劉 勇，徐宏林

(1.北京醫(yī)院(后勤管理處)，北京 100730； 2.北京聯(lián)合大學建材輕工學院，北京 100730；3.中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院，北京 100035)

醫(yī)院污水主要來源于化驗室和手術室等醫(yī)療排水，污水中包含大量的病菌和病原微生物，若不經(jīng)處理就排放，不僅會污染環(huán)境，還容易造成其中所帶有傳染性細菌的二次污染，成為新的疾病傳播鏈[1-2]。目前我國的污水處理工藝，一般都是經(jīng)過一級處理或生物氧化后，加入氯氣或含氯化合物進行消毒后排放，對污水的殺菌程度不徹底，會對水環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重危害[3-4]。根據(jù)《醫(yī)療機構水污染物排放標準 KGB 18466-2005)，世界衛(wèi)生組織要求醫(yī)療機構污水處理的各個環(huán)節(jié)都需要在嚴格的監(jiān)管條件下進行排放，對于其中的微生物殘留檢測也有相關標準進行約束，糞大腸菌群數(shù)小于100 MPN·L-1，腸道致病菌、腸道病毒均不得檢出，才能允許排放[5]。

目前我國使用的污水處理辦法一般為膜生物反應器工藝，主要使用超濾膜法從污泥回收容器中，加入催化劑分離活性污泥[6]。經(jīng)過這種反應器處理后所排出的醫(yī)院污水雖然能夠除去其中的有機物和污染無機物，但對其中夾雜的特有致病菌去除效果較差，無法達到微生物的徹底滅活，對環(huán)境和人類生存都有很大的威脅。因此本文在膜生物反應器工藝進行污水處理的基礎上，采用臭氧催化氧化工藝進行深度凈化。首先設計污水處理整體工藝流程、確定污水處理設備，在臭氧催化氧化污水處理工藝中，以活性炭為催化劑，通過活性炭材料中具有的可吸附官能團提高臭氧氧化活性。并控制臭氧的添加量，分析不同活性炭添加量對廢水中污染物的分解效果，以此確定臭氧催化氧化的催化劑添加量等參數(shù)，提升污水處理性能。

1 醫(yī)院污水處理實驗設計

1.1 污水處理設備選擇

污水處理選擇臭氧代替原有的S-PAC、CeO催化消毒步驟。臭氧在污水凈化過程中主要有兩種反應方式，一種是直接與有機物反應發(fā)生氧化完成凈化，另一種是臭氧分解后產(chǎn)生氫氧根與有機物反應發(fā)生氧化完成凈化。在實際的臭氧凈化污水應用中，需要添加一定的催化劑能夠加快反應速率。經(jīng)過對臭氧催化氧化的醫(yī)院污水處理部門進行調(diào)研，并結合傳統(tǒng)的污水處理結果可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)污水處理法凈化后的污水還存在一定的活性病原微生物，因此需要增加臭氧對其進行催化氧化來降解、消除其中的微生物。設計的臭氧催化氧化裝置如圖1所示：

圖1 臭氧催化氧化裝置設計Figure 1 Design of ozone catalytic oxidation device

在圖1裝置中，臭氧發(fā)生器的濃度和進氣量可通過人工手調(diào)。根據(jù)臭氧發(fā)生器的規(guī)格，確定在冷卻過程中冷卻水的流量為0.1 m3·h-1。在醫(yī)院污水的初級過濾中選擇膜反應器[7-8]以去除其中的懸浮物。

首先確定裝置中膜過濾器的面積以及尺寸，過濾器中的主要過濾設備是生物膜，污水透過生物膜的流速恒定為11 m·h-1，過濾器長期24 h連續(xù)運行，在沖刷時，所占用的沖洗時長為6 min。過濾面積S計算公式為：

(1)

式中，v為過濾速度，T為膜過濾器的工作時間，Q表示需要處理的污水的總體積。如果采用的膜過濾器形狀為圓形，那么可以求出圓形的直徑，計算公式為：

(2)

在確定過濾膜的大小后，需要對過濾器反沖洗水頭的損失進行計算，對于管式的大阻力配水系統(tǒng)的水頭損失計算公式為：

(3)

式中，q為沖洗強度，α表示生物膜的過濾孔眼面積與整個膜過濾器的面積的比值，μ表示污水的流量系數(shù)。在以上計算下，根據(jù)實際情況進行選擇。

1.2 實驗方案設計

實驗選取的醫(yī)院污水首先經(jīng)過一級處理，即經(jīng)過膜生物反應器處理后排出的污水，然后經(jīng)過臭氧催化氧化工藝進行深度凈化。根據(jù)以上設計，實驗建立的臭氧催化氧化裝置如圖2所示。

