等離子體污水處理一體化設備在醫療廢水處理中的應用研究

高小龍

(中材國際安徽節源環保科技有限公司，安徽 合肥 230000)

等離子體(plasma)又稱為電漿，是由被剝奪部分電子的原子及原子團電離后產生的由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的離子化氣體狀物質[1]，這是尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體，其運動主要受電磁力支配，并表現出顯著的集體行為。等離子體廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外物質存在的第四態[2]。

圖1 等離子體常見狀態

醫療廢水是一種特殊的污水，主要來源于診療室、化驗室、病房、放射室洗印、手術室等，廢水中污染物除部分化學性污染物外，主要為病原體污染，如寄生蟲卵、肝炎病毒、結核菌、痢疾和其他流行病菌。如何高效去除病原微生物是醫療廢水處理的重點，而等離子的技術特點，使其在醫療廢水處理領域呈現出顯著優勢。

本文對等離子體污水處理技術的處理工藝、主要構筑物及水質參數進行分析，探究醫療廢水經等離子體污水處理一體化設備處理后達標排放的工程實例，為醫療廢水處理及等離子體污水處理一體化設備應用提供參考。

1 低溫等離子體污水處理技術原理

等離子體按照溫度常分為高溫等離子體和低溫等離子體。低溫等離子體是在外加電場的作用下，通過電暈放電(CD)、介質阻擋放電(DBD)、輝光放電、滑動弧放電等方式產生的由大量電子、離子、原子和原子團組成的混合體[3](圖2)。

這些高能粒子與水結合產生低溫等離子體活化水，可以轟擊污染物分子，使其電離、解離和激發，發生一系列物化反應，使大分子污染物轉化為小分子物質[4]，或使有毒有害物質轉變成無毒、低毒的物質，進而提高污染物降解率。

圖2 低溫等離子體發生器原理

1.1 高能電子福射作用

水分子經過電離生成離子、電子、激發態分子，并進一步反應生成高活性物質。

(1)

(2)

1.2 紫外光分解作用

廢水中有機污染物等分子吸收光子變成激發態分子，其從激發態返回到基態時，釋放大量能量打開分子鍵，轉變為離子態或游離態，更易與水分子反應生成無毒害、易去除的新物質。

1.3 臭氧氧化作用

臭氧的強氧化作用可直接將廢水中的有機污染物氧化分解。此外，臭氧還可分解產生具有強活性的·OH，進而氧化水中有毒有害物質。例如，·OH可與有機分子的碳-碳雙鍵反應形成R·自由基，并進一步被水中溶解O2氧化成ROO·自由基，自由基持續反應，使水中污染物不斷氧化和分解，最終生產二氧化碳和水。

(3)

(4)

(5)

目前，低溫等離子體技術在工業應用中較為常見，但是在我國的應用領域還十分受限。最近幾年，不少學者對低溫等離子體技術的研究分析愈發深入，尤其對其在污水處理技術上的應用研究有顯著進展。研究表明，當紫外光分解和臭氧氧化聯合使用時，無論是在氧化的作用力還是速度上，都遠遠超過單獨使用的處理效果。等離子體具備的獨有技術優勢使其在醫療廢水處理中越來越受到重視。

2 工程應用案例

本工程位于安徽省銅陵市，與中科院合肥等離子體物理研究所合作，采用等離子體污水處理一體化設備，處理規模為200 m3/d，進水為某醫院醫療廢水，出水水質為一級A，設備占地60 m2。

2.1 設計進水水質和工藝流程

隨著國家經濟的發展及城市化進程，水資源的短缺及環境污染日益嚴重，環境問題的解決愈加緊迫。隨著公眾對環境的認識和總體關注的提高，污水處理技術的創新也面臨著嚴峻的挑戰。本工程采用等離子體污水處理一體化技術，結合等離子技術和生化處理工藝優勢，采用格柵調節、等離子體反應器破碎消毒、活性污泥法高效脫氮除磷三大核心技術，通過合理配置，有效彌補了傳統污水處理一體化設備占地面積大、加藥成本高、能耗高、污泥二次污染等不足，在確保出水穩定達標的同時，實現降本增效、綠色運營。

2.1.1 設計進水水質

主要設計進水水質指標見表1。

表1 設計進水水質

2.1.2 工藝流程

普通一體化污水處理設備流程一般為：污水先進入均化池，經沉淀、均化水質水量、厭氧生物處理后，進入生物膜法處理系統。脫落的生物膜產生的剩余污泥亦排放至均化/厭氧池進行污泥消化，處理后出水部分回流至均化/厭氧池，進行反硝化脫氮，有些設計時也可將二者合并為一套排放/回流系統。

