（环境工程专业论文）医院污水膜生物反应器剩余污泥的消毒研究.pdf

中文摘要 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 ) 对医院污水具有很好的处理效 果，且具有物理消毒作用。由于微滤膜的高效分离功能，病原微生物被截留在反 应器内，因此m b r 污泥的消毒工艺十分重要。本课题针对这一问题，以m b r 产生的剩余污泥( 混合液) 为研究对象，研究了污泥的特性，使用过氧乙酸( p a a ) 作为消毒剂，探讨了其消毒效果及机理。 实验发现：m b r 实现了对医院污水中病原微生物的有效去除。但排出的污 泥中积聚了大量的微生物，其含量远远大于进水中的微生物含量。为了更准确的 使用平皿计数法测定污泥中的细菌含量，本文中使用一种表面活性剂将污泥絮体 中的微生物提取到上清液中。对该方法进行5 次试验，结果显示：平均提取率达 8 0 以上，最高可达9 7 。所以在本研究中，采用该方法来检测污泥中的细菌总 数。 同时，研究了投加浓度和接触时间对p a a 消毒效果的影响，结果表明：消 毒过程都出现明显的“拖尾现象”：当p a a 投加浓度为4 0 0m g l ，接触时间为1 h 时污泥中的细菌总数为1 1 2c f u m l ，总大肠菌群数为9 1m p n 1 0 0 m l ，粪 大肠菌群数为1 2m p n 1 0 0 m l ( 8 1 4m p n g 干污泥) ，达到医疗机构水污染物 排放标准( g b l 8 4 6 6 2 0 0 5 ) 中的要求。在投加浓度一定时，接触时间越长，杀 菌率越高。当过氧乙酸投加量为4 0 0m g l ，接触时间为3h 时，粪大肠菌群未检 出；当过氧乙酸投加量为6 0 0m g l ，接触时间为3h 时，细菌总数、总大肠菌群、 粪大肠菌群均未检出。以细菌和粪大肠菌群为微生物指标，c o l l i n s s e l l e c k 模型 对消毒过程拟合效果较好。此外，p h 和过氧化氢均对过氧乙酸的消毒效果做出 了贡献。 由于过氧乙酸的消毒成本比传统氯消毒高，为减小工程应用时的费用，对 3 0m i n 沉降后的污泥进行了消毒研究，结果表明：在s v 3 0 为3 7 时，待消毒的 污泥体积可减少6 3 ，p a a 投加量也相应减少。当投加量为4 0 0m g l 的，接触 时间为1h 时，消毒后污泥中粪大肠菌群数为6 9m p n g 干污泥，可以达到医 疗机构水污染物排放标准( g b l 8 4 6 6 2 0 0 5 ) 的要求。在实际应用中，将m b r 排出污泥沉降后，使上清液回流至反应器内，仅对沉降污泥做消毒处理。这样既 节省了p a a 的费用，还可以减小消毒池的容积，降低建造费用和占地面积。 关键词：医院污水；膜生物反应器；污泥消毒；过氧乙酸；粪大肠菌群 a b s t r a c t m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) h a sg o o dp e r f o r m a n c ei n h o s i p i t a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，i n c l u d i n gp h y s i c a ld i s i n f e c t i o ne f f e c ts i m u l t a n e o u s l y t h ep a t h o g e n i c m i c r o o r g a n i s mc a nb ei n t e r c e p t e di nt h er e a c t o rb yt h eh i g h - p e r f o r m a n c es e p a r a t i o n o ft h em i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e ，s oi t i si m p o r t a n tt os t u d yt h ed i s i n f e c t i o no fs l u d g e d i s c h a r g e df r o mm b r t h eo b j e t c t i v eo ft h i ss t u d yi st oe v a l u a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f e x c e s s i v es l u d g ef r o mm b ra n dt h ed i s i n f e c t i o ne f f e c tu s i n gp e r a c e t i ca c i da s d i s i n f e c t a n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a le f f e c to fm i c r o o r a n i s m sb yt h em b rw a s g o o d b u tl a r g eq u a n t i t i e so fm i c r o o r a n i s m sa c c u m u l a t e di nt h es l u d g e ，a n dt h e n u m b e ro fm i c r o o r g a n i s mi nt h es l u d g ew a s m u c hh i g e rt h a nt h a ti nw a s t e w a t e r i n o r d e l 。