（环境工程专业论文）mbr处理医院污水的运行及空气微生物的监测研究.pdf

中文摘要 医院污水含有的大量细菌、病毒和其他有毒有害物质，危害性很大，因此需 要对其进行必要的处理和消毒。随着公共卫生事件的爆发，公众对医院污水处理 的关注越来越多，改变传统处理方式是医院污水处理的大势所趋。采用膜生物反 应器( m b r ) 处理医院污水，不仅出水水质优异，可提高消毒效率，而且克服 了传统方法工艺流程复杂、占地面积大、自动化程度低和产生空气二次污染等缺 点。 试验水样采白天津市第一中心医院m b r ，对m b r 混合液及出水水质指标 进行监测，评价m b r 处理医院污水的运行效果。同时对m b r 操作间、反应器 内部及外界环境的空气微生物进行监测，运用a n d e r s e n 采样器着重研究空气微 生物的数量及粒径分布，验证了负压运行的m b r 在防止空气污染方面的优越性。 试验结果表明：两组反应器进行好氧缺氧交替运行时，其出水水质差异不 大，出水浊度平均值为0 2 7n t u ；c o d 平均去除率达到8 9 9 3 ；n h 3 一n 平均 去除率达到9 7 3 0 。反应器在负压运行时工作间内的平均细菌和真菌粒子浓度 分别为8 1 5c f u m 3 和7 9 2c f u m 3 ，小于常压( 1 0 1 6c f u m 3 和8 0 4c f u m 3 ) 及 部分敞开状态( 1 2 4 1c f u m 3 和8 3 6c f u m 3 ) 。经过高效空气过滤器处理后的细 菌粒子浓度( 3 8 8c f u m 3 ) 明显小于处理前反应器内部的细菌粒子浓度( 8 0 3 9 c f u m 3 ) ，去除率达到9 5 2 。m b r 尾气排放区域细菌、真菌粒子浓度分别为 2 8 4 1c f u m 3 和1 3 2 9c f u m 3 ；周围空气细菌、真菌粒子浓度分别为2 8 7 8c f u m 3 和1 2 4 8c f u m 3 。 医院污水经m b r 处理后，出水的c o d 、n h 3 一n 等水质指标均满足医疗 机构水污染物排放标准( g b l 8 4 6 6 - - 2 0 0 5 ) ，这种交替运行的方式可有效的减缓 膜污染，并且由于其出水微生物和有机物指标较低，可大大降低消毒剂的投加量。 负压运行的m b r 可有效地控制反应器内部空气微生物的散逸，经高效过滤器处 理后的尾气不会对环境造成二次污染。 关键词：医院污水，膜生物反应器，空气微生物，粒径分布 a b s t r a c t h o s p i t a ls e w a g e ，w h i c hc o n t a i n sag r e a td e a lo fb a c t e r i a ，v i r u sa n do t h e r d e l e t e r i o u sc o m p o n e n t s ，s h o u l db et r e a t e da n dd i s i n f e c t e dp r o p e r l yb e f o r ed i s c h a r g e a f t e rs e v e r a lp u b l i ch e a l t hi n c i d e n t sb r e a k i n go u t ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sh a v e b e e na t t r a c t e do nt h et r e a t m e n to fh o s p i t a ls e w a g e t h et r a d i t i o n a lt r e a t m e n to fh o s p i t a ls e w a g eh a ss e v e r a ld i s a d v a n t a g e s ，s u c ha s c o m p l e xp r o c e s sf l o w , l a r g eo c c u p i e da r e a ，l o ws t a n d a r d o fa u t o m a t i z a t i o na n d s e c o n d a r yp o l l u t i o nt oa m b i e n ta i r , w h i c hc a nb eo v e r c o m eb yu s i n gm e m b r a n e b i o r e a c t o r ( m b r ) p r o c e s s m o r e o v e r , t h ed i s i n f e c t i o ne f f i c i e n c yi se n h a n c e dd u et o t h eh i 曲q u a l i t ye f f l u e n tf r o mm b r i no r d e rt oe s t i m a t et h eo p e r a t i o n a le f f e c to fh o s p i t a ls e w a g et r e a t m e n tw i t h m b