按照联合国教科文组织的标准, 人均水资源低于3 000 m³为轻度缺水, 低于2 000 m³为中度缺水, 低于1 000m³为重度缺水, 低于500m³为极度缺水。据水利部统计, 2016年我国水资源总量3.2万亿m³, 人均水资源量2 347.53 m³/人, 接近中度缺水水平。而且我国水资源分配不均, 长江流域及其以南地区水资源量占全国的81%, 淮河流域及其以北地区水资源量仅占全国水资源总量的19%。据《北京水资源公报》《河北年鉴》及《天津年鉴》统计, 2015年北京、天津、河北的人均水资源量为123m³、182m³、124m³, 低于国际公认极度缺水标准的500m³人均资源量, 属于极度缺水城市。对于水资源短缺问题的解决, 最可持续发展的办法是重复利用、变不可用水为可用水。

据《2016年城市建设统计年鉴》统计, 2016年我国城市总用水量为489.9亿m³, 其中, 公共服务用水81.5亿m³。由各地医疗用水定额及国家卫生计省委统计的医院数量可估算, 公共服务用水中, 医院每年用水量为37.3亿m³, 占公共服务用水总量的46%, 耗水量约公共服务用水的一半, 占用了大量水资源。血液透析 (HD) 是医院最耗水的治疗过程, 每次治疗需要300~600L的水, 耗电7~19kW·h。随着病人数量的急剧增加, 透析治疗对生态和经济的影响越来越大, 进一步加大了透析对环境资源的负担。目前, 美国、澳大利亚、摩洛哥等国家已经开始实行血液透析水的回用, 法国里昂^[1]将血液透析每年产生的1 200 m³反渗透系统废水全用于医院建筑中所有的卫生设施, 美国维多利亚州^[2]目前已有25%的医院实行反渗透废水回用, 将反渗透废水收集, 供给建筑冲厕、公园绿化或农业灌溉用水。国内大多数医院在透析治疗中仍然将这种高质量的“废水”作为普通废水排入下水道, 并未考虑到它的潜在用途, 在较大程度上地浪费了可重复利用的水资源。因此, 本文从反渗透废水回用以及透析废水回用2个方面分析国外的血液透析节水经验, 并提出适用于国内医院的血液透析水回用方案。

血液透析中的进水采用市政自来水, 经过一系列颗粒和碳过滤 (除氯) 过程后通过反渗透系统, 去除残留的各种微量元素、细菌、盐分等杂质, 在此过程中每位病人一次治疗产生约380L的反渗透废水被排放, 产出的约120L纯水供给透析单元进行透析液的制备。透析水制备过程如图1所示^[3]。

根据最新的美国肾脏数据系统年度数据报告, 2016年美国透析治疗患者有46.8万人, 在Medicare (美国联邦医疗保险) 注册的透析设施大约有6 886个, 美国每年需要淡水量至少5万亿L^[4]。澳大利亚每年透析用水产生的废水量约有4亿L^[5]。摩洛哥每年血液透析淡水用量超过1.9亿L^[6]。随着地球人口的不断增长, 预计到2025年大约有400万透析患者^[7], 透析治疗需要大量的治疗用水, 预计2025年需要消耗约200亿L的水用于透析治疗。

在血液透析时, 对于以500~600mL/min的透析液流量运行的血液透析设备, 透析治疗用水为30L/h左右。一般病人透析时间为4h, 每次透析用水120L左右。每位病人一次透析需要的纯水需要大约500L的自来水制备^[5], 即只有25%左右的水被有效利用, 这意味着在每次透析治疗之前都会产生约380L的废水。若考虑设备预冲洗、反渗透系统的产水效率等影响因素, 每次治疗将使用更多的纯化水, 即需要更多的自来水来制备纯水, 反渗透排放的废水也将更多。然而, 人们对于这种废水存在误解, 认为它是用于治疗后产生的废水, 实际上, 反渗透废水是在治疗前产生的, 未接触过病人的水, 它完全满足医疗仪器协会 (AAMI) , 美国环境保护局 (EPA) 和世界卫生组织 (WHO) 提供的所有饮用水标准。

关于血液透析中的水资源节约与利用有2个方面, 一是反渗透废水的回用, 二是对透析废水处理后再利用。美国、澳大利亚等国家已经开始实行血液透析水的回用, 有较为成熟的回用技术和经验。

澳大利亚的Geelong医院在回用前对反渗透废水进行了检测, 检测结果如表1^[8]所示。

从表1的数据可以看出, 反渗透废水除电导率、浊度较高以外, 其他限值均符合当地饮用水要求。

Geelong医院的回用方法为收集再利用。在屋顶安装了2个储水罐用于储存反渗透废水, 使用反渗透废水为医院绿化、冲厕、集中消毒部门高压灭菌蒸汽提供用水, 每周可节省100m³的水。回用流程示意如图2所示。

反渗透废水的电导率及浊度略高主要是由于反渗透废水中的微量元素、细菌、盐分等杂质导致的。其中, 较高的电导率水回用做杂用水可能会对输水管道及植物生长造成不利影响, 故针对此类废水的高电导率性质造成的影响进行如下分析。

