信息化建設水平日新月益的大背景下,隻提供簡單的現場控製手段就顯得落後了。
醫用淨水係統要求全自動全天候無人值守運行,係統自動控製分本地設備控製層和集中運行控製層,本地設備控製層至少提供中央運行機組和血透水機的獨立控製,集中運行控製層采用服務器或高性能工控機運行平台,兩層通過網絡通訊進行無縫連接,本地層在脫離集中運行控製層時能獨立操作不影響正常使用,本地曆史數據提供不少於 48小時的運行記錄。提供網絡遠程監控功能,支持實時故障報警與自動故障隔離並提供曆史數據存檔,為醫院建築智能化係統留有集成接口以便集中管理(隻監不控),提供分級(不少於 5級)的用戶權限管理,確保係統安全。

 

五、醫用純化水設備機房設計
醫用淨水係統的機房設計也是係統設計中很重要的一個環節,前期規劃設計中必須將水機房的配套公用設施做好預留才能確保係統的安全,同時也能最大程度地減少對建築安全的隱患,因此這裏提出一個概要性的設計導則供參考,本導則以 20T/H產水量的機房為例——水機房一般不占用辦公用房及病房,基本上以技術層和地下層為主,樓層淨高不低於 2.2m;機房設備總占地麵積為 80~120m 2為宜(最小不得小於 60m 2),機房門為雙開門,高 2m寬 2.5m為宜;水機房需要市政自來水接入,進水管徑為≥ 65mm, Q ≥ 30m3/H;水機房盡可能靠近水管道井,送 /回水管道采用走廊吊頂敷設進入各用水點;水機房在正常運轉過程中產生廢水較少,但在調試階段及設備維護消毒階段需要排水,因此排水係統管徑略大於進水管即可;水機房設備正常運轉不會產生溢水,考慮維護及液位傳感器失效的概率,因此需要在機房低處設計地漏及溝道,地麵做小坡度散水處理;水機房若不用地下層,地麵需做防水處理;機房設備正常運轉時總荷重 ≤ 25T,樓層承重若不滿足,則需要加固處理;
機房設備用電需從配電間單獨敷設三相五線供電置機房配電櫃,總容量不小於 50KVA;係統運行支持網絡化遠程監控(隻監不控),因此機房至少需預留一個數據信息點和一個語音信息點,信息點采用雙口麵板牆裝,離地
30cm;機房照明按照普通機房設計。

如上五個設計環節是一個完善的醫用淨水係統設計前提條件,在設計過程中設計師還需要在醫院建築設計規劃階段與建設單位做詳細地溝通,充分地了解醫院的實際需求,結合醫院建築的功能性區塊合理地設計用水點和用水量。隨著淨水係統用途的逐漸豐富,設計師需要前瞻性地考慮醫院建築後期使用的擴展性,確保係統設計規模和容量與發展趨勢所匹配。



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