趙東賢

(淮南聯(lián)合大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，安徽 淮南 232038)

醫(yī)療廢水在醫(yī)療廢物中的占比較大，來自診療室、化驗室、病房或洗衣房、手術(shù)室等場所，其組成成分復(fù)雜，同時含有大量的病毒。

目前國內(nèi)還沒有對醫(yī)療廢水排放進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定，很多醫(yī)院并沒有對有毒有害的污水廢水進(jìn)行分離處理，造成很多帶有病毒源、致病細(xì)菌的醫(yī)療廢水進(jìn)入到地下管網(wǎng)。這些醫(yī)療廢水如果直接進(jìn)入到市政污水管道會給市政污水處理帶來很大的挑戰(zhàn)。醫(yī)療廢水中的有毒、有害物質(zhì)在自然界中存活率較高，當(dāng)前國內(nèi)仍無法全面普及獨立的有毒有害污染物處理系統(tǒng)，所以醫(yī)療廢水處理問題亟待解決[1]。

即便少數(shù)醫(yī)院能對醫(yī)療廢水進(jìn)行處理，但處理工藝也多為氯化消毒，使用2級生化處理工藝的還是少數(shù)。醫(yī)療廢水中的成分復(fù)雜，多達(dá)上百種混合的病毒微生物，所以利用某種單一的方法處理效果并不會十分顯著，而相關(guān)物理、化學(xué)和生物的組合方法普遍存在周期長、占地面積大以及處理效率不高等局限性。

1 高級氧化技術(shù)特點

高級氧化技術(shù)作為一種新興的水處理技術(shù)，通常產(chǎn)生羥基自由基(·OH)。·OH作為強(qiáng)氧化劑有以下幾個特點：氧化還原電位很高，達(dá)到2.81 eV，氧化性極強(qiáng)；以游離基反應(yīng)為主，且化學(xué)反應(yīng)速率基本在109 mol/(L·s)之上，大于擴(kuò)散速率的極限值，與其他化學(xué)藥劑、滅菌劑相比，反映速率高出8個數(shù)量級，由于反應(yīng)時間快，能夠滿足應(yīng)對突發(fā)事件的需求；半衰期通常為30 min，反應(yīng)剩余的·OH也會被分解為無害的H2O和O2，沒有殘留物并快速地將高濃度污染物氧化成為H2O、CO2以及無機(jī)鹽，同時達(dá)到除臭和脫色的效果。該技術(shù)具有反應(yīng)速率快、氧化效率高、無二次污染等特點[2]，符合當(dāng)前世界化學(xué)學(xué)科所提出的綠色化學(xué)12條原則與高級氧化技術(shù)原則。高級氧化技術(shù)近年來已經(jīng)引起人們廣泛的關(guān)注，并進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用，有望解決醫(yī)療廢水處理問題，并實現(xiàn)零環(huán)境污染、零廢物排放。

基于介質(zhì)阻擋放電理論的強(qiáng)電離放電技術(shù)是一種能夠規(guī)?；?、低成本制取·OH的方法。醫(yī)療廢水本身含有很難降解的像病毒這樣的有害物質(zhì)，強(qiáng)電離放電技術(shù)有處理效率高、無差別對待、不需要添加劑、沒有二次污染等優(yōu)點[3]。因此，強(qiáng)電離技術(shù)更適用于醫(yī)療廢水的處理。強(qiáng)電離技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決常規(guī)處理工藝中處理難度大、存在二次污染、反映周期長等問題。

利用強(qiáng)電離放電技術(shù)，能夠高效低耗能地殺滅細(xì)菌、病毒、真菌等病原微生物，降解有機(jī)藥物，并可以對內(nèi)毒桿菌毒素產(chǎn)生破壞，所以普遍認(rèn)為強(qiáng)電離放電技術(shù)所產(chǎn)生的羥基自由基殺毒效果較好。醫(yī)療污水處理要遵從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性、性能穩(wěn)定的原則，綜合考慮醫(yī)療廢水的處理成本、再回收價值、工藝流程間接性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、二次污染情況、占地面積、是否可以進(jìn)行自動化處理等特點[4]。醫(yī)療污水處理技術(shù)對處理重大突發(fā)性化學(xué)品泄漏、禽流感、SARS等突發(fā)生物災(zāi)害造成的環(huán)境污染治理也具有重要的應(yīng)用價值，在民生領(lǐng)域應(yīng)急處理和健康生活方面有著重要的推廣價值和社會意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用高頻高壓電源，輔助以太陽能供電在節(jié)約電能的同時保證由于陰雨等天氣狀況導(dǎo)致供電不足的情況下設(shè)備也可以正常運行。采用強(qiáng)電離 放電技術(shù)，用于醫(yī)療廢水處理。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

