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王洪臣:疫情防控期間醫療污水和城鎮污水處理建議

發布日期 : 2020-03-05 瀏覽量 :

1 強化醫療污水消毒處理,把病源控制在源頭

按照《醫療機構水污染物排放標準》(GB 18466-2005),傳染病醫療機構污水排放標準的衛生學指標是糞大腸菌群數小于100MPN/L,腸道致病菌、腸道病毒均不得檢出。呼吸道病毒是包膜病毒,腸道病毒是非包膜病毒,最近研究表明,包膜病毒比非包膜更易在污水中衰亡,因此,當前對呼吸道病毒的防控應可以繼續執行現有標準。關于醫療污水處理站的具體設計、建設及管理,《醫院污水處理技術指南》(環發〔2003〕197號)、《醫院污水處理工程技術規范》(HJ 2029-2013)和《新型冠狀病毒污染的醫療污水應急處理技術方案(試行)》已有詳細規定。基于“把病源控制在源頭”的思路,以下就消毒方式、藥劑種類以及消毒藥劑的實際投加量提出補充性建議。

1.1 應優化選擇確定消毒方式和藥劑種類

目前常用的消毒方式有氯化、臭氧化和紫外三類。紫外適合較大規模的處理設施,在醫療污水處理中較少采用。臭氧只能設備化,建設及運行較為復雜,但臭氧氧化能力強,消毒效果好,受溫度、pH值以及其它水質指標的影響小,要求的接觸時間短,在條件允許的情況下可作為首選。氯化包括液氯、次氯酸鹽(次氯酸鈉或次氯酸鈣)和二氧化氯,三種方式各有利弊。液氯也屬于強氧化劑,消毒效果好,但受水中凱氏氮(氨和有機氮)的影響非常大。

當水中氨氮濃度較高時,需超量投加,越過折點積累游離氯,才能保證消毒效果。次氯酸鹽消毒效果液氯相近,也受凱氏氮影響,綜合成本較高,但由于儲存及投加方便,實際采用最廣泛。二氧化氯氧化能力低于于液氯,成本高于次氯酸鹽,但不與氨氮反應,沒有消毒副產物。綜上分析,在疫情防控期間,在設備采購、現場條件、運行操作以及費用預算等客觀條件允許的前提下,以消毒效果最佳為首要目標,建議按以下順序確定消毒方式:

臭氧消毒 > 二氧化氯消毒 > 液氯消毒 > 次氯酸鹽消毒

如以時間進度和操作方便為首要目標,則只能按以下順序確定消毒方式:

次氯酸鹽消毒 > 液氯消毒 > 二氧化氯消毒 > 臭氧消毒

實際中,除部分大型醫療機構采用臭氧和二氧化氯消毒,絕大部分定點醫療機構、新建成投用的醫院、臨時集中隔離場所都采用次氯酸鹽。

1.2 應以效果為目標確定不同情境下消毒藥劑的實際投加量

對病原微生物滅活效果取決于消毒CT值(mg·min/L),按下式計算:

CT=接觸池末端的消毒劑濃度×接觸時間

不同病原微生物要求不同的CT值。在給水處理中,水中雜質少、濁度低,病毒比鞭毛蟲、孢子蟲和病菌更容易被滅活,殺滅病毒不是瓶頸。污水中雜質多,病毒常附著在顆粒上或包埋其中,比病菌更難滅活。污水消毒的CT值一般按殺滅病菌(以糞大腸菌群為指標)設計,如果殺滅病毒則需要更高的消毒標準。

美國加州為確保后續污水再生及利用安全,對污水處理廠二級出水按殺滅病毒目標確定CT值。當采用液氯、次氯酸鈉、次氯酸鈣(漂白粉)或二氧化氯為消毒劑時,加州按CT值450 mg·min/L設計,腸道病毒滅活率可達到99.99%(4log),是目前世界上最高的污水消毒設計運行標準;當采用臭氧為消毒劑時,按CT值1 mg·min/L設計運行。

《新型冠狀病毒污染的醫療污水應急處理技術方案(試行)》(以下簡稱《應急方案》)要求:當采用液氯、次氯酸鈉、次氯酸鈣(漂白粉)或二氧化氯為消毒劑時,如消毒接觸池的接觸時間≥1.5小時,余氯量大應于6.5 mg/L(以游離氯計);如消毒接觸池的接觸時間為1小時,余氯量大于10 mg/L(以游離氯計)。

如果余氯以接觸池末端濃度計算,《應急方案》要求的CT值分別為585 mg·min/L和600mg·min/L,均大于加州的450 mg·min/L,是最嚴格的設計運行CT值,能確保腸道病毒滅火率大于99.99%(4log)。

