water treatment
Water treatment for hemodialysis
Wstęp
Jednym ze specyficznych obszarów zastosowania odwróconej osmozy jest uzdatnianie wody do zabiegów hemodializy. Hemodializa polega na oczyszczaniu krwi przez sztuczną nerkę, w przypadku niewydolności nerek. Historia hemodializ sięga lat 40-tych XX wieku, kiedy po okresie prób klinicznych udało się przy pomocy powtarzanej hemodializy utrzymać przy życiu pacjentkę z ostrą niewydolnością nerek [1]. Oczywiście w tym czasie „jedynym” problemem lekarzy, związanym z płynem dializacyjnym, był odpowiedni jego skład. Płyn dializacyjny jest roztworem elektrolitów o tak dobranym składzie, aby jak najbardziej odpowiadał składowi osocza zdrowego człowieka. Nikt w tym czasie nie zwracał uwagi na zanieczyszczenia chemiczne, czy mikrobiologiczne wody używanej do uzyskania płynu dializacyjnego. Początkowo liczba pacjentów była niewielka, a ich śmiertelność bardzo wysoka, wobec tego powikłania związane z jakością wody były praktycznie nie do oddzielenia od powikłań innego rodzaju [5]. Dopiero postęp w dziedzinie membran używanych w dializatorach (tzw. membran o wysokiej przepuszczalności) oraz zwiększająca się liczba opisywanych reakcji pirogennych u pacjentów, uwidoczniła problem czystości wody [2, 3, 4]. Istotną rolę w identyfikacji zanieczyszczeń wody do hemodializ pełnią również coraz doskonalsze techniki oznaczania pierwiastków i związków chemicznych w wodzie
Jakość wody do dializ
Zdrowy człowiek przyjmuje średnio 10-12 litrów wody w ciągu tygodnia. Woda dostarczana jest do organizmu przez układ pokarmowy, który stanowi selektywną barierę, a prawidłowo pracujące nerki usuwają toksyny zawarte we krwi. Pacjent dializowany podczas trzech, czterogodzinnych sesji dializ w tygodniu ma kontakt średnio z 360 litrami płynu dializacyjnego. Płyn dializacyjny (a więc również ewentualne toksyny w nim zawarte) jest oddzielony od krwi pacjenta tylko i wyłącznie przez półprzepuszczalną membranę. Stosowanie współczesnych, wysoko-przepuszczalnych membran, oprócz niewątpliwych zalet klinicznych, niesie za sobą ryzyko przedostania się toksyn zawartych w płynie dializacyjnym bezpośrednio do krwioobiegu pacjenta, u którego całkowicie, lub częściowo upośledzone funkcjonowanie nerek powoduje brak możliwości ich późniejszego usunięcia z organizmu. Dodatkowo, powtarzane przez wiele lat zabiegi stwarzają zwiększone ryzyko kumulacji toksyn w organizmie.
Przytoczone powyżej fakty uwidaczniają problem czystości wody do dializ we współczesnej dializoterapii.
: Maksymalna, dopuszczalna zawartość pierwiastków w wodzie do dializ wg ISO 13959:2014
Powszechne stosowanie odwróconej osmozy w uzdatnianiu wody do dializ poprzedzone jest kilkoma opisami powikłań związanymi z zanieczyszczeniem wody do dializ związkami glinu i chloru [6, 7, 8, 9]. Oczywiście nie tylko glin i chlor stanowią zagrożenie dla życia pacjentów dializowanych. Należy również pamiętać o czystości mikrobiologicznej wody do dializ. Problem stanowią tutaj nie tylko drobnoustroje chorobotwórcze, które mogą spowodować zakażenie organizmu pacjenta, ale również endotoksyny, które są fragmentami zewnętrznej ściany komórkowej bakterii gram-ujemnych, i które są od bakterii wielokrotnie mniejsze, więc mogą łatwiej przenikać przez membranę dializatora. Endotoksyny po dostaniu się do krwioobiegu mogą powodować reakcje pirogenne, takie jak: gorączka, dreszcze, hypotensja, wielonarządowa niewydolność, a w skrajnych przypadkach śmierć.
