LTS: Bài viết "Hệ thống xử lý nước cho lọc máu" của BS Bùi Nghĩa Thịnh - được đăng trên trang cá nhân - không chỉ cung cấp thêm kiến thức về chuyên ngành Thận nhân tạo mà còn giúp những người làm chuyên môn nhận ra những lỗ hổng trong quy trình xử lý nước cho lọc máu nhân tạo.
Được sự đồng ý của BS Bùi Nghĩa Thịnh, BBT đăng lại nguyên văn để giới thiệu tới độc giả một bài viết rất có giá trị. Trân trọng!
Toàn cảnh hệ thống xử lý nước
Nước cấp cho hệ thống xử lý nước của lọc máu chu kỳ thường là nước máy (nước thủy cục). Nước máy được khai thác từ các nguồn nước bề mặt (nước ao hồ sông suối, thường nhiễm bẩn do vi sinh vật và hóa chất hữu cơ) hay nước ngầm (nước giếng khoan..., thường nhiễm các chất vô cơ). Cả 2 nguồn nước này đều phải qua xử lý ở nhà máy nước trước khi đưa vào sử dụng.
Mỗi quốc gia đều có 1 bộ tiêu chuẩn riêng về nước máy, Việt Nam có QCVN01:2009/BYT, Mỹ có EPA, nhưng tựu chung là các nhà máy nước sẽ cho 1 số hóa chất thêm vào trong quá trình xử lý nước như Chlor để làm sạch nước và Fluor cho quá trình được gọi là Fluor hóa nước để dự phòng sâu răng (giống mục đích cho Fluor vào kem đánh răng để chống sâu răng).
Tất cả các cơ sở lọc máu sử dụng nước máy với rất nhiều loại hóa chất được thêm vào từ nhà máy nước như kể trên đều phải tiến hành xử lý nước để tạo ra nước đạt chuẩn AAMI phục vụ quá trình lọc máu. Nhìn chung thì hệ thống xử lý nước cho lọc máu chu kỳ gồm 3 phần:
- Xử lý nước nguồn trước quá trình thanh lọc
- Thanh lọc: loại bỏ chất hữu cơ, vô cơ và vi khuẩn (RO – DI – đèn cực tím – filter vi khuẩn và nội độc tố)
- Phân phối nước đã xử lý tới các máy thận
1. Xử lý nước trước quá trình thanh lọc
Sơ đồ hệ thống xử lý nước nguồn trước quá trình RO
Mục đích: Xử lý nguồn nước trước khi tiến hành bước thanh lọc (RO) để đảm bảo an toàn cho màng RO, làm màng RO đạt hiệu quả nhất.
Cấu tạo: Các thành phần của hệ thống xử lý nước trước quá trình thẩm thấu ngược.
- Van 1 chiều chống chảy ngược: Quá trình xử lý nước cho thận nhân tạo sẽ cho thêm nhiều hóa chất vào nước. Do vậy, để đảm bảo an toàn nước uống cho cộng đồng dân cư, mọi hệ thống xử lý nước của thận nhân tạo đều phải có van 1 chiều chống chảy ngược.
- Van trộn (nhiệt): Để màng RO hoạt động đạt hiệu suất cao nhất, nhiệt độ của nước cần phải giữ trong khoảng 21-27oC (70-80oF). Tôi không biết ở Việt Nam có đơn vị nào lắp van trộn nhiệt không khi nhiệt độ nước máy hầu hết ở mức 21-27oC. Tuy nhiên ở Miền Bắc nơi có khí hậu giá lạnh mùa đông, việc không lắp van trộn nhiệt có thể làm giảm hiệu suất màng RO.
- Bơm gia áp: Dùng để tăng áp đường ống nước của hệ thống xử lý nước trước RO nhằm tránh hiện tượng tự đóng máy RO do áp suất đường nước thấp vì nước máy thường không đủ áp.
- Lọc thô (Sediment Filter): Dùng để loại bỏ các vật thể rắn có đường kính > 10 µm có trong dòng nước. Có 2 loại filter, loại 1 là 1 cột lọc thô làm từ các lớp than gầy, đá, sỏi và cát (lọc đa lớp - multimedica filter) và loại thứ 2 là hộp cartridge bán sẵn. Khi các cột lọc thô này tắc thì cần tiến hành thay cartridge hoặc rửa ngược (backwashing) cột lọc thô loại lọc đa lớp.