圖2 臭氧催化氧化裝置圖Figure 2 Device of ozone catalytic oxidation device

圖2中，臭氧發(fā)生器的型號為CF-G-g，其中臭氧氣源來自氧氣鋼瓶，采用工業(yè)氧氣，在氣體反應箱中嵌入濕式氣體流量計。為了保證臭氧發(fā)生器在實驗中安全穩(wěn)定地反應，在實驗裝置中利用流動水進行冷凝保證溫度處于較低狀態(tài)，并調(diào)節(jié)氧氣鋼瓶的壓力在0.04 MPa 。測試前，裝置先空車運行15 min，保證裝置中臭氧濃度達到標準要求，且變化范圍較小。在外圍設計一個濃度檢測裝置，檢測示意圖如圖3所示。

圖3 臭氧濃度測定Figure 3 Determination of ozone concentration

膜生物反應器所排出的污水水質(zhì)指標如表1所示。

表1 膜生物反應器排出的水質(zhì)指標

使用設計的基于臭氧催化氧化工藝的醫(yī)院污水處理方法對經(jīng)過一級處理后的污水進行持續(xù)凈化，并與S-PAC、CeO兩種催化劑作為對照，分析三種催化方法的動力學效果。

1.3 臭氧催化氧化處理流程設計

在設計污水整體處理流程時，需要結合醫(yī)院污水的水質(zhì)檢測相關數(shù)據(jù)，并結合實際污水處理站的規(guī)模。根據(jù)實際的數(shù)據(jù)可知，醫(yī)院的污水檢測數(shù)據(jù)中的主要污染物質(zhì)為病原微生物、氨氮化合物以及草酸化合物等，最終經(jīng)過處理后需要符合相關醫(yī)療機構污水的排放標準。根據(jù)污水的特性，選擇不同級別的工藝，制定一套符合實際情況的整體臭氧催化氧化污水處理工藝流程，保證臭氧催化氧化的效果能夠達到預期情況[9-10]。設計的流程如圖4所示。

圖4 臭氧催化氧化污水處理整體工藝流程Figure 4 Overall process flow of ozone catalytic oxidation wastewater treatment

圖4所示的工藝流程中，醫(yī)院產(chǎn)生的污水排放出后第一步要流向化糞池中進行沉淀處理，主要是因為這些污水中有可能包含一些醫(yī)療廢物，如棉花、紗布等，經(jīng)過沉淀處理后可以除去體積較大的肉眼可見的醫(yī)療污水污染物，避免這些異物堵塞凈化設備，保證整體流程正常運行[11-12]。從化糞池流入格柵前，需要經(jīng)歷強力切割機進行切割后才能流入細格柵間，再次將其中混雜的漂浮物進行攔截。從格柵間流出后，依靠污水自身的重力能夠流入下一環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)池，主要對水量進行調(diào)節(jié)，并利用微曝氣處理工藝，避免污水由于沉淀導致的變質(zhì)，同時達到讓水質(zhì)更加均勻的效果。

在污水處理的整體流程中，設置一個厭氧池，在工作過程中，厭氧池處于低氧環(huán)境，其目的是降低一部分好氧有機物濃度，隨后進入缺氧池進行有機顆粒的體積分解，以增加污水的生化性。進入好氧池后，污水中包含的活性污泥可以在含氧量豐富的情況下進行有氧呼吸，有助于有機物的分解，并通過投加藥品實現(xiàn)除磷[13-14]。在沉淀池中能夠分離污泥和上清液，污泥下沉并經(jīng)過板框壓濾機壓成泥餅后外運，上清液則再次運輸?shù)秸{(diào)節(jié)池中進行新一輪凈化后進入中間水池，在集水堰板的作用下，上層清液進入膜反應器中，整個凈化流程水源供水穩(wěn)定，污水經(jīng)過過濾泵、臭氧催化氧化后排入清水池。至此完成了基于臭氧催化氧化工藝的醫(yī)院污水處理流程的設計。

1.4 臭氧催化氧化工藝參數(shù)優(yōu)化

臭氧在醫(yī)院污水的處理過程中，需要添加催化劑來促進污水處理的進程。在進行臭氧催化氧化的過程中，選擇具有良好吸附能力的活性炭，其具有大量的可吸附官能團，在提高臭氧氧化活性的同時不會改變氧化結果[15]。建立的活性炭和臭氧系統(tǒng)氧化污水處理體系，在確定氧氣濃度和流量后，計算臭氧添加濃度，以保證協(xié)同體系具有一定的效應。

