王洪臣:疫情防控期间医疗污水和城镇污水处理建议

时间:2020-02-13 08:53:52

来源:给水排水

作者:王洪臣

新型冠状病毒(2019-nCoV)是呼吸道病毒,下水道不是其主要传播途径,但呼吸道病毒又存在随痰、粪便以及尿液等人体排泄物进入下水道的可能,且可以在污水中继续保持一定时间的感染能力,因此,污水处理行业应采取应对措施,阻断病毒在下水道的传播。笔者认为,阻断病毒传播的总体思路应是“源头严控、末端严防、中间不扰动”。源头严控是指强化定点医疗机构、新建成投用的医院、临时集中隔离场所以及研究机构医疗污水的消毒处理,把病原体杀灭在源头;末端严防是指下游城镇污水处理设施应确保稳定运行,将上游“漏网”病毒杀灭在处理设施;中间不扰动是指不扰动污水收集系统。

1 强化医疗污水消毒处理,把病源控制在源头

按照《医疗机构水污染物排放标准》(GB 18466-2005),传染病医疗机构污水排放标准的卫生学指标是粪大肠菌群数小于100MPN/L,肠道致病菌、肠道病毒均不得检出。呼吸道病毒是包膜病毒,肠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,当前对呼吸道病毒的防控应可以继续执行现有标准。关于医疗污水处理站的具体设计、建设及管理,《医院污水处理技术指南》(环发〔2003〕197号)、《医院污水处理工程技术规范》(HJ 2029-2013)和《新型冠状病毒污染的医疗污水应急处理技术方案(试行)》已有详细规定。基于“把病源控制在源头”的思路,以下就消毒方式、药剂种类以及消毒剂的实际投加量提出补充性建议。

1.1 应优化选择确定消毒方式和药剂种类

目前常用的消毒方式有氯化、臭氧化和紫外三类。紫外适合较大规模的处理设施,在医疗污水处理中较少采用。臭氧只能设备化,建设及运行较为复杂,但臭氧氧化能力强,消毒效果好,受温度、pH值以及其它水质指标的影响小,要求的接触时间短,在条件允许的情况下可作为选择。氯化包括氯、次氯酸盐(次氯酸钠或次氯酸钙)和二氧化氯,三种方式各有利弊。氯也属于强氧化剂,消毒效果好,但受水中凯氏氮(氨和有机氮)的影响非常大。当水中氨氮浓度较高时,需超量投加,越过折点积累游离氯,才能保证消毒效果。次氯酸盐消毒效果氯相近,也受凯氏氮影响,综合成本较高,但由于储存及投加方便,实际采用广泛。二氧化氯氧化能力低于于氯,成本高于次氯酸盐,但不与氨氮反应,没有消毒副产物。综上分析,在疫情防控期间,在设备采购、现场条件、运行操作以及费用预算等客观条件允许的前提下,以消毒效果佳为首要目标,建议按以下顺序确定消毒方式:

臭氧消毒 > 二氧化氯消毒 > 氯消毒 > 次氯酸盐消毒

如以时间进度和操作方便为首要目标,则只能按以下顺序确定消毒方式:

次氯酸盐消毒 > 氯消毒 > 二氧化氯消毒 > 臭氧消毒

实际中,除部分大型医疗机构采用臭氧和二氧化氯消毒,绝大部分定点医疗机构、新建成投用的医院、临时集中隔离场所都采用次氯酸盐。

1.2 应以效果为目标确定不同情境下消毒剂的实际投加量

对病原微生物灭活效果取决于消毒CT值(mg·min/L),按下式计算:

CT=接触池末端的消毒剂浓度×接触时间

不同病原微生物要求不同的CT值。在给水处理中,水中杂质少、浊度低,病毒比鞭毛虫、孢子虫和病菌更容易被灭活,杀灭病毒不是瓶颈。污水中杂质多,病毒常附着在颗粒上或包埋其中,比病菌更难灭活。污水消毒的CT值一般按杀灭病菌(以粪大肠菌群为指标)设计,如果杀灭病毒则需要更高的消毒标准。美国加州为确保后续污水再生及利用安全,对污水处理厂二级出水按杀灭病毒目标确定CT值。当采用氯、次氯酸钠、次氯酸钙(漂白粉)或二氧化氯为消毒剂时,加州按CT值450 mg·min/L设计,肠道病毒灭活率可达到99.99%(4log),是目前世界上高的污水消毒设计运行标准;当采用臭氧为消毒剂时,按CT值1 mg·min/L设计运行。

