基于等离子放电的医疗废水处理系统

赵东贤

(淮南联合大学 医学院，安徽 淮南 232038)

医疗废水在医疗废物中的占比较大，来自诊疗室、化验室、病房或洗衣房、手术室等场所，其组成成分复杂，同时含有大量的病毒。

目前国内还没有对医疗废水排放进行严格的规定，很多医院并没有对有毒有害的污水废水进行分离处理，造成很多带有病毒源、致病细菌的医疗废水进入到地下管网。这些医疗废水如果直接进入到市政污水管道会给市政污水处理带来很大的挑战。医疗废水中的有毒、有害物质在自然界中存活率较高，当前国内仍无法全面普及独立的有毒有害污染物处理系统，所以医疗废水处理问题亟待解决[1]。

即便少数医院能对医疗废水进行处理，但处理工艺也多为氯化消毒，使用2级生化处理工艺的还是少数。医疗废水中的成分复杂，多达上百种混合的病毒微生物，所以利用某种单一的方法处理效果并不会十分显著，而相关物理、化学和生物的组合方法普遍存在周期长、占地面积大以及处理效率不高等局限性。

1 高级氧化技术特点

高级氧化技术作为一种新兴的水处理技术，通常产生羟基自由基(·OH)。·OH作为强氧化剂有以下几个特点：氧化还原电位很高，达到2.81 eV，氧化性极强；以游离基反应为主，且化学反应速率基本在109 mol/(L·s)之上，大于扩散速率的极限值，与其他化学药剂、灭菌剂相比，反映速率高出8个数量级，由于反应时间快，能够满足应对突发事件的需求；半衰期通常为30 min，反应剩余的·OH也会被分解为无害的H2O和O2，没有残留物并快速地将高浓度污染物氧化成为H2O、CO2以及无机盐，同时达到除臭和脱色的效果。该技术具有反应速率快、氧化效率高、无二次污染等特点[2]，符合当前世界化学学科所提出的绿色化学12条原则与高级氧化技术原则。高级氧化技术近年来已经引起人们广泛的关注，并进行了大量的研究与应用，有望解决医疗废水处理问题，并实现零环境污染、零废物排放。

基于介质阻挡放电理论的强电离放电技术是一种能够规模化、低成本制取·OH的方法。医疗废水本身含有很难降解的像病毒这样的有害物质，强电离放电技术有处理效率高、无差别对待、不需要添加剂、没有二次污染等优点[3]。因此，强电离技术更适用于医疗废水的处理。强电离技术的应用可以有效解决常规处理工艺中处理难度大、存在二次污染、反映周期长等问题。

利用强电离放电技术，能够高效低耗能地杀灭细菌、病毒、真菌等病原微生物，降解有机药物，并可以对内毒杆菌毒素产生破坏，所以普遍认为强电离放电技术所产生的羟基自由基杀毒效果较好。医疗污水处理要遵从经济性、技术先进性、性能稳定的原则，综合考虑医疗废水的处理成本、再回收价值、工艺流程间接性、系统稳定性、二次污染情况、占地面积、是否可以进行自动化处理等特点[4]。医疗污水处理技术对处理重大突发性化学品泄漏、禽流感、SARS等突发生物灾害造成的环境污染治理也具有重要的应用价值，在民生领域应急处理和健康生活方面有着重要的推广价值和社会意义。

2 系统设计

本系统采用高频高压电源，辅助以太阳能供电在节约电能的同时保证由于阴雨等天气状况导致供电不足的情况下设备也可以正常运行。采用强电离 放电技术，用于医疗废水处理。系统设计如图1所示。

2.1 羟基自由基的制备原理

当大气压力在0.101 MPa时，通过强电离放电技术可以把高价电常数、高绝缘度的Al2O3制成厚度为330 μm的电介质薄层覆盖在两级电板表面。在本次操作中，电极板尺寸为19.5 cm×10 cm×1 cm，上述设备为一个间距为0.2 mm的窄间隙结构介质阻挡等离子体发生系统。强电离放电时，经过加湿的O2处于等离子体反应室的电子具有的能力在13 eV左右，折合电场强度大于5×10-17V/m，电子密度达到1 015 个/cm3。这种环境下O2、H2O 能够很容易地发生电离和离解反应，从而生成H2O+、H2O2、HO2·、O2+、O2-、O3等粒子。试验数据显示，在上述过程中，每增加100 eV能量将会产生5.5 个·OH。这些·OH的数量增长了10多倍。在这个过程中，在三通高速射流的作用下，H2O2、HO2·、O3高效气液充分溶解在系统内。试验表明传质效率基本在98%左右，这些氧活性离子是最好的·OH引发剂，能够促进·OH的大量生成，产生高质量浓度羟基溶液[5]。

