醫院污水處理中生物膜分離技術的應用分析

摘 要：在當前醫院污水處理需求不斷增加的背景下，生物膜分離技術因其高效固液分離能力、可以對病原微生物進行有效截留而成為一種重要處理手段。本研究主要探討了生物膜分離技術在醫院污水處理中的應用，針對某地三甲醫院的實際情況，設計并優化了MBR膜反應器及生物反應池參數，采用中間曝氣技術提高處理效率。在試驗中，通過科學參數優化和反沖洗、化學清洗等維護手段，確保了膜組件長期高效運行。結果顯示，應用該技術后，醫院污水各項污染物指標均顯著降低，總氮濃度等數值均達到一級A類標準，驗證了該技術的實用性和有效性。

關鍵詞：醫院；污水處理；生物膜分離技術

中圖分類號：X 799.5 文獻標志碼：A

隨著醫療行業發展，醫院污水中含有大量有機污染物、病原微生物和藥物殘留，以上污染物對環境和公共健康構成嚴重威脅。傳統污水處理方法在應對這些復雜污染物時往往效果不佳，尤其是在處理高濃度有機物和微生物方面存在明顯不足。生物膜分離技術因其獨特的物理滯留機制和高效的固液分離能力而逐漸成為醫院污水處理中的一種重要手段。該技術通過使用孔徑為0.05μm～0.4μm的微型或超濾膜有效截留污水中的懸浮固體、細菌和病毒，確保出水的高潔凈度和安全性。基于此，本研究探討了生物膜分離技術在某地三甲醫院污水處理中的應用，旨在通過優化處理參數和操作條件，驗證其處理效果并提供科學依據。

1 醫院污水處理中生物膜分離技術

1.1 技術原理

生物膜分離技術在醫院污水處理中的應用主要基于其獨特的物理滯留機制。該技術利用微型或超濾膜，孔徑為0.05μm～0.4μm，能有效截留污水中懸浮固體和病原微生物，實現高效固液分離[1]。其基本原理是利用膜的選擇性、透過性，使水分子和溶解性小分子物質能夠通過膜，而較大懸浮固體、細菌、病毒等則被截留在膜表面或孔道內部，確保污水中絕大多數固體雜質和微生物無法進入出水，極大地提高出水清潔度和安全性。在膜過濾過程中，污水中顆粒物、細菌和其他污染物會逐漸積聚在膜表面或孔道內，形成一層過濾膜，進一步增強膜過濾效果。醫院污水中常見病原體，例如細菌、病毒、真菌等，其尺寸通常在膜孔徑范圍內，因此能被有效截留，該技術對降低污水中抗生素殘留和減少抗生素耐藥性傳播具有積極意義。

1.2 分離流程

醫院污水先通過格柵集水池進行初步過濾，去除較大固體雜質。此階段處理主要依賴物理方法，通常污水在此停留約30min，以確保大部分懸浮物被截留。格柵處理后污水進入調節池，調節池主要功能是均衡水質水量，避免瞬時流量變化對后續處理造成沖擊[2]。污水在調節池中停留時間一般為2h～4h，通過曝氣設備向污水中補充氧氣，提升水中溶解氧水平，BOD和COD開始逐步降低，從而增強后續生物處理單元效果。污水進入膜生物反應器，處理時間通常為6h～8h，微生物通過代謝作用分解污水中的有機物和部分無機物，降低污水中污染物濃度，產生大量微生物絮體。污水通過膜過濾后，出水中的濁度和細菌含量顯著降低，達到國家排放標準。經過膜過濾后的清水進入清水接觸消毒池。在此池中，通過投加消毒劑或使用紫外線殺菌，提升出水的安全性，達到排放標準或回用要求。消毒處理接觸時間為30min～60min，消毒后的污水一部分可直接排入下水道，另一部分則可在特定情況下回用于醫院內部，例如沖廁、綠化等。針對處理過程中產生的剩余污泥和濃縮液，經過脫水處理后，達到環保標準，最終實現達標排放或資源化利用。具體流程如圖1所示。

2 醫院污水處理中生物膜分離技術的應用

2.1 應用背景

某地某三甲醫院污水處理包括以下需求：去除污水中的有機污染物、病原微生物、懸浮物和氮磷營養物，達到一級A類排放標準。處理系統應包括提升泵、粗細格柵、調節池、沉砂池、生化處理和二次沉淀等環節。在（20±2）℃和6.8pH～7.5pH范圍下，經測得進水污染物水質如下：總氮（78±7）mg/L，總磷（7.5±1.5）mg/L，氨氮（48±8）mg/L，生化需氧量（242±18）mg/L，化學需氧量（390±12）mg/L。

2.2 方案設計

為使醫院污水處理達到一級A類標準，重點改進MBR膜反應器及生物反應池。在MBR膜反應器改進中，采用中間曝氣處理污水，優化生物膜運行效率，提高污水處理效果[3]。曝氣周期可分為曝氣和不曝氣2個階段，以增強處理效果和節約能源。

