医院排放污水臭氧催化氧化处理工艺研究

刘 勇，徐宏林

(1.北京医院(后勤管理处)，北京 100730； 2.北京联合大学建材轻工学院，北京 100730；3.中国中医科学院广安门医院，北京 100035)

医院污水主要来源于化验室和手术室等医疗排水，污水中包含大量的病菌和病原微生物，若不经处理就排放，不仅会污染环境，还容易造成其中所带有传染性细菌的二次污染，成为新的疾病传播链[1-2]。目前我国的污水处理工艺，一般都是经过一级处理或生物氧化后，加入氯气或含氯化合物进行消毒后排放，对污水的杀菌程度不彻底，会对水环境的生态系统产生严重危害[3-4]。根据《医疗机构水污染物排放标准 KGB 18466-2005)，世界卫生组织要求医疗机构污水处理的各个环节都需要在严格的监管条件下进行排放，对于其中的微生物残留检测也有相关标准进行约束，粪大肠菌群数小于100 MPN·L-1，肠道致病菌、肠道病毒均不得检出，才能允许排放[5]。

目前我国使用的污水处理办法一般为膜生物反应器工艺，主要使用超滤膜法从污泥回收容器中，加入催化剂分离活性污泥[6]。经过这种反应器处理后所排出的医院污水虽然能够除去其中的有机物和污染无机物，但对其中夹杂的特有致病菌去除效果较差，无法达到微生物的彻底灭活，对环境和人类生存都有很大的威胁。因此本文在膜生物反应器工艺进行污水处理的基础上，采用臭氧催化氧化工艺进行深度净化。首先设计污水处理整体工艺流程、确定污水处理设备，在臭氧催化氧化污水处理工艺中，以活性炭为催化剂，通过活性炭材料中具有的可吸附官能团提高臭氧氧化活性。并控制臭氧的添加量，分析不同活性炭添加量对废水中污染物的分解效果，以此确定臭氧催化氧化的催化剂添加量等参数，提升污水处理性能。

1 医院污水处理实验设计

1.1 污水处理设备选择

污水处理选择臭氧代替原有的S-PAC、CeO催化消毒步骤。臭氧在污水净化过程中主要有两种反应方式，一种是直接与有机物反应发生氧化完成净化，另一种是臭氧分解后产生氢氧根与有机物反应发生氧化完成净化。在实际的臭氧净化污水应用中，需要添加一定的催化剂能够加快反应速率。经过对臭氧催化氧化的医院污水处理部门进行调研，并结合传统的污水处理结果可以发现，传统污水处理法净化后的污水还存在一定的活性病原微生物，因此需要增加臭氧对其进行催化氧化来降解、消除其中的微生物。设计的臭氧催化氧化装置如图1所示：

图1 臭氧催化氧化装置设计Figure 1 Design of ozone catalytic oxidation device

在图1装置中，臭氧发生器的浓度和进气量可通过人工手调。根据臭氧发生器的规格，确定在冷却过程中冷却水的流量为0.1 m3·h-1。在医院污水的初级过滤中选择膜反应器[7-8]以去除其中的悬浮物。

首先确定装置中膜过滤器的面积以及尺寸，过滤器中的主要过滤设备是生物膜，污水透过生物膜的流速恒定为11 m·h-1，过滤器长期24 h连续运行，在冲刷时，所占用的冲洗时长为6 min。过滤面积S计算公式为：

(1)

式中，v为过滤速度，T为膜过滤器的工作时间，Q表示需要处理的污水的总体积。如果采用的膜过滤器形状为圆形，那么可以求出圆形的直径，计算公式为：

(2)

在确定过滤膜的大小后，需要对过滤器反冲洗水头的损失进行计算，对于管式的大阻力配水系统的水头损失计算公式为：

(3)

式中，q为冲洗强度，α表示生物膜的过滤孔眼面积与整个膜过滤器的面积的比值，μ表示污水的流量系数。在以上计算下，根据实际情况进行选择。

1.2 实验方案设计

实验选取的医院污水首先经过一级处理，即经过膜生物反应器处理后排出的污水，然后经过臭氧催化氧化工艺进行深度净化。根据以上设计，实验建立的臭氧催化氧化装置如图2所示。