Woda dostarczana przez wodociągi do szpitali spełnia wymagania stawiane jakości wody przeznaczonej do spożycia (Dz.U. 2017 poz. 2294). Natomiast kryteria stawiane jakości wody do dializ są dużo wyższe. Zestawienie parametrów jakości chemicznej wody do dializ wg normy ISO 13959:2014 „Water for haemodialysis and related therapies” zebrano w tabeli nr 1.
Jak widać z tabeli nr 1, woda przeznaczona do spożycia przez ludzi musi być dodatkowo oczyszczona, aby można było ją stosować w zabiegach hemodializy
Uzdatnianie wody do dializ
Uzdatnianie wody przeznaczonej do spożycia do celów hemodializy można ogólnie podzielić na trzy etapy:
1. Uzdatnianie wstępne;
2. Uzdatnianie zasadnicze;
3. Dystrybucja.
Uzdatnianie wstępne
Celem uzdatniania wstępnego jest głównie odpowiednie przygotowanie wody dla urządzeń uzdatniania zasadniczego. Przykładowy system wstępnego uzdatniania wody zaprezentowano na rys. 1.
W przypadku zasilania systemu wodą wodociągową oraz zastosowaniu odwróconej osmozy jako uzdatniania zasadniczego, uzdatnianie wstępne musi realizować następujące zadania:
: Poglądowy schemat uzdatniania zasadniczego (materiały własne autora)
1. Ochrona sieci wodociągowej przed przepływem wstecznym, zgodnie z PN-EN 1717.
2. Zabezpieczenie systemu przed wahaniami ciśnienia wejściowego oraz ewentualnymi przerwami w dostawie wody. Realizowane jest to przez zastosowanie zbiornika wody wodociągowej o odpowiedniej pojemności oraz pompy podnoszącej i utrzymującej stałe ciśnienie w systemie.
3. Zabezpieczenie systemu przed skażeniem mikrobiologicznym. W tym celu najczęściej wykorzystuje się dozowanie podchlorynu sodu. Dodatkową zaletą zastosowania podchlorynu jest jego działanie utleniające na zawarte w wodzie rozpuszczone żelazo i mangan.
4. Filtracja mechaniczna wody. W tym celu stosuje się albo filtry mechaniczne o odpowiedniej wydajności i poziomie filtracji, albo filtry ciśnieniowe o odpowiednio dobranym wypełnieniu i sterowaniu automatycznym. Najczęściej w praktyce stosuje się połączenie obydwu technik w celu jak najbardziej efektywnego odfiltrowania zanieczyszczeń mechanicznych aż do poziomu 1μm.
5. Zmiękczenie wody ma na celu ochronę membran odwróconej osmozy przed osadzaniem się na nich kamienia (węglanów wapnia i magnezu). Zastosowanie zmiękczacza wypełnionego żywicą jonowymienną pozwala na dokładne usunięcie z wody jonów wapnia i magnezu oraz innych kationów powodujących twardość wody. Do regeneracji żywicy stosuje się w tym przypadku tylko i wyłącznie roztwór NaCl.
6. Usunięcie z wody związków chloru. Końcowym etapem uzdatniania wstępnego jest usunięcie z wody związków chloru przy pomocy filtrów ciśnieniowych wypełnionych węglem aktywnym. Ma to na celu nie tylko ochronę urządzeń, ale również zabezpieczenie pacjentów. Aby podnieść poziom bezpieczeństwa, stosuje się dwie kolumny węglowe, połączone szeregowo. Pozwala to na dwukrotne zwiększenie czasu EBCT (Empty Bed Contact Time).
Uzdatnianie zasadnicze
Obecnie, do uzdatniania zasadniczego najczęściej stosuje się techniki membranowe. Pomimo tego, że membrany są wrażliwe na jakość wody zasilającej i w związku z tym wymagają wstępnego, odpowiedniego przygotowania wody, to ich wydajność oraz koszty wyprodukowania przy ich pomocy wody uzdatnionej są bezkonkurencyjne w porównaniu do innych technik (np. technik destylacji). W zależności od konfiguracji systemu, mogą być zastosowane jeden, lub dwa stopnie odwróconej osmozy. Czasem spotyka się systemy odwróconej osmozy połączone z elektrodejonizacją zastosowaną w celu uzyskania wody ultra czystej o przewodnictwie <1μS/cm [5].
