熊兆錕，劉文，曹劍釗，劉楊，張恒，江燕妮，楊冀峰，賴波

(1. 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院；中德水環(huán)境與健康研究中心，成都 610065；2. 北京大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院水沙教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；環(huán)境工程系；北京市新型污水深度處理工程技術(shù)研究中心，北京，100871；3. 北京大學(xué)第三醫(yī)院 基建處，北京 100871；4. 中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會(huì) 醫(yī)院建筑與裝備分會(huì)醫(yī)院水系統(tǒng)研究中心，成都 610065)

醫(yī)院污水來源及成分復(fù)雜，含有病原性微生物、藥物及其代謝產(chǎn)物、抗性基因、重金屬和造影劑等[1-6]，不經(jīng)有效處理將成為一條疫病擴(kuò)散的重要途徑和嚴(yán)重的環(huán)境污染源。尤其是在“非典”(SARS)和“新型冠狀病毒”(COVID-19)疫情爆發(fā)的特殊時(shí)期，病原微生物通過污水途徑傳染(即糞口傳播)帶來的危害會(huì)遠(yuǎn)超正常時(shí)期，同時(shí)，超常的藥物及其代謝產(chǎn)物會(huì)給水環(huán)境帶來超常的污染和危害，存在嚴(yán)重的病原微生物傳染和二次污染風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人類健康。因此，醫(yī)院污水中的典型藥物和病原微生物的同步消毒降解深度處理極其重要。

2003年SARS爆發(fā)，國(guó)家環(huán)?？偩纸M織編制了《醫(yī)療機(jī)構(gòu)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18466—2005)；而為應(yīng)對(duì)新冠肺炎疫情，生態(tài)環(huán)境部于2020年2月1日印發(fā)《關(guān)于做好新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫(yī)院污水和城鎮(zhèn)污水監(jiān)管工作的通知》，均強(qiáng)調(diào)醫(yī)院污水深度處理和消毒的重要性[7-8]。2008—2013年瑞士與德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、英國(guó)、蘇格蘭、盧森堡等合作對(duì)醫(yī)院污水和制藥廢水為代表的藥物污染情況和處理進(jìn)行研究，并制定Pharmaceutical Input and Elimination from Local Sources(PILLS)項(xiàng)目，重點(diǎn)關(guān)注醫(yī)藥和醫(yī)院污水中的藥物來源及處理的研究和應(yīng)用[6, 9-11]。同時(shí)，美國(guó)、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家在醫(yī)院污水中藥物殘留、耐藥病原微生物以及導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和人類健康風(fēng)險(xiǎn)方面做了大量研究[12-14]。然而中國(guó)的研究主要集中在市政污水、養(yǎng)殖污水和環(huán)境水體中典型藥物(如抗生素)的遷移轉(zhuǎn)化和模型污染物去除技術(shù)上[15-17]，缺少關(guān)于醫(yī)院污水中典型藥物和病原微生物的同步消毒降解深度處理技術(shù)的研究。在新冠肺炎疫情的特殊情況下，對(duì)醫(yī)院污水防控體系的建設(shè)提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要對(duì)目前醫(yī)院污水的組成和分布進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)有處理技術(shù)及其存在的問題，提出醫(yī)院污水處理技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1 藥物和病原微生物的來源和去向

如圖1所示，制藥廠生產(chǎn)的藥物主要包括人用和獸用藥物，通過人和動(dòng)物的代謝后進(jìn)入環(huán)境水體，帶來一系列的潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[18]。其中，人用藥物很大一部分是通過醫(yī)院污水的形式進(jìn)入環(huán)境水體，具體途徑包括：1)醫(yī)院污水進(jìn)入市政管網(wǎng)后通過滲漏直接進(jìn)入環(huán)境水體；2)污水處理廠(WWTPs)傳統(tǒng)的生物處理技術(shù)很難完全分解污水中的某些藥物類污染物，尤其是痕量級(jí)別的活性藥物，導(dǎo)致其隨污水處理廠出水進(jìn)入環(huán)境水體。有研究表明醫(yī)院污水對(duì)全社會(huì)藥物等新興污染物的貢獻(xiàn)高達(dá)15%～38%[19]。

