• FDA把水處理系統歸為class II醫材 (class I: 貼布, class III: AK)

Water Supply

• 第一步是瞭解水源, 分兩種: 地下水與表面水
• 地下水: 低有機物, 高礦物質 (鐵鈣鎂硫)
• 表面水: 湖, 河, 水庫, 較多微生物、工業廢棄物質、殺蟲劑、肥料及廢水
• 有的水廠以表面水為主, 但當表面水不足時, 會加入地下水源
• 水廠也可能再生廢水
• 水廠可能把以下東西添加進去: 明礬(鋁), 氯, 氟
• 有的醫院還會自行處理水 (加入化學物質), 要記得確認

Why Water Purity is Important During Hemodialysis

Organizing the System

• 所有的水處理儀器要有型號及序號
• 水管標示流向
• 以下參數因廠牌而異: 壓力, 流量, 導電度

Contingency Plan

• 備用計畫: 活性碳失效, RO失效, 馬達失效

Water Treatment System

Feed Water Components

Back-flow preventer

• 防止水逆流回自來水系統, 以免自來水被消毒藥劑污染
• 此裝置不能設置在淨水迴路內, 因為會成為污染來源
• 裝在淨水系統的最上游
• 應每年檢修

Temperature blending valve (Tempering valve)

• 混合冷熱水, 以達25 °C的目標水溫 (RO運作標準)
• 水溫每降1 °C, RO造水效率降3%
• 要有溫控警報, 太熱的水會傷害RO
• 每日記錄溫度; 若每日溫度不斷起幅變動, 則表示可能快壞掉了

Booster pump

• Back-flow preventer及blending valve會減少水壓; pump接在其後, 要每日記錄水壓
• 關掉pump時記錄低壓, 打開pump時記錄高壓

Pretreatment Component

Chemical injection systems

• 要讓活性碳及RO效率最佳, 水的pH應調整到5.0-8.5
• 在有chloraimne下, 若pH>8.5, 則活性炭吸附效率差
  • 酸化劑使用HCl或sulfuric acid
  • 不建議使用醋酸, 因為很容易長菌
• 注射sodium bisulfite及ascorbic acid, 也可幫忙消除chloramine
• 要留心注射的化學藥劑是否和造水系統相容 (比如有的單位用DI做為緊急備案, 就要注意)
• 此系統應置於multimedia filter之前, 因為降低pH可讓溶解的金屬沉澱(比如鋁), 可接著讓在其後的filter過濾掉
• 監測: 看水的pH; 若是用自動化系統, 則pH應連續監控

Sediment filters

• ≥ 10 µm的懸浮微粒, 會讓自來水混濁, 會損壞軟水裝置及活性碳
  • 但不是所有的sediments都會被此filter移除, 因此久了sediments仍然會coating在carbon及softener tanks
• SDI = silk density index, 測試自來水多快可讓一種special-sized screen變混潀
  • 大部份的RO廠商都建議自來水的SDI不可超過5.0
• Automatic multimedia filter: 定期逆洗; 逆洗頻率由原水混濁度而定, 可看壓力差來決定
• 每天記錄壓力差; 若壓力差大於10 psi, 則要逆洗(multimedia type)或更換(cartridge type)
• 停電會讓逆洗在造水進行中發生; 並不會傷到病人, 但會讓延後造水

Water softener

• 有些硬水甚至能在數小內就將RO膜耗盡 (鈣鎂沉積在RO膜上, 把膜石化)
• 用鈉去交換硬水裡的鈣及鎂
• NaCl不會沉積在RO膜上
• 硬度的單位為grains per gallon或mg/L
  • Grain在字面上的意義, 為水蒸發後留下的白色如穀粒的沉積
• Softeners也會移除鐵及錳, 但量較少
• 1立方英呎的softeners可移除30,000 grains的CaCO₃
• 原水的硬度會決定需要用到多大的softener
• 可用公式預測softener用多久該更換
• Softener可放在活性碳的前面或後面
  • 若放在活性碳前, 則氯及氯仿會讓softener的壽命變短
  • 若放在活性碳後, 則softener易滋生細菌 (能在高鹽度下生存的細菌)
• Softener要定期用brine去再生; 要先逆洗 (目的是resin沖散並將particulates沖掉), 之後才用brine去再生resin
• 再生要每日或隔日執行
• 因為逆洗需要高水流及高水壓, 通常是一次逆洗一筒前處理裝置
• 大部份的單位都是用自動化的再生及逆洗裝置
• 也有portable exchange system
• 監控: 出水口的硬度
  • 應每日結束時測量
  • 每日開始時可選擇性測量 (評估前一晚再生的成效)
  • 硬度應小於1 gpg或小於17.5 mg/L, 且應該來自最新的原水, 而非tank內的水 (造水開始15分後才測量)
• 要檢查定時器及前後壓力