Dystrybucja wody do dializ
Zadaniem systemu dystrybucji jest dostarczenie wody do dializ do każdej sztucznej nerki w odpowiedniej ilości i pod odpowiednim ciśnieniem, bez wpływu na jej jakość chemiczną i mikrobiologiczną. Ważnym aspektem systemu dystrybucji wody jest odpowiedni dobór materiału, z którego ma być wykonany oraz odpowiednie zaprojektowanie pętli dystrybucji.
Parametry odwróconej osmozy w uzdatnianiu wody do dializ
Procesy separacji membranowej służą do oddzielenia składników mieszanin ciekłych i gazowych. W zależności od właściwości membrany mogą służyć do rozdzielenia cząsteczek o rozmiarach od dziesiątek mikrometrów do dziesiątych części nanometra. Do procesów membranowych, w których siłą napędową jest różnica ciśnień (ΔP) po obu stronach membrany zaliczamy mikrofiltrację, ultrafiltrację, nanofiltrację i odwróconą osmozę [10].
U podstaw procesu odwróconej osmozy leży zjawisko osmozy naturalnej. Jeżeli membrana rozdziela roztwór od rozpuszczalnika, lub dwa roztwory o różnym stężeniu, następuje samorzutny przepływ rozpuszczalnika w kierunku roztworu o wyższym stężeniu (rys 2). Ciśnienie równoważące przepływ osmotyczny nazywane jest ciśnieniem osmotycznym. Jeżeli po stronie roztworu wytworzy się ciśnienie hydrostatyczne przewyższające ciśnienie osmotyczne, rozpuszczalnik będzie przenikał z roztworu bardziej stężonego do rozcieńczonego, a więc w kierunku odwrotnym niż w procesie naturalnej osmozy (rys 3). Dla procesu tego zaproponowano nazwę odwrócona osmoza (RO – Reverse Osmosis).
![Rysunek 2: Osmoza naturalna [5]](https://informacjainstal.com.pl/wp-content/uploads/2020/02/Uzdatnianie-wody-do-hemodializrys2.jpg "Uzdatnianie wody do hemodializ,rys2")
: Osmoza naturalna [5]
![Rysunek 3: Zasada odwróconej osmozy [5]](https://informacjainstal.com.pl/wp-content/uploads/2020/02/Uzdatnianie-wody-do-hemodializrys3.jpg "Uzdatnianie wody do hemodializ,rys3")
: Zasada odwróconej osmozy [5]
Parametrami charakteryzującymi przebieg procesu membranowego są:
Uzysk – procent wody dostarczanej do systemu membranowego, który uzyskiwany jest jako produkt (permeat).
Gdzie:
Qp – przepływ permeatu [m3/d]
Qf – przepływ wody zasilającej [m3/d]
Współczynnik zatrzymania (współczynnik retencji) – procent stężenia substancji
rozpuszczonej usunięty z układu wody zasilającej przez membranę. W odwróconej osmozie ważny jest wysoki odrzut substancji rozpuszczonych (TDS –
Total Dissolved Solids). W praktyce do obliczenia współczynnika zatrzymania
wykorzystuje się pomiar przewodności wody zasilającej i przewodności produktu.
Gdzie:
Cp – stężenie substancji rozpuszczonej w produkcie (przewodność permeatu) Cdop – stężenie substancji rozpuszczonej na dopływie (przewodność wody dopływającej)
Permeat – oczyszczona woda wytwarzana przez system membranowy.
Przepływ koncentratu – jest natężeniem przepływu nieprzepuszczonej części wody zasilającej, która opuszcza element membrany lub układ membranowy. Koncentrat zawiera większość rozpuszczonych składników pierwotnie wprowadzonych do elementu lub do systemu ze źródła zasilania. Zazwyczaj mierzy się go w metrach sześciennych na godzinę (m3/h).
Strumień – współczynnik przenikania permeatu na jednostkę powierzchni membrany, zwykle mierzony w litrach na metr kwadratowy i godzinę (L/(m2h)).
Największe problemy podczas eksploatacji instalacji z odwróconą osmozą związane są z zatykaniem membran wskutek foulingu i scalingu. Zjawiska te spowodowane są odkładaniem się złogów na powierzchniach membran, przeważnie z powodu polaryzacji stężeniowej. Zjawisko polaryzacji stężeniowej polega na powstaniu, przy powierzchni membrany, warstewki roztworu o większym stężeniu substancji zatrzymywanej przez membranę. Wywołuje to niekorzystne obniżenie szybkości procesu oraz zmianę własności separacyjnych membrany [10].