t od e t e r m i n et h et o t a lb a c t e r i aa c c o u n ti nt h es l u d g e ，ak i n do fs u r f a c ea c t i v e a g e n tt oe x t r a c tt h eb a c t e r i af r o ms l u d g ei n t ot h es u p e r n a t a n tw a su s e d a f t e r5t e s t s ， t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee v e r a g er e c o v e r yr a t i ow a sh i g h e rt h a n8 0 ( t h eh i g h e s t w a s9 7 ) s oi nt h i ss t u d y ，t h i sm e t h o dw a sc h o s e nt od e t e r m i n et h et o t a lb a c t e r i a a c c o u n ti ns l u d g e f h ed o s ea n dr e a c t i o nt i m eo nt h ed i s n f e c t i o ne f f e c to fp e r a c e t i ca c i dw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eb a c t e r i ai n t h ed i s i n f e c t e ds l u d g eb e h a v e d “c o n d i t i o n so ft a i l i n g ”o b v i o u s l y w h e nt h ed o s ew a s4 0 0m g la n dr e a c t i o nt i m ew a s 1 h ，t h e t o t a lb a c t e r i aa c c o u n tw a s112c f u m l ，t h et o t a lc o l i f o r mw a s91 m p n 1 0 0 m l ，a n dt h ef e c a lc o l i f o r mw a s1 2m p n 1 0 0 m l ( 8 1 4m p n g ) ，t h ef e c a l c o l i f o r mm e tt h er e q u i r e m e n to f d i s c h a r g es t a n d a r do fw a t e rp o l l u t a n t sf o ，t h e m e d i c a lo r g a n i z a t i o n ”( g bl8 4 6 6 - 2 0 0 5 ) t h er e m o v a lr a t i oi n c r e a s e dw i t ht h e r e a c t i o nt i m ei ft h ed o s ei st h es a m e w h e nt h ed o s ew a s4 0 0m g la n dr e a c t i o nt i m e w a s3h ，t h ef e c a lc o l i f o r mw a sc o m p l e t e l yi n a c t i v a t e d w h e nt h ed o s ew a s6 0 0m g l a n dr e a c t i o nt i m ew a s3h t h et o t a lb a c t e r i aa c c o u n ta n dt h ef e c a lc o l i f o n nw e r eb o t h c o m p l e t e l yi n a c t i v a t e d t h e i rk i n e t i c s f i ta c c o r dw i t ht h ec o l l i n s - s e l l e c km o d e l b e s i d e s ，p ha n dh 2 0 2b o t hc o n t r i b u t e dt ot h ee f f e c to fd i s i n f e c t i o no f t h es l u d g e t h ec o s to fp a ai sh i g h e rt h a nt h a to fc h