首先，厭氧池主要功能是進行厭氧發酵，分解污水中大分子有機物，釋放有機酸和甲烷等氣體。厭氧池總容積為792m2，設計為直徑10m、高10m的圓柱形。池體采用高密度聚乙烯材料制造，污水在厭氧池中停留時間一般為12h～24h，以保證有機物充分降解。為提高反應效率，厭氧池內配備EKATO攪拌器，以促進污水和微生物充分混合。缺氧池主要功能是進行反硝化反應，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣，從而去除污水中的氮污染。缺氧池總面積為1152m2，深度為4m，設計為梯形結構，結構為16m×12m×72m[4]。池體采用玻璃鋼材料制造，池內布置有Grundfos CR系列內部循環泵，以促進混合液循環，增強反硝化效果。污水在缺氧池中停留時間一般為8h～12h。好氧池主要功能是進行好氧降解，通過好氧微生物的代謝作用，進一步分解有機物，去除污水中的污染物。好氧池總面積為1672.5m2，深度為5m，設計為長軸80m、短軸25m的橢圓形。池體采用不銹鋼材料制造，確保耐腐蝕性和結構穩定性。好氧池分為3個部分，分別為長軸40m、短軸15m、深度5m的橢圓形結構。每部分形狀為矩形，使污水在好氧池中均勻分布。污水在好氧池中停留時間一般為6h～8h。

在MBR膜反應器中，中間曝氣處理污水方法通過周期性曝氣和不曝氣階段交替運行，增強膜表面污泥剪切力，減少膜污染，延長膜的使用壽命。具體曝氣周期設計為曝氣時間30min，停曝氣時間15min，通過調整曝氣強度和周期，優化反應器運行效果。為確保整體系統高效運行，配備在線監測設備，實時監測厭氧池、缺氧池和好氧池中的溶解氧、污泥濃度、溫度、pH值等參數。在污水處理過程中，通過合理區域劃分和科學管理，確保各個處理單元高效運行，最終實現醫院污水高效凈化和安全排放。

2.3 運行情況分析

2.3.1 參數優化

當設計某醫院污水處理系統時，優化曝氣生物反應器應用需要詳細考慮膜組件參數、污水處理各個環節，確保高效處理醫院污水，并符合嚴格的排放標準。

針對初步處理和調節池，醫院污水處理先通過提升泵進行初步處理，粗格柵用于過濾大顆粒雜質，防止后續設備堵塞。提升泵應選用高效節能型，具有防腐蝕功能，以應對復雜污水成分[5]。調節池的主要功能是均衡污水的水質和水量，確保后續處理單元的穩定運行。優化后的參數見表1。

針對沉砂池與細格柵，污水從調節池進入沉砂池，通過細格柵去除較小的顆粒物和無機泥沙[6]。沉砂池采用玻璃鋼材料制造，細格柵間隙設計為2mm～5mm，確保有效去除細小懸浮物，同時降低后續膜組件的污染負荷。使用Duperon FlexRake細格柵，間隙2mm，處理能力為2000m3/h。

針對無泡膜曝氣生物反應器，曝氣生物反應器膜組件應用方案見表2。

針對二次沉淀與污泥處理，處理后的污水進入二次沉淀池進行泥水分離。沉淀池采用不銹鋼材料制造，提升整體耐腐蝕性和結構穩定性。分離后的污泥部分回流至生物反應器，其余部分進行脫水處理。脫水后的污泥含水率應控制在50%以下，推薦使用ANDRITZ C-Press螺旋壓榨機，脫水效率高，操作簡便。

針對在線監測與控制，采用Hach SC200多參數控制器，通過PLC系統實現自動控制和實時調整，優化運行參數，確保處理效果穩定。

2.3.2 掛膜操作

在對三甲醫院污水處理系統進行優化設計后，實施掛膜操作。在某醫院污水處理中應用循環掛膜法，通過循環污水和曝氣方式在膜組件上形成均勻、穩定的生物膜。

在掛膜操作前，全面檢查所有組件，包括膜組件完整性、管道連接密封性和設備運行狀態。初始污水應經過粗格柵、調節池和沉砂池處理，以去除大顆粒雜質和無機泥沙[7]。

掛膜液由實際處理污水和外加培養液混合而成，外加培養液中含有葡萄糖、氨基酸和微量元素，以促進微生物生長。掛膜液COD濃度控制在200mg/L～300mg/L，NH3-N濃度為20mg/L～30mg/L，總磷濃度為2mg/L～3mg/L，pH值保持在7.0～7.5。