Pojęcie foulingu obejmuje osady koloidalne, z mikroorganizmów i tlenków metali. Substancje te stosunkowo łatwo dają się usunąć typowymi metodami uzdatniania wody w czasie wstępnego uzdatniania.
W wyniku zjawiska polaryzacji stężeniowej następuje wzrost stężenia substancji rozpuszczonej w pobliżu membrany, a po przekroczeniu termodynamicznego iloczynu rozpuszczalności, osady soli trudno rozpuszczalnych wytrącają się na powierzchni membrany. Zjawisko to nosi nazwę scalingu. Podstawowe problemy techniczne stwarzają jony wapnia i magnezu oraz siarczany i wodorowęglany/węglany [10]. Usuwanie substancji powodujących scaling z reguły jest bardziej kosztowne niż usuwanie substancji powodujących fouling.
Często najważniejszym parametrem eksploatacyjnym systemu uzdatniania wody do dializ dla eksploatatora jest przewodność permeatu. Mimo, że maksymalna przewodność wody do dializ nie jest określona w żadnej normie, zwyczajowo przyjmuje się, że powinna ona być < 25 μS/cm. Przewodność to parametr, który określa w sposób pośredni jakość wody do dializ. Nagły wzrost przewodności jest sygnałem alarmowym dla eksploatatora i może świadczyć o pogorszeniu się jakości wody do dializ. Przewodność jednak nie daje informacji o kondycji i efektywności pracy samych membran odwróconej osmozy. Wahania przewodności, lub jej wzrost może również wynikać ze zmiany profilu chemicznego nadawy. Bez analizy dodatkowych parametrów eksploatator nie będzie w stanie określić źródła odchyleń. Najbardziej pomocnym parametrem w tej sytuacji jest współczynnik zatrzymania. Jak już wcześniej to zdefiniowano (wzór 2), współczynnik zatrzymania mówi jaki procent zanieczyszczenia zawartego w nadawie zostaje usunięty wraz ze strumieniem koncentratu i nie przedostaje się na stronę permeatu. Ponieważ współczynnik zatrzymania uwzględnia zmiany profilu chemicznego nadawy, w dużo bardziej przejrzysty sposób mówi o kondycji samych membran.
Podsumowanie:
Współczesne, wysoko wydajne techniki dializacyjne wymagają wody do dializ o odpowiedniej czystości chemicznej i mikrobiologicznej. Powszechne zastosowanie technik membranowych sprawiło, że wysoka jakość wody do dializ wydaje się stosunkowo łatwa do osiągnięcia. Prawidłowo zaprojektowane wstępne uzdatnianie wody gwarantujące osiągnięcie parametrów wody zasilającej membrany RO takich, jak wymaga tego producent membran, jest wstępnym warunkiem do długookresowego i bezproblemowego eksploatowania membran oraz, co ważniejsze, wysokiej czystości wody do dializ.
Oczywistym jest fakt, że projektując system uzdatniania wody na potrzeby prowadzenia hemodializ należy uwzględnić uwarunkowania lokalne np. skład chemiczny wody wodociągowej oraz wymaganą wydajność systemu. Natomiast mniej oczywista wydaje się już konieczność późniejszego, ciągłego monitorowania parametrów technicznych membran odwróconej osmozy (nie tylko przewodności wody uzdatnionej) w trakcie całego okresu ich eksploatacji. Parametry pracy membran zmieniają się w czasie, zarówno przez starzenie się membran, jak i pod wpływem zmian składu chemicznego wody zasilającej (np. sezonowe zmiany przewodności, temperatury itp.). Analiza tych parametrów może być dla eksploatatora systemu źródłem wiedzy o aktualnej kondycji membran oraz pozwoli spojrzeć na ewentualne zmiany w jakości wody uzdatnionej w szerszym kontekście.