2.1 羥基自由基的制備原理

當(dāng)大氣壓力在0.101 MPa時，通過強(qiáng)電離放電技術(shù)可以把高價電常數(shù)、高絕緣度的Al2O3制成厚度為330 μm的電介質(zhì)薄層覆蓋在兩級電板表面。在本次操作中，電極板尺寸為19.5 cm×10 cm×1 cm，上述設(shè)備為一個間距為0.2 mm的窄間隙結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生系統(tǒng)。強(qiáng)電離放電時，經(jīng)過加濕的O2處于等離子體反應(yīng)室的電子具有的能力在13 eV左右，折合電場強(qiáng)度大于5×10-17V/m，電子密度達(dá)到1 015 個/cm3。這種環(huán)境下O2、H2O 能夠很容易地發(fā)生電離和離解反應(yīng)，從而生成H2O+、H2O2、HO2·、O2+、O2-、O3等粒子。試驗數(shù)據(jù)顯示，在上述過程中，每增加100 eV能量將會產(chǎn)生5.5 個·OH。這些·OH的數(shù)量增長了10多倍。在這個過程中，在三通高速射流的作用下，H2O2、HO2·、O3高效氣液充分溶解在系統(tǒng)內(nèi)。試驗表明傳質(zhì)效率基本在98%左右，這些氧活性離子是最好的·OH引發(fā)劑，能夠促進(jìn)·OH的大量生成，產(chǎn)生高質(zhì)量濃度羥基溶液[5]。

羥基自由基發(fā)生器放電室為平板矩陣型結(jié)構(gòu)，使用接地極水冷卻的方式，通過模塊進(jìn)行組裝，具有體積小的特點，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

注：圖中的放電間隙按照從小到大原則依次為0.25、0.47、0.64 mm。

電介質(zhì)以α型Al2O3為主要材料，通過一定的技術(shù)手段將其均勻貼到電極表面。電介質(zhì)的厚度控制在(0.33±0.01) mm，具體參數(shù)如表1所示。

表1 電介質(zhì)參數(shù)

制取羥基自由基的工藝流程和系統(tǒng)處理流程如圖3所示，O2和H2O通過預(yù)處理進(jìn)入等離子發(fā)生器，通過強(qiáng)電場電離放電獲得高能電子，O2和H2O被激發(fā)、超激發(fā)和電離，并通過離子簇的形式進(jìn)行分解、電荷交換，形成高濃度的·OH。·OH被氣液溶解單元溶解，提高了·OH濃度[6]。高濃度的羥基自由基溶液借助氣液溶解單元與剩余氣體去除單元對剩余的氣體進(jìn)行分離，進(jìn)一步提高羥基自由基溶液濃度。

氣液溶解單元內(nèi)的高速射流器可以減少等離子反應(yīng)器內(nèi)出來的活性粒子氣泡尺寸，提高傳質(zhì)面積。另外，高速射流器與溶解結(jié)構(gòu)可以讓溶液充分湍流，提高湍流速度。氣泡尺寸變小，傳質(zhì)面變小，傳質(zhì)阻力也隨之降低，所以又進(jìn)一步提升了羥基自由基溶液的傳質(zhì)效率。氣液相分離系統(tǒng)具有一定的氣液分離壓力，降低液相體積，可以提高液相的水力停留時間，讓羥基自由基更好地溶于水中。