r ，t h em i x e dl i q u o ra n dt h ee f f l u e n tc o l l e c t e df r o mt h em b ro ft i a n j i nn o 1 h o s p i t a l ，w e r em o n i t o r e d t ov e r i f yt h ea d v a n t a g e st h a tm b r u n d e rn a g a t i v ep r e s s u r e s t a t u sh a si n p r e v e n t i o n o fa i r p o l l u t i o n ，t h i ss t u d ym o n i t o r e d t h ea e r o s o l m i c r o o r g a n i s m si nt h em b rw o r k s h o p ，i n s i d eo ft h er e a c t o ra n da m b i e n ta i r , a n d e m p h a s i z e do nt h e i rq u a n t i t ya n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nu s i n ga n d e r s e ns a m p l e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ne f f l u e n tq u a l i t yo f t h et w or e a c t o r sw a ss m a l lw h e nt h e yr u na l t e r n a t e l yi nt h ew a yo fa e r o b i c - - a n o x i c t h ea v e r a g ee f f l u e n tt u r b i d i t yw a s0 2 7n t u ；t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o dw a s 8 9 9 3 ；t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fn h 3 一nw a s9 7 3 0 u n d e rn a g a t i v ep r e s s u r e s t a t u s ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o no ft h eb a c t e r i aa n df u n g iw a s815c f u m a n d7 9 2 c f u m 3r e s p e c t i v e l yi nt h ew o r k s h o p ，s m a l l e rt h a nt h a tu n d e rt h en o r m a lp r e s s u r e ( 10 16c f u m 3a n d8 0 4c f u m 3 ) a n dt h er e a c t o rp a r t i a l l yo p e ns t a t u s ( 12 41c f u m s a n d8 3 6c f u m 3 ) o b v i o u s l y , t h eb a c t e r i ac o n c e n t r a t i o n ( 3 8 8c f u m ) i nt h eo f f - g a s t r e a t e db yh i 曲e f f i c i e n c ya i rf i l t e rw a ss m a l l e rt h a nt h a ti n s i d eo ft h er e a c t o r ( 8 0 3 9 c f u m 3 ) w i t h o u tt r e a t m e n t ，t h er e m o v a lr a t ew a su pt o9 5 2 t h ec o n c e n t r a t i o no f t h eb a c t e r i aa n df u n g iw a s2 8 41c f u m 3a n d13 2 9c f u m 3r e s p e c t i v e l yi nt h et r e a t e d o f f - g a se m i s s i o na r e a ；w h i l et h a ti na m b i e n t a i ra r o u n dt h eh o s p i t a lw a s2 8 7 8c f u m a n d12 4 8c f u m 3 r e s p e c t i v e l y t h ee f f i u e n ti n d e x e ss u c ha sc o d ，n h 3 一na n de t cc a nr e a c hd i s c h a r g e s t a n d a r do fw a t e