l o r i n e i no r d e rt or e d u c et h ec o s t si n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h ed i s i n f e c t i o ne f f e c to ns l u d g ew h i c h w a ss e t t e l e da f t e r3 0 m i nw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，w h e nt h ee v e r a g eo fs v 3 0i sa b o u t 3 7 ，t h ev o l u m eo f t h es l u d g et ob ed i s i n f e c t e dw o u l db ea6 3 r e d u c t i o n i f t h ed o s e w a s4 0 0m g la n dt h er e a c t i o nt i m ew a s1h ，t h ef e c a lc o l i f o r mo ft h es e t t l e ds l u d g e w a s6 9m p n g i ta l s om e tt h er e q u i r e m e n to f “d i s c h a r g es t a n d a r do fw a t e r p o l l u t a n t sf o rt h em 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 nt h es l u d g e d i s c h a r g e df r o mm b r i tw a s s e t t l e df i r s t t h e nt h es u p e r n a t a n tr e c y c l e dt ot h er e a c t o r , a n dt h es e t t l e ds l u d g ec a nb et r e a t e da l o n e t h i sw i l ln o to n l ys a v e st h ec o s to fp a a ， b u ta l s om i n i s h e st h ev o l u m eo fd i s i n f e c t i o nt a n ka n dr e d u c et h ec o n s t r u c t i o nc o s t s k e yw o r d s - h o s p i t a lw a s t e w a t e r ：m b r ；s l u d g ed i s i n f e c t i o n ；p e r a c e t i ca c i d ； f e c a lc o l i f o r m 第一章绪论 1 1 医院污水 第一章绪论 医院污水，是指医疗机构向自然环境或者城市管道中排放的污水【l 】，其中包 括传染病医院、结核病医院和其他综合性医院。医院污水属于生活污水的范畴， 医院污水中所含的主要污染物除有机物、悬浮物外，还有大量病原体( 寄生虫卵、 病原菌、病毒) 、重金属、消毒剂、有机溶剂以及放射性污染物，直接排入水体 将对人类的健康带来严重后果。医院产生污水的主要部门有：诊疗室、化验室、 同位素治疗诊断、病房、x 光照相洗印、洗衣房等，还包括医务人员生活污水【2 j 。 1 1 1 医院污水处理方法 在我国，现有医院污水处理方式根据污水排入水体的不同，分为两类【3 j ： 一类是医院处于有城市下水道的区域内，则通过向污水中投加氯、次氯酸钠 或者臭氧等进行消毒，然后直接排入市政下水道，其处理过程见图1 1 。对于直 接排入城市下水道的医院污水，存在以下问题：悬浮物浓度高、水质波动大、 消毒剂投加量难以控制；消毒副产物产量大，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。 另一类是医院有专门的处理构筑物，经过适当的生化处理和消毒后将污水排 入自然水体，这种处理方式( 见图1 2 ) 能有效控制污染物，更符合排放要求p 】。 图1 1直接排入城市下水道的医院污水处理流程 第一章绪论 格 调初 生 役氯 接 病区、生活区污水 次 化 次 上 一 节 沉扎触 淀 处 疑 病区其他污水。 棚 i 、1 椰 ( 经相应处理) 一 e) 生 池池 一_ 一- 一_ 一 厂t _ 一 il i i l i 。 消毒排出 ，7 6 ，= c j 王 图1 2 直接排入自然水体的医院污水处理流程 1 1 2 医院污水消毒方法 由于医院污水的特殊性质，消毒是医院污水必须经过的处理过程。在水处理 技术中，氧化还原法常被用于去除水中的致病微生物以保障水的卫生安全。氧化 剂在水处理过程中可以与水中的微生物如原生动物、浮游生物、藻类、细菌、病 毒等作用，使之灭活或强化去除，该过程被称为消毒过程【4 】。常见的消毒剂有氯、 次氯酸盐、二氧化氯和臭氧等。 ( 1 ) 传统药剂消毒 医院污水主要利用化学药剂作为消毒剂。