图2 臭氧催化氧化装置图Figure 2 Device of ozone catalytic oxidation device

图2中，臭氧发生器的型号为CF-G-g，其中臭氧气源来自氧气钢瓶，采用工业氧气，在气体反应箱中嵌入湿式气体流量计。为了保证臭氧发生器在实验中安全稳定地反应，在实验装置中利用流动水进行冷凝保证温度处于较低状态，并调节氧气钢瓶的压力在0.04 MPa 。测试前，装置先空车运行15 min，保证装置中臭氧浓度达到标准要求，且变化范围较小。在外围设计一个浓度检测装置，检测示意图如图3所示。

图3 臭氧浓度测定Figure 3 Determination of ozone concentration

膜生物反应器所排出的污水水质指标如表1所示。

表1 膜生物反应器排出的水质指标

使用设计的基于臭氧催化氧化工艺的医院污水处理方法对经过一级处理后的污水进行持续净化，并与S-PAC、CeO两种催化剂作为对照，分析三种催化方法的动力学效果。

1.3 臭氧催化氧化处理流程设计

在设计污水整体处理流程时，需要结合医院污水的水质检测相关数据，并结合实际污水处理站的规模。根据实际的数据可知，医院的污水检测数据中的主要污染物质为病原微生物、氨氮化合物以及草酸化合物等，最终经过处理后需要符合相关医疗机构污水的排放标准。根据污水的特性，选择不同级别的工艺，制定一套符合实际情况的整体臭氧催化氧化污水处理工艺流程，保证臭氧催化氧化的效果能够达到预期情况[9-10]。设计的流程如图4所示。

图4 臭氧催化氧化污水处理整体工艺流程Figure 4 Overall process flow of ozone catalytic oxidation wastewater treatment

图4所示的工艺流程中，医院产生的污水排放出后第一步要流向化粪池中进行沉淀处理，主要是因为这些污水中有可能包含一些医疗废物，如棉花、纱布等，经过沉淀处理后可以除去体积较大的肉眼可见的医疗污水污染物，避免这些异物堵塞净化设备，保证整体流程正常运行[11-12]。从化粪池流入格栅前，需要经历强力切割机进行切割后才能流入细格栅间，再次将其中混杂的漂浮物进行拦截。从格栅间流出后，依靠污水自身的重力能够流入下一环节的调节池，主要对水量进行调节，并利用微曝气处理工艺，避免污水由于沉淀导致的变质，同时达到让水质更加均匀的效果。

在污水处理的整体流程中，设置一个厌氧池，在工作过程中，厌氧池处于低氧环境，其目的是降低一部分好氧有机物浓度，随后进入缺氧池进行有机颗粒的体积分解，以增加污水的生化性。进入好氧池后，污水中包含的活性污泥可以在含氧量丰富的情况下进行有氧呼吸，有助于有机物的分解，并通过投加药品实现除磷[13-14]。在沉淀池中能够分离污泥和上清液，污泥下沉并经过板框压滤机压成泥饼后外运，上清液则再次运输到调节池中进行新一轮净化后进入中间水池，在集水堰板的作用下，上层清液进入膜反应器中，整个净化流程水源供水稳定，污水经过过滤泵、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艺的医院污水处理流程的设计。

1.4 臭氧催化氧化工艺参数优化

臭氧在医院污水的处理过程中，需要添加催化剂来促进污水处理的进程。在进行臭氧催化氧化的过程中，选择具有良好吸附能力的活性炭，其具有大量的可吸附官能团，在提高臭氧氧化活性的同时不会改变氧化结果[15]。建立的活性炭和臭氧系统氧化污水处理体系，在确定氧气浓度和流量后，计算臭氧添加浓度，以保证协同体系具有一定的效应。

