高小龍

(中材國際安徽節(jié)源環(huán)保科技有限公司，安徽 合肥 230000)

等離子體(plasma)又稱為電漿，是由被剝奪部分電子的原子及原子團(tuán)電離后產(chǎn)生的由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)[1]，這是尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體，其運動主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。等離子體廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外物質(zhì)存在的第四態(tài)[2]。

圖1 等離子體常見狀態(tài)

醫(yī)療廢水是一種特殊的污水，主要來源于診療室、化驗室、病房、放射室洗印、手術(shù)室等，廢水中污染物除部分化學(xué)性污染物外，主要為病原體污染，如寄生蟲卵、肝炎病毒、結(jié)核菌、痢疾和其他流行病菌。如何高效去除病原微生物是醫(yī)療廢水處理的重點，而等離子的技術(shù)特點，使其在醫(yī)療廢水處理領(lǐng)域呈現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

本文對等離子體污水處理技術(shù)的處理工藝、主要構(gòu)筑物及水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析，探究醫(yī)療廢水經(jīng)等離子體污水處理一體化設(shè)備處理后達(dá)標(biāo)排放的工程實例，為醫(yī)療廢水處理及等離子體污水處理一體化設(shè)備應(yīng)用提供參考。

1 低溫等離子體污水處理技術(shù)原理

等離子體按照溫度常分為高溫等離子體和低溫等離子體。低溫等離子體是在外加電場的作用下，通過電暈放電(CD)、介質(zhì)阻擋放電(DBD)、輝光放電、滑動弧放電等方式產(chǎn)生的由大量電子、離子、原子和原子團(tuán)組成的混合體[3](圖2)。

這些高能粒子與水結(jié)合產(chǎn)生低溫等離子體活化水，可以轟擊污染物分子，使其電離、解離和激發(fā)，發(fā)生一系列物化反應(yīng)，使大分子污染物轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)[4]，或使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成無毒、低毒的物質(zhì)，進(jìn)而提高污染物降解率。

圖2 低溫等離子體發(fā)生器原理

1.1 高能電子福射作用

水分子經(jīng)過電離生成離子、電子、激發(fā)態(tài)分子，并進(jìn)一步反應(yīng)生成高活性物質(zhì)。

(1)

(2)

1.2 紫外光分解作用

廢水中有機(jī)污染物等分子吸收光子變成激發(fā)態(tài)分子，其從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)時，釋放大量能量打開分子鍵，轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子態(tài)或游離態(tài)，更易與水分子反應(yīng)生成無毒害、易去除的新物質(zhì)。

1.3 臭氧氧化作用

臭氧的強(qiáng)氧化作用可直接將廢水中的有機(jī)污染物氧化分解。此外，臭氧還可分解產(chǎn)生具有強(qiáng)活性的·OH，進(jìn)而氧化水中有毒有害物質(zhì)。例如，·OH可與有機(jī)分子的碳-碳雙鍵反應(yīng)形成R·自由基，并進(jìn)一步被水中溶解O2氧化成ROO·自由基，自由基持續(xù)反應(yīng)，使水中污染物不斷氧化和分解，最終生產(chǎn)二氧化碳和水。

(3)

(4)

(5)

目前，低溫等離子體技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中較為常見，但是在我國的應(yīng)用領(lǐng)域還十分受限。最近幾年，不少學(xué)者對低溫等離子體技術(shù)的研究分析愈發(fā)深入，尤其對其在污水處理技術(shù)上的應(yīng)用研究有顯著進(jìn)展。研究表明，當(dāng)紫外光分解和臭氧氧化聯(lián)合使用時，無論是在氧化的作用力還是速度上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單獨使用的處理效果。等離子體具備的獨有技術(shù)優(yōu)勢使其在醫(yī)療廢水處理中越來越受到重視。

2 工程應(yīng)用案例

本工程位于安徽省銅陵市，與中科院合肥等離子體物理研究所合作，采用等離子體污水處理一體化設(shè)備，處理規(guī)模為200 m3/d，進(jìn)水為某醫(yī)院醫(yī)療廢水，出水水質(zhì)為一級A，設(shè)備占地60 m2。

2.1 設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)和工藝流程

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市化進(jìn)程，水資源的短缺及環(huán)境污染日益嚴(yán)重，環(huán)境問題的解決愈加緊迫。隨著公眾對環(huán)境的認(rèn)識和總體關(guān)注的提高，污水處理技術(shù)的創(chuàng)新也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本工程采用等離子體污水處理一體化技術(shù)，結(jié)合等離子技術(shù)和生化處理工藝優(yōu)勢，采用格柵調(diào)節(jié)、等離子體反應(yīng)器破碎消毒、活性污泥法高效脫氮除磷三大核心技術(shù)，通過合理配置，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)污水處理一體化設(shè)備占地面積大、加藥成本高、能耗高、污泥二次污染等不足，在確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的同時，實現(xiàn)降本增效、綠色運營。

2.1.1 設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)

主要設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)

2.1.2 工藝流程

普通一體化污水處理設(shè)備流程一般為：污水先進(jìn)入均化池，經(jīng)沉淀、均化水質(zhì)水量、厭氧生物處理后，進(jìn)入生物膜法處理系統(tǒng)。脫落的生物膜產(chǎn)生的剩余污泥亦排放至均化/厭氧池進(jìn)行污泥消化，處理后出水部分回流至均化/厭氧池，進(jìn)行反硝化脫氮，有些設(shè)計時也可將二者合并為一套排放/回流系統(tǒng)。