我国医疗建筑给水中, 薄壁不锈钢管的使用较为广泛, 该类管材具有抗腐蚀、高强度及使用寿命长的优点, 能够保证给水质量, 满足医院的特殊要求^[9]。而国内输水工程中常用20#钢管和球墨铸铁管^[10], 由于铁质管材的化学组成, 高电导率容易导致管内生成腐蚀产物并逐渐形成管垢^[11], 造成输送水质的恶化, 影响反渗透废水回用水质。黄长山等^[12]研究发现, 当电导率在2 000μS/cm以下时, 金属铁的腐蚀速率小于0.4mm/年, 能基本保证管网及设备的安全。王曰义等^[13]通过试验数据得出结论, 电导率低于400μS/cm的水对钢、铜的腐蚀都没有显著影响。反渗透废水出水的电导率为260μS/cm, 小于400μS/cm, 在输送过程中对管网的腐蚀影响较小, 能基本保证管网及设备的安全。

反渗透废水的电导率小于我国再生水的电导率 (1 101μS/cm) ^[14], 由于再生水常用于城市绿化浇灌, 故分析再生水电导率用于植物浇灌对其生长的影响, 从而验证反渗透废水对植物的影响。杨雅银^[15]的试验研究证明, 用再生水灌溉园林植物, 对植物的生理特性影响较小, 并且不会引起地下水的污染, 即在我国反渗透废水回用方案中, 可将反渗透废水回用于植物浇灌。

据Geelong医院健康环境管理计划数据显示, 该医院用水量为2.62kL/ (m²·年) ^[16], 即该医院用水量为394m³/d, 若将透析反渗透废水回用, 则可节约水量14.3m³/d, 占医院总用水量的3.6%, 采用该废水回用方案后, 每年可节约水资源5 219.5m³, 参照Geelong医院当地的水价1.90 AUD/m³ (约人民币9.2元) ^[17], 则每年可节省财政支出4.8万元。故采用该方案不仅能有效减少这类高质量废水的排放, 节约水资源, 同时还减少了用水财政支出, 实现水资源的合理利用。

通过比较联合国粮食及农业组织 (粮农组织) 和世界卫生组织 (卫生组织) 农业应用废水标准的特点, 摩洛哥已经有试验项目证明透析废水经过第二次反渗透通道加工后满足农业浇灌用水要求, 该项目还对比了血液透析废水与其他常见的回用废水和农业用水标准的水质区别, 如表2所示^[5]。

表2列出了透析废水的化学特性, 以及其他常回收利用的工业废水、市政废水和粮农组织/世卫组织关于农业用水使用标准的信息^{[18,19,20,21,22,23]}。除了由于透析废水中含有大量的尿素、磷等血液中的代谢废物, 导致电导率增长值超出预期, 生化需氧量, pH和细菌数均不超过粮农组织的标准, 溶解有机物质的浓度符合适用的排放标准, 细菌数量符合世界卫生组织关于农业废水使用的标准^[9,24]。而且废水中未检测出有大肠杆菌, 故使用血液透析废水的主要问题是其高导电性和磷含量。可使用膜技术 (反渗透和纳滤) 处理这类较高电导率的废水^[25], 目前这种方法被广泛用于处理各种类型的废水, 并有效地消除微量有机化合物, 细菌和病毒^[5,26,27]。王强等^[28]发现, 通过预处理提高废液pH, 可将磷酸根的截留率提高至91.7%。刘建广等^[29]的研究发现, 当进水总磷浓度较低时, 可采用水解—上向流曝气生物滤池 (UBAF) 工艺与纤维过滤器 (加药除磷) 工艺结合, 采用化学除磷的方法, 向UBAF出水中投加20mg/mgTP的硫酸铝, 可保证纤维过滤出水TP浓度小于1mg/L。

目前我国几乎没有回收使用透析水的案例, 对于透析水回用的关注度较低。我国绝大多数医院都将透析水制备过程中产生的浓水作为废水排放, 尽管这类废水水质能达到饮用水标准。

据上文相关数据计算得知, 一位患者每次治疗需要120L左右的纯化水, 约500L自来水制备, 是医院治疗过程中最耗水的治疗过程。根据CNRDS (中国研究数据服务平台) 统计, 我国的血透患者在2016年已经达到了44.7万人。按每位患者透析频率4h/次, 3次/周来计算, 透析消耗自来水约72m³/ (人·年) 。以2016年血液透析患者人数估计, 我国每年透析消耗自来水总量为3 218万m³/年, 产生的排水量约为2 446万m³/年, 但目前我国并未重视此类废水的回用, 因此, 透析用水作为节水的新方向, 有较大的节水空间。

国内目前缺乏有关透析废水水质、回用方面的研究, 澳大利亚在这方面的研究较为深入, 因此, 本文将国内医院与澳大利亚医院透析水的进水及用水水质进行比较, 如表3、表4所示。