2.2 試驗系統(tǒng)減排工作原理分析

圖4為試驗系統(tǒng)設(shè)計流程，系統(tǒng)運行時以H2O和O2為原料，進(jìn)行可再生化學(xué)反應(yīng)，整個過程零污染。通過強(qiáng)電場電離將原子外層對子重新排列，并在分子層形成OH，上述過程并不穩(wěn)定，可以以強(qiáng)電場電離、邊界條件等對化學(xué)反應(yīng)方向、速度、產(chǎn)物等進(jìn)行控制。該過程的主要產(chǎn)品為無毒無害OH?！H可以進(jìn)一步誘發(fā)·OH鏈反應(yīng)，對系統(tǒng)中的有機(jī)物、微生物等進(jìn)行作用，并將其進(jìn)一步分解為CO2、H2O、微量無機(jī)鹽。多余的·OH則分解為O2、H2O。整個過程沒有任何的催化劑和溶劑[7]。

2.3 選型

1)主要零件的參數(shù)

零件參數(shù)見表2。

表2 零件參數(shù)

2)管路的選擇

本系統(tǒng)中的管路主要分為進(jìn)氣管路與進(jìn)水管路，進(jìn)氣管路將氧氣電離為羥基自由基等活性粒子，包括進(jìn)氣管、氣流量調(diào)節(jié)閥等；進(jìn)水管路將經(jīng)過過濾的醫(yī)療廢水經(jīng)水泵射流，再經(jīng)氣液混合系統(tǒng)充分殺菌降解廢物。管路采用硅膠管，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被臭氧氧化，用于活性基團(tuán)的輸送。氣流量調(diào)節(jié)閥接在進(jìn)氣管上，用于控制氣體的進(jìn)氣流量?；诒鞠到y(tǒng)采用的泵出口，選擇文丘里射流器進(jìn)出水口，水管采用23 mm PPR管、聚四氟乙烯管[8]。

3 試驗分析

3.1 試驗過程

大腸桿菌的培養(yǎng)基用牛肉膏蛋白培胨培養(yǎng)基，其配方見表3。

表3 牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基配方

按實驗的要求，將配置的培養(yǎng)基裝入三角瓶內(nèi)，封口，置于高壓蒸汽滅菌鍋內(nèi)在103.4 kPa、121 ℃的條件下進(jìn)行20 min濕熱滅菌。

根據(jù)實驗的需要，取一定體積的液體牛肉膏蛋白培胨培養(yǎng)基接種大腸桿菌后，將其放入氣溶恒溫振蕩器中，在37 ℃、180 r/min轉(zhuǎn)速的條件下培養(yǎng)16 h備用。

細(xì)菌細(xì)胞采用平板菌落計數(shù)法。該方法是檢測活菌數(shù)的方法，是目前世界所普遍采用的方法。平板菌落計數(shù)法主要根據(jù)細(xì)菌在固體培養(yǎng)基上繁殖形成的單個可見菌落所設(shè)計的計數(shù)方法，即1個菌落表示1個單細(xì)胞。其方法如下：取一定量的菌液，做一系列的梯度稀釋后，取200 μL的稀釋液涂布到滅菌后含有融化并冷卻的牛肉膏培養(yǎng)基平板上，靜置20 min后，把培養(yǎng)平板放入到電熱恒溫培養(yǎng)箱中，在37 ℃的恒溫條件下倒置培養(yǎng)[9]，經(jīng)過48 h之后，選取同一稀釋度，3個平板的菌落平均數(shù)作為計算依據(jù)，具體公式如下：

W=s×m×5 ,

(1)