設定水樣pH=7.0，氧氣流量(15～25) mg·L-1，反應溫度25℃，臭氧添加量為(20～30)mg·L-1，考察不同活性炭添加量對廢水中污染物降解率的影響，結果如圖5所示。從圖5可知，隨活性炭添加量增多，污染物降解率也隨之提高，但當活性炭的添加量分別為16 g·L-1和20 g·L-1時，污染物降解量相差較小，因此在實際應用中，為了控制污水處理的成本，可以選擇活性炭的添加量為16 g·L-1，在保證凈化效果的同時，能夠保證污水處理成本最低。

圖5 活性炭添加量對廢水中污染物降解率的影響Figure 5 Effects of activated carbon addition amounts on degradation of pollutants in wastewater

2 結果與討論

按照上述實驗裝置，得到臭氧、S-PAC、CeO三種催化劑凈化污水的偽一級動力學常數(shù)的變化曲線，對于偽一級動力學擬合，擬合計算公式如下式所示：

(4)

式中，c為污水中需要降解的污染物的總濃度，k’為偽一級反應速率。根據(jù)上式求得的參數(shù)，可以得到偽一級擬合曲線如圖6所示。

圖6 CeO、S-PAC和臭氧催化氧化降解污染物的偽一級動力學擬合結果Figure 6 Pseudo-first-order kinetic fitting results of CeO,S-PAC and ozone catalytic oxidation of pollutants

從圖6可以看出，利用臭氧進行催化氧化降解污染物的效果最好。根據(jù)上圖計算反應平衡量qe：

(5)

式中，k為擬合直線解析式中的斜率。經(jīng)過計算可以得到，臭氧催化降解的最后反應平衡量在8.33 mg·L-1，幾乎能夠完全消除污水中的污染物，CeO催化降解的最佳反應平衡量為18.33 mg·L-1，S-PAC則對污水凈化幾乎沒有催化效果。

為進一步驗證效果，在以上實驗技術上進行偽二級動力學擬合，對于偽二級動力學擬合來說，相關的擬合計算公式如下式所示：

(6)

式中，k”表示偽二級反應速率。根據(jù)上式求得的參數(shù)，可以得到偽二級擬合曲線如圖7所示。

圖7 CeO、S-PAC和臭氧催化氧化降解污染物的偽二級動力學擬合結果Figure 7 Pseudo-second-order kinetic fitting results of CeO,S-PAC and ozone catalytic oxidation degradation of pollutants

經(jīng)過計算可得臭氧催化氧化下的動力學常數(shù)為0.83，S-PAC催化氧化下的動力學常數(shù)為0.38，CeO催化氧化下的動力學常數(shù)為0.029。偽二級反應中動力學常數(shù)越大，說明催化降解的效果越好。由此可見，活性炭吸附臭氧催化氧化能夠加快污水中污染物的降解速率，提升降解效果。

醫(yī)院排放污水采用臭氧催化氧化處理工藝前后致病菌含量變化如表2所示。

表2 醫(yī)院排放污水采用臭氧催化氧化處理工藝前后致病菌含量變化

分析表2可知，采用本工藝處理前，醫(yī)院排放污水中致病菌的含量均超標，而采用本工藝處理后，醫(yī)院排放污水中致病菌含量在指標范圍內(nèi)，由此可見，基于臭氧催化氧化工藝對醫(yī)院排放污水中致病菌的處理效果更好，在醫(yī)院污水處理方法具有更好的降解效果。

3 結 論

針對傳統(tǒng)污水處理技術處理醫(yī)院污水所存在的弊端，在原有工藝基礎上增加了臭氧催化氧化工藝，優(yōu)化臭氧催化氧化工藝中活性炭添加量為16 g·L-1，使臭氧催化氧化發(fā)揮最優(yōu)性能，提升醫(yī)院排放廢水中污染物的分解效果，保證醫(yī)院污水水質(zhì)成分能夠徹底滅活。

通過對不同催化氧化劑的動力學分析，結果表明，設計的臭氧催化氧化工藝在醫(yī)院污水處理中，偽一級動力學擬合結果顯示臭氧催化降解的最后反應平衡量在8.33 mg·L-1、偽二級動力學擬合結果顯示活性炭吸附臭氧催化氧化下的動力學常數(shù)為0.83，均優(yōu)于S-PAC、CeO催化氧化工藝，采用本文方案處理后，醫(yī)院排放污水中致病菌的含量均控制在指標范圍內(nèi)，驗證了設計方法的有效性。由于研究過程中經(jīng)驗有限，提出的方法還有很多待改進之處。在今后的研究中，可以考慮將臭氧催化氧化技術與生化處理技術相結合，更大程度地降低污水處理成本。