Sơ đồ cấu tạo quả lọc thô
- Hệ thống làm mềm nước (water softener): Dùng để loại bỏ các ion làm cứng nước (calcium và magnesium) bằng cách trao đổi với ion Na. Các ion Ca và Mg tạo ra các mảng bám, mảng lắng đọng khoáng trên màng RO và làm giảm chất lượng nước RO, làm giảm tuổi thọ thậm chí làm hỏng màng RO cũng như làm giảm tuổi thọ của bộ khử ion (DI).
Cấu tạo hệ thống làm mềm nước
Công suất của hệ thống làm mềm nước cần được lựa chọn dựa trên kết quả phân tích độ cứng nguồn nước cấp (nồng độ CaCO3) cho đơn vị thận nhân tạo.
Hệ thống làm mềm nước sẽ được hoàn nguyên hàng ngày bằng dung dịch muối đậm đặc và thường làm trong đêm (hết ca làm việc). Đo độ cứng của nước vào cuối ngày làm việc chứng minh là hệ thống làm mềm nước hoạt động tốt cả ngày. Một số trung tâm còn đề xuất đo độ cứng của nước vào buổi sáng trước khi làm việc để kiểm tra hiệu quả hoàn nguyên của hệ thống làm mềm nước qua đêm.
Cơ chế làm mềm nước
- Thùng chứa viên muối làm mềm nước: Chứa các viên muối và nước tạo ra dung dịch muối siêu bão hòa dùng để hoàn nguyên hệ thống làm mềm nước. Kiểm tra thùng chứa muối hàng ngày bằng mắt đảm bảo thùng chứa muối luôn có hơn một nửa lượng muối tinh luyện và không có cầu muối (salt-bridge)
- Thùng nhựa trao đổi anion (tùy chọn) mục đích là tăng hiệu quả của cột lọc than hoạt.
- Cột lọc than hoạt: Nhà máy nước thường cho vào nước các hóa chất khử khuẩn như chlorine, chloramine, chlorine dioxide để làm sạch nước. Chloride và chloramine không chỉ nguy hiểm cho bệnh nhân mà còn làm hỏng màng RO và 1 điều thú vị là quá trình RO không loại bỏ hiệu quả chlorine và chloramine.
Do vậy người ta dùng cột than hoạt để loại bỏ chlorine và chloramine trong nước trước khi nước được đưa tới hệ thống RO.
Cột lọc than hoạt
Việc loại bỏ chloramine trước khi tới bộ khử ion (DI) cũng làm giảm đáng kể nguy cơ tạo ra nitrosamine, một chất độc gây ung thư.
Ngoài việc loại bỏ chlorine và chloramine, cột lọc than hoạt còn có tác dụng các chất hữu cơ nhỏ, trọng lượng phân tử thấp khác. Một hệ thống xử lý nước TNT cần có 2 cột lọc than hoạt đấu nối tiếp nhau và có cổng lấy nước kiểm tra chlorine/chloramine sau mỗi cột lọc than hoạt. Chú ý Fluor không bị loại trừ bởi hệ thống cột than hoạt này.
2. Thanh lọc
Mục đích: Loại bỏ chất hữu cơ, vô cơ và vi khuẩn
Cấu tạo: Hệ thống thẩm thấu ngược (hệ thống RO – Reverse Osmosis system) - hệ thống RO có cấu tạo gồm các bộ phận sau:
- Màng lọc tinh (cartridge prefilter): Loại bỏ các thành phần có thể phát sinh trong quá trình xử lý nước trước quá trình nước RO ví dụ như mảnh vụn carbon, hạt nhựa... đảm bảo an toàn cho bơm và màng RO. Đường kính lọc từ 1-5 µm.
- Bơm RO: Duy trì áp lực qua màng RO, duy trì áp suất 200-250PSI.
- Màng RO: Màng RO là thành phần quan trọng nhất của quá trình RO. Khi cho 2 khoang dịch tiếp xúc nhau qua màng bán thấm, nước bình thường sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ các chất hòa tan loãng sang nơi có nồng độ các chất hòa tan cao hơn.
Nguyên lý hoạt động của màng RO
Quá trình này gọi là quá trình thẩm thấu. Khi gia tăng áp lực thủy tĩnh ở khoang dich có nồng độ các chất hòa tan cao hơn tới mức lớn hơn áp lực thẩm thấu, thì sẽ có dòng nước di chuyển ngược chiều áp lực thẩm thấu (ngược thẩm thấu).