羟基自由基发生器放电室为平板矩阵型结构，使用接地极水冷却的方式，通过模块进行组装，具有体积小的特点，具体结构如图2所示。

注：图中的放电间隙按照从小到大原则依次为0.25、0.47、0.64 mm。

电介质以α型Al2O3为主要材料，通过一定的技术手段将其均匀贴到电极表面。电介质的厚度控制在(0.33±0.01) mm，具体参数如表1所示。

表1 电介质参数

制取羟基自由基的工艺流程和系统处理流程如图3所示，O2和H2O通过预处理进入等离子发生器，通过强电场电离放电获得高能电子，O2和H2O被激发、超激发和电离，并通过离子簇的形式进行分解、电荷交换，形成高浓度的·OH。·OH被气液溶解单元溶解，提高了·OH浓度[6]。高浓度的羟基自由基溶液借助气液溶解单元与剩余气体去除单元对剩余的气体进行分离，进一步提高羟基自由基溶液浓度。

气液溶解单元内的高速射流器可以减少等离子反应器内出来的活性粒子气泡尺寸，提高传质面积。另外，高速射流器与溶解结构可以让溶液充分湍流，提高湍流速度。气泡尺寸变小，传质面变小，传质阻力也随之降低，所以又进一步提升了羟基自由基溶液的传质效率。气液相分离系统具有一定的气液分离压力，降低液相体积，可以提高液相的水力停留时间，让羟基自由基更好地溶于水中。

2.2 试验系统减排工作原理分析

图4为试验系统设计流程，系统运行时以H2O和O2为原料，进行可再生化学反应，整个过程零污染。通过强电场电离将原子外层对子重新排列，并在分子层形成OH，上述过程并不稳定，可以以强电场电离、边界条件等对化学反应方向、速度、产物等进行控制。该过程的主要产品为无毒无害OH。·OH可以进一步诱发·OH链反应，对系统中的有机物、微生物等进行作用，并将其进一步分解为CO2、H2O、微量无机盐。多余的·OH则分解为O2、H2O。整个过程没有任何的催化剂和溶剂[7]。

2.3 选型

1)主要零件的参数

零件参数见表2。

表2 零件参数

2)管路的选择

本系统中的管路主要分为进气管路与进水管路，进气管路将氧气电离为羟基自由基等活性粒子，包括进气管、气流量调节阀等；进水管路将经过过滤的医疗废水经水泵射流，再经气液混合系统充分杀菌降解废物。管路采用硅胶管，化学性质稳定，不易被臭氧氧化，用于活性基团的输送。气流量调节阀接在进气管上，用于控制气体的进气流量。基于本系统采用的泵出口，选择文丘里射流器进出水口，水管采用23 mm PPR管、聚四氟乙烯管[8]。

3 试验分析

3.1 试验过程

大肠杆菌的培养基用牛肉膏蛋白培胨培养基，其配方见表3。

表3 牛肉膏蛋白胨培养基配方

按实验的要求，将配置的培养基装入三角瓶内，封口，置于高压蒸汽灭菌锅内在103.4 kPa、121 ℃的条件下进行20 min湿热灭菌。

根据实验的需要，取一定体积的液体牛肉膏蛋白培胨培养基接种大肠杆菌后，将其放入气溶恒温振荡器中，在37 ℃、180 r/min转速的条件下培养16 h备用。

细菌细胞采用平板菌落计数法。该方法是检测活菌数的方法，是目前世界所普遍采用的方法。平板菌落计数法主要根据细菌在固体培养基上繁殖形成的单个可见菌落所设计的计数方法，即1个菌落表示1个单细胞。其方法如下：取一定量的菌液，做一系列的梯度稀释后，取200 μL的稀释液涂布到灭菌后含有融化并冷却的牛肉膏培养基平板上，静置20 min后，把培养平板放入到电热恒温培养箱中，在37 ℃的恒温条件下倒置培养[9]，经过48 h之后，选取同一稀释度，3个平板的菌落平均数作为计算依据，具体公式如下：

