等离子体污水处理一体化设备在医疗废水处理中的应用研究

高小龙

(中材国际安徽节源环保科技有限公司，安徽 合肥 230000)

等离子体(plasma)又称为电浆，是由被剥夺部分电子的原子及原子团电离后产生的由带正电的原子核和带负电的电子组成的离子化气体状物质[1]，这是尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。等离子体广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外物质存在的第四态[2]。

图1 等离子体常见状态

医疗废水是一种特殊的污水，主要来源于诊疗室、化验室、病房、放射室洗印、手术室等，废水中污染物除部分化学性污染物外，主要为病原体污染，如寄生虫卵、肝炎病毒、结核菌、痢疾和其他流行病菌。如何高效去除病原微生物是医疗废水处理的重点，而等离子的技术特点，使其在医疗废水处理领域呈现出显著优势。

本文对等离子体污水处理技术的处理工艺、主要构筑物及水质参数进行分析，探究医疗废水经等离子体污水处理一体化设备处理后达标排放的工程实例，为医疗废水处理及等离子体污水处理一体化设备应用提供参考。

1 低温等离子体污水处理技术原理

等离子体按照温度常分为高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体是在外加电场的作用下，通过电晕放电(CD)、介质阻挡放电(DBD)、辉光放电、滑动弧放电等方式产生的由大量电子、离子、原子和原子团组成的混合体[3](图2)。

这些高能粒子与水结合产生低温等离子体活化水，可以轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，发生一系列物化反应，使大分子污染物转化为小分子物质[4]，或使有毒有害物质转变成无毒、低毒的物质，进而提高污染物降解率。

图2 低温等离子体发生器原理

1.1 高能电子福射作用

水分子经过电离生成离子、电子、激发态分子，并进一步反应生成高活性物质。

(1)

(2)

1.2 紫外光分解作用

废水中有机污染物等分子吸收光子变成激发态分子，其从激发态返回到基态时，释放大量能量打开分子键，转变为离子态或游离态，更易与水分子反应生成无毒害、易去除的新物质。

1.3 臭氧氧化作用

臭氧的强氧化作用可直接将废水中的有机污染物氧化分解。此外，臭氧还可分解产生具有强活性的·OH，进而氧化水中有毒有害物质。例如，·OH可与有机分子的碳-碳双键反应形成R·自由基，并进一步被水中溶解O2氧化成ROO·自由基，自由基持续反应，使水中污染物不断氧化和分解，最终生产二氧化碳和水。

(3)

(4)

(5)

目前，低温等离子体技术在工业应用中较为常见，但是在我国的应用领域还十分受限。最近几年，不少学者对低温等离子体技术的研究分析愈发深入，尤其对其在污水处理技术上的应用研究有显著进展。研究表明，当紫外光分解和臭氧氧化联合使用时，无论是在氧化的作用力还是速度上，都远远超过单独使用的处理效果。等离子体具备的独有技术优势使其在医疗废水处理中越来越受到重视。

2 工程应用案例

本工程位于安徽省铜陵市，与中科院合肥等离子体物理研究所合作，采用等离子体污水处理一体化设备，处理规模为200 m3/d，进水为某医院医疗废水，出水水质为一级A，设备占地60 m2。

2.1 设计进水水质和工艺流程

随着国家经济的发展及城市化进程，水资源的短缺及环境污染日益严重，环境问题的解决愈加紧迫。随着公众对环境的认识和总体关注的提高，污水处理技术的创新也面临着严峻的挑战。本工程采用等离子体污水处理一体化技术，结合等离子技术和生化处理工艺优势，采用格栅调节、等离子体反应器破碎消毒、活性污泥法高效脱氮除磷三大核心技术，通过合理配置，有效弥补了传统污水处理一体化设备占地面积大、加药成本高、能耗高、污泥二次污染等不足，在确保出水稳定达标的同时，实现降本增效、绿色运营。