《應急方案》提出幾種消毒劑投加量參考值是50 mg/L,二氧化氯和臭氧消毒效果受水質影響很小,二氧化氯的CT值大于加州的450 mg·min/L,臭氧的CT值遠大于加州的1 mg·min/L,因而可保證病毒殺滅效果。當采用液氯、次氯酸鈉或次氯酸鈣(漂白粉)為消毒劑時,由于這些藥劑受水質影響很大,建議具體投加量視不同情境結合水質具體計算確定。

液氯、次氯酸鈉或次氯酸鈣(漂白粉)作為消毒劑加入污水后,由于污水中存在大量凱氏氮,隨著投藥量的增加,反應順序如圖(1)所示。在第Ⅰ階段,消毒劑首先氧化污水中硫化氫等還原性較強的物質;隨著投藥量的加大,進入第Ⅱ階段,消毒劑與氨氮形成氯胺,與有機氮形成有機氯胺,與少量有機物形成有機氯化物;投藥量繼續加大,進入第Ⅲ階段,消毒劑與第二階段生成的氯胺反應,降低氯氨量;直到進入第Ⅳ階段,游離余氯才開始積累,才開始殺滅病原體。

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圖(1):折點加氯反應示意圖

投藥量不足時,在第Ⅱ和Ⅲ階段形成或剩余的是氯胺。氯胺雖然也有消毒作用,但屬于緩慢消毒,通常要求幾小時以上的接觸時間,在接觸時間僅為1.5個小時的接觸池內難以發揮出明顯的消毒效果。氯胺常用于供水管網的持續性抑菌。因此,要實現污水游離氯消毒,需要按凱氏氮濃度計算越過折點的投藥量。當采用液氯、次氯酸鈉或次氯酸鈣(漂白粉)做消毒劑時,投藥量應按下式計算:

消毒劑投加量=K1×氨氮濃度+K2×有機氮濃

K1為氨氮被氯化的氯氮質量比,在氨的折點氯化過程中,氯氮質量比約為10,其中包含了氧化硫化氫等其它易被氧化物質所需的氯量;K2為有機氮被氯化的氯氮質量比,在有機氮的氯化過程中,氯氮質量比約為16。

當醫院污水采用生物二級生物處理,對出水消毒時應按照實際出水氨氮濃度計算投加量,假設出水氨氮為8mg/L, 忽略有機氮,接觸時間為1小時,此時要保持10mg/L游離余氯,獲得99.99%(4log)的病毒殺滅效果,實際藥劑投加量應為90mg/L。對醫院污水采用一級強化處理,由于沒有硝化效果,出水氨氮濃度很高,投藥量巨大,此時建議改用臭氧或二氧化氯進行消毒。

有研究表明,對一級或一級強化處理的污水進行消毒,加藥量在幾十毫克升的量級時,殺菌效果明顯,但基本不能殺滅病毒。香港昂船洲是世界最大的一級強化污水處理廠,采用次氯酸鈉消毒,在20mg/L投加量時,對糞大腸菌群只有2log的滅菌效果。

綜上,為使醫療污水消毒達到對腸道病毒99.99%(4log)的滅活率,把病源控制在源頭,建議實際操作中通過檢測或估算污水中氨氮濃度和有機氮濃度確定加藥量。對一級強化處理的污水進行消毒時,建議盡量采用臭氧或二氧化氯消毒。

2 確保城鎮污水處理及污泥處理處置設施正常運行,防控結合

2.1 城鎮污水處理廠正常穩定運行是最重要的防控

城鎮污水處理廠包括預處理、一級處理、二級生物處理,隨著近年的提標改造,幾乎所有大中型處理廠都建設了混凝過濾等深度處理設施,部分處理廠還采用了膜過濾技術。這些處理單元在去除污染物的同時也在去除、抑制或殺滅病原微生物,發揮著關鍵的防控作用。表(1)綜合了文獻報道的各主要處理單元對腸道病毒的去除、抑制或滅活效果,只要污水處理廠正常運行,全流程可至少獲得2log(99%)以上的去除、抑制或滅活效果,為通過末端消毒徹底阻斷病毒傳播提供基礎。

表1各主要處理單元對腸道病毒的去除、抑制或滅活效果

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目前,全行業污水處理廠出水氨氮已普遍很低,經混凝、砂濾或膜濾之后,濁度大大降低,消毒單元的CT值可按給水處理標準確定。表(2)是采用不同藥劑獲得對腸道病毒4log(99.99%)滅活率的CT值,表(3)是接觸時間為30分鐘時,接觸池末端在不同溫度下需要保持的藥劑濃度。

實際上,表(2)和表(3)都是行業目前實際常規運行工況,只要保持穩定運行,消毒單元即可獲得4log(99.99%)滅活效果,加上前段各單元對腸道病毒的去除、抑制或滅活,全流程可超過6log(99.9999%)滅活率。