L I T E R AT U R A
[1] „Hemodializa – techniki wysokiej wydajności” pod redakcją J.P. Boscha i J.H. Steina, Sanmedica, Warszawa 1996
[2] „Endotoxemia in febrile reactions during hemodialysis”, L. Raij, F.L. Shapiro, F. Michael, Kidney Int 4:57, 1973
[3] „Bacterial contamination of dialysate in dialysisassociated endotoxemia”, H. Graf, H. Watzke, H.P. Stanek, Blood Pufir 5:284, 1987
[4] „Pyrexial reactions during hemodialysis”, P. Robinson, S. Rosen, Br Med J, 6:528-539 (1971)
[5] „Water and Dialysis Fluids – a quality management guide” C. Boccato, D. Evans, R. Lucena, J. Vienken, Pabst 2015
[6] „The clinical impact of aluminium overload in renal failure”, Cannata-Andía JB, Fernández- Martín JL., Nephrol Dial Transplant. 2002;17 Suppl 2:9-12.
[7] „Epidemic aluminium intoxication in hemodialysis patients traced to use of aluminium pump”, Dale R. i in. Kidney International, Vol. 48 (1995), 469—474
[8] „Acute aluminum encephalopathy in a dialysis center caused by a cement mortar water distribution pipe”, Kenrick R. i in. Kidney International, Vol. 59 (2001), 746–753
[9] „Illness in hemodialysis patients after exposure to chloramine contaminated dialysate”, Tipple MA i in. ASAIO Trans. 1991 Oct-Dec;37(4):588-91.
[10] „Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody” M. Bodzek, K. Konieczny, Projprzem-EKO, Bydgoszcz 2005
[11] „Procesy membranowe”, R. Rautenbach, WNT Warszawa, 1996
[12] „Dializoterapia w codziennej praktyce” pod red. Bolesława Rutkowskiego, Gdańsk 1996
[13] “Water for haemodialysis and related therapies” International Standard Organization (ISO) (ISO 13959:2014)
[14] “Design and technical adjustment of a water treatment system: 15 years of experience”, Martin K, Laydet E, Canaud B. Adv Ren Replace Ther, 10:122-32 (2003)
[15] “The quality of dialysate: an integrated approach” Lonnemann G., Kidney Int, 76:112-119 (2000)
[16] “Pyrogen transfer across high – and low-flux hemodialysis membranes”, Weber V, Linsberger I, Rossmanith E, Weber C, Falkenhagen D., Artif Organs, 28:210-217 (2004)
[17] “Fluid and solute transfer characteristics in a dialyzer with high a high perfomance membrane” Mineshima M., Contrib Nephrol, 173:103-109 (2011)
[18] “New developments in haemodialyzers”, Vienken J, Ronco C., Contrib Nephrol, 133:105-118 (2001)
[19] “Epidemic parenteral exposure to volatile sulfur- -containing compounds at a hemodialysis center”, Selenic D Alvarado-Ramy F, Arduino M, Holt S, Cardinali F, Blount B, Jarret J, Smith F, Altman N, Strahl C, Panillio A, Pearson M, Tokars J, Infect Control Hosp Epidemiol, 25:256- 261 (2004)
[20] “Assessing exposure and health consequences of chemical in drinking water: current state of knowledge and research needs”, Villanueva C, Kogevinas M, Cordier S, Templeton M, Vermeulen R, Nuckols J, Nieuwenhuijsen M, Levallois P., Environ Health Perspect, 122:213-221 (2014)
[21] “Guidelines for Drinking-water Quality Fourth Edition” World Health Organization, (2011)
[22] “Trace elements in hemodialysis patients: a systematic review and meta-analysis”, Tonneli M, Wiebe N, Hemmelgarn B, Klarenbach S, Field C, Manns B, Thadhani R, Gill J. BMC Medicine, 7:25 (2009)
[23] “Frequency of elevated serum aluminium levels in adult dialysis patients”, Jaffe JA, Liftman C, Glickman JD, Am J Kidney Dis, 46:316-319 (2005)
[24] “Antimony Toxicity”, Sundar S, Chakravarty J, Int. J. Environ. Res. Public Health, 7:4267-4277 (2010)
[25] “The microbial world and fluids in dialysis”, Nystrand R, Instrumentation Research (2008)
[26] “Occurrence of fungi in water used at a haemodialysis centre”, Pires-Gonçalves RH, Sartori FG, Montanari LB, Zaia JE, Melhem MSC, Mendes- -Giannini MJS, Martins CHG, Lett Appl Microbiol, 46: 542-547 (2008)