《新型冠状病毒污染的医疗污水应急处理技术方案(试行)》(以下简称《应急方案》)要求:当采用氯、次氯酸钠、次氯酸钙(漂白粉)或二氧化氯为消毒剂时,如消毒接触池的接触时间≥1.5小时,余氯量大应于6.5 mg/L(以游离氯计);如消毒接触池的接触时间为1小时,余氯量大于10 mg/L(以游离氯计)。如果余氯以接触池末端浓度计算,《应急方案》要求的CT值分别为585 mg·min/L和600mg·min/L,均大于加州的450 mg·min/L,是严格的设计运行CT值,能确保肠道病毒灭火率大于99.99%(4log)。《应急方案》提出几种消毒剂投加量参考值是50 mg/L,二氧化氯和臭氧消毒效果受水质影响很小,二氧化氯的CT值大于加州的450 mg·min/L,臭氧的CT值远大于加州的1 mg·min/L,因而可保证病毒杀灭效果。当采用氯、次氯酸钠或次氯酸钙(漂白粉)为消毒剂时,由于这些药剂受水质影响很大,建议具体投加量视不同情境结合水质具体计算确定。

氯、次氯酸钠或次氯酸钙(漂白粉)作为消毒剂加入污水后,由于污水中存在大量凯氏氮,随着投药量的增加,反应顺序如图(1)所示。在第Ⅰ阶段,消毒剂首先氧化污水中硫化氢等还原性较强的物质;随着投药量的加大,进入第Ⅱ阶段,消毒剂与氨氮形成氯胺,与有机氮形成有机氯胺,与少量有机物形成有机氯化物;投药量继续加大,进入第Ⅲ阶段,消毒剂与第二阶段生成的氯胺反应,降低氯氨量;直到进入第Ⅳ阶段,游离余氯才开始积累,才开始杀灭病原体。

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投药量不足时,在第Ⅱ和Ⅲ阶段形成或剩余的是氯胺。氯胺虽然也有消毒作用,但属于缓慢消毒,通常要求几小时以上的接触时间,在接触时间仅为1.5个小时的接触池内难以发挥出明显的消毒效果。氯胺常用于供水管网的持续性抑菌。因此,要实现污水游离氯消毒,需要按凯氏氮浓度计算越过折点的投药量。当采用氯、次氯酸钠或次氯酸钙(漂白粉)做消毒剂时,投药量应按下式计算:

消毒剂投加量=K1×氨氮浓度+K2×有机氮浓

K1为氨氮被氯化的氯氮质量比,在氨的折点氯化过程中,氯氮质量比约为10,其中包含了氧化硫化氢等其它易被氧化物质所需的氯量;K2为有机氮被氯化的氯氮质量比,在有机氮的氯化过程中,氯氮质量比约为16。

当医院污水采用生物二级生物处理,对出水消毒时应按照实际出水氨氮浓度计算投加量,假设出水氨氮为8mg/L, 忽略有机氮,接触时间为1小时,此时要保持10mg/L游离余氯,获得99.99%(4log)的病毒杀灭效果,实际药剂投加量应为90mg/L。对医院污水采用一级强化处理,由于没有硝化效果,出水氨氮浓度很高,投药量巨大,此时建议改用臭氧或二氧化氯进行消毒。有研究表明,对一级或一级强化处理的污水进行消毒,加药量在几十毫克升的量级时,杀菌效果明显,但基本不能杀灭病毒。香港昂船洲是世界一级强化污水处理厂,采用次氯酸钠消毒,在20mg/L投加量时,对粪大肠菌群只有2log的灭菌效果。

综上,为使医疗污水消毒达到对肠道病毒99.99%(4log)的灭活率,把病源控制在源头,建议实际操作中通过检测或估算污水中氨氮浓度和有机氮浓度确定加药量。对一级强化处理的污水进行消毒时,建议尽量采用臭氧或二氧化氯消毒。

2 确保城镇污水处理及污泥处理处置设施正常运行,防控结合

2.1 城镇污水处理厂正常稳定运行是重要的防控

城镇污水处理厂包括预处理、一级处理、二级生物处理,随着近年的提标改造,几乎所有大中型处理厂都建设了混凝过滤等深度处理设施,部分处理厂还采用了膜过滤技术。这些处理单元在去除污染物的同时也在去除、抑制或杀灭病原微生物,发挥着关键的防控作用。表(1)综合了文献报道的各主要处理单元对肠道病毒的去除、抑制或灭活效果,只要污水处理厂正常运行,全流程可至少获得2log(99%)以上的去除、抑制或灭活效果,为通过末端消毒彻底阻断病毒传播提供基础。