rp o l l u t a n t sf o ，m e d i c a lo r g a n i z a t i o n ( g b18 4 6 6 2 0 0 5 ) w h e n h o s p i t a ls e w a g ei st r e a t e db ym b r m e m b r a n ef o u l i n gc a nb es l o wd o w n u n d e rt h e a l t e m a t eo p e r a t i o nm o d e m o r e o v e r , t h ed o s a g eo fd i s i n f e c t a n ti sr e d u c e dd u et oh i 【g h q u a l i t ye f f l u e n tw h i c hh a sm u c h l e s so r g a n i cm a t e r i a l sa n dm i c r o o r g a n i s m s ，c o m p a r e d t ot h ee f f l u e n tf r o mc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s s u n d e rn e g a t i v ep r e s s u r es t a t u s ， m b rc a np r e v e n tt h ea e r o s o lm i c r o o r g a n i s m sf r o me m i a i n gt oa m b i e n ta i re f f e c t i v e l y , a n dt h eo f f - g a so fm b rt r e a t e db yh i 曲e f f i c i e n c ya i rf i l t e ri sn o tl e a dt os e c o n d a r y p o l l u t i o n k e yw o r d s ：h o s p i t a ls e w a g e ，m b r ，a e r o s o lm i c r o o r g a n i s m s ，p a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黜 签字日期： 7 年，月 罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤姿态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：荔芹 导师签名：孤军 签字日期：砌7 年月巧日签字日期：p 即7 年，月2 夕日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 医院或其它医疗机构是病人治疗、生活的地方，其门诊部、住院部以及洗衣 房、食堂、厕所等都要排出大量的污水。医院污水中通常含有多种细菌、病毒、 寄生虫卵和一些有毒有害物质，这些在环境中具有较强抵抗力的微生物会对人体 健康造成不同程度的危害，同时这些有害物质排入水体将会对环境造成巨大的危 害。医院污水处理是消除污染、预防疾病的主要措施，必须对医院污水进行无害 化处理。 2 0 0 3 年爆发“s a r s ( s e v e r ea c u t er e s p i r a t o r ys y n d r o m e ) 期间，采取的 一些对医院污水污物的排放控制措施，对防止“s a r s ”病毒的传播扩散和控制 疫情的发展起到了重要作用。但仍然存在着很多卫生隐患及威胁，如污水处理过 程中很多细菌、病毒等致病微生物会散逸到空气中并随之传播，对人体健康造成 危害，这也反映出当前我国医院污水处理系统应对突发性公共卫生事件的能力不 足。“s a r s ”目前已经得到有效控制，但如何应对今后类似“s a r s ”的由病毒 引起的疾病，如何建立和完善我国医院污水处理和风险控制系统，以有效控制医 院污水造成的疾病再传播，提高医院污水处理系统应对突发性公共卫生事件的能 力仍是我们需要解决的问题。“s a r s 过后，医院污水的处理受到了越来越多的 重视，很多专家学者提出了不同的处理工艺并进行了技术经济分析【l 叫。 1 1 医院污水的来源及水质特征 1 1 1 医院污水来源及主要污染物 医院污水主要来自门诊部与住院部的化验室、手术室、解剖室、药剂室、 放射室、实验室、动物房、厕所、洗衣房、浴室及医护人员的宿舍等。医院污水 按水质成分的不同，大体分为生活污水、特种废水和放射性废水三大类，其中生 活污水占的比重较大。 医院污水的主要污染物包括病原性微生物、有毒有害的物理化学污染物及放 射性污染物：病原性微生物主要包括病原性细菌( 沙门氏菌属、痢疾杆菌、结合 分枝杆菌、霍乱孤菌、致病性大肠杆菌及炭疽杆菌等) 、肠道病毒( 传染性肝炎 病毒、脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、埃克病毒、腺病毒及人类轮状病毒等) 、 蠕虫卵( 蛔虫卵、钩虫卵、蛲虫卵及血吸虫卵等) 和原虫( 主要是阿米巴原虫) ； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 有毒有害物质主要包括医院各部门使用的药物、消毒剂、生活系统排水中的大量 有机和无机物、悬浮固体及些科室排放的酸碱等；放射性污染物主要来自于同 位素治疗和诊断室，放射性同位素主要包括1 3 1 i 、3 2 p 等放射性同位素在衰变过 程中产生的q 、b 和y 放射性可在人体内积累而对人体健康构成危害。 