W=s×m×5 ,

(1)

式中，W为每毫升液体菌落形成单位(cfu)，s为同一稀释度3次平均菌落数，m为稀释倍数。

通常要求平板上的菌落数在30～300个，以此为基础对单位毫升内的含菌量进行计算。另外，所选取的3个重复对比的菌落数差别要较小，只有这样才能保证试验的准确性。

本系统利用O3和·OH等活性粒子的强氧化性对医疗废水进行降解。将500 mL的菌液用高速离心机离心分离，使培养基和细菌分离后，加质量分数为0.85%的生理盐水，用涡旋混合仪将细菌与无菌水均匀混合，配成不同条件下的处理菌液。将处理菌液加入到反应器后，加一定体积的羟基自由基溶液，处理不同时间后取样。每取1个样，立即加入到含9 mL 0.1 mol/L硫代硫酸钠的试管中，振荡摇匀后，静止5 min，无菌条件下取处理样和空白样各20 μL接种于琼脂培养基中，待涂匀静止20 min后，放入恒温培养箱中于37 ℃温度下倒置培养48 h，进行菌落计数，每个浓度的菌液涂3个平板，试验结果取3次结果的平均值，计算杀菌率，每组试验重复3次。依据CJ/T 3028.2—19《碘量法》标准测定臭氧水浓度，从而计算出羟基自由基溶液质量浓度(mg/L)，羟基质量浓度是臭氧水质量浓度的0.261 83倍。将羟基自由基溶液质量浓度控制在2.25 mg/L，处理量为500 mL，反应在常温下进行，不添加任何自由基抑制剂。打开泵让病原微生物溶液循环，依次打开氧气瓶和放电设备开关，处理时间为60 s。使用电镜观察法观察记录其60 s内杀灭率的变化(取样时间为0、5、10、20、30、40、50、60 s)。

3.2 实验数据

试验条件pH值为7.1，温度为20 ℃，大肠杆菌菌液组成为5.5×106个/mL，处理量为500 mL，分析羟基自由基浓度对大肠杆菌杀灭效果的影响。测试结果如表4、图5所示。

表4 不同羟基质量浓度下大肠杆菌的杀灭率

本系统试验系统能产生的·OH溶液质量浓度 可达17.6 mg/L，对于大肠杆菌可百分百高效杀灭。

3.3 降解抗生素——土霉素的实验研究

实验结论：在pH值为6.32，土霉素初始质量 浓度为13 mg/L的条件下，30 min内土霉素的质量浓度由13 mg/L降至0.06 mg/L，降解率高达99.54%。

4 总结

系统通过强电场电离放电，获得高能量的电子促使O2和H2O激发，从而产生强氧化剂·OH。利用·OH的广谱致死性，高效杀灭病原微生物，降解有机药品等，同时将其分解为H2O、CO2和无机盐，剩余·OH会分解为H2O和O2，不会造成二次污染，能够有效解决医疗废水的处理问题，并实现零环境污染、零废物排放。

系统具有以下优势：

1)采用自然物质O2作为原料，绿色、无污染。

2)使用强电场电离的方式将原子外层电子重新排列，通过分子层作用产生·OH；借助强电场电离、边界条件等对化学反应速度、方向、产物进行控制，从而实现整个过程的零污染、零排放。

3)本产物是无毒无害的·OH，可以进一步诱发·OH链反应，并将有机物、微生物分解为CO2、H2O、微量无机盐。多余的·OH可以进一步生成O2、H2O，整个过程没有二次污染。

4)整个过程无催化剂和溶剂。通过强电场放电所生成的活性粒子来代替传统化学过程中的催化 剂和溶剂，避免因催化剂、溶剂等带来环境污染问题。

5)设备体积小，便于使用；采用太阳能辅助供电，节约电能。

6)高效消毒，极大减少医疗废水中有害物质的排放。