循環掛膜法通常分為3個階段，啟動階段、快速生長期和穩定期。在啟動階段，將掛膜液注入生物反應器，并啟動循環泵和曝氣系統。循環泵選用Grundfos CR系列，流量范圍為100m3/h～300m3/h，掛膜液在膜組件之間均勻循環。在快速生長期，逐步增加曝氣強度至1m3/（m2·h）～2m3/（m2·h），循環泵流量保持不變。每天監測生物膜生長情況，包括膜組件表面污泥厚度、污泥濃度和COD去除率。此階段，生物膜COD去除率應從初期20%逐步升至60%～70%。在穩定期，曝氣強度調整為2m3/（m2·h）～3m3/（m2·h）。循環泵流量根據實際情況微調，保持在100m3/h～200m3/h。每天監測各項參數，生物膜COD去除率應達到80%以上，NH3-N去除率達到70%以上，總磷去除率達到60%以上。

在三甲醫院污水處理中，反沖洗和化學清洗是保證無泡膜曝氣生物反應器長期、高效運行的必要維護手段。反沖洗主要用于去除附著在膜表面和孔道內的污泥和雜質，防止膜孔堵塞，保持膜通量和處理效率。反沖洗通常每周進行1次，具體頻率可根據實際運行情況和污染程度進行調整。操作條件包括反沖洗壓力為0.1MPa～0.2MPa，反沖洗流量為正常運行流量的1.5～2倍，每次反沖洗時間為15min～30min。具體步驟如下：停止進水和曝氣，將膜組件從正常運行狀態切換到反沖洗模式，排出膜反應器內污水。反沖洗液通常采用潔凈水，可以加入適量低濃度氯化鈉溶液，濃度為0.1%～0.2%，以增強清洗效果。從膜組件反向注入反沖洗液，通過膜絲內通道將雜質反向排出，維持反沖洗液壓力和流量，持續15min～30min，以充分清洗膜表面和孔道。最后，將反沖洗過程中產生的廢液排出系統，重新注入污水，啟動進水和曝氣系統，恢復膜反應器正常運行。

化學清洗用于去除膜表面和孔道內的頑固有機和無機污垢，恢復膜通量和處理性能。通常每月進行1次化學清洗，具體頻率可根據膜污染程度和運行數據進行調整。常用清洗劑包括酸性和堿性溶液，2%檸檬酸溶液用于去除無機結垢和金屬氧化物；堿性清洗劑氫氧化鈉溶液用于去除有機污垢和生物膜。清洗溫度控制在25℃～35℃，每次化學清洗時間為2h～4h，視污染程度調整。具體步驟如下：停止進水和曝氣，將膜組件從正常運行狀態切換到清洗模式，排出膜反應器內的污水，確保清洗液濃度和效果。酸性清洗時，配制2%檸檬酸，溫度控制在25℃～35℃，將酸性清洗液注入膜組件，浸泡30min～60min，啟動循環泵，循環清洗液30min～60min，然后排出酸性清洗液，清水沖洗膜組件2～3次，中和殘留酸液。堿性清洗時，配制0.5%氫氧化鈉溶液，加入0.1%次氯酸鈉，溫度控制在25℃～35℃，將堿性清洗液注入膜組件，浸泡30min～60min，啟動循環泵，循環清洗液30min～60min，排出堿性清洗液，清水沖洗膜組件2～3次，中和殘留堿液。最后，重新注入污水，啟動進水和曝氣系統，恢復膜反應器正常運行。

2.4 應用效果分析

為科學評估應用生物膜分離技術后醫院污水處理效果，設計模擬試驗。對比處理前后的出水污染物質指標、總氮質量濃度、總磷質量濃度、氨氮質量濃度、生化需氧量、化學需氧量及懸浮物質量濃度，并與現行醫院污水處理排放標準的一級A類標準進行對比。試驗結果見表3。

通過模擬試驗，應用生物膜分離技術后，醫院污水的各項污染物指標均顯著降低，總氮、氨氮、生化需氧量、化學需氧量及懸浮物質量濃度均達到了一級A類標準，總磷質量濃度雖略高于標準，但仍在可接受范圍內。整體處理效果顯著，表明生物膜分離技術在醫院污水處理中的應用具有較高的實用性和有效性。

3 結語

綜上所述，本研究對某地三甲醫院污水處理系統進行優化設計和試驗驗證，證明了生物膜分離技術在醫院污水處理中的高效性和實用性。研究結果顯示，經過生物膜分離技術處理后，污水中主要污染物的濃度顯著降低，各項指標均達到了國家一級A類排放標準。具體試驗數據表明，總氮、氨氮、生化需氧量、化學需氧量及懸浮物質量濃度均在可控范圍內，總磷質量濃度也在可接受范圍內。通過合理的反沖洗和化學清洗操作，膜組件的長期運行得到了保障。總體來說，生物膜分離技術為醫院污水處理提供了一種高效、可行的解決方案，對保障環境安全和公共健康具有重要意義。

參考文獻

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