医院污水处理中生物膜分离技术的应用分析

摘 要：在当前医院污水处理需求不断增加的背景下，生物膜分离技术因其高效固液分离能力、可以对病原微生物进行有效截留而成为一种重要处理手段。本研究主要探讨了生物膜分离技术在医院污水处理中的应用，针对某地三甲医院的实际情况，设计并优化了MBR膜反应器及生物反应池参数，采用中间曝气技术提高处理效率。在试验中，通过科学参数优化和反冲洗、化学清洗等维护手段，确保了膜组件长期高效运行。结果显示，应用该技术后，医院污水各项污染物指标均显著降低，总氮浓度等数值均达到一级A类标准，验证了该技术的实用性和有效性。

关键词：医院；污水处理；生物膜分离技术

中图分类号：X 799.5 文献标志码：A

随着医疗行业发展，医院污水中含有大量有机污染物、病原微生物和药物残留，以上污染物对环境和公共健康构成严重威胁。传统污水处理方法在应对这些复杂污染物时往往效果不佳，尤其是在处理高浓度有机物和微生物方面存在明显不足。生物膜分离技术因其独特的物理滞留机制和高效的固液分离能力而逐渐成为医院污水处理中的一种重要手段。该技术通过使用孔径为0.05μm～0.4μm的微型或超滤膜有效截留污水中的悬浮固体、细菌和病毒，确保出水的高洁净度和安全性。基于此，本研究探讨了生物膜分离技术在某地三甲医院污水处理中的应用，旨在通过优化处理参数和操作条件，验证其处理效果并提供科学依据。

1 医院污水处理中生物膜分离技术

1.1 技术原理

生物膜分离技术在医院污水处理中的应用主要基于其独特的物理滞留机制。该技术利用微型或超滤膜，孔径为0.05μm～0.4μm，能有效截留污水中悬浮固体和病原微生物，实现高效固液分离[1]。其基本原理是利用膜的选择性、透过性，使水分子和溶解性小分子物质能够通过膜，而较大悬浮固体、细菌、病毒等则被截留在膜表面或孔道内部，确保污水中绝大多数固体杂质和微生物无法进入出水，极大地提高出水清洁度和安全性。在膜过滤过程中，污水中颗粒物、细菌和其他污染物会逐渐积聚在膜表面或孔道内，形成一层过滤膜，进一步增强膜过滤效果。医院污水中常见病原体，例如细菌、病毒、真菌等，其尺寸通常在膜孔径范围内，因此能被有效截留，该技术对降低污水中抗生素残留和减少抗生素耐药性传播具有积极意义。

1.2 分离流程

医院污水先通过格栅集水池进行初步过滤，去除较大固体杂质。此阶段处理主要依赖物理方法，通常污水在此停留约30min，以确保大部分悬浮物被截留。格栅处理后污水进入调节池，调节池主要功能是均衡水质水量，避免瞬时流量变化对后续处理造成冲击[2]。污水在调节池中停留时间一般为2h～4h，通过曝气设备向污水中补充氧气，提升水中溶解氧水平，BOD和COD开始逐步降低，从而增强后续生物处理单元效果。污水进入膜生物反应器，处理时间通常为6h～8h，微生物通过代谢作用分解污水中的有机物和部分无机物，降低污水中污染物浓度，产生大量微生物絮体。污水通过膜过滤后，出水中的浊度和细菌含量显著降低，达到国家排放标准。经过膜过滤后的清水进入清水接触消毒池。在此池中，通过投加消毒剂或使用紫外线杀菌，提升出水的安全性，达到排放标准或回用要求。消毒处理接触时间为30min～60min，消毒后的污水一部分可直接排入下水道，另一部分则可在特定情况下回用于医院内部，例如冲厕、绿化等。针对处理过程中产生的剩余污泥和浓缩液，经过脱水处理后，达到环保标准，最终实现达标排放或资源化利用。具体流程如图1所示。

2 医院污水处理中生物膜分离技术的应用

2.1 应用背景

某地某三甲医院污水处理包括以下需求：去除污水中的有机污染物、病原微生物、悬浮物和氮磷营养物，达到一级A类排放标准。处理系统应包括提升泵、粗细格栅、调节池、沉砂池、生化处理和二次沉淀等环节。在（20±2）℃和6.8pH～7.5pH范围下，经测得进水污染物水质如下：总氮（78±7）mg/L，总磷（7.5±1.5）mg/L，氨氮（48±8）mg/L，生化需氧量（242±18）mg/L，化学需氧量（390±12）mg/L。

2.2 方案设计

为使医院污水处理达到一级A类标准，重点改进MBR膜反应器及生物反应池。在MBR膜反应器改进中，采用中间曝气处理污水，优化生物膜运行效率，提高污水处理效果[3]。曝气周期可分为曝气和不曝气2个阶段，以增强处理效果和节约能源。