近年來，新興污染物在中國(guó)的關(guān)注程度日益增加，各水系、流域中新興污染物檢出的報(bào)道層出不窮。最新調(diào)查研究顯示，長(zhǎng)三角地區(qū)約40%孕婦尿液中檢出抗生素，近80%兒童尿液中檢出獸用抗生素，部分檢出抗生素已在臨床中禁用，有可能嚴(yán)重?fù)p害人體免疫力[20]。國(guó)家環(huán)境分析測(cè)試中心對(duì)北京4家醫(yī)院污水中不同種類和濃度的抗生素藥物殘留進(jìn)行了測(cè)試，建立了針對(duì)我國(guó)較為常見、消耗量較大的12種磺胺、4種喹諾酮、3種四環(huán)素以及羅紅霉素和甲氧芐氨嘧啶等21種抗生素的分析方法。這21種抗生素在醫(yī)院尾水中均有檢出，質(zhì)量濃度分別為5.9～11.9 μg/L，明顯高于中國(guó)河水和海水中的濃度水平[21]。

醫(yī)院污水水質(zhì)受其規(guī)模大小、醫(yī)院類型、住院部、門診部等影響，不同醫(yī)院的污水水質(zhì)指標(biāo)可能存在較大差異。醫(yī)院污水綜合水質(zhì)類似生活污水，但成分比生活污水更復(fù)雜(通常含有重金屬、有機(jī)溶劑、消毒劑、放射性同位素等)。因醫(yī)院人均排水量較大，其生化需氧量(BOD)和化學(xué)需氧量(COD)指標(biāo)一般低于城市生活污水，糞大腸菌含量與生活污水相近。傳染病醫(yī)院污水中的病原性微生物比綜合性醫(yī)院種類更多，數(shù)量更高。

醫(yī)院污水不僅僅帶來藥物類污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也是病原微生物主要風(fēng)險(xiǎn)來源，尤其是在疫情爆發(fā)的特殊時(shí)期，傳染病醫(yī)療的病原微生物通過污水途徑傳染(即糞口傳播)帶來的危害會(huì)遠(yuǎn)超正常時(shí)期。一般情況下，醫(yī)院污水按組成可分為4類：1)傳染病菌污水。醫(yī)療廢水中的病原微生物主要有：病原性細(xì)菌、腸道病毒、蠕蟲卵和原蟲4類；2)一般帶病菌污水。主要是醫(yī)療器械的洗滌污水及腸道病菌污水；3)放射性廢水。該類廢水含有因醫(yī)用途徑而產(chǎn)生的放射性元素；4)普通生活污水，含醫(yī)院廚房、職工廁所和盥洗廢水等，此類廢水中包含的特殊污染物有藥物、消毒劑、診斷用劑、洗滌劑、納米顆粒及放射性物質(zhì)等。將未經(jīng)處理的污水澆灌于生食蔬菜上，會(huì)引起傷寒、霍亂、蛔蟲病、阿米巴痢疾、細(xì)菌性痢疾。

此外，醫(yī)院污水中常被忽視的污染物是用于X射線觀察的碘制造影劑。如圖2所示，醫(yī)院污水中的主要成分是造影劑，包括碘普羅胺、碘美普爾和碘必樂等，其濃度達(dá)到了醫(yī)院污水出水污染物的98.677%，其余成分主要為藥物類污染物，占比較大的包括止痛/消炎藥物、抗生素和酶抑制劑等[18]。