医院污水的特点决定对其无害化处理是非常严峻的课题：一些具有高度传染 性的疾病在社会上蔓延，对现有医院污水处理的工艺技术水平及其设施，将是一 种严重的考验。而“s a r s 的出现，对医院污水的无害化处理技术及设施提出 了更高的要求。 1 1 2 医院污水的水质水量特征 医院污水水质与医院的类别、收治病人的类型与人数等因素密切相关。一般 而言，综合医院污水与生活污水生物、物化污染指标相似，具体水质参数比较如 表卜1 所示【5 】；传染病医院污水则通常含有大量的传染性细菌和病毒，其危害更 大。 表卜1 医院污水与生活污水水质比较 指标医院污水生活污水 大肠菌群数( m p n 几) c o d ( r a g l ) b o d ( m g l ) s s ( m g l ) 1 0 5 1 0 8 2 3 3 1 8 1 0 - 1 9 1 1 7 - - - 1 9 0 1 0 5 1 0 8 2 2 7 2 3 8 8 8 1 1 7 1 7 0 2 4 0 医院每日排放污水量的大小取决于许多因素，它与医院的规模、性质、医院 设施情况、医疗内容、住院与门诊人数、地域、季节、人的生活习惯及管理制度 等因素密切相关。一般地，医院排水量小于医院每天的用水量，约为用水量的4 5 。 医院污水排放的突出特点是不均衡性，据调查资料表明，污水排放量通常在上午 7 - - 9 时，下午1 8 一- 2 0 时出现两次高峰【6 1 。 1 2 我国医院污水处理现状及存在问题 1 2 1 我国医院污水处理现状及处理技术 医院污水处理的目的是通过采用各种水处理技术去除水中的各种污染物，使 天津大学硕士学位论文第一章绪论 水质得到净化，达到国家或地方的排放标准，保护水资源环境和人体健康。医院 污水的排放量取决于医院的规模，一般情况下每张住院床位的用水量约为8 0 0 1 0 0 0l ，绝大部分医院污水处理站属小型污水处理设施。 1 2 1 1 我国医院污水处理现状及处理技术 为贯彻中华人民共和国水污染防治法和中华人民共和国传染病防治法， 防止医院排放污水对环境的污染，配合国家推进医院污水处理设施建设和医疗 机构水污染物排放标准的实施，国家环保总局于2 0 0 3 年1 2 月编制了医院污 水处理指南，使得医院污水处理有章可循。 随着对医院污水水质和危害性的逐步了解和研究，人们对医院污水中病毒、 细菌的危害性认识的提高，有关部门对医院污水处理的要求日益严格。我国现有 大部分医院污水处理工艺级别低，多采用一级处理，由于存在悬浮物浓度高，影 响消毒效果；水质波动大，消毒剂投加量难以控制；消毒副产物产生量大，影响 生态环境的安全：余氯标准无上限，过多余氯危害生态安全等问题，故多采用二 级生物处理。尤其在“s a r s ”过后，全国很多大型医院对其污水处理做了大量 的实验研究、工艺设计和改进【7 。1 0 】。不同地区医院污水处理设施的拥有率存在较 大差异，北京、江苏等地的拥有率较高，在9 0 以上；而内蒙、陕西和西藏等地 的拥有率较低，在1 0 - - 一3 0 之间】。 目前我国已建设有相当数量的医院污水处理设施，对医院污水的污染控制起 到了积极的作用，但同时也存在着较多的问题。 1 2 1 2 我国医院污水处理技术及工艺 医院污水处理的目的是通过采用各种水处理技术去除水中的各种污染物，使 水质得到净化，达到国家或地方的排放标准，保护水资源环境和人体健康。医院 污水处理的总流程是：传染病房和传染科的污水应单独进行消毒处理，普通病房 和一般生活污水可经化粪池处理，洗相室废液应回收银和处理回收显影、定影废 液，厨房食堂应设置隔油池，口腔科排水应处理含汞废水，使用过的和废药剂等 应设回收处置，放射性废水应经过衰变池处理。经过以上处理后的各种污水再进 入综合污水系统，经综合污水处理系统处理后，达标排放。 医院污水一级处理和氯化消毒的典型工艺流程是：来自病区和其他含菌污水 通过排水管道汇集到污水处理站，对于粪便污水应先通过化粪池沉淀消化处理， 然后进入污水处理站。处理站设有格栅、调节池、计量设施、提升泵和接触池。 消毒剂通过与水泵联动或与虹吸水混合后，进入接触池，在接触池内污水和消毒 剂经过一定时间的接触后达到水质消毒要求之后排放，化粪池或沉淀池产生的沉 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 淀污泥按规定进行定期清除和消毒处理【1 2 - 1 5 。典型工艺流程可简单表示如图1 1 所示： 污水d 巫丑钷圃亟p 些警匿叵h 瞰 图1 1 医院污水典型处理工艺 二级处理主要是指生物处理。生物处理可以去除污水中溶解态和呈胶体状态 的有机污染物。其b o d 的去除率在9 0 以上，处理出水的b o d 可降至3 0m g l 以下，同时还可以去除c o d 、酚、氰等有机污染物。