化学药剂消毒剂在医院污水处理中 主要起着杀灭污水中病原微生物的作用。污水中残留适量的消毒剂，有利于持续 抑制污水中病原微生物的生长。目前，广泛应用于医院污水消毒处理的化学药品 有氯、次氯酸钠、二氧化氯等含氯化合物。其中，氯的消毒能力强，价格便宜， 但在使用过程中有很大安全隐患，可能挥发刺激性气味，消毒后产生有机氯化物， 较少在位于市区中的医院中使用；次氯酸钠的运行费用低，机理与氯相同，也会 产生有机氯化物，且有废渣产生；二氧化氯有较强的氧化能力、消毒能力强、反 应时间短、制备过程不产生显著的有毒物质，是大型综合性医院污水处理站的首 选消毒剂，但是由于二氧化氯极不稳定需现场制备，运行操作不够便利【5 】。比较 各消毒剂的性能见表1 1 。 第一章绪论 另外，臭氧( 0 3 ) 是水处理中较早使用的强氧化剂之一，具有高效、广谱、 无害的作用。臭氧杀菌的原理是分解释放出新生态的【o 】， o 】不仅可以破坏细菌 的酶系统，还可以与细菌、病毒直接作用，使其在菌落外形、细菌形态、生化能 力及发酵能力等方面发生改变或变种，导致其丧失生长繁殖能力。此外，臭氧消 毒的反应时间也较短，质量浓度为0 3m g l 的臭氧水溶液作用1m i n ，大肠杆菌 和金黄色葡萄球菌的杀灭率均可达到1 0 0 酬。但臭氧在常温下易自行还原为氧 气，因此必须现场制备，制备时还要采用高频高压电，能耗较高，对管理也有较 高要求【7 1 。同时，臭氧对人体健康也有一定影响，吸入较多臭氧会导致呼吸系统 不适，因此不适合于繁华地段的大型综合性医院。 ( 2 ) 新型消毒方法 传统的医院污水消毒主要使用的化学药品，会产生大量有毒副产品。为了减 少二次污染的发生，更多较为新型的处理方式开始应用和推广。包括过氧化氢、 高锰酸盐、高铁酸盐等高级氧化技术和紫外线消毒技术。 过氧化氢是一种强氧化剂，主要用于水和污水的高级氧化。此外，高锰酸盐、 高铁酸盐都是能形成复杂变价态中间产物的氧化剂，在水处理中有十分重要的应 用开发潜力i 引。 除了用化学方法消毒外，还可以采用物理方法消毒，紫外线消毒是目前运用 最多的物理消毒方法。紫外线作为一种光谱高效的消毒手段早已被人们所认识， 并大量运用于医疗器械的消毒中。1 9 1 0 年，法国马赛就使用了紫外线消毒工艺 来处理自来水厂的出水，到2 0 世纪9 0 年代，污水紫外线处理技术才趋于成熟【9 j 。 2 0 0 0 年，上海某市政污水处理厂成功安装并运行了国内第一套开放式大水量的 市政污水紫外c 消毒系统，标志着国内紫外线污水处理技术的成熟【9 1 。2 0 0 2 年， 福州市第一医院运行成功我国第一套医院污水处理紫外c 灭菌系统，处理效果 良好 9 1 。紫外线消毒是现行水处理消毒工艺中较为有效的一种灭菌手段，但是若 第一章绪论 污水中存在有大量悬浮物，紫外线无法穿透，消毒效果会受到明显的影响。 1 1 3 水质标准中的生物学指标 水中的致病微生物有很多种，这些微生物的检测手段复杂又费时，工作人员 还有被感染的危险。因此，在实际水质检测中不可能对所有的致病微生物一一分 离鉴定，有必要寻找一种具有代表性的指示微生物来衡量水的消毒效果。这些指 示微生物必须具备下列特点【1 0 】： ( 1 ) 在病原体可能存在的地方，指示微生物也存在； ( 2 ) 指示微生物存在的数量应当等于或大于病原体数量。最好指示微生物 的数量与病原体数量成正比； ( 3 ) 指示微生物为污水所特有，在天然水体中不存在； ( 4 ) 指示微生物对自然水环境和一般水处理消毒的耐受能力应当比病原体 强，即要求一旦指示微生物不存在或被灭活时，病原体也不存在或被灭活； ( 5 ) 指示微生物本身没有致病性； ( 6 ) 可用简便、迅速、低廉的方法检测。 目前尚未找到一种普遍适用于水质监测的微生物指标。下列常用指示微生物 各自有其优缺点，适用于不同的条件【1 0 1 。 ( 1 ) 总大肠菌群( c o l i f o r mg r o u p ，t o t a lc o l i f o r m s ) 是一类柱状或者杆状菌， 泛指一切杆状、无芽孢、需氧或兼性厌氧的革兰氏阴性菌，一般包括埃希氏菌属 大肠杆菌、产气杆菌和副大肠杆菌。能在存在胆汁盐、发酵的葡萄糖和乳糖的环 境中生长并产酸产气，有特异性，比较容易鉴别。大肠杆菌常被利用来指示水体 被动物消化道排泄物污染的程度。采用大肠杆菌作为指示参数，还因为大肠杆菌 对一般消毒剂的耐受能力较常见的肠道致病菌高，所以可用于衡量水的卫生学质 量。 ( 2 ) 粪大肠杆菌( f e c a lc o l i f o r m ) 是在( 4 4 5 士0 2 ) 的温度下培养起来的 大肠菌群体，又被称为耐热大肠杆菌( t h e r m o t o l e r a n tc o l i f o r m ) 。它通常在自然环 境中不易繁殖。其中的9 5 属于在4 4 。c 下培养的埃希氏大肠杆菌。 1 1 4 国内外医院污水处理现状 ：在我国，根据国家环保部2 0 0 8 年环境统计年报，2 0 0 8 年纳入调查的县及县 以上医院1 0 8 4 2 家，共有2 2 3 万张床位。年废水排放量为4 3 亿吨，化学需氧量 排放量为6 2 万吨，氨氮排放量为0 9 万吨，医疗废物产生量为3 0 1 万吨，放射 源总数为1 2 万枚。