碘化物造影劑具有很強(qiáng)極性，在水溶液中穩(wěn)定性強(qiáng)，是污水中可吸附有機(jī)鹵素(AOX)的主要來源，AOX在天然水體中很難被降解。有研究表明，去除水中的碘化物造影劑主要有生物降解法和高級(jí)氧化技術(shù)法，處理污水中的痕量碘化物造影依然還有很大的研究空間[22]。在污水處理過程中，碘化物造影劑易與消毒劑產(chǎn)生副產(chǎn)物，如碘代三鹵甲烷(iodo-THM)和碘酸消毒副產(chǎn)物(iodo-DBPs)，這兩類副產(chǎn)物對(duì)哺乳動(dòng)物具有很高的遺傳毒性和細(xì)胞毒性[23]。其中，醫(yī)院用量最多的碘普羅胺和碘美普爾等造影劑通過高級(jí)氧化技術(shù)處理后亦難得到有效降解，其降解中間產(chǎn)物極其復(fù)雜。如圖3所示，鈷活化過一硫酸鹽(Co/PMS)系統(tǒng)對(duì)碘美普爾的降解主要通過脫碘、脫氫反應(yīng)、酰胺水解、氨基氧化、羥基取代、烷基芳香族酰胺轉(zhuǎn)化為芳香族氨基甲酰、脫水、氧化伯醇生成羧酸鹽等8個(gè)途徑[24]。由此可見，在醫(yī)院治療活動(dòng)中使用量較大的造影劑是醫(yī)院污水中的主要成分，而且造影劑結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，屬于難降解有機(jī)污染物，在一般的醫(yī)院污水處理系統(tǒng)中基本無法去除。因此，亟需開發(fā)高效的選擇性吸附或降解技術(shù)對(duì)醫(yī)院污水中含量最高的造影劑類污染物進(jìn)行有效處理。

2 其他國(guó)家醫(yī)院污水處理技術(shù)的進(jìn)展及問題

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)醫(yī)院污水的深度處理技術(shù)和工藝已有廣泛研究。如圖4所示，Kovalova等對(duì)瑞士Baden鎮(zhèn)醫(yī)院(346個(gè)床位，水量為240 m3/d)進(jìn)行水質(zhì)分析和連續(xù)一年的中試處理研究[25]。從該醫(yī)院污水中定性定量分析到56種藥物、10種代謝產(chǎn)物和2種防腐劑，其中，抗生素環(huán)丙沙星濃度高達(dá)32 μg/L(比市政污水中的濃度高約70倍)，X射線造影劑的濃度高達(dá)約2 600 μg/L(比市政污水中的濃度高數(shù)百倍)，造影劑含量達(dá)到污水中污染物總量的約80%。中試研究采用膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝(平板膜、污泥濃度2 g/L，泥齡30～50 d，DO為1～5 mg/L)，經(jīng)過連續(xù)一年的運(yùn)行和研究，發(fā)現(xiàn)污水中僅有16種藥物的去除率達(dá)到80%，并且總藥物和代謝產(chǎn)物的去除率僅為22%。即傳統(tǒng)的生物法對(duì)醫(yī)院污水的藥物類污染物降解能力非常有限，研究發(fā)現(xiàn)MBR出水中95%的污染物為碘化物造影劑。在此基礎(chǔ)上對(duì)比研究了O3、O3/H2O2、PAC、UV/TiO2等技術(shù)對(duì)MBR出水的深度處理效果。增加后續(xù)臭氧化深度處理，醫(yī)院污水中藥物和代謝物的去除能夠達(dá)到90%以上，但其對(duì)造影劑的深度處理效率仍然較差(去除效率僅能達(dá)到約60%)[26]。因此，迫切需要開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的醫(yī)院污水深度處理技術(shù)，如以強(qiáng)氧化性自由基攻擊為核心的高級(jí)氧化技術(shù)(類芬頓技術(shù)、催化臭氧技術(shù)等)。