常规的二级生物处理技术 如活性污泥法不能去除水中的氮和磷。因此，国内外开发了生物脱氮除磷的改进 二级处理技术或称三级处理技术。它与二级处理往往结合使用，有时是对常规生 物处理设施进行改造，使之具有脱氮除磷的功能。采用的技术有a o 法、a 2 o 法、s b r 法、a b 法和生物膜法等【1 6 。2 1 1 。 ( 1 ) 传统活性污泥法 常规医院污水二级处理设施在处理过程中一般采用生物氧化法，亦称活性污 泥法。它是各种污水处理最为常用的传统处理方法。利用鼓风曝气、机械曝气等 向水中充氧，使污水中大量的丝状菌和真菌等微生物繁殖，这些微生物具有吸附 和氧化污水中有机物质的能力，从而降低污水的c o d 和b o d ，达到净化的效果。 也有些污水处理采用厌氧和好氧并用的方法，即在厌氧过程中，厌氧微生物繁殖、 消化和吸附水中有机物质，大大改善了污水的可生物降解性。其缺点是会产生一 定量的活性污泥，且要进行污泥处理，加长了处理流程，增加了工程费用，生物 池一般占地较大，曝气过程中对空气产生二次污染，工程投资比较大，管理专业 化程度高，管理费及运行费高。 ( 2 ) s b r 法 s b r 法即序批式活性污泥法或间歇式活性污泥法，是将厌氧消化、缺氧反 硝化、好氧分解和沉淀等处理设施置于同一反应池中，利用控制各阶段运行时间 程序，来达到预期效果。s b r 法的技术特点在于污泥性能好，耐冲击负荷，出 水水质好且稳定，污泥产生率低，溶解氧的利用率高，经济方面虽基建费和一次 性投资费用高，但易于管理，运行费用低，且占地面积小，对于医院较为适宜； 缺点为曝气装置易被堵塞，影响曝气效果，需经常维修。因此，s b r 法与混凝 沉淀法相结合，将能发挥更好的作用。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) c a s s 法( 循环活性污泥法) c a s s 工艺是s b r 的一种改进型，比s b r 法多了一个生化区，是按充水一 曝气、充水一泥水分离、上清液滗除、充水一闲置等阶段组成一个运行周期。不 同的运行阶段及时间可根据所处理的污水水质进行调整。运行周期循环往复，反 应中污水的有效容积是一个变值。此法连续进水，主反应区分为缺氧区和好氧区。 反应器中的序批运行方式为：厌氧一缺氧一好氧缺氧一厌氧。c a s s 法的特点 是生物降解、污泥沉淀、排水在同一池中完成。处理医院污水用c a s s 法效果好， 易实施。 ( 4 ) a b 法 a b 工艺的主要工作原理是充分利用微生物种群的特性，为其创造适宜的环 境，使不同的生物群得到良好的繁殖、生长，通过生物化学作用净化污水。在工 艺上分a 、b 两段处理系统，其中a 段由a 段曝气池与沉淀池构成，b 段由b 段曝气池与二沉池构成。两段分别设污泥回流系统，a 段负荷高，b 段负荷低， 污水进入a 段后进入b 段，两段串联运行。对医院污水处理，其流程中还需增 加化粪池预处理和消毒后处理。该工艺的特点主要有：较强的抗冲击负荷能力， 基建投资少、运行费用低、能源消耗省，污泥沉降性能好，工艺设计灵活等。 除此之外，医院污水处理工艺还有水解酸化、生物滤池、氧化沟等，还包括 上述各种工艺的组合工艺。 由于医院污水水质特殊，以上介绍的常规好氧生物处理系统无封闭措施，曝 气供氧过程产生的气泡扩散形成了大量的气溶胶颗粒，这些气溶胶表面附着了一 些病原微生物，向空气中扩散传播，容易在曝气过程中造成对空气的二次污染， 这就为传染性疫病的传播打开了另一条通道。对于类似“s a r s 这种急性高致 病性呼吸道传染病来说，这是绝不可取的。这些方法受到技术工艺的制约，主要 是活性污泥微生物种类和数量少，系统内生物化学反应过程不完全，一些病原微 生物易随出水排放、扩散。这使得常规污水处理工艺对医院污水中的主要有机、 无机污染物以及病原微生物的处理效率不高。 1 2 1 3 医院污水的消毒工艺 医院污水处理过程中，采用物理或化学的方法杀灭水中的病原菌、病毒和其 他有害微生物，使水中微生物数量满足人类健康的要求的过程，称为消毒。医院 污水消毒是医院污水处理的一个重要环节。 目前消毒方法很多，从分类上讲，可分为物理方法和化学方法两种，物理法 有加热消毒、冷冻、辐射、紫外线消毒、超声波等，化学方法有氯消毒、臭氧消 天津大学硕士学位论文第一章绪论 毒、过乙酸( p a a ) 消毒等。目前国内通常使用化学法。化学法处理医院污水常 用的消毒剂种类很多，分为氯化类消毒剂和氧化类消毒剂。 ( 1 ) 氯化类消毒剂 氯化类消毒剂的消毒机理基本相同：消毒剂溶于水，形成次氯酸和次氯酸根， 次氯酸分子是中性的，它能很快扩散到带负电荷的细菌表面，透过细胞膜进入细 胞。其中的氯原子能氧化破坏细菌细胞中的酶，由于酶是细胞内促进新陈代谢的 一种催化剂，酶的破坏导致细胞死亡，达到杀菌消毒的目的。氯化类消毒剂主要 有液氯、次氯酸钠、漂白粉、漂粉精，其中应用较为普遍的为液氯和次氯酸钠。 这类消毒剂因价格低廉、使用方便而被大量使用，不足之处就是不能有效杀死病 毒且容易产生消毒副产物( d b p s ) 。 液氯 氯气是一种有刺激性气味的黄色有毒气体，不能就地制取，必须有专用贮存 设备和加氯设备。液氯以它消毒能力强、价格便宜广泛应用于自来水和医院污水 消毒。