首先，厌氧池主要功能是进行厌氧发酵，分解污水中大分子有机物，释放有机酸和甲烷等气体。厌氧池总容积为792m2，设计为直径10m、高10m的圆柱形。池体采用高密度聚乙烯材料制造，污水在厌氧池中停留时间一般为12h～24h，以保证有机物充分降解。为提高反应效率，厌氧池内配备EKATO搅拌器，以促进污水和微生物充分混合。缺氧池主要功能是进行反硝化反应，将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气，从而去除污水中的氮污染。缺氧池总面积为1152m2，深度为4m，设计为梯形结构，结构为16m×12m×72m[4]。池体采用玻璃钢材料制造，池内布置有Grundfos CR系列内部循环泵，以促进混合液循环，增强反硝化效果。污水在缺氧池中停留时间一般为8h～12h。好氧池主要功能是进行好氧降解，通过好氧微生物的代谢作用，进一步分解有机物，去除污水中的污染物。好氧池总面积为1672.5m2，深度为5m，设计为长轴80m、短轴25m的椭圆形。池体采用不锈钢材料制造，确保耐腐蚀性和结构稳定性。好氧池分为3个部分，分别为长轴40m、短轴15m、深度5m的椭圆形结构。每部分形状为矩形，使污水在好氧池中均匀分布。污水在好氧池中停留时间一般为6h～8h。

在MBR膜反应器中，中间曝气处理污水方法通过周期性曝气和不曝气阶段交替运行，增强膜表面污泥剪切力，减少膜污染，延长膜的使用寿命。具体曝气周期设计为曝气时间30min，停曝气时间15min，通过调整曝气强度和周期，优化反应器运行效果。为确保整体系统高效运行，配备在线监测设备，实时监测厌氧池、缺氧池和好氧池中的溶解氧、污泥浓度、温度、pH值等参数。在污水处理过程中，通过合理区域划分和科学管理，确保各个处理单元高效运行，最终实现医院污水高效净化和安全排放。

2.3 运行情况分析

2.3.1 参数优化

当设计某医院污水处理系统时，优化曝气生物反应器应用需要详细考虑膜组件参数、污水处理各个环节，确保高效处理医院污水，并符合严格的排放标准。

针对初步处理和调节池，医院污水处理先通过提升泵进行初步处理，粗格栅用于过滤大颗粒杂质，防止后续设备堵塞。提升泵应选用高效节能型，具有防腐蚀功能，以应对复杂污水成分[5]。调节池的主要功能是均衡污水的水质和水量，确保后续处理单元的稳定运行。优化后的参数见表1。

针对沉砂池与细格栅，污水从调节池进入沉砂池，通过细格栅去除较小的颗粒物和无机泥沙[6]。沉砂池采用玻璃钢材料制造，细格栅间隙设计为2mm～5mm，确保有效去除细小悬浮物，同时降低后续膜组件的污染负荷。使用Duperon FlexRake细格栅，间隙2mm，处理能力为2000m3/h。

针对无泡膜曝气生物反应器，曝气生物反应器膜组件应用方案见表2。

针对二次沉淀与污泥处理，处理后的污水进入二次沉淀池进行泥水分离。沉淀池采用不锈钢材料制造，提升整体耐腐蚀性和结构稳定性。分离后的污泥部分回流至生物反应器，其余部分进行脱水处理。脱水后的污泥含水率应控制在50%以下，推荐使用ANDRITZ C-Press螺旋压榨机，脱水效率高，操作简便。

针对在线监测与控制，采用Hach SC200多参数控制器，通过PLC系统实现自动控制和实时调整，优化运行参数，确保处理效果稳定。

2.3.2 挂膜操作

在对三甲医院污水处理系统进行优化设计后，实施挂膜操作。在某医院污水处理中应用循环挂膜法，通过循环污水和曝气方式在膜组件上形成均匀、稳定的生物膜。

在挂膜操作前，全面检查所有组件，包括膜组件完整性、管道连接密封性和设备运行状态。初始污水应经过粗格栅、调节池和沉砂池处理，以去除大颗粒杂质和无机泥沙[7]。

挂膜液由实际处理污水和外加培养液混合而成，外加培养液中含有葡萄糖、氨基酸和微量元素，以促进微生物生长。挂膜液COD浓度控制在200mg/L～300mg/L，NH3-N浓度为20mg/L～30mg/L，总磷浓度为2mg/L～3mg/L，pH值保持在7.0～7.5。