Brine tank

• 15磅的鹽可再生1立方英呎的redin (30,000 grains)
• 只能使用refined pellet-shaped salt
• 不能使用rock salt
• 監控使用肉眼檢查,
  • 每日看鹽的高度, 鹽至少應半滿; 要每日記錄高度
  • 敲擊鹽的上端, 看有無形成鹽橋, 並將其打散; 若有鹽橋產生, 則表示前一段時間resin再生的不好

Anion exchange resin tanks

• 又叫organic scavenger tanks
• 移除有機物, 減少活性碳的負擔
• 測量自來水的tannins, lignines及total organic or oxidized carbon (TOC), 可用來決定是否有加此道裝置
• 使用氯離子去交換陰離子
• 有inline TOC monitor可偵測有機陰離子是否突破 (若有則resin需再生)
• 最有C/P值的方法還是定時再生
• 一樣要先逆洗, 接著再生

Carbon adsorption

• 氯及氯仿為自來水主要的殺菌劑, 有的水廠還會再加入chlorine dioxide及臭氧去輔助殺菌
• 氯會和其它有機物形成trihalomethanes, 此為致癌物
  • 這也是使用氯仿去代替氯的原因
• 比起氯, 氯仿需要更長的接觸時間, 才能被除去
  • 過去當水廠把氯改成氯仿後, 就有爆發集體氯仿中毒的案例
• RO除氯及氯的效率差, 且易被其傷害
• 氯仿若碰到DI, 可能會形成carcinogenic nitrosamines
• 裡頭的東西叫granular activated carbon (GAC)
• 除了氯及氯仿被吸附外, 也會吸附除草劑、殺蟲劑及工業溶劑
• GAC可由各種有機物質製成: bituminous coal, coconut shells, peach pits, wood, bone, lignite; 製作方法為無氧高溫
• GAC使用iodine number來評比, 這代表其吸附小分子的能力 (比如iodine)
  • 理想的iodine number應≥900

• 另一個評比參數為abrasion number (不在正式規範內), 因為逆洗也會讓活性碳磨損
• 只能用全新的活性碳, 不能用再生的
• GAC的mesh size應≤12×40, 但也不能過小, 因為會阻塞水流
• 新的活性碳應用水沖洗過, 將小顆粒洗掉, 否則這些顆粒將會傷到RO膜
• 至少要有兩組活性碳前後串聯
• 每組tank應提供至少5分鐘的接觸時間(EBCT), 總共10分鐘, 且要在最大的造水速度下
  • 五分鐘的EBCT能將氯降到低於0.1 mg/L

• EBCT = (V/Q)×7.48, V的單位為立方英呎, Q的單位為加侖/分鐘
  • 1立方英呎=7.48加侖
  • 因此若活性碳和水流的體積都用相同單位, 則EBCT = V/Q
• Solid block activated charcoal (SBAC): 更compact, 接觸面積更大
• 活性碳除氯的效能會下降:
  • 水中有其它物質被活性碳除去
  • 水變鹼
  • 水溫上升或下降
• 很難實際預測活性碳的效期, 因此只能頻繁測試
• 每一班透析前都要驗餘氯, 或者應至少4小時驗一次
• 監控: 看第一筒出水口的餘氯; 可用試劑驗, 也有online monitoring
  • 要隨時注意監測裝置的校正
• 目前標準為total chlorine < 0.1 mg/L
• 若第一筒出口的total chlorine超標, 則緊接著驗第二筒出水口, 若驗出來合格, 則第一筒在72小時更換即可 (但這段期要每30分到1小時驗一次餘氯)
• 更換活性碳時, 可把兩筒位置交換; 若無法交換, 則兩筒都應該更新
• 活性碳過濾器的先天問題為channeling, 水流持續沖擊下, 碳顆粒變得更compact, 水流也形成固定的路徑, 讓流速變快且接觸時間減少, 而活性碳也是滋生細菌的好場地
  • 解決法就是要定期逆洗
  • 逆洗是打破上述的物理現象, 但不改變活性碳的活性
• 在換新的GAC時, 空筒要消毒並洗過
• 監控還要包括前後壓力及逆洗的時間表; 新的活性碳要記錄初次使用前的沖洗時間