液氯的投加设备结构复杂，易被腐蚀，危险性较大，因而在城市或人口 过于集中的区域被限制使用【2 2 1 。 次氯酸钠溶液 次氯酸钠是传统的消毒处理方法之一。一般为淡黄色溶液，有类似氯气的刺 激性气味，在光照或加热条件下易分解，不宜长期储存。次氯酸钠不但可以用桶 装或槽车运输给用户，还可以使用发生装置电解氯化钠溶液制矧2 3 1 。该方法原料 来源方便、运输和管理方便，设备投资和运行费用低，安全可靠，应用较为广泛。 但次氯酸钠消毒能力弱，处理过程中可能会产生废渣，正逐步被其它产品替代【2 4 1 。 漂白粉 漂白粉的成分包括次氯酸钙和氯化钙，其中有效成分是反应生成的次氯酸。 该法有较好的消毒效果2 5 1 ，且设备简易、操作简单、技术要求低，但操作过程中 会产生刺激性气体，消毒液浓度不易控制，易引起下水道堵塞等问题，因此常在 偏远小规模医院应急使用。 ( 2 ) 氧化类消毒剂 氧化类消毒剂主要有二氧化氯、过乙酸和臭氧等。这类消毒剂与氯化类消毒 剂相比，较大的优势是不但能杀灭细菌还能杀灭病毒，且不易形成d b p s 。 二氧化氯 二氧化氯常温常压下为青草气味的气体，溶于水形成黄绿色溶液。二氧化氯 具有活泼自由基，具有很强的氧化作用。它能迅速氧化、破坏病毒衣壳上的蛋白 质，抑制病毒的特异性吸附，阻止其对宿主细胞的感染。它还有很强的氧化分解 天津大学硕士学位论文第一章绪论 能力，与细菌及其他微生物蛋白质中的部分氨基酸发生氧化还原反应，使氨基酸 链断裂，进而控制微生物蛋白质合成，最终导致细菌死亡，它能有效杀灭细菌和 病毒，在低浓度下不会对动植物机体产生损伤。二氧化氯消毒效果明显，且能和 氯化类消毒剂一样在水中有剩余，延长消毒效果。因此，它已成为最受欢迎的消 毒剂之一，但二氧化氯也有毒、易爆炸，安全性差等缺点。目前，二氧化氯被越 来越多的医院确定为首选消毒方法 2 6 - 3 0 】。 臭氧 臭氧可直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞壁和核糖核酸，分解蛋白质、 脂类和多糖等大分子聚合物，使细菌的物质代谢生长和繁殖过程遭到破坏。还可 以渗透胞膜组织，侵入细胞膜内，作用于外膜脂蛋白和内部的脂多糖，使细胞发 生通透性畸变，导致细胞的溶解死亡，它还能造成死亡菌体的遗传基因、寄生菌 种、寄生病毒粒子、噬菌体、支原体及热源等溶解变形灭亡。臭氧几乎对所有的 细菌繁殖体、芽孢、真菌、病毒、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、霍乱孤菌、结核 杆菌和蠕虫卵都有很强的杀灭能力。 臭氧杀菌能力强、作用快，其杀菌速度比液氯快6 0 0 - 3 0 0 0 倍，且受制约因 素影响较小，可除去水中的色、嗅、味，增加溶解氧、改善水质。臭氧的制备无 需辅助材料，不存在原料运输储存问题。但是设备投资和运行成本高，占地面积 大。此外，臭氧在水中溶解度低，如果尾气处理不当会污染空气，臭氧还无法储 存，只能就地生产就地使用。目前，国内对臭氧消毒污水研究不多，在实际处理 中使用较少 3 1 - 3 2 】。 过乙酸 2 0 世纪9 0 年代晚期，过乙酸被提出作为废水消毒剂。过乙酸是由乙酸和过氧 化氢合成的，多年来在医院作为消毒剂和灭菌剂应用。其中生成的未分解的过乙 酸被认为是平衡混合液中的杀菌结构，而过氧化氢对消毒过程也有作用。其消毒 的最终产物有乙酸、0 2 、c h 4 、c 0 2 及h 2 0 2 ，过乙酸由于其使用的安全性及不生 成d b p s 而得到广泛应用【3 3 】。 常用的物理消毒方法是紫外线消毒。紫外线消毒与化学消毒杀菌不同，它不 是通过得失电子的氧化还原反应进行，而是通过由紫外光子辐射导致的光化学反 应来进行。当病毒细胞经紫外线照射后，波长2 5 4l i r a 的紫外线被d n a 吸收。 细胞在d n a 链上的相邻的胸腺嘧啶将相互纠缠，新的二聚物会阻碍r n a ( 核糖 核酸) 链上正确的d n a 遗传代码复制，r n a 是信息的传递者，其功能是传递 d n a 码至细胞的不同部分。由于r n a 传递功能丧失，最终导致细胞功能衰退而 死亡，从而达到消毒杀菌的目的【3 4 】。 1 9 1 0 年法国的c e m o v d e o w 和h e n v i 首次将紫外线用于饮用水消毒。加拿大 天津大学硕士学位论文第一章绪论 安大略省水资源委员会于1 9 6 5 年和1 9 6 9 年对紫外线消毒技术应用于城市污水处 理并对受纳水体的影响进行了研究和评估，同时对紫外线消毒的效果、技术可行 性、影响效果的水质因素、受纳水体中鱼类的影响、d b p s 及其与加氯消毒技术 经济比较进行了大量先驱性的研究工作【3 5 】。1 9 7 0 年，美国环境保护署( e p a ) 完成了第一个污水紫外线消毒的示范工程。此后，在美国、加拿大等北美国家， 应用紫外线消毒法处理污水开始普及，北美地区现有的污水紫外线消毒装置已达 3 0 0 多座【3 6 】。其灭菌范围广、效果好、运行成本低、使用简便、无二次污染的优 点得到广泛的认同。在我国，紫外线消毒在污水处理方面的应用还存在一些问题， 如紫外线消毒对水体的透光性和水流状态要求较高、易出现光活化现象、无持续 消毒能力、灯管结垢等，影响了紫外线消毒的普及【3 7 。3 钔。