Do vậy dưới tác dụng của bơm RO, nước sẽ di chuyển sang bên kia màng RO ngược chiều với áp lực thẩm thấu, tạo ra nước rất tinh khiết, và loại bỏ từ 95-99% các chất hòa tan tích điện (tỷ lệ loại bỏ) trong khi đó loại bỏ các chất hòa tan không tích điện có trọng lượng phân tử > 200 daltons.
Chú ý Fluoride được loại bỏ chủ yếu bằng màng RO. Màng RO film mỏng (TF) thường được sử dụng trong lọc máu ngắt quãng. Màng RO TF sẽ thoái hóa khi tiếp xúc với các chất oxy hóa khử như chlorine/chloramines, và do vậy cần lắp cột lọc than hoạt phía trước màng RO. Các chất tẩy không được sử dụng để làm vệ sinh màng RO TF.
Kể cả khi dùng acid peracetic để khử khuẩn màng RO cũng phải rất cẩn thận không được dùng dung dịch acid peracetic đậm đặc. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng màng RO bao gồm: nhiệt độ, pH của nước cấp cho màng RO (nước nguồn), cũng như chất lượng nước cấp cho màng RO (nước đã qua xử lý đầy đủ) và mức độ sạch của màng RO.
Màng RO TF hoạt động tốt nhất ở pH 5.0-8.5. Nước cấp cho màng RO nếu có độ kiềm cao sẽ tạo ra các mảng cặn bám làm giảm hiệu suất màng RO do giảm diện tích hữu dụng.
Hiệu suất màng RO được đo bằng khái niệm có tên là "tỷ lệ loại bỏ" trong khi chất lượng nước RO được đo bằng độ dẫn điện (conductivity) và được biểu thị hoặc bằng thông số micro-Siemens/cm hoặc tổng lượng chất rắn hòa tan (TDS – total dissolved solids). TDS có thể được biểu thị theo mg/L hoặc ppm (part per million – 1 phần triệu).
Cả 2 thông số theo dõi hiệu suất màng RO (bằng tỷ lệ loại bỏ) và chất lượng nước RO (bằng TDS) cần phải được theo dõi liên tục, có đèn và còi báo động khi giá trị theo dõi được ra khỏi trị bình thường.
Để đảm bảo an toàn cho bệnh nhân, khi một thông số theo dõi ra khỏi giá trị bình thường, nước RO cần được chuyển sang đường thải. Nếu đơn thuần chỉ xét về "tỷ lệ loại bỏ", một màng RO có tỷ lệ loại bỏ 95% khi nguồn nước cấp có 100 ppm sẽ cho ra nước RO rất có chất lượng với TDS là 5 ppm. Tuy nhiên nếu nguồn nước cấp có 1000 ppm, thì nước RO sẽ có TDS là 50 ppm.
Mặc dù hiệu suất màng như nhau nhưng chất lượng nước RO trong 2 ví dụ trên là hoàn toàn khác nhau. Do vậy phân tích hóa sinh chất lượng nước RO theo tiêu chuẩn AAMI là cách duy nhất để xác định chất lượng nước RO vì cả "tỷ lệ loại bỏ" và TDS không cho biết cụ thể có tồn tại chất gây ô nhiễm hay không.
Hệ thống RO trên đây chỉ có thể hoạt động hiệu quả và an toàn nếu nguồn nước cấp cho trung tâm thận nhân tạo đạt chuẩn EPA. Do vậy ở một số nơi, khi nước RO không đạt chuẩn AAMI, cần có thêm hệ thống RO bắc nối tiếp hoặc lắp thêm bộ khử ION (DI) để làm nước RO thêm tinh khiết.
Vệ sinh màng RO: Mảng cặn bám trên bề mặt màng RO có bản chất là sự lắng đọng của muối calci, magne, bùn, kim loại, các chất hữu cơ, và chất bẩn. Màng RO cần được vệ sinh thường xuyên, mỗi 3 tháng 1 lần để loại bỏ các mảng bám này. Các chất rửa có tính kiềm sẽ loại bỏ mảng bám bùn và chất bẩn, các chất rửa có tính acid sẽ loại bỏ mảng bám khoáng chất và kim loại.
Khử khuẩn hệ thống RO cần được tiến hành 1 tháng 1 lần. Nên nhớ là phần hay bị bỏ quên khi khử khuẩn là các ống dẫn nước tới máy thận nhân tạo. Các nhà cung cấp hệ thống RO cần phải đưa ra các biện pháp dự phòng để ngăn ngừa việc tồn dư hóa chất khử khuẩn được đưa vào nước RO để đưa đến máy thận nhân tạo cho điều trị bệnh nhân.