等離子體污水處理一體化設(shè)備是一種以等離子體技術(shù)+A2/O工藝為核心的高效污水處理裝置,其污水凈化系統(tǒng)首先由格柵/調(diào)節(jié)池去除污水中雜物、均勻水質(zhì)水量，而后向污水中通入等離子反應(yīng)器制備的等離子體殺菌消毒、粉碎去除大分子有機(jī)物，再通過活性污泥法高效脫氮除磷，分解有機(jī)物，降低COD濃度，最終回流至等離子反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一步消毒處理(圖3)。通過對工藝設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，該工藝可有效地去除污水中的懸浮物、有機(jī)物、氮、磷等污染物。

圖3 工藝流程

2.2 工藝結(jié)構(gòu)

等離子體污水處理一體化設(shè)備主要分為以下幾個處理單元：

2.2.1 格柵/調(diào)節(jié)池

位于等離子體污水處理一體化設(shè)備前端，平面尺寸為：4 m×5 m×2.5 m，材質(zhì)為碳鋼防腐，有效水深2.2 m。調(diào)節(jié)池上方架設(shè)機(jī)械格柵，對水體中大顆粒雜質(zhì)進(jìn)行初步濾除。

2.2.2 等離子反應(yīng)器

位于等離子體污水處理一體化設(shè)備前端，尺寸為0.4 m×0.8 m×1.2 m，發(fā)生等離子體反應(yīng)，同時可結(jié)合微納米氣泡將低溫等離子體注入污水中，快速提升好氧微生物活性，利用其強(qiáng)氧化性，加快有機(jī)物分解速度。

2.2.3 A2O反應(yīng)器

位于等離子體污水處理一體化設(shè)備后端，厭氧池平面尺寸1.2 m×5 m×2.5 m，材質(zhì)為碳鋼防腐，有效水深2.2 m，缺氧池平面尺寸1.2 m×5 m×2.5 m，材質(zhì)為碳鋼防腐，有效水深2.2 m，好氧池平面尺寸4.5 m×5 m×2.5 m，材質(zhì)為碳鋼防腐，有效水深2.15 m。

2.3 原理分析

醫(yī)療廢水中會存在一些難降解的有機(jī)物質(zhì)，僅僅憑借生物處理法難以將其完全降解到標(biāo)準(zhǔn)程度。低溫等離子體技術(shù)處理醫(yī)療廢水的反應(yīng)過程包含多種高級氧化作用，如臭氧氧化、紫外光協(xié)同催化氧化以及熱解作用等[5]，其電子平均能量在1～10 eV，與醫(yī)療廢水之間發(fā)生一系列不固定物化反應(yīng)，產(chǎn)生活性自由基(氫自由基、氧自由基、羥基自由基等)、氧化性分子(過氧化氫、臭氧等)以及微波和紫外光等氧化性粒子。

其中羥基自由基的作用尤為關(guān)鍵，其與醫(yī)療廢水中的烯烴和芳香烴有機(jī)污染物反應(yīng)時，會打開C—C鍵，形成C—OH鍵[6]，使得有機(jī)物結(jié)構(gòu)被破壞。

同時，利用好氧性微生物繁殖形成的活性污泥在廢水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，再進(jìn)一步去除廢水中氮、磷等污染物，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

將低溫等離子體技術(shù)與活性污泥法結(jié)合，通過適當(dāng)控制反應(yīng)條件使得一般情況下難以實現(xiàn)或速度很慢的化學(xué)反應(yīng)變得十分快速，繼而達(dá)到理想的降解效果。

2.4 運行效果分析

項目運行期間，在等離子體污水處理一體化設(shè)備進(jìn)、出水口進(jìn)行采樣監(jiān)測，分析等離子體污水處理一體化設(shè)備對醫(yī)療廢水中主要污染物的凈化效果。結(jié)果見表2。

表2 運行數(shù)據(jù)

通過運行數(shù)據(jù)看出，經(jīng)過完整的等離子體污水處理工藝處理后，出水COD、BOD、NH3-N等指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)。COD最終去除率一般在90%以上，BOD的最終去除率一般在60%以上。

3 結(jié)語

1)等離子技術(shù)處理廢水與傳統(tǒng)工藝優(yōu)勢：①低溫等離子體污水處理一體化設(shè)備運行過程中不需添加藥劑，使用成本比普通污水處理一體化設(shè)備降低20%～40%；②該系統(tǒng)不產(chǎn)生污泥，無二次污染；③對于難降解廢水有著很好的處理效果，能夠分解抗生素、藻毒素，殺滅傳染病毒的能力強(qiáng)，安全性可靠。

2)等離子技術(shù)處理廢水存在缺陷：

①等離子體處理污水主要是利用產(chǎn)生的活性自由基、UV以及臭氧等，其具體反應(yīng)機(jī)理尚不明晰，需加強(qiáng)更深層次的機(jī)理研究;②等離子體技術(shù)工業(yè)化產(chǎn)品多數(shù)停留在技術(shù)研究，產(chǎn)品轉(zhuǎn)化與市場推廣應(yīng)用還需大力發(fā)展;③等離子體反應(yīng)器產(chǎn)品還停留在小規(guī)模小尺寸上，制約了等離子體技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展;④等離子體高能耗也是一大問題，與生物法等相比缺乏經(jīng)濟(jì)性，可考慮與其他技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用。