等離子體污水處理一體化設備是一種以等離子體技術+A2/O工藝為核心的高效污水處理裝置,其污水凈化系統首先由格柵/調節池去除污水中雜物、均勻水質水量，而后向污水中通入等離子反應器制備的等離子體殺菌消毒、粉碎去除大分子有機物，再通過活性污泥法高效脫氮除磷，分解有機物，降低COD濃度，最終回流至等離子反應器進行進一步消毒處理(圖3)。通過對工藝設計參數進行調整，該工藝可有效地去除污水中的懸浮物、有機物、氮、磷等污染物。

圖3 工藝流程

2.2 工藝結構

等離子體污水處理一體化設備主要分為以下幾個處理單元：

2.2.1 格柵/調節池

位于等離子體污水處理一體化設備前端，平面尺寸為：4 m×5 m×2.5 m，材質為碳鋼防腐，有效水深2.2 m。調節池上方架設機械格柵，對水體中大顆粒雜質進行初步濾除。

2.2.2 等離子反應器

位于等離子體污水處理一體化設備前端，尺寸為0.4 m×0.8 m×1.2 m，發生等離子體反應，同時可結合微納米氣泡將低溫等離子體注入污水中，快速提升好氧微生物活性，利用其強氧化性，加快有機物分解速度。

2.2.3 A2O反應器

位于等離子體污水處理一體化設備后端，厭氧池平面尺寸1.2 m×5 m×2.5 m，材質為碳鋼防腐，有效水深2.2 m，缺氧池平面尺寸1.2 m×5 m×2.5 m，材質為碳鋼防腐，有效水深2.2 m，好氧池平面尺寸4.5 m×5 m×2.5 m，材質為碳鋼防腐，有效水深2.15 m。

2.3 原理分析

醫療廢水中會存在一些難降解的有機物質，僅僅憑借生物處理法難以將其完全降解到標準程度。低溫等離子體技術處理醫療廢水的反應過程包含多種高級氧化作用，如臭氧氧化、紫外光協同催化氧化以及熱解作用等[5]，其電子平均能量在1～10 eV，與醫療廢水之間發生一系列不固定物化反應，產生活性自由基(氫自由基、氧自由基、羥基自由基等)、氧化性分子(過氧化氫、臭氧等)以及微波和紫外光等氧化性粒子。

其中羥基自由基的作用尤為關鍵，其與醫療廢水中的烯烴和芳香烴有機污染物反應時，會打開C—C鍵，形成C—OH鍵[6]，使得有機物結構被破壞。

同時，利用好氧性微生物繁殖形成的活性污泥在廢水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，再進一步去除廢水中氮、磷等污染物，達到排放標準。

將低溫等離子體技術與活性污泥法結合，通過適當控制反應條件使得一般情況下難以實現或速度很慢的化學反應變得十分快速，繼而達到理想的降解效果。

2.4 運行效果分析

項目運行期間，在等離子體污水處理一體化設備進、出水口進行采樣監測，分析等離子體污水處理一體化設備對醫療廢水中主要污染物的凈化效果。結果見表2。

表2 運行數據

通過運行數據看出，經過完整的等離子體污水處理工藝處理后，出水COD、BOD、NH3-N等指標均達到或優于規定排放標準。COD最終去除率一般在90%以上，BOD的最終去除率一般在60%以上。

3 結語

1)等離子技術處理廢水與傳統工藝優勢：①低溫等離子體污水處理一體化設備運行過程中不需添加藥劑，使用成本比普通污水處理一體化設備降低20%～40%；②該系統不產生污泥，無二次污染；③對于難降解廢水有著很好的處理效果，能夠分解抗生素、藻毒素，殺滅傳染病毒的能力強，安全性可靠。

2)等離子技術處理廢水存在缺陷：

①等離子體處理污水主要是利用產生的活性自由基、UV以及臭氧等，其具體反應機理尚不明晰，需加強更深層次的機理研究;②等離子體技術工業化產品多數停留在技術研究，產品轉化與市場推廣應用還需大力發展;③等離子體反應器產品還停留在小規模小尺寸上，制約了等離子體技術工業化應用的發展;④等離子體高能耗也是一大問題，與生物法等相比缺乏經濟性，可考慮與其他技術進行聯合應用。