在PILLS項(xiàng)目的背景下，2011年7月建成的德國(guó)瑪麗安醫(yī)院污水處理廠(醫(yī)院有1 200名職工，每年病人約7.5萬人，污水量約200 m3/d)是歐洲第一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注醫(yī)院污水中微污染物去除的污水處理廠(圖5)。采用了“膜生物反應(yīng)器+催化臭氧+粉末活性炭吸附”(MBR+O3+PAC)的組合處理工藝，其中，催化臭氧和粉末活性炭是作為物理化學(xué)深度處理單元，重點(diǎn)深度去除污水中的藥物類污染物[18, 27]。該工程項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)于去除醫(yī)院污水中的藥物類污染物具有重要意義和推廣價(jià)值。

雖然，歐洲在醫(yī)院污水中藥物類污染物深度處理方面做了大量工作，但并未重點(diǎn)關(guān)注醫(yī)院污水中病原微生物的有效消殺處理。尤其遇到重大疫情特殊時(shí)期，殺滅醫(yī)院污水中的病原微生物是首要任務(wù)，防止病原微生物通過污水途徑傳染(即糞口傳播)能夠有效地控制疫情的發(fā)展速度。因此，開發(fā)醫(yī)院污水中典型藥物和病原微生物同步消毒降解深度處理技術(shù)是未來研究的一個(gè)重要方向。

3 中國(guó)醫(yī)院污水處理技術(shù)的進(jìn)展及問題

長(zhǎng)期以來，醫(yī)院污水處理一直是中國(guó)水污染防治工作的薄弱環(huán)節(jié)，處理水平整體較低。但中國(guó)也在醫(yī)院污水處理方面逐步進(jìn)行了新的嘗試，如針對(duì)傳染病通過污水傳播已經(jīng)建立了三級(jí)防護(hù)體系：1)病房?jī)?nèi)病人的排泄物進(jìn)行消毒處理后，再與其他廢物一起，進(jìn)入醫(yī)院危險(xiǎn)廢物處理體系；2)在各級(jí)醫(yī)院，特別是傳染病醫(yī)院均建立了醫(yī)院污水處理系統(tǒng)；3)醫(yī)院污水由城市下水道進(jìn)入城市污水處理廠，城市污水處理廠根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置了不同類型的消毒設(shè)施[28]。根據(jù)《醫(yī)院污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2029—2013)的設(shè)計(jì)要求，醫(yī)院污水處理設(shè)施根據(jù)傳染病醫(yī)院和非傳染病醫(yī)院污水性質(zhì)的不同可分為兩類工藝流程(如圖6所示)[29]。一般常規(guī)的工藝流程包括格柵、調(diào)節(jié)池、水解池、生化反應(yīng)處理池、二沉池和消毒池等。但隨著目前對(duì)出水水質(zhì)要求的不斷提高，特別是針對(duì)醫(yī)院污水中藥物殘留、耐藥病原微生物等的同步去除需求，后端的深度處理工藝顯得尤為重要。開發(fā)具備同步降解藥物類污染物和殺滅病原微生物的深度處理技術(shù)和裝備能夠滿足出水水質(zhì)要求不斷提高的需求，特別是以高級(jí)氧化為基礎(chǔ)的深度處理技術(shù)，是未來醫(yī)院污水處理科研工作研究的重點(diǎn)方向。

圖6 《醫(yī)院污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2029—2013)中規(guī)定的污水處理工藝流程Fig.6 The sewage treatment process as stipulated in Technical specifications for hospital sewage treatment projects (HJ 2029-2013)