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目前,全行业污水处理厂出水氨氮已普遍很低,经混凝、砂滤或膜滤之后,浊度大大降低,消毒单元的CT值可按给水处理标准确定。表(2)是采用不同药剂获得对肠道病毒4log(99.99%)灭活率的CT值,表(3)是接触时间为30分钟时,接触池末端在不同温度下需要保持的药剂浓度。实际上,表(2)和表(3)都是行业目前实际常规运行工况,只要保持稳定运行,消毒单元即可获得4log(99.99%)灭活效果,加上前段各单元对肠道病毒的去除、抑制或灭活,全流程可超过6log(99.9999%)灭活率。城镇原污水中目前检出肠道病毒高106 copies/L ,现有设施可彻底阻断肠道病毒在污水系统的传播。呼吸道病毒是包膜病毒,肠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。综上,现有城镇污水处理厂只要保持正常稳定运行,即可彻底阻断肠道病毒和呼吸道病毒。因此,笔者一再强调,城镇污水处理厂在疫情期间应确保稳定运行,一般不需要采取其他强化处理措施,稳定运行就是重要的防控。这也说明这几年高标准建设的污水处理设施在疫情防控中可发挥重要作用。少数小型城镇污水处理厂建设标准较低,还没有设置深度处理设施,可视情适当增加投药量,增强消毒效果,但要关注消毒剂对受纳水体水生生物的影响。

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污泥处理处置包括厌氧消化、高温好氧发酵、石灰稳定(碱式稳定)、热干化等单元或设施,这些单元的核心作用是有机物的稳定化,在稳定化过程中,病毒同步被抑制或灭活,表(4)是各稳定化单元对病毒的灭活率。保持这些设施的稳定运行,对于阻断病毒在污水以外的继续传播具有重要作用。

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2.2 应整体提升运行保障等级

疫情期间,人员流动大且没规律,污水量也会随之无序波动。大城市污水量会明显降低,但随着开始返程又会增大,小城镇污水量变化会幅度会更大。应密切关注并分析预测水量变化,及时投入与水量相匹配的设施设备,每一条生产线水力负荷率过高或过低都不利于运行稳定。在自动检测的基础上,应加大进出水水质和过程指标的检测项目及频次,据此及时调整排泥、曝气、加药、反冲洗等工艺操作;应加大设施设备巡检频次,及时发现并排除运行故障。例如,几乎所有处理厂在增加深度处理设施之后都取消或大大减少了对二沉池出水的监测,而二沉池出水水质对于判断生物处理系统的运行状况至关重要。

2.3 应监控预警活性污泥质量

活性污泥是污水处理的核心。活性污泥质量包括活性和沉降性能两个方面,活性降低、沉降性能变差将对全厂稳定运行造成严重影响。因此,应采取措施监控并预警活性污泥质量。受污泥活性影响最大的是出水氨氮,而氨氮又与消毒高度相关。如采用氯化消毒,二沉池出水增加5mg/L氨氮,消毒单元将需要增加50mg/L的投药量,将可能超出投药设备设计能力,导致消毒单元失效。沉降性能与出水SS相关,沉降性能变差,二沉池出水SS升高,将增大深度处理的混凝剂投加量,并进而缩短滤池的反冲洗周期,增大反冲洗水量,严重时则会造成滤池堵塞,减少污水处理量,导致污水直排。

城市下水道是一个开放系统,在全社会紧急应对疫情的特殊时期,下水道不可避免地面临着许多不可预见的突击排放,不同程度地影响活性污泥质量。不容忽视的是全消毒产生含氯物质的排入,接纳定点医疗机构污水的小型污水处理厂尤应关注。按照前述讨论,当医疗污水消毒加药量不能越过折点时,则与污水中的氨氮生成氯胺,居家使用的消毒液进入污水中也是以氯胺形式存在。氯胺氧化能力较弱,可在下水道长距离输移,进入污水处理厂。氯胺是是氧化剂,也是生物抑制剂,超过1mg/L即对硝化细菌形成明显抑制作用。另外,粪便处理以及医用废物处理处置等设施产生滤液的事故性排放、洗涤剂过量使用产生的表面活性物质等方面都可能影响污泥活性,也同时影响污泥沉降性能。总之,在全社会应对疫情的情境下,严密监控并及时预警活性污泥质量非常必要。