Tất cả các đồng hồ đo áp lực và lưu tốc cần được bảo dưỡng và duy trì hoạt động theo đúng chuẩn của nhà sản xuất và các thông số theo dõi này cần được ghi lại hàng ngày. Chỉ số độ dẫn điện cần nằm trong giá trị bình thường và cần được kiểm tra và ghi lại ít nhất 1 lần trong 1 ngày.
Chỉ số dẫn điện cũng cần được kiểm tra lại bằng 1 thiết bị đo độc lập. Tỷ lệ loại bỏ ít nhất phải > 90% và phải ghi nhận hàng ngày.
- Cột khử ion (Deionization - DI): một số đơn vị thận nhân tạo sẽ lắp thêm cột khử ion (DI) phía sau màng RO nếu nước RO vẫn không đạt chuẩn AAMI sau khi đã được xử lý bằng hệ thống RO.
Cột khử ion chứa các hạt nhựa trao đổi ion, có thể loại bỏ các cation và các anion còn lại trong nước RO, bao gồm cả các anion fluoride có trong nước máy chưa bị loại trừ hết bởi màng RO, bằng cách trao đổi với ion H+ và OH-.
Các ion H+ và OH- sau khi trao đổi sẽ kết hợp với nhau tạo thành nước (H2O). Các hạt không tích điện sẽ không được loại bỏ bởi cột khử ion (DI), do vậy vi khuẩn, nội độc tố không bị loạt bỏ. Thực tế, hạt nhựa khử ion tạo ra môi trường thuận lợi cho vi khuẩn phát triển. Do vậy, luôn có 1 phin siêu lọc được lắp phía sau cột khử ion để đảm bảo nước RO không bị nhiễm vi khuẩn.
Cơ chế hoạt động của hệ thống khử Ion (DI)
Cột khử ion sẽ bắt giữ tất cả các ion cho tới khi hạt nhựa trao đổi ion đạt đến độ bão hòa. Trước khi bão hòa, cột khử ion cần được thay thế bằng cột mới. Mức điện trở của nước RO sau khi ra khỏi cột khử ion được sử dụng để đánh giá mức độ bão hòa của các hạt nhựa và cột khử ion cần được thay thế khi mức điện trở này đo được tụt xuống ngưỡng 1 Mohm/cm.
Nếu tiếp tục sử dụng cột khử ion khi mà cột này đã bão hòa thì hạt nhựa trao đổi ion sẽ giải phóng hàng loạt anion fluoride vốn có ái tính thấp với hạt nhựa để lấy chỗ gắn với các anion có ái tính cao hơn.
Việc giải phóng ồ ạt fluoride vào nước RO sẽ tạo ra acid hydrofluoric trong nước RO và nước này được cấp tới máy thận. Acid hydrofluoric có độc tính khá cao và có thể gây tử vong cho bệnh nhân chạy thận khi có mặt trong dịch thẩm tách của máy thận nhân tạo.
Cơ chế của DI tạo ra acid Fluorhydric (HF) khi DI đạt ngưỡng bão hòa
- Chiếu tia cực tím (UV): tia cực tím có thể xuyên qua màng tế bào vi khuẩn, phá hủy tế bào vi khuẩn. Do 1 số vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn gram (-) khi bị phá hủy sẽ giải phóng ra endotoxin (nội độc tố vi khuẩn). Do vậy phía sau đèn cực tím luôn cần có màng siêu lọc loại bỏ nội độc tố.
- Màng siêu lọc, màng lọc siêu hiển vi, màng lọc giữ nội độc tố: Màng lọc siêu hiển vi sẽ bắt giữ vi khuẩn và làm giảm nồng độ vi khuẩn ở sản phẩm nước RO cuối cùng trong khi màng siêu lọc hoặc màng lọc giữ nội độc tố có thể loại bỏ cả vi khuẩn lẫn nội độc tố.
Cấu tạo van lọc nội độc tố
3. Phân phối
- Mục đích: Đưa nước RO tới máy thận.
- Phân loại: Có 2 hệ thống phân bố nước RO. Hệ thống trực tiếp và gián tiếp. Hệ thống trực tiếp thường có hệ thống tái sử dụng nước RO để tiết kiệm nước. Hệ thống gián tiếp thường có bơm tăng áp và có bình chứa nước RO.
- Hạn chế nước tù, phân nhánh không cần thiết.