被调查的医院中有1 0 0 4 7 家医院设有废水处理设施，废水日 第一章绪论 处理能力为1 9 5 万吨，废水处理率为9 4 0 ，废水排放达标率为8 6 4 【】。 2 0 0 3 年爆发的“s a r s ”不仅暴露了我国医疗应急体制的严重问题，也让所 有人认识到了医院基础设施的严重滞后现象。“s a r s ”过后，政府和公众越来越 重视医院污水的处理。防治医院环境污染、杜绝交叉感染、加强医院污水治理和 消毒成为重中之重。 目前，我国卫生部颁布的生活污水排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中对微生 物指标的规定见表1 2 。 表1 2 生活污水排放标准g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 的部分细菌学指标 我国环保部颁发了污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，见表1 3 。医疗 机构水污染物排放标准( g b l 8 4 6 6 2 0 0 5 ) 见表1 4 。 表1 3 污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 的常规细菌学指标 项目 一级二级= 级 医院及医疗机构 5 0 0 个l1 0 0 0 个l5 0 0 0 个l 粪大肠菌群含病原体污水 数 传染病、结核病 1 0 0 个l5 0 0 个l1 0 0 0 个l 医院污水 医院及医疗机构 3 2 总余氯 6 5 5 ；m g l ) 1 0m i n ) ，卤代烃含量不再变化，保持稳定。与其他污水处理方法相比，三 氯甲烷、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、总卤代烃等浓度降低2 3 倍，甚至几十 第一章绪论 倍。这表明：使用m b r 工艺对污水进行处理，可以降低消毒剂的用量，减少消 毒副产品对环境产生的潜在影响。所以，m b r 工艺对于医院污水处理具有普遍 的适用性。 1 2 2 r 处理微生物的效果 m b r 作为一种消毒工艺中的“绿色技术”，与常规的活性污泥法处理工艺 相比，在较短的接触时间内就可达到很好的微生物灭活效果，这对于降低消毒工 艺的运行费用、减少接触设备占地面积都是十分有利的。o w e n 等人【l9 j 从经济上 论证了膜过滤相比其他消毒技术更具有竞争性。得出几乎所有的m b r 工艺都取 得了对致病菌和病毒的有效去除，出水中肠道病毒、总大肠杆菌、粪链球菌、粪 大肠杆菌和大肠埃希氏杆菌都低于检测限，甚至达到检不出水平，对数去除率为 6 8 t 1 吼 研究表明【2 0 】：经m b r 处理后，医院污水中的粪大肠菌群含量由处理前的 2 3 4 0 0m p n l 下降至7 6 0m p n l ，去除率为9 6 8 。与此相似，有研究表明【2 l 】： 经m b r 的处理后，对粪大肠杆菌的对数去除率达到了3 - 6 ，对粪大肠菌的对数 去除率达到了2 5 。 另外，m b r 对病毒也有一定的去除效果。u e d a 等人进行的一项小试规模 的研究表吲2 2 1 ，经过m b r 的处理，t 偶数噬菌体的对数去除率可达2 - 6 ，对粪 大肠菌的对数去除率为7 ，出水中粪大肠菌几乎不检出。与传统活性污泥工艺相 比，其对相同类型噬菌体的去除率只能达到o 9 1 。 1 2 3 m b r 去除微生物的机理 对于m b r 对微生物的去除作用，很多研究者认为：在过滤过程中，膜表面 的滤饼层和凝胶层对微生物起了截留的作用【2 3 1 。研究表吲2 4 】：膜分离技术去除 微生物的机理一般认为可以分为两类：( 1 ) 筛滤作用，即膜组件能够截留比自 身孔径大或与其相当的微生物颗粒，绝大多数细菌和原生动物的尺寸均大于o 5 g m ，这些微生物均可通过筛滤作用去除； ( 2 ) 吸附截留，即当微生物体穿过膜 表面进入膜内部时，由于膜自身物理化学性质和静电引力的影响使得它们沉积在 膜孔侧壁或膜内部基质上。 对于病毒而言，一般认为由于在膜面形成了沉积层，使得膜孔径变小，从而 实现了对病毒的去除【2 5 】。另外，研究还发现活性污泥系统对病毒去除率稳定在 9 7 以上，对病毒的去除主要依靠生物灭活作用完成。膜生物反应器对病毒的去 除由膜及膜面沉积层、凝胶层的截留、污泥絮体的吸附和微生物在反应器内死亡 等作用共同完成。 第一章绪论 在m b r 处理中，是通过污泥的吸附作用实现对病毒的去除，即这部分病毒 的去除在很大程度上仅是从污水到污泥的迁移过程，最后以病毒在污泥中的浓缩 而告终，并不是真正意义上的灭活1 2 4 , 2 6 。污泥絮体对微生物的吸附也仅是微生物 从液相到固相的转移，膜及膜面沉积层、凝胶层将微生物截留在反应器混合液内， 因此，m b r 污泥的微生物的消毒工作十分重要。 1 3 污泥概述 1 3 1 污泥处理现状和必要性 污泥是污水处理厂在污水处理过程中产生的固体物质，含有大量细菌、病毒、 寄生虫及重金属，同时还含有大量有机物质和n 、p 、k 等植物营养元素，处理不 当将造成二次污染。