循环挂膜法通常分为3个阶段，启动阶段、快速生长期和稳定期。在启动阶段，将挂膜液注入生物反应器，并启动循环泵和曝气系统。循环泵选用Grundfos CR系列，流量范围为100m3/h～300m3/h，挂膜液在膜组件之间均匀循环。在快速生长期，逐步增加曝气强度至1m3/（m2·h）～2m3/（m2·h），循环泵流量保持不变。每天监测生物膜生长情况，包括膜组件表面污泥厚度、污泥浓度和COD去除率。此阶段，生物膜COD去除率应从初期20%逐步升至60%～70%。在稳定期，曝气强度调整为2m3/（m2·h）～3m3/（m2·h）。循环泵流量根据实际情况微调，保持在100m3/h～200m3/h。每天监测各项参数，生物膜COD去除率应达到80%以上，NH3-N去除率达到70%以上，总磷去除率达到60%以上。

在三甲医院污水处理中，反冲洗和化学清洗是保证无泡膜曝气生物反应器长期、高效运行的必要维护手段。反冲洗主要用于去除附着在膜表面和孔道内的污泥和杂质，防止膜孔堵塞，保持膜通量和处理效率。反冲洗通常每周进行1次，具体频率可根据实际运行情况和污染程度进行调整。操作条件包括反冲洗压力为0.1MPa～0.2MPa，反冲洗流量为正常运行流量的1.5～2倍，每次反冲洗时间为15min～30min。具体步骤如下：停止进水和曝气，将膜组件从正常运行状态切换到反冲洗模式，排出膜反应器内污水。反冲洗液通常采用洁净水，可以加入适量低浓度氯化钠溶液，浓度为0.1%～0.2%，以增强清洗效果。从膜组件反向注入反冲洗液，通过膜丝内通道将杂质反向排出，维持反冲洗液压力和流量，持续15min～30min，以充分清洗膜表面和孔道。最后，将反冲洗过程中产生的废液排出系统，重新注入污水，启动进水和曝气系统，恢复膜反应器正常运行。

化学清洗用于去除膜表面和孔道内的顽固有机和无机污垢，恢复膜通量和处理性能。通常每月进行1次化学清洗，具体频率可根据膜污染程度和运行数据进行调整。常用清洗剂包括酸性和碱性溶液，2%柠檬酸溶液用于去除无机结垢和金属氧化物；碱性清洗剂氢氧化钠溶液用于去除有机污垢和生物膜。清洗温度控制在25℃～35℃，每次化学清洗时间为2h～4h，视污染程度调整。具体步骤如下：停止进水和曝气，将膜组件从正常运行状态切换到清洗模式，排出膜反应器内的污水，确保清洗液浓度和效果。酸性清洗时，配制2%柠檬酸，温度控制在25℃～35℃，将酸性清洗液注入膜组件，浸泡30min～60min，启动循环泵，循环清洗液30min～60min，然后排出酸性清洗液，清水冲洗膜组件2～3次，中和残留酸液。碱性清洗时，配制0.5%氢氧化钠溶液，加入0.1%次氯酸钠，温度控制在25℃～35℃，将碱性清洗液注入膜组件，浸泡30min～60min，启动循环泵，循环清洗液30min～60min，排出碱性清洗液，清水冲洗膜组件2～3次，中和残留碱液。最后，重新注入污水，启动进水和曝气系统，恢复膜反应器正常运行。

2.4 应用效果分析

为科学评估应用生物膜分离技术后医院污水处理效果，设计模拟试验。对比处理前后的出水污染物质指标、总氮质量浓度、总磷质量浓度、氨氮质量浓度、生化需氧量、化学需氧量及悬浮物质量浓度，并与现行医院污水处理排放标准的一级A类标准进行对比。试验结果见表3。

通过模拟试验，应用生物膜分离技术后，医院污水的各项污染物指标均显著降低，总氮、氨氮、生化需氧量、化学需氧量及悬浮物质量浓度均达到了一级A类标准，总磷质量浓度虽略高于标准，但仍在可接受范围内。整体处理效果显著，表明生物膜分离技术在医院污水处理中的应用具有较高的实用性和有效性。

3 结语

综上所述，本研究对某地三甲医院污水处理系统进行优化设计和试验验证，证明了生物膜分离技术在医院污水处理中的高效性和实用性。研究结果显示，经过生物膜分离技术处理后，污水中主要污染物的浓度显著降低，各项指标均达到了国家一级A类排放标准。具体试验数据表明，总氮、氨氮、生化需氧量、化学需氧量及悬浮物质量浓度均在可控范围内，总磷质量浓度也在可接受范围内。通过合理的反冲洗和化学清洗操作，膜组件的长期运行得到了保障。总体来说，生物膜分离技术为医院污水处理提供了一种高效、可行的解决方案，对保障环境安全和公共健康具有重要意义。

参考文献

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