Reverse Osmosis Systems

Cartridge prefilter

• Prefilter放在前處理與RO pump之間, 目的是保護RO膜 (應該要裝, 應為C/P值高)
• 孔徑通常是1-5 µm
• 要每日監控前後壓力; 若壓力差≥8, 則要更換
• 當換下舊的濾心時, 肉眼檢視濾心的中央, 若能看到髒污, 則代表濾心太慢換了, 下次應該更早一點

RO pump and motor assembly

• RO系統一般的運作壓力為200-250 PSI
• RO pump應該由以下材質組成: high-grade stainless steel, inert plastics, carbon graphite-wetted parts
  • 使用黃銅、鋁、銅或其它金屬, 會污染水, 且和過氧乙酸(peracetic acid)消毒劑不相容
• RO pump空轉會很傷
• 應連續監控進出水口壓力, 並每日記錄

RO membranes

• 沒處理的水叫feed or supply water
• RO膜比透析膜更緊密, 孔洞也更小
• 帶電荷的粒子被RO膜擋下的比率為95-99%

• 不帶電的物質, 若分子量大於200, 也會被擋下
• 帶電粒子比中性粒子更易被擋下; 電荷越多越易被擋下
• 水的pH以及RO膜受到的傷害, 會改變RO膜的性質, 以及其阻擋特性
• Polyamide製作的TF (thin film), 是洗腎最常用的RO膜
• RO膜的排列叫做spiral-wound membrane, 類似廚房紙巾捲起來, 最中間的空柱是造出來的水, 流向與feed water相反
  • Spiral design的用意是在小空間內增加接觸表面積
  • 這種過濾方式叫cross flow filtration
• TF RO若碰到氧化劑會受損, 比如氯或氯仿
• TF RO不能用漂白水消毒
• 使用過氧乙酸也要小心, 若濃度>1%且時間大於11小時, RO膜也會被氧化
• 其它金屬, 比如鐵, 也會傷害RO膜
• RO膜的性能, 受以下性質影響: 水的pH, 水的溫度, 是否有適當的前處理, RO膜表面是否乾淨
• TF膜可在pH 2-11下運作, 但最適運作範圍為5.0-8.5
  • 太鹼性的水會讓RO膜產生scaling, 會讓表面積下降
• RO膜的效能用percent rejection來量度; 造出來的水質則要用導電度來評比 (單位可用µ-Sm/cm或TDS)
  • TDS可寫成mg/L或PPM
  • TDS也是用導電度來測量, 只是經過內建公式轉換
  • 不管是percent rejection或conductivity，都應該有連續監控的裝置
• 若RO水質有問題, 則系統應能立即將水bypass過治療區
• Percent rejection只描述了膜的效能, 並無法描述水質
  • 比如feed water為1000 PPM, percent rejection 95%代表造出的水為50 PPM
• TDS也只是快速監控的方法, 水質檢驗的標準還是要靠實驗室化學分析
• 一般而言, 如果自來水符合EPA的飲用標準, 那RO就可製造出符合AAMI的透析用水
  • 有時會使用雙RO串聯, 或者RO後面加上DI
• RO系統、RO pump及洗腎機等，都需要一個最少的flow rate及pressure，才能適當運作而不受損
• RO的壓力監控包括了進水、廢水、及出水, 單位用PSI (pounds/inch²)或GPM(gallons/min)表示
• Percent recovery在大的RO機一般為50-75%, 這表示50-75%的水會被製成RO水, 剩下的25-50%為廢水
  • 許多RO系統會將部份廢水回收再造
• RO的清潔通常每季一次
  • 強鹼可將silt及dirt slime layer去除
  • 強酸可將mineral scale及metal build-up去除
• 消毒的處方各有不同, 但應每月做一次
  • 要記得透析機的進水端也要消毒
  • 用storage tank system者, 最好每週消毒storage tank及distribution loop
  • 要確保廠商知道如何避免消毒藥劑碰到病患
• 水質應再用獨立的儀器做每日確認並且記錄
• Percent rejection應該>90%, 且每日記錄
• 每日紀錄的重點是要去檢視趨勢變化

Post-Treatment Components

Deionization

• 有的單位是串聯在RO後方, 也有的單方是將其閒置做為RO失靈時的備用方案
• DI tank含有resin beads, 可同時去除陽離子及陰離子 (用OH⁻及H⁺去交換)