设定水样pH=7.0，氧气流量(15～25) mg·L-1，反应温度25℃，臭氧添加量为(20～30)mg·L-1，考察不同活性炭添加量对废水中污染物降解率的影响，结果如图5所示。从图5可知，随活性炭添加量增多，污染物降解率也随之提高，但当活性炭的添加量分别为16 g·L-1和20 g·L-1时，污染物降解量相差较小，因此在实际应用中，为了控制污水处理的成本，可以选择活性炭的添加量为16 g·L-1，在保证净化效果的同时，能够保证污水处理成本最低。

图5 活性炭添加量对废水中污染物降解率的影响Figure 5 Effects of activated carbon addition amounts on degradation of pollutants in wastewater

2 结果与讨论

按照上述实验装置，得到臭氧、S-PAC、CeO三种催化剂净化污水的伪一级动力学常数的变化曲线，对于伪一级动力学拟合，拟合计算公式如下式所示：

(4)

式中，c为污水中需要降解的污染物的总浓度，k’为伪一级反应速率。根据上式求得的参数，可以得到伪一级拟合曲线如图6所示。

图6 CeO、S-PAC和臭氧催化氧化降解污染物的伪一级动力学拟合结果Figure 6 Pseudo-first-order kinetic fitting results of CeO,S-PAC and ozone catalytic oxidation of pollutants

从图6可以看出，利用臭氧进行催化氧化降解污染物的效果最好。根据上图计算反应平衡量qe：

(5)

式中，k为拟合直线解析式中的斜率。经过计算可以得到，臭氧催化降解的最后反应平衡量在8.33 mg·L-1，几乎能够完全消除污水中的污染物，CeO催化降解的最佳反应平衡量为18.33 mg·L-1，S-PAC则对污水净化几乎没有催化效果。

为进一步验证效果，在以上实验技术上进行伪二级动力学拟合，对于伪二级动力学拟合来说，相关的拟合计算公式如下式所示：

(6)

式中，k”表示伪二级反应速率。根据上式求得的参数，可以得到伪二级拟合曲线如图7所示。

图7 CeO、S-PAC和臭氧催化氧化降解污染物的伪二级动力学拟合结果Figure 7 Pseudo-second-order kinetic fitting results of CeO,S-PAC and ozone catalytic oxidation degradation of pollutants

经过计算可得臭氧催化氧化下的动力学常数为0.83，S-PAC催化氧化下的动力学常数为0.38，CeO催化氧化下的动力学常数为0.029。伪二级反应中动力学常数越大，说明催化降解的效果越好。由此可见，活性炭吸附臭氧催化氧化能够加快污水中污染物的降解速率，提升降解效果。

医院排放污水采用臭氧催化氧化处理工艺前后致病菌含量变化如表2所示。

表2 医院排放污水采用臭氧催化氧化处理工艺前后致病菌含量变化

分析表2可知，采用本工艺处理前，医院排放污水中致病菌的含量均超标，而采用本工艺处理后，医院排放污水中致病菌含量在指标范围内，由此可见，基于臭氧催化氧化工艺对医院排放污水中致病菌的处理效果更好，在医院污水处理方法具有更好的降解效果。

3 结 论

针对传统污水处理技术处理医院污水所存在的弊端，在原有工艺基础上增加了臭氧催化氧化工艺，优化臭氧催化氧化工艺中活性炭添加量为16 g·L-1，使臭氧催化氧化发挥最优性能，提升医院排放废水中污染物的分解效果，保证医院污水水质成分能够彻底灭活。

通过对不同催化氧化剂的动力学分析，结果表明，设计的臭氧催化氧化工艺在医院污水处理中，伪一级动力学拟合结果显示臭氧催化降解的最后反应平衡量在8.33 mg·L-1、伪二级动力学拟合结果显示活性炭吸附臭氧催化氧化下的动力学常数为0.83，均优于S-PAC、CeO催化氧化工艺，采用本文方案处理后，医院排放污水中致病菌的含量均控制在指标范围内，验证了设计方法的有效性。由于研究过程中经验有限，提出的方法还有很多待改进之处。在今后的研究中，可以考虑将臭氧催化氧化技术与生化处理技术相结合，更大程度地降低污水处理成本。