美国以及欧盟的标准中，均对城市污水处理厂产生的剩余污 泥的处置提出了综合性的要求，对病原体和有机污染物等指标也有着严格的限制 【3 8 】。 目前，我国含有对污泥处理处置的内容的标准分别是：( 1 ) 农用污泥中污 染物控制标准( g b 4 2 8 4 8 4 ) ；( 2 ) 城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) ；( 3 ) 城市污水处理厂污水污泥排放标准( c j 3 0 2 5 1 9 9 3 ) ， ( 4 ) 医疗机构水污染物排放标准( g b l 8 4 6 6 2 0 0 5 ) 。这四项标准中，仅医 疗机构水污染物排放标准( g b l 8 4 6 6 2 0 0 5 ) 规定较为严格，其规定了粪大肠菌 群数1 0 0m p n g 干污泥；蛔虫卵死亡率 9 5 ；肠道致病菌与肠道病毒不得检 出；结核病医疗机构结核杆菌不得检出，但对有机物、重金属等指标未作要求。 由此可见，与国外相比，我国对于城市污泥的处理和处置未受到足够重视，处理 研究和设施建设严重滞后。 污水处理过程中，由于沉淀作用，污水中的细菌和寄生虫等微生物会随着絮 体沉降，形成剩余污泥。天津纪庄子污水厂生污泥、剩余污泥和消化污泥中细菌 总数分别为4 7 5 x 1 0 5c f u g 、7 3 8 1 0 5c f u g 、3 8 3 x 1 0 5c f u g ，大肠菌群分别为 2 0 0 x 1 0 5c f u g 、1 8 3 1 0 5 c f u g 、1 6 0 1 0 5c f u g ”1 。由以上数据可知，在污水 处理过程中，由于絮凝的吸附作用使得剩余污泥中含有大量的微生物，所以污泥 必须经过严格的消毒处理后再排放，才能保证运输、堆放和使用的安全。 1 3 2 医院污泥 医院污水净化过程中沉淀分离出来的污泥称之为医院污泥。这类污泥主要有 病人的粪便等排泄物和医疗废弃物组成，含有大量细菌、病毒和寄生虫卵掣3 8 1 。 第一章绪论 目前，国内只有一些大型医院的医疗污水处理系统对污泥进行消毒处理，其方法 为：厌氧消化、堆肥、石灰处理、化学药剂消毒、电子辐射消毒等。一般中、小 型医院都不对污泥进行消毒处理，而是把这些污泥和生活污水处理系统中的污泥 一起外运作堆肥处理，这种对污泥的处置方法是很危险的。t s a i 等人【2 8 】分别对台 湾九家医院产生的剩余污泥进行测定，结果为细菌总数为8 1 1 0 7 c f u g ；总大肠 杆菌为1 4 x 1 0 6c f u g ；粪大肠杆菌为3 6 1 0 5c f u g ；粪链球菌为1 6 1 0 5c f u g ； 沙门氏菌为5 5 1 0 5c f u g 2 9 1 。可见，有相当数量的微生物都集聚在剩余污泥当 中，应对其的处置和排放进行严格的限制和管理。 1 4 污泥的消毒现状 在污水处理的过程中，大量病原菌、病虫卵及病毒都转移至污泥中。在污泥 处理时，可能直接或间接接触人体造成感染，故需对污泥进行经常性或季节性的 消毒。各种传染病菌，病虫卵及病毒都对温度较为敏感，绝大多数都能在6 0 、 9 0m i nf 勺死亡。因此，很多污泥处理工艺都具有消毒功能，如高温消化、污泥干 燥与焚烧、湿式氧化等【3 。 但对于医院污泥而言，含有大量的致病微生物和病毒，所以目前常用于消毒 的技术有：厌氧消化、堆肥、石灰稳定、化学药剂及6 0 c o 、电子辐射消毒等。 1 4 1 厌氧消化 污泥的生物消毒被普遍用于我国城镇污水厂的污泥处理。其中，好氧消化能 耗较高且伴有碱度下降的问题，所以生物方法主要为中温厌氧消化、高温厌氧消 化、自热高温好氧消化等。 目前，国内的污水处理厂多使用中温厌氧消化作为污泥处理工艺，但是由于 中温消化的温度与人体温最接近，对寄生虫卵及大肠菌的去除率比较低；相比之 下，高温消化由于温度较高，对寄生虫卵、大肠菌的去除率能够满足卫生要求p 3 i 。 h a r u k iw 【3 1 曾对日本1 7 家污水厂的剩余污泥进行厌氧消化处理，结果表明： 粪大肠杆菌数量为1 0 5m p n g z f ；h j 泥，经中温消化( 3 5 ) 后，污泥中粪大肠杆 菌数降为1 0 2 1 0 4m p n g 干污泥，经高温消化( 5 5 ) 后，粪大肠杆菌为未检出。 高温厌氧消化需要的能量远远大于中温消化。王治军 3 2 】等人对高温、中温厌氧序 批式反应器( a n a e r o b i cs q u e n c i n gb a t c h r e a c t o r ，a s b r ) 处理热水解污泥进行了 对比试验研究，得出：中温条件下菌种形态丰富，种类多样化。同中温a s b r 相 比，高温a s b r 的微生物形态单一、种类少、产甲烷活性低，因此高温a s b r 的 处理效率和产气率比中温的低。另外，在水力停留时间为1 0d 时，高温a s b r 处 第一章绪论 理热解污泥的t c o d 去除率为5 6 2 0 ，而中温a s b r 去除率达6 1 6 。 另外，胡颖华【3 3 1 等人对污水厂剩余污泥分别做了厌氧、微氧、好氧消化对比 研究。