• DI一定要在耗盡前就換新, 否則髒東西會跑出來
• DI耗盡的標準為< 1 meg-ohm/cm (resistivity); 鋁及氟等弱結合力之離子會優先釋放出來
• DI tanks可以是dual-bed或mixed-bed
  • Dual-bed: 陰陽離子分開, 因此至少要兩筒
  • Mixed-bed: 造出的水品質較高
• 一樣建議兩個mixed-bed串聯
• 1立方英呎的DI樹脂有8,000 grains的交換力
• DI之前一定要有活性碳過濾, 否則會產生致癌性的nitrosamines
• DI要用校正溫差的電阻計做連續監控, 也要有系統能將水緊急bypass掉
• 不建議只使用DI而不用RO
• 應每日2次監控電阻; 每日應監控DI前後之壓力
• 即使resin未耗盡, DI筒也應定時更換, 因為會長菌

Ultraviolet (UV) irradiator

• UV: 低壓水銀蒸氣燈, 波長254 nm, 可殺菌或抑菌
• 有些菌種可能對UV有抗性
• 照射的最小劑量應為16 milliwatt-sec/cm²
  • 若無法監控劑量, 則應設定最少為30 milliwatt-sec/cm²
• UV後方應該要有ultrafilter, 因為UV殺死細菌, 會導致內毒素的量增加
• UV照射也可放在pretreatment的上游, 也可放在pretreatment和RO的中間
• UV應該每年或者每8000小時更換
• Biofilm會減少UV的效能
• 應每日記錄UV的radiant output

Endotoxin retentive, submicron, and ultrafilters (UF)

• Submicron filter移除細菌; ultrafilter或endotoxin retentive filter會移除細菌及內毒素
• Filter的結構可以是cross-flow (如同RO), 或者為one stream
• 所有的濾心都應該核準為醫療使用 (非醫療用會有消毒劑殘存)
• 這些濾心雖然能過濾病菌, 但若沒清潔, 也會是細菌的滋生處
• 要每日監控前後壓力 (沒有壓力差也不對)

Distribution System

Water storage

• 分成direct feed及indirect feed兩種

• Direct feed直接把造好的水送出RO間, 沒用到的水則再回收
• Indirect feed則有storage tank, 沒用到的水則回到storage tank; RO根據tank的水位來決定開始或結束造水
• Tank的底部應設計成錐狀, 以減少細菌滋生的可能; tank上方要有air vent filter (避免空氣的細菌進入)
• Direct feed的流速最少應為1.5 ft/sec; indirect feed的流速最少應為3.0 ft/sec; 但其實並無證據顯示高流速可減少細菌滋生
• 應積極消毒, 很多單位每週一次
• 要每日記錄前後壓力

Water distribution piping systems

• 推薦用continuous loop design, 沒用完的水可回到tank或RO, 以達省水目的
• 不要有dead-ends或multiple branches
• 高度純化的水, 是很aggressive的, 會很容易將金屬及化學物leach出來
• 水管要避免含有鉛、黃銅、鋁、銅、鋅或其它有毒物質
• 水管的接口處應該要平順避免死角
• 水管的檢修應該要由有經驗的水電工來執行

Alternative Disinfection Of Water Systems

• 只要有non-sterile water流過之處, 就一定會有biofilm
• 即使是標準的化消, 還是有可能無法消除biofilm
• 最有效對抗biofilms的方法為漂白水及臭氧, 但仍無法保證去除

Ozone disinfection

• 臭氧在20度C下的半衰期為25分鐘
• UV照射會快速分解臭氧
• 使用臭氧後一定要確認沒有殘留
• 臭氧消毒後的產物是安全的: CO₂, carboxylic acids, filterable solids, neutralized organics
• 臭氧消毒時, 管路系統要密封, 以免跑到空氣中
• RO膜不建議使用臭氧消毒; RO只能用化消
• 臭氣很適合用在storage tank及distribution tank
• 要先確認輸水管線的材質與臭氧是相容的
  • PVC和臭氧不相容, 不過, 在臭氧濃度0.3-0.7 PPM下, 其實PVC很難被影響
  • 漂白水也和許多材質不相容, 但在低濃度下的使用也是可以的
  • Ozone對於用polysulfone製成的endotoxin filter, 可以很aggressive (?不相容)
• 要能夠監控空氣中的臭氣濃度

Hot water disinfection systems

• 熱水和PVC管路並不相容
• 大部份的RO膜也和熱水不相容
• PVDF、SS、PEX及PP等材質製成的管路, 和熱水相容
• 熱水無法移除biofilms; 但因為熱消可以很頻繁地執行, 因此可有效預防biofilms; 但不能全都熱消, 還是要偶而有化消
• 要80ºC至少10分鐘; 要確保溫度有達標

Bacteria and Endotoxins

Bacterial testing of product water

• Action level為容許值的一半