式中，W為每毫升液體菌落形成單位(cfu)，s為同一稀釋度3次平均菌落數(shù)，m為稀釋倍數(shù)。

通常要求平板上的菌落數(shù)在30～300個，以此為基礎(chǔ)對單位毫升內(nèi)的含菌量進(jìn)行計算。另外，所選取的3個重復(fù)對比的菌落數(shù)差別要較小，只有這樣才能保證試驗的準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)利用O3和·OH等活性粒子的強(qiáng)氧化性對醫(yī)療廢水進(jìn)行降解。將500 mL的菌液用高速離心機(jī)離心分離，使培養(yǎng)基和細(xì)菌分離后，加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%的生理鹽水，用渦旋混合儀將細(xì)菌與無菌水均勻混合，配成不同條件下的處理菌液。將處理菌液加入到反應(yīng)器后，加一定體積的羥基自由基溶液，處理不同時間后取樣。每取1個樣，立即加入到含9 mL 0.1 mol/L硫代硫酸鈉的試管中，振蕩搖勻后，靜止5 min，無菌條件下取處理樣和空白樣各20 μL接種于瓊脂培養(yǎng)基中，待涂勻靜止20 min后，放入恒溫培養(yǎng)箱中于37 ℃溫度下倒置培養(yǎng)48 h，進(jìn)行菌落計數(shù)，每個濃度的菌液涂3個平板，試驗結(jié)果取3次結(jié)果的平均值，計算殺菌率，每組試驗重復(fù)3次。依據(jù)CJ/T 3028.2—19《碘量法》標(biāo)準(zhǔn)測定臭氧水濃度，從而計算出羥基自由基溶液質(zhì)量濃度(mg/L)，羥基質(zhì)量濃度是臭氧水質(zhì)量濃度的0.261 83倍。將羥基自由基溶液質(zhì)量濃度控制在2.25 mg/L，處理量為500 mL，反應(yīng)在常溫下進(jìn)行，不添加任何自由基抑制劑。打開泵讓病原微生物溶液循環(huán)，依次打開氧氣瓶和放電設(shè)備開關(guān)，處理時間為60 s。使用電鏡觀察法觀察記錄其60 s內(nèi)殺滅率的變化(取樣時間為0、5、10、20、30、40、50、60 s)。

3.2 實驗數(shù)據(jù)

試驗條件pH值為7.1，溫度為20 ℃，大腸桿菌菌液組成為5.5×106個/mL，處理量為500 mL，分析羥基自由基濃度對大腸桿菌殺滅效果的影響。測試結(jié)果如表4、圖5所示。

表4 不同羥基質(zhì)量濃度下大腸桿菌的殺滅率

本系統(tǒng)試驗系統(tǒng)能產(chǎn)生的·OH溶液質(zhì)量濃度 可達(dá)17.6 mg/L，對于大腸桿菌可百分百高效殺滅。

3.3 降解抗生素——土霉素的實驗研究

實驗結(jié)論：在pH值為6.32，土霉素初始質(zhì)量 濃度為13 mg/L的條件下，30 min內(nèi)土霉素的質(zhì)量濃度由13 mg/L降至0.06 mg/L，降解率高達(dá)99.54%。

4 總結(jié)

系統(tǒng)通過強(qiáng)電場電離放電，獲得高能量的電子促使O2和H2O激發(fā)，從而產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑·OH。利用·OH的廣譜致死性，高效殺滅病原微生物，降解有機(jī)藥品等，同時將其分解為H2O、CO2和無機(jī)鹽，剩余·OH會分解為H2O和O2，不會造成二次污染，能夠有效解決醫(yī)療廢水的處理問題，并實現(xiàn)零環(huán)境污染、零廢物排放。

系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1)采用自然物質(zhì)O2作為原料，綠色、無污染。

2)使用強(qiáng)電場電離的方式將原子外層電子重新排列，通過分子層作用產(chǎn)生·OH；借助強(qiáng)電場電離、邊界條件等對化學(xué)反應(yīng)速度、方向、產(chǎn)物進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)整個過程的零污染、零排放。

3)本產(chǎn)物是無毒無害的·OH，可以進(jìn)一步誘發(fā)·OH鏈反應(yīng)，并將有機(jī)物、微生物分解為CO2、H2O、微量無機(jī)鹽。多余的·OH可以進(jìn)一步生成O2、H2O，整個過程沒有二次污染。

4)整個過程無催化劑和溶劑。通過強(qiáng)電場放電所生成的活性粒子來代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)過程中的催化 劑和溶劑，避免因催化劑、溶劑等帶來環(huán)境污染問題。

5)設(shè)備體積小，便于使用；采用太陽能輔助供電，節(jié)約電能。

6)高效消毒，極大減少醫(yī)療廢水中有害物質(zhì)的排放。