生物相观测是监测污泥活性状态的方法之一,当生物相观测发现原生和后生动物死亡或减少,即说明活性污泥已经中毒或活性被抑制,因而没有预警作用。建议通过测定活性污泥的比耗氧速率(SOUR)提前预警污泥活性的变化。国际上有比耗氧速率(SOUR)标准测定方法,可准确测定污泥活性,也可安装在线SOUR测定仪,动态实时监测污泥活性的变化。疫情防控状态下,可临时采用简易方法测定污泥活性,粗略把握污泥活性状况。SOUR既受厂外进水影响,也与厂内工况相关,应首先与本厂历史数据比较,当SOUR降低,说明活性污泥受到某些因素影响导致活性降低。当缺乏本厂历史数据时,可用依据表(5)判断污泥活性,当实测SOURend低于对应的参考值,说明污泥活性被抑制。另外,也可用SOURfed/ SOURend判断,判断准则详见表(6)。污泥沉降性能通常用30分钟沉降比(SVI)表征,与SOUR一样,SVI也受厂内外两方面因素影响,因此应重点关注本厂的变化趋势。每天做一个污泥沉降试验,绘制沉降曲线并置于同一坐标体系内观察曲线的移动,可以更早预警污泥沉降性能。

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表5注:SOURfed为曝气池好氧段首端取样测得的SOUR,从曝气池末端取样测得的用SOURend为曝气池好氧段末端取样测得的SOUR,SOURfed通常高于SOURend。

当发现污泥活性降低时,可减少剩余活性污泥排放量,提高污泥浓度,同时适当增大曝气量,确保污水处理效果。提高污泥浓度时,应注意核算二沉池固体表面负荷,监测泥水界面,防止污泥流失。游离性余氯氧化能力强,进入下水道后即被污水中的有机物消耗,难以到达处理厂,最可能的是氯胺的影响。如监测发现游离性余氯抑制了污泥活性,可将部分剩余活性污泥排入泵前池消耗掉游离余氯;如发现氯胺抑制了污泥活性,则只能投加还原性药剂消耗氯胺。当检测到污泥沉降性能下降时,应首先通过生物相观测分析下降原因,监测泥水界面,及时增大回流比防止污泥流失。如发现传统丝状菌膨胀,应及时在回流污泥中采取加氯措施。

3 避免扰动城镇污水收集系统,以防为主

综合许多研究及监测,呼吸道病毒可以通过许多途径进入下水道,在污水中长时间保持感染能力,并可以随气溶胶进行跨介质传播。因此,在疫情防控期间,污水收集系统的佳防控对策是加强下水道巡查,及时补齐遗失的井盖,封闭散发臭气的化粪池或检查井,尽量减少或停止下水道养护操作和施工作业。

4 严格做好运行操作人员的安全防护

疫情防控期间,一线操作员工的安全防护至关重要。在运行操作过程中,防护用品需佩戴齐全,严禁直接接触污水污泥,临时堆置的污泥应用石灰采取表面封闭。

污水处理厂安全防护重点是气溶胶导致的病菌及病毒感染。气溶胶是指悬浮在气体介质中由固态或液态颗粒组成的气态分散系统,在自然环境中普遍存在。不同条件下生成的气溶胶特征差别很大,污水处理过程产生的气溶胶颗粒粒径一般在1~5um,以液态颗粒为主,一般认为通过“气泡爆裂”(bubble-burst)作用形成。污水中气泡在外力作用下从污水中快速逸出产生爆裂,散落出许多大量细微固液颗粒即形成气溶胶,这个过程将会同时携带污水中的微生物,变成生物气溶胶。水力跌落大、湍动剧烈的污水处理单元形成气溶胶就越多,污水提升、除渣、除砂等预处理过程气溶胶浓度高,一立方米空间内通常会达到几千到上万个气溶胶颗粒,远高于其它处理区域。也有监测发现,预处理过程气溶胶的浓度与处理厂的规模相关,规膜越大,气溶胶浓度越高。病毒比细菌更容易被气溶胶携带,有研究发现包膜病毒比非包膜病毒更容易附着在颗粒上。目前,对污水处理中气溶胶携带细菌的研究及监测很多,携带病毒的研究较少,且主要针对肠道病毒的研究,迄今还没有研究气溶胶携带呼吸道病毒的报道。瑞士卫生部门对31座污水处理厂气体中的肠道病毒进行了长期监测,研究与操作人员肠道疾病的关系。在132个监测样品中,所有样品均检测到腺病毒,达到2.27ⅹ106 copies/m3。研究也发现,污水处理厂工作人群肠道疾病发病率高于社会人群的平均值,大概率与携带肠道病毒的气溶胶相关。研究还发现,新入职的人群在刚入职后几个月内发病率高,推测这些员工在反复暴露之后形成了免疫反应,降低了发病率。综上分析,污水处理厂操作人员上岗前佩戴手套和口罩应成为基本配置,在格栅间及沉砂池等气溶胶高分布区域作业时应佩戴目镜和防护服。笔者也呼吁全体污水处理从业人员,从本次疫情开始,将戴手套、戴口罩像医护人员那样成为永久职业习惯!

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