表1 醫(yī)院污水常用消毒工藝Table 1 Hospital sewage disinfection process

此外，不同的消毒方式對(duì)醫(yī)院污水中的細(xì)菌與病毒產(chǎn)生的效果也有所差別。液氯、二氧化氯、漂白粉、次氯酸鈉等消毒劑較為常用，也有少數(shù)醫(yī)院污水采用臭氧、紫外線等消毒方式。二氧化氯與病原體接觸時(shí)，會(huì)先吸附在細(xì)胞壁上，再透過細(xì)胞壁，通過氧化還原反應(yīng)使得胞內(nèi)氨基酸分解而被破壞，使蛋白質(zhì)變性，從而達(dá)到滅菌的目的。臭氧可以通過吸附在細(xì)菌璧表面，擴(kuò)散到胞內(nèi)，再通過氧化胞內(nèi)物質(zhì)的方式達(dá)到殺菌的效果，因臭氧的氧化性僅次于氟氣和羥基自由基，其消毒效果優(yōu)于二氧化氯，對(duì)生命力較強(qiáng)的病原體(如病毒)有更好的滅活作用。革蘭氏陽(yáng)性菌較革蘭氏陰性菌具有更厚而致密細(xì)胞壁，因此，當(dāng)化學(xué)消毒劑通過細(xì)胞壁擴(kuò)散作用滅菌時(shí)，革蘭氏陽(yáng)性菌具有更強(qiáng)的抵抗性，需要更大的劑量或者更長(zhǎng)的時(shí)間。紫外線消毒與化學(xué)消毒的原理不同，主要是通過紫外光子產(chǎn)生的輻射達(dá)到殺菌效果。細(xì)菌的核酸物質(zhì)對(duì)紫外波段有特別強(qiáng)的吸收，紫外光可以直接裂解細(xì)菌核酸，從而使細(xì)菌失活。

武漢火神山和雷神山醫(yī)院作為疫情特殊時(shí)期專門收治確診新冠病毒肺炎患者的定點(diǎn)醫(yī)院，其廢水處理設(shè)施和技術(shù)也具有更高要求，以充分保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)和新冠病毒的殺滅。火神山和雷神山醫(yī)院的污水處理工藝較為相似。以雷神山為例，雷神山醫(yī)院污水來源復(fù)雜，含有活性藥物、化學(xué)藥劑(如造影劑等)、新冠病毒、細(xì)菌及常規(guī)有機(jī)污染物等。如圖7所示，院區(qū)污水經(jīng)專用管網(wǎng)收集后，需經(jīng)過預(yù)消毒池、化糞池、提升泵站、調(diào)節(jié)池、移動(dòng)床生物膜工藝消毒(MBBR)池、高效混凝沉淀池和折流消毒池7道嚴(yán)格的處理工序。其核心工序?yàn)檎哿飨境?，消毒工藝中除加大投藥量外，還將停留時(shí)間從《醫(yī)療機(jī)構(gòu)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18466—2005)中規(guī)定的1.5 h提升到4.5～5 h，確保新冠病毒的高效滅活。再者，預(yù)消毒和折流消毒的兩級(jí)強(qiáng)化消毒措施，也能保障新冠病毒和其他致病微生物的高效殺滅。此外，MBBR池不同于傳統(tǒng)的MBR工藝，該反應(yīng)池通過向生化反應(yīng)器中投加一定量的懸浮載體，可有效增加池中微生物(好氧、兼性好氧和厭氧菌)的生物量和種群豐度，從而提高反應(yīng)器的處理效率，實(shí)現(xiàn)多種有機(jī)物和活性藥物的有效去除。此外，火神山醫(yī)院病區(qū)污水處理構(gòu)筑物按兩組并聯(lián)設(shè)計(jì)。每組處理規(guī)模為40 m3/h，兩組并聯(lián)設(shè)計(jì)處理水量為80 m3/h，最高日污水處理量為1 920 m3/d[37]。武漢火神山和雷神山醫(yī)院污水處理按照傳染病醫(yī)院的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求出水達(dá)到《醫(yī)療機(jī)構(gòu)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18466—2005)中傳染病醫(yī)院的相關(guān)規(guī)定，腸道致病菌、腸道病毒、結(jié)核桿菌等病原體不得檢出，才能排入市政管網(wǎng)，污水處理過程中產(chǎn)生的污泥經(jīng)濃縮脫水后由危廢處理公司集中處理。