结果表明，在消化周期为2 1d ，消化温度分别为3 0 时，微氧消化效果最 佳，对挥发性总固体的去除率达n 5 0 5 ，比同温度的厌氧消化去除率高，比同 温度的好氧消化节能l 2 1 3 ，且投资少、运行方便，可作为中小型污水厂的污泥 稳定方法。 1 4 2 堆肥处理 剩余污泥是污水处理过程中产生的副产品，一直被当做是废弃物来处理与处 置，污泥成分中有机质占3 0 - 6 0 0g k g 、氮d i 2 0 - 5 0g k g 、磷占1 0 - 2 0g k g ，供肥能 力较强，如果能将其有效利用，则会成有效地有机肥料【3 引。 堆肥化是指在控制条件下，利用微生物的生化作用，将污泥中的有机物质分 解、腐熟并转化成稳定腐殖土的微生物学过程，分为好氧堆肥和厌氧堆肥两种【3 4 1 。 好氧堆肥因其堆肥效率高和臭气量少等优点受到广泛关注。欧盟将堆肥化只限定 于好氧堆肥。好氧堆肥系统中，由于中温菌不断分解有机物产生热量，使体系中 温度迅速上升，一般可达n s o 6 0 ，此时病原菌、霉菌、蛔虫卵、寄生虫、硝 化菌等己大量死亡。大量实验表明，在温度为6 0 时，持续3 0m i n 后，大肠杆菌 和沙门氏菌的数量就可减少6 个数量级【35 i 。可见，堆肥过程产生的高温环境具有 一定的消毒作用。 1 4 3 石灰稳定 使用石灰对污泥进行稳定和消毒是一种传统方法。石灰稳定可以降低污泥中 的病原体，处理过的污泥能安全填埋。石灰消毒的原理为：干石灰在水中溶解时 会放热，从而引起温度上升，在这种高温下，大部分细菌都无法生存p6 i 。但实际 应用中若要达到标准的要求，则需要投加大量的干石灰，经济性较差：另外，石 灰会增大污泥的体积，也是一个问趔弱j 。 周永林【3 7 】等人对医院污泥的石灰消毒进行了1 6 组正交试验，并在两座医院 进行了石灰消毒试验，结果显示：用石灰消毒医院污泥具有不受温度和有机物含 量等因素影响的特点，每克消毒后污泥中大肠菌群数小于9 0 个，并且消毒后污 泥可直接用作肥料。 1 4 4 化学消毒 长期以来，液氯和次氯酸钠在国内外污水消毒处理中被广泛应用，是由于其 第一章绪论 具有经济、使用方便等特点。然而因为氯消毒易产生卤代烃、卤乙酸、多氯朕苯 等消毒副产物，这些产物多是致癌、致畸、致突变的“三致”物质【3 8 1 ，迫使人们 探索其他消毒剂，如氯胺、二氧化氯、臭氧等【5 1 。 这些化学消毒剂的特点各异，效果也有所差别，这一点，已在1 1 2 节中做了 介绍。对于污泥消毒而言，由于污泥体系的复杂性，这些化学药剂并不能保证消 毒效果【38 | ，应当寻求其它的安全消毒方法。 除了化学药剂消毒外，超临界水氧化( s u p e r c r i t i c a lw a t e ro x i d a t i o n ，s w o ) 也被应用于污泥的处理中。它是在温度高于3 7 4 3 、压力高于2 2 0 5m p a 时， 水处于超临界状态，可与有机物发生氧化反应，最终生成c 0 2 、h 2 0 等无害物质， 并杀灭病菌的一种工艺【3 9 1 。研究表明：超临界水能与空气、氧和有机物以任意比 例混合而形成均相，消除了相与相之间的传质阻力，加快了反应速度和反应时间， 大多数有机物在2 0 9 0s 内被去除( 去除率可达9 9 9 ) 3 9 - 4 0 】。与其他的污泥处 理工艺相比，其效率高、费用低，是一种对环境友好并且有效的污泥处置技术。 1 4 5 辐射消毒 电子辐射和6 0 c o 是辐射技术中应用的主要的方法。6 0 c o 是一种放射性同位 素，可由质子反应堆不断衰变而辐射1 ，射线。丫射线波长短频率较高，光子能量 较大，穿透力特强，其射程在空气中可达1 0 0i t i ，在生物体内为几厘米至几十厘 米。电子辐射波长很短，穿透力也特别强，所以杀死微生物的能力很大。工作时 不需要高温环境，适用于加热灭菌易损坏的物品( 如塑料、食品、生物组织、生 物制品及某些药品) 的消毒【4 。 1 9 5 6 年j o w ej r 等首次将辐射用于污水的净化处理。6 0 年代，随着1 ，射线源 的不断增多，关于6 0 c o 与1 37 c s 用于自然水体的净化消毒、污水和污泥的消毒的 研究：大量出现【4 2 1 。以能量为4 - 6k g 的y 电子加速器对污水污泥辐射可以达到消 毒要求【4 2 】。包伯荣【4 3 】等研究发现：用于污泥消毒时，细菌对辐射最敏感，病毒 次之，孢子最不敏感。此外，污染严重的水源用1 ，射线消毒时，剂量为1k g y 时 大肠杆菌即可全部杀灭。与6 0 c o 、1 37 c 。辐射相比，电子加速器使用方便( 电子 束能随时打开或关闭) ，每一工作表面都能获得较大的能量，节省面积【4 3 1 。另外， 电子加速器能大大减少对环境的负面影响，可以认为是“绿色”技术。美国、印 度、南非、日本及欧洲和北美关于电子辐射技术的研究都很成功，为水和废水、 污泥处理提供了重要的参数】。1 9 7 8 年，加拿大埃德蒙顿市由于污泥运输距离 增加、土壤化验以及策划、检测、运行的管理等费用增长越来越多，对用于农田 的污泥的标准更为严格，多方考虑后选择了电子辐射作为污泥的处理方式，成为 第一家将电子射线用于污泥消毒的城市j 。 第一章绪论 1 5 过氧乙酸概述 过氧乙酸( p e r a c e t i ca c i d ，p a a ) 是一种结构简单、相对稳定的过氧化有机 酸，在医疗机构的卫生保障中被经常使用。 