城鎮原污水中目前檢出腸道病毒最高106 copies/L ,現有設施可徹底阻斷腸道病毒在污水系統的傳播。呼吸道病毒是包膜病毒,腸道病毒是非包膜病毒,最近研究表明,包膜病毒比非包膜更易在污水中衰亡。綜上,現有城鎮污水處理廠只要保持正常穩定運行,即可徹底阻斷腸道病毒和呼吸道病毒。

因此,筆者一再強調,城鎮污水處理廠在疫情期間應確保穩定運行,一般不需要采取其他強化處理措施,穩定運行就是最重要的防控。這也說明這幾年高標準建設的污水處理設施在疫情防控中可發揮重要作用。少數小型城鎮污水處理廠建設標準較低,還沒有設置深度處理設施,可視情適當增加投藥量,增強消毒效果,但要關注消毒藥劑對受納水體水生生物的影響。

表2 pH值在6~9范圍內不同溫度下使腸道病毒99.99%(4log)滅活的CT值

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表3 pH值在6~9范圍內不同溫度下使腸道病毒99.99%(4log)滅活接觸池末端濃度

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污泥處理處置包括厭氧消化、高溫好氧發酵、石灰穩定(堿式穩定)、熱干化等單元或設施,這些單元的核心作用是有機物的穩定化,在穩定化過程中,病毒同步被抑制或滅活,表(4)是各穩定化單元對病毒的滅活率。保持這些設施的穩定運行,對于阻斷病毒在污水以外的繼續傳播具有重要作用。

表4 是各穩定化單元對病毒的滅活率

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2.2 應整體提升運行保障等級

疫情期間,人員流動大且沒規律,污水量也會隨之無序波動。大城市污水量會明顯降低,但隨著開始返程又會增大,小城鎮污水量變化會幅度會更大。應密切關注并分析預測水量變化,及時投入與水量相匹配的設施設備,每一條生產線水力負荷率過高或過低都不利于運行穩定。

在自動檢測的基礎上,應加大進出水水質和過程指標的檢測項目及頻次,據此及時調整排泥、曝氣、加藥、反沖洗等工藝操作;應加大設施設備巡檢頻次,及時發現并排除運行故障。例如,幾乎所有處理廠在增加深度處理設施之后都取消或大大減少了對二沉池出水的監測,而二沉池出水水質對于判斷生物處理系統的運行狀況至關重要。

2.3 應監控預警活性污泥質量

活性污泥是污水處理的核心。活性污泥質量包括活性和沉降性能兩個方面,活性降低、沉降性能變差將對全廠穩定運行造成嚴重影響。因此,應采取措施監控并預警活性污泥質量。受污泥活性影響最大的是出水氨氮,而氨氮又與消毒高度相關。

如采用氯化消毒,二沉池出水增加5mg/L氨氮,消毒單元將需要增加50mg/L的投藥量,將可能超出投藥設備設計能力,導致消毒單元失效。沉降性能與出水SS相關,沉降性能變差,二沉池出水SS升高,將增大深度處理的混凝劑投加量,并進而縮短濾池的反沖洗周期,增大反沖洗水量,嚴重時則會造成濾池堵塞,減少污水處理量,導致污水直排。

城市下水道是一個開放系統,在全社會緊急應對疫情的特殊時期,下水道不可避免地面臨著許多不可預見的突擊排放,不同程度地影響活性污泥質量。不容忽視的是全消毒產生含氯物質的排入,接納定點醫療機構污水的小型污水處理廠尤應關注。按照前述討論,當醫療污水消毒加藥量不能越過折點時,則與污水中的氨氮生成氯胺,居家使用的消毒液進入污水中也是以氯胺形式存在。氯胺氧化能力較弱,可在下水道長距離輸移,進入污水處理廠。

氯胺是是氧化劑,也是生物抑制劑,超過1mg/L即對硝化細菌形成明顯抑制作用。另外,糞便處理以及醫用廢物處理處置等設施產生濾液的事故性排放、洗滌劑過量使用產生的表面活性物質等方面都可能影響污泥活性,也同時影響污泥沉降性能。總之,在全社會應對疫情的情境下,嚴密監控并及時預警活性污泥質量非常必要。

生物相觀測是監測污泥活性狀態的方法之一,當生物相觀測發現原生和后生動物死亡或減少,即說明活性污泥已經中毒或活性被抑制,因而沒有預警作用。建議通過測定活性污泥的比耗氧速率(SOUR)提前預警污泥活性的變化。

國際上有比耗氧速率(SOUR)標準測定方法,可準確測定污泥活性,也可安裝在線SOUR測定儀,動態實時監測污泥活性的變化。疫情防控狀態下,可臨時采用簡易方法測定污泥活性,粗略把握污泥活性狀況。