由表3、表4可以看出, 我国同澳大利亚的透析进水、用水水质都几乎一致, 根据水清木华的研究报告表明, 我国血液透析设备进口依赖率达70%左右, 因此可推测国内外出水水质也应相差不大, 故本文提出的透析水回用方案中, 透析反渗透废水水质都以参考澳大利亚反渗透废水水质的分析结果见 (表5) 为前提。

本次研究中, 考虑将透析反渗透废水回用于冲厕以及绿化用水, 于是将反渗透出水水质与我国再生水水质标准 (SL 368-2006) 中用于城市非饮用水部分指标限值相比较, 比较内容如表5所示。

由表5可知, 血液透析产生的反渗透废水水质完全满足我国再生水用于冲厕和城市绿化的指标要求, 甚至满足EPA饮用水标准。然而在国内, 此类优质废水绝大部分都被直接排入下水道, 几乎没有医院将这类水回用, 造成了经济和水资源的极大浪费。

关于透析排水回用主要有两个方面:一是反渗透废水回用, 二是透析废水回用。但透析废水的回用在国际上仍然存在争议, 透析废水作为透析治疗的产物, 是非常高风险的水源, 可能存在被传染的风险。因此, 本文认为此类接触过病人血液的水是否能够回用还需要进一步研究。针对我国的透析水节水方案, 不建议回用这类透析液, 不提出透析废液的回用方案。

由表5分析可知, 透析过程产生的反渗透废水是质量非常好的水。虽然这种水在法律上不能饮用^[3], 但基本满足EPA饮用水标准。并且反渗透产生的废水从未与病人接触, 不存在感染风险。因此, 我们应更多地关注此类高档灰水的节约效率, 在节约水资源、减少碳足迹的同时提高经济效益。本文提出的反渗透废水回用方案如图3所示。

设置一个储水池以供储存反渗透装置排出的废水, 然后再泵送到屋顶的灰色水箱进行重新分配, 使用反渗透废水进行灌溉、洗衣、卫生冲厕或为医院仪器和其他无菌材料的蒸汽消毒提供用水。该系统由浮动开关控制, 如果灰水箱变满, 浮动开关将废水引入排水管, 从而防止在不需要使用灰水的情况下, 回收泵不必要地运行。

以北京市和平里医院为例, 该医院占地面积25 200m², 绿地覆盖率37.4%, 即9 424.8m², 共有325张床位, 近百名肾功能衰竭患者在其透析中心长期接受治疗, 以100名长期透析患者估算, 每次透析用水约为500L, 每周透析3次, 则每年透析治疗需水量为7 200 m³左右, 产生的废水量约5 472m³/年, 采用图3的回用系统, 可将此类高档废水回用于病房冲厕及绿地浇灌。该医院绿地浇洒用水定额按《室外给水设计规范》 (GB 5003-2006) 中规定的0.002m³/ (m²·d) 计算, 冲厕用水比例按生活综合用水的33%^[30]估算, 参照《建筑给水排水工程》中对医院生活综合用水量给出的数据, 该医院生活综合用水定额为0.1 m³/ (床·d) , 即冲厕用水量约为3 912m³/年, 绿化用水量约为5 089 m³/年。水量平衡情况如表6、图4所示。

血液透析是医疗中的高耗水治疗程序。以我国2016年血液透析患者人数估计, 医院每年透析消耗自来水总量为1 336万m³/年, 血液透析产生的反渗透废水量约为561万m³/年, 若将此类废水回收利用, 则每年回用透析治疗中产生的反渗透废水水量占医疗用水的0.15%, 以北京非居民水价9元/m³为参考, 每年可节约财政支出5 049万元。

(1) 减少水资源浪费。以2016年血液透析患者人数估计, 我国每年透析消耗自来水总量为3 218万m³/年, 其中产生的废水量约为2 446万m³/年, 此类水质完全满足我国再生水水质标准, 可用作绿化或冲厕, 重复利用水资源, 减少水资源的浪费。

(2) 减少碳足迹。透析的碳足迹定义为直接或间接支持透析设施活动的温室气体总量, 通常用等量的二氧化碳表示。Connor等^[7]报告分析, 每天使用14 400L废弃血液透析水取代自来水, 每年可少排放1 239.88kgCO₂, 即每使用1m³废水回用水, 会减少0.23kg的CO₂排放。据估计, 美国医疗保健部门每年排放二氧化碳5.26亿t, 英国医疗服务每年排放1 860万tCO₂ (占英国所有温室气体排放量的3%) , 而高效率地使用水可以减少碳排放。我国每年可回用反渗透废水为2 446万m³, 即每年可减少排放562.58万kg CO₂。

通过总结并借鉴国外对透析水回用的相关方案和经验, 提出了适用于国内的透析水回用方法, 即回用反渗透废水用于绿化灌溉、卫生冲厕等用途, 分析了该方案带来的经济效益和环境影响。由于血液透析用水量高, 关注其回收利用潜力是至关重要的, 在未来的发展过程中, 应加强对血液透析废水的回收利用, 减少对水资源的消耗, 将高耗水的透析治疗向“绿色透析”方向转变。