p a a 又名乙酰过氧化氢，无色液体，比重为1 2 2 6 ，具有强烈的醋酸气味， 是一种强氧化剂，有腐蚀性，易挥发，易燃易爆。过氧乙酸的结构式见图1 3 所 示。由3 1 可以看出，过氧乙酸的分子结构中包含乙酰基( c h 3 c = o ) 和过氧基 ( - o o h ) 。因此，过氧乙酸既有酸的性质，又有过氧化物的性质【4 6 1 。 c h 3 一。o 一。h 1 5 1 过氧乙酸的制备 图1 - 3 过氧乙酸的结构式 在国外，过氧乙酸于1 9 0 3 年c l o v e r 4 6 】等人通过h 2 0 2 与乙酸在硫酸等强酸催 化剂的存在催化下首次合成，6 0 年代末开始大规模工业化生产【4 7 】。与国外相比， 我国过氧乙酸的生产出现较晚，在各个领域的应用才逐步发展起来1 4 引。h 1 n 1 疫 情的暴发促进了过氧乙酸的生产与发展。从此，不但过氧乙酸的生产工艺得到了 很大改进，而且生产装置也开始大型化，目前，我国已出现了许多万吨级规模的 生产企业。正在开发或己开发的过氧乙酸合成方法有很多种，主要有以下几种1 4 副： ( 1 ) 乙酸酐法 乙酸与过氧化氢在酸的催化作用下可反应生成过氧乙酸。目前，乙酸和过氧 化氢反应的工艺催化有很多种，如固体超强催化剂【4 9 】、酸性树脂催化剂【5 0 】和电 解法【5 1 】工艺。其中，较为新颖的是由t e n n a k o o n 等人研究开发的电解法工艺。该 工艺以醋酸( 或醋酸盐) 和含氧气体为原料，用固体酸作催化剂，在电解池内合 成过氧乙酸i 5 1 j 。 ( 2 ) 乙醛氧化法 乙醛氧化法是指在惰性有机溶剂中，以金属离子为催化剂，对乙醛进行氧化 可以合成过氧乙酸。乙醛氧化合成无水过氧乙酸共有三种工业化工剖5 2 j ：即气相 法、一步液相法和两步液相法。两步液相氧化法的原理是低温合成的乙醛单过氧 乙酸脂( a c e t a l d e h y d em o n o p e r a c e t a t e ，a m p ) 在1 0 0 。c 左右被减压分解，通过冷 凝回流可得到过氧乙酸和乙醛；气相氧化法则是在1 5 0 2 0 0 。c 由气体乙醛与氧气 第一章绪论 反应制得过氧乙酸。由于以上两种工艺转化率低、工艺复杂、产生大量乙醛，并 且气相法容易爆炸，危险性极大，一般很少采用。而一步液相氧化法，工艺简单、 操作安全，较常使用。此法是于1 9 7 0 年在日本首先实现工业化，后来经过开发和 优化，生产工艺得到了改进【5 3 1 。 ( 3 ) 乙酰基活化剂法 乙酰基活化剂法是指利用四乙酰乙二胺和过碳酸钠反应，生成过氧乙酸【5 4 】。 张英娜等人对此工艺进行了改进，为了加快反应速度，在水溶液中加入了表面活 性剂，使乙酰基活化剂在水中的表面张力降低【5 4 1 。此法还有利于过氧乙酸成品中 有效成分的保持【”】。 1 5 2 过氧乙酸的消毒作用 过氧乙酸作为氧化剂不仅在化工生产频繁使用，还广泛地被应用于医疗卫生 和农副产品的消毒中。过氧乙酸杀灭微生物的能力，主要由它本身所具有的强氧 化性和过氧化氢与乙酸的协同作用而决定。过氧乙酸可以和酶、氨基酸、核酸等 发生广泛的反应，不但可以分解d n a 的碱基，还可以使d n a 双链解开和断裂。 过氧乙酸对细菌芽孢的杀菌机理研究表明，过氧乙酸先破坏芽孢的通透性屏障， 进而破坏和溶解核心，使其内溶物泄出，引起芽孢死亡。其中活性氧起主导作用， 而酸起协同作用【5 5 l 。 过氧乙酸在常温下用稀浓度溶液即可在短时间内杀灭细菌繁殖体、真菌和病 毒，：其杀菌效果见表1 5 1 5 6 】。因此，过氧乙酸被认为是选病毒消毒剂中最有效的 一种。 表1 5 过氧乙酸杀菌效果 1 5 3 过氧乙酸的应用 目前，过氧乙酸多用于空气消毒【5 7 】，早在1 9 4 9 年，美国、苏联等国均对过 氧乙酸的杀菌作用进行了研究【5 5 。2 0 世纪八十年代，过氧乙酸己被广泛用于医 第一章绪论 院医疗器械的消毒、环境空气等的消毒和疾病的预防性中【5 7 。2 0 0 3 年，“非典” 爆发期间，我国各地都曾大量使用其作为消毒剂1 5 6 i 。 k o i v u n e nj 用p a a 对污水厂的二级出水和三级出水进行消毒，当p a a 的投加 浓度为2 7m g l ，接触时间为2 7m i n 时，出水中的总大肠菌群和粪球菌的对数去 除率达3 ；对一级出水消毒时，投加浓度为1 0 1 5m g l 时，其对数去除率可达4 【5 引。 钟昱文【5 9 】等人研究发现：5 0m g l l 驹过氧乙酸水溶液对菌悬液内的大肠杆菌和铜 绿假单胞菌作用3m i n ，对金黄色葡萄球菌作用5m i n ，对数杀灭率均达5 以上。得 出过氧乙酸对细菌繁殖体、真菌和细菌芽胞均具有良好杀灭作用的结论。 杨美玲等人使用p a a 对浓缩污泥进行消毒，结果显示：含沙门氏菌4 6 2 2 个 1 0 0 m l 的污泥，当过氧乙酸的投加浓度为2 5 0 1 0 0 0m g l ，接触时间为1d 时， 沙门氏菌的数量可降至3 0 个1 0 0 m l 6 0 1 ；另外，近年来过氧乙酸还被用于粪便的 消毒，效果良好【6 1 l 。 1 6 研究目的和内容 1 6