一般情況下，檢測(cè)污水中的病原體有兩種途徑，一是直接檢測(cè)，二是尋找水中病原體的指示微生物。目前，常見的病原微生物的檢測(cè)方法包括培養(yǎng)法、免疫法和分子生物法等。培養(yǎng)法最為常用，但比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，部分病原體難被培養(yǎng)或不能被培養(yǎng)是其弊端之一。免疫學(xué)法和分子生物法較培養(yǎng)法更高效，但免疫學(xué)法中使用的抗體容易受到環(huán)境中其他物質(zhì)和微生物的限制，因而該方法的普適性有限。聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)及其衍生技術(shù)具有高度靈敏性、特異性和準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于水環(huán)境病原體的檢測(cè)[38]。

圖7 武漢火神山、雷神山醫(yī)院污水處理工藝流程Fig.7 The sewage treatment process of Huoshenshan and Leishenshan Hospitals

4 醫(yī)院污水處理技術(shù)的未來發(fā)展方向

現(xiàn)代社會(huì)醫(yī)院作為藥物最主要的消耗場(chǎng)所，通過醫(yī)院污水向所在地市政管網(wǎng)釋放藥物類等新興污染物的現(xiàn)象普遍存在。盡管現(xiàn)有醫(yī)院污水排放標(biāo)準(zhǔn)中并未涉及藥物類污染物排放指標(biāo)，相信隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的進(jìn)一步深化，在流域生態(tài)環(huán)境治理、城市水提標(biāo)改造、新興污染物防控等合力的驅(qū)動(dòng)下，醫(yī)院污水處理系統(tǒng)的升級(jí)，特別是針對(duì)抗生素等藥物類新興污染物的強(qiáng)化監(jiān)管與控制勢(shì)在必行。另外，在新冠肺炎疫情的特殊情況下，也對(duì)醫(yī)院污水防控體系建設(shè)提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，在未來醫(yī)院污水防控體系建設(shè)方面需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

1)針對(duì)目前醫(yī)院污水成分復(fù)雜的現(xiàn)狀，定性定量分析醫(yī)院污水中藥物、化學(xué)藥劑、病原微生物及抗性基因等污染物，評(píng)估污染物環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)。

2)針對(duì)目前單一消毒技術(shù)對(duì)病原微生物殺滅效果欠佳的問題，開發(fā)針對(duì)傳染性病原微生物的新型消毒藥劑和組合工藝技術(shù)，檢測(cè)和評(píng)價(jià)病原微生物在水體中的耐久性和消毒滅活效果。

3)特殊疫期污水中超常的病原微生物及其代謝RNA水平的監(jiān)控及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并以高級(jí)氧化深度處理技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)特殊疫期污水中超常的藥物類污染物和病原微生物的同步強(qiáng)化去除技術(shù)及裝備。

4)以實(shí)際醫(yī)院污水處理工程為目標(biāo)，開發(fā)具備同步藥物降解和病原微生物殺滅功能的醫(yī)院污水處理工藝技術(shù)及集成裝備，研發(fā)醫(yī)院污水處理污泥的無害化處置技術(shù)及裝備。在大部分醫(yī)院無法提供污水處理設(shè)施改造或建造場(chǎng)地的情況下，一體化醫(yī)院污水處理裝備應(yīng)具有集成度高、模塊化強(qiáng)、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、空間利用率高、安裝運(yùn)行簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，且處理工藝能夠滿足出水達(dá)標(biāo)排放。

5)綜合前期的各項(xiàng)研究基礎(chǔ)，開發(fā)集水、泥、固、氣一體化的全過程處理工藝技術(shù)，以保證醫(yī)院污水處理處置各個(gè)環(huán)節(jié)可能造成的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)最低，達(dá)到醫(yī)院污水無害化處理的目標(biāo)。