因此，一般在紫外线消 毒后需再投加少量氯消毒剂，以确保紫外线消毒后的持续消毒能力。 除紫外线和氯消毒剂的结合使用，也有其他多种消毒剂联合使用的工艺，因 为这样能产生协同效应，有效增强消毒效果。如二氧化氯与氯气联合使用、臭氧 与氯剧3 9 - 4 0 及氯氧发生器消毒 4 1 4 2 1 等。虽然传统氯消毒简便经济，但随着人们对 氯消毒副产物的逐渐认识，二氧化氯、紫外线和臭氧技术逐步取代传统的氯化消 毒将是必然的趋势。 表1 2 主要几种消毒方法的比较 1 2 2 医院污水处理存在的问题 ( 1 ) 医院污水成分复杂，水量大，增加处理难度 医院污水的主要水质特征之一是其来源及成分复杂，污染物处理效率普遍不 高，污水中含有大量的病原微生物和化学药剂，具有空间污染、急性传染和潜伏 性传染的特征。常规医院污水处理设施在处理过程中，受到技术工艺的制约，主 要是活性污泥微生物种类和数量少，系统内物理、化学、生物化学反应过程不完 全，并且一些病原微生物易随出水排放、扩散等，使得常规污水处理工艺对医院 天津大学硕士学位论文第一章绪论 污水中的主要有机、无机污染物，以及病原微生物的处理效率不高。 ( 2 ) 医院污水处理设施拥有率、处理级别低，管理不善 我国医院污水处理设施拥有率低，已建医院污水处理设施处理级别普遍较 低。污水中残存的大量的有机物、氨氮和悬浮固体均要消耗消毒剂，其浓度随原 水波动会导致加药量不足或过量的现象。现有规范对传染病医院( 包括带传染病 房的综合医院) 污水的处理与一般普通医院同等对待，提出的控制方法要求不高， 风险控制意识不强。谷康定【_ 7 】等对武汉5 0 家医院进行调查后发现，仅约5 0 受调 查的医院污水处理出水水质符合国家排放标准，约1 1 4 医院的污水处理在运行和 管理上还存在不少问题，设备老化或经常停用，微生物学指标等未达国家规定的 排放标准，存在传播疾病的隐患。 ( 3 ) 未全面考虑生态环境安全 现行医院污水的消毒主要采用含氯消毒剂，在消毒过程中氯消毒剂易与污水 中的有机物发生反应生成具有致突变性的有机氯化物。医院污水消毒前后的 a m e s 试验和c h o 染色体畸变实验结果表明，消毒后的阳性反应明显增加，畸变 率显著增高【4 列；对4 家医院污水消毒前后的卤代烃测试结果表明，污水中的三氯 甲烷平均增加l 倍，四氯化碳平均增加1 3 倍，总卤代烃平均增加1 1 倍，平均值达 到7 4m g lh 4 。现在常用的氯消毒方法毒副作用很大，臭氧、二氧化氯毒副作用 较小的消毒剂又由于其高昂的费用，往往由于运行不正常而限制了有效的使用。 ( 4 ) 对污水处理过程中“安全性考虑不足 医院污水水质特殊，处理过程中产生的废气和污泥中含有大量病原微生物， 会成为新的污染源。常规好氧生物处理系统无封闭措施，曝气供氧过程产生的气 泡扩散形成了大量的气溶胶分子。这些气溶胶大分子表面附着了一些病原微生 物，向空气中扩散传播，这就为传染性疫病的传播打开了另一条通道。目前我国 多数医院污水处理设施自动化程度低，密闭性和卫生防护条件不够，在系统运行 过程中，管理人员直接接触污水和污泥，易造成感剿4 5 1 。 1 3m b r 在医院污水处理中的应用 1 3 1 膜生物反应器技术概述 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是将膜分离技术与生物降解技 术组合形成的一种水处理技术，结合了活性污泥法技术成熟和膜分离高效的优 天津大学硕士学位论文第一章绪论 点，具有占地少、分离效率高、操作方便等特点； 1 3 1 1m b r 的分类 一般按照膜组件的位置不同，将m b r 分为分置式和一体式两大类。 分置式m b r 的膜组件与生物反应器分开设置，生物反应器的混合液经泵增 压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的水透过膜，成为系统处理出水，而固 形物、大分子物质等则被膜截留，随浓缩液回流到生物反应器内。分置式m b r 运行稳定可靠，操作管理简便，膜易清洗和更换；但为了减少污泥在膜表面的沉 积，通常要循环泵提供很高的水流速度，造成动力消耗大、系统运行费用高，且 回流泵的高速旋转还会影响微生物的活性。 一体式m b r ，膜组件直接置入反应器内，出水采用负压抽吸方式或重力式， 曝气器设置在膜的正下方，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，靠空 气和水流的扰动来减缓膜污染。由于不需循环泵，抽吸泵的工作压力小且能减少 膜面污染、延长运行周期，一般采用间歇运行，因此一体式m b r 的单位产水能 耗要低于分置式m b r 。同分置式相比，一体式具有工艺简单，结构紧凑、体积 小、易从传统的活性污泥法工艺中进行改造，运行费用低等优点，但一体式m b r 单位膜的处理能力小、膜污染较重，在运行稳定性、操作管理和清洗更换方面都 不及分置式，如膜清洗过程会对反应器内生物相产生破坏，且清洗时整个单元要 停止运行等。 1 3 1 2m b r 的特点 与传统的活性污泥法相比，m b r 技术具有如下特点： ( 1 ) 固液分离效率高，出水水质稳定良好。 