SOUR既受廠外進水影響,也與廠內工況相關,應首先與本廠歷史數據比較,當SOUR降低,說明活性污泥受到某些因素影響導致活性降低。當缺乏本廠歷史數據時,可用依據表(5)判斷污泥活性,當實測SOURend低于對應的參考值,說明污泥活性被抑制。

另外,也可用SOURfed/ SOURend判斷,判斷準則詳見表(6)。污泥沉降性能通常用30分鐘沉降比(SVI)表征,與SOUR一樣,SVI也受廠內外兩方面因素影響,因此應重點關注本廠的變化趨勢。每天做一個污泥沉降試驗,繪制沉降曲線并置于同一坐標體系內觀察曲線的移動,可以更早預警污泥沉降性能。

表5不同污泥齡(SRT)對應的污泥活性(SOUR)

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表6 污泥活性是否抑制判斷準則

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表5注:SOURfed為曝氣池好氧段首端取樣測得的SOUR,從曝氣池末端取樣測得的用SOURend為曝氣池好氧段末端取樣測得的SOUR,SOURfed通常高于SOURend。

當發現污泥活性降低時,可減少剩余活性污泥排放量,提高污泥濃度,同時適當增大曝氣量,確保污水處理效果。提高污泥濃度時,應注意核算二沉池固體表面負荷,監測泥水界面,防止污泥流失。

游離性余氯氧化能力強,進入下水道后即被污水中的有機物消耗,難以到達處理廠,最可能的是氯胺的影響。如監測發現游離性余氯抑制了污泥活性,可將部分剩余活性污泥排入泵前池消耗掉游離余氯;如發現氯胺抑制了污泥活性,則只能投加還原性藥劑消耗氯胺。當檢測到污泥沉降性能下降時,應首先通過生物相觀測分析下降原因,監測泥水界面,及時增大回流比防止污泥流失。如發現傳統絲狀菌膨脹,應及時在回流污泥中采取加氯措施。

3 避免擾動城鎮污水收集系統,以防為主

綜合許多研究及監測,呼吸道病毒可以通過許多途徑進入下水道,在污水中長時間保持感染能力,并可以隨氣溶膠進行跨介質傳播。因此,在疫情防控期間,污水收集系統的最佳防控對策是加強下水道巡查,及時補齊遺失的井蓋,封閉散發臭氣的化糞池或檢查井,盡量減少或停止下水道養護操作和施工作業。

4 嚴格做好運行操作人員的安全防護

疫情防控期間,一線操作員工的安全防護至關重要。在運行操作過程中,防護用品需佩戴齊全,嚴禁直接接觸污水污泥,臨時堆置的污泥應用石灰采取表面封閉。

污水處理廠安全防護重點是氣溶膠導致的病菌及病毒感染。氣溶膠是指懸浮在氣體介質中由固態或液態顆粒組成的氣態分散系統,在自然環境中普遍存在。不同條件下生成的氣溶膠特征差別很大,污水處理過程產生的氣溶膠顆粒粒徑一般在1~5um,以液態顆粒為主,一般認為通過“氣泡爆裂”(bubble-burst)作用形成。污水中氣泡在外力作用下從污水中快速逸出產生爆裂,散落出許多大量細微固液顆粒即形成氣溶膠,這個過程將會同時攜帶污水中的微生物,變成生物氣溶膠。

水力跌落大、湍動劇烈的污水處理單元形成氣溶膠就越多,污水提升、除渣、除砂等預處理過程氣溶膠濃度最高,一立方米空間內通常會達到幾千到上萬個氣溶膠顆粒,遠高于其它處理區域。也有監測發現,預處理過程氣溶膠的濃度與處理廠的規模相關,規膜越大,氣溶膠濃度越高。病毒比細菌更容易被氣溶膠攜帶,有研究發現包膜病毒比非包膜病毒更容易附著在顆粒上。目前,對污水處理中氣溶膠攜帶細菌的研究及監測很多,攜帶病毒的研究較少,且主要針對腸道病毒的研究,迄今還沒有研究氣溶膠攜帶呼吸道病毒的報道。

瑞士衛生部門對31座污水處理廠氣體中的腸道病毒進行了長期監測,研究與操作人員腸道疾病的關系。在132個監測樣品中,所有樣品均檢測到腺病毒,最高達到2.27ⅹ106 copies/m3。研究也發現,污水處理廠工作人群腸道疾病發病率高于社會人群的平均值,大概率與攜帶腸道病毒的氣溶膠相關。

研究還發現,新入職的人群在剛入職后幾個月內發病率最高,推測這些員工在反復暴露之后形成了免疫反應,降低了發病率。綜上分析,污水處理廠操作人員上崗前佩戴手套和口罩應成為基本配置,在格柵間及沉砂池等氣溶膠高分布區域作業時應佩戴目鏡和防護服。筆者也呼吁全體污水處理從業人員,從本次疫情開始,將戴手套、戴口罩像醫護人員那樣成為永久職業習慣!


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