由于膜的高效截留作用，使其分离效果远好于传统的沉淀池，水中悬浮物、 胶体物、大分子有机物、细菌等污染物均无法通过膜进入出水，不会出现污泥膨 胀；世代时间长的硝化细菌会在曝气池中不断积累，使得m b r 具有较好的硝化 能力，同时膜分离使污水中的分子量大且难降解有机物有足够的停留时间，达到 较高的去除效果。 ( 2 ) 膜分离可实现水力停留时间和固体停留时间的完全分离。 反应器内无污泥流失，活性污泥浓度高，耐冲击负荷能力强，泥龄长。反应 器可在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，大大减少了剩余污泥的排放量， 从而减少了污泥处置费用。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 设备紧凑，占地少。 由于m b r 内污泥浓度高，生化反应所需的时间可以大大的缩短，使得设备 体积大大减小；且膜的分离作用省去了二沉池。因此可实现污水就地处理，进而 节约大量的给排水管网及泵站的费用，并减少占地费用。便于实现一体化和自动 化，操作管理简便。 1 3 1 3 影响m b r 处理效果的因素 m b r 是一种将高效的膜分离技术和传统的活性污泥法相结合的新型水处理 工艺。该工艺提高了污泥浓度，同时将二次沉淀池无法截留的游离细菌和大分子 有机物完全阻隔在生物池内，改变了微生物生长代谢的生存环境，促进了专性微 生物的生长。这样，既有效地提高了有机物的处理能力，也使得处理效果更加稳 定。但在实际运行中，膜污染造成的膜组件过滤压力上升，膜运行周期缩短等问 题，制约了该工艺的推广。 ( 1 ) 膜性质 膜的性质包括膜的孔径、亲水性( 电荷性质) 、表面粗糙度等。 关于膜孔径对膜的通水量以及过滤过程的影响，大部分研究者认为膜孔径存 在着一个合适的范围，大于或小于这一范围都会造成膜通水性能的急剧降低；亲 水性膜( 如聚砜) 对蛋白质等污染物的吸附大于憎水性膜( 如聚乙、丙烯腈) ， 但由于亲水性的膜材质中通常含有亲水基团，不易形成膜孔径内部的不可逆污 染，从而保证了膜使用的长期稳定性，且其具有较好的柔韧性，可更好地克服外 界环境的影响；膜本身表面粗糙会加大膜吸附污染物的可能性，因此通常尽量选 用表面光滑的膜。 ( 2 ) 混合液的性质 混合液的性质对m b r 处理效果的影响主要包括混合液中固形物质的量和溶 解性有机物浓度( 主要是微生物代谢产物) 。 通过调节s r t 可以改变反应器内固体物质及溶解性有机物的含量。研究表 明【4 6 1 ，随s r t 的延长，污泥浓度的增加，反应器内微生物内源呼吸加剧，且污 泥浓度的增加，使得f m 值变小，此时由于食料的极度缺乏，导致大量微生物 死亡，死亡微生物被分解时产生大量不可降解的细胞残留物质。同时，随污泥浓 度的增加，微生物内源呼吸加剧，从而产生大量难降解的溶解性微生物代谢产物 ( s m p 。d ) ，使得上清液中c o d 上升，但由于s m p 。d 多为高分子物质，经过膜过 滤后，对出水c o d 影响不是很大。当污泥浓度很低时，污泥对溶解性有机物的 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 吸附和降解能力减弱，使污水中溶解性的有机物浓度增加，从而容易被膜表面吸 附，导致过滤的阻力增大，膜的通水量下降。实验还发现【4 。7 】当反应器中的污泥处 于增长期时，m b r 工艺对总氮( t n ) 具有4 0 左右的去除效果；对总磷( t p ) 具有一定的去除效果，最高去除率可达5 1 5 ；当污泥浓度处于稳定期时，t n 去除率下降为3 0 左右；对t p 基本没有去除效果，甚至出现负去除率现象，因 此要获得较为理想的t p 去除率，就必须定期的排除剩余污泥。 ( 3 ) 操作条件 操作压力 通常认为，在膜生物反应器中存在着一个临界压力，当操作压力低于此临界 压力时，膜的通水量会随着操作压力的增高而增大，同时膜的污染情况不会有明 显的变化；当操作压力高于临界压力时，膜的通水量随操作压力的变化不大，而 膜表面的污染情况会较正常使用时有明显的加剧，且这种污染后的膜不会因减压 而恢复原有的通量，临界压力随膜孔径的增加而减小。 膜面流速 对于任何形式的膜，增加膜面流速都可以提高膜的通水量和运行稳定性。加 大膜面流速可以增大膜表面水流的扰动程度，同时也增加水流的剪切力，减少污 染物在膜面的沉积，使膜的过滤阻力减小。合适的膜面流速与两个因素有关：一 方面，为使膜组件保持较高的通水量，应在防止膜面形成凝胶极化层的流速下操 作；另一方面，膜面流速还应能保持浓缩污泥的流动性。在污泥浓度较低时，应 重点考虑前者的作用，膜的通量和膜面流速呈线性增加关系；在污泥浓度较高时， 膜面流速对沉积层影响减弱，重点应注意对污泥流动性的考察。在不同的污水浓 度下，存在一个相应的最佳膜面流速，可以在保持较高能量利用效率的条件下， 达到较大的膜通水量。根据经验【4 8 】，在生活污水处理过程中，当反应器内污泥浓 度为1 0 2 0g l 时，最佳的膜面流速为1 9 2 5r n s 。实验表呀4 9 1 ，间歇曝气 m b r 能有效地去除有机物，c o d 的平均去除率可达9 4 9 3 ，氨氮的平均去除 率为9 2 ，而且间歇曝气不会造成膜污染速率的加快。 运行温度 通常情况下，提高温度有利于膜的分离，但升高温度会直接影响膜本身的寿 命，同时对微生物的生长也