2.1.1 设计进水水质

主要设计进水水质指标见表1。

表1 设计进水水质

2.1.2 工艺流程

普通一体化污水处理设备流程一般为：污水先进入均化池，经沉淀、均化水质水量、厌氧生物处理后，进入生物膜法处理系统。脱落的生物膜产生的剩余污泥亦排放至均化/厌氧池进行污泥消化，处理后出水部分回流至均化/厌氧池，进行反硝化脱氮，有些设计时也可将二者合并为一套排放/回流系统。

等离子体污水处理一体化设备是一种以等离子体技术+A2/O工艺为核心的高效污水处理装置,其污水净化系统首先由格栅/调节池去除污水中杂物、均匀水质水量，而后向污水中通入等离子反应器制备的等离子体杀菌消毒、粉碎去除大分子有机物，再通过活性污泥法高效脱氮除磷，分解有机物，降低COD浓度，最终回流至等离子反应器进行进一步消毒处理(图3)。通过对工艺设计参数进行调整，该工艺可有效地去除污水中的悬浮物、有机物、氮、磷等污染物。

图3 工艺流程

2.2 工艺结构

等离子体污水处理一体化设备主要分为以下几个处理单元：

2.2.1 格栅/调节池

位于等离子体污水处理一体化设备前端，平面尺寸为：4 m×5 m×2.5 m，材质为碳钢防腐，有效水深2.2 m。调节池上方架设机械格栅，对水体中大颗粒杂质进行初步滤除。

2.2.2 等离子反应器

位于等离子体污水处理一体化设备前端，尺寸为0.4 m×0.8 m×1.2 m，发生等离子体反应，同时可结合微纳米气泡将低温等离子体注入污水中，快速提升好氧微生物活性，利用其强氧化性，加快有机物分解速度。

2.2.3 A2O反应器

位于等离子体污水处理一体化设备后端，厌氧池平面尺寸1.2 m×5 m×2.5 m，材质为碳钢防腐，有效水深2.2 m，缺氧池平面尺寸1.2 m×5 m×2.5 m，材质为碳钢防腐，有效水深2.2 m，好氧池平面尺寸4.5 m×5 m×2.5 m，材质为碳钢防腐，有效水深2.15 m。

2.3 原理分析

医疗废水中会存在一些难降解的有机物质，仅仅凭借生物处理法难以将其完全降解到标准程度。低温等离子体技术处理医疗废水的反应过程包含多种高级氧化作用，如臭氧氧化、紫外光协同催化氧化以及热解作用等[5]，其电子平均能量在1～10 eV，与医疗废水之间发生一系列不固定物化反应，产生活性自由基(氢自由基、氧自由基、羟基自由基等)、氧化性分子(过氧化氢、臭氧等)以及微波和紫外光等氧化性粒子。

其中羟基自由基的作用尤为关键，其与医疗废水中的烯烃和芳香烃有机污染物反应时，会打开C—C键，形成C—OH键[6]，使得有机物结构被破坏。

同时，利用好氧性微生物繁殖形成的活性污泥在废水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，再进一步去除废水中氮、磷等污染物，达到排放标准。

将低温等离子体技术与活性污泥法结合，通过适当控制反应条件使得一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分快速，继而达到理想的降解效果。

2.4 运行效果分析

项目运行期间，在等离子体污水处理一体化设备进、出水口进行采样监测，分析等离子体污水处理一体化设备对医疗废水中主要污染物的净化效果。结果见表2。

表2 运行数据

通过运行数据看出，经过完整的等离子体污水处理工艺处理后，出水COD、BOD、NH3-N等指标均达到或优于规定排放标准。COD最终去除率一般在90%以上，BOD的最终去除率一般在60%以上。

3 结语

1)等离子技术处理废水与传统工艺优势：①低温等离子体污水处理一体化设备运行过程中不需添加药剂，使用成本比普通污水处理一体化设备降低20%～40%；②该系统不产生污泥，无二次污染；③对于难降解废水有着很好的处理效果，能够分解抗生素、藻毒素，杀灭传染病毒的能力强，安全性可靠。

2)等离子技术处理废水存在缺陷：

①等离子体处理污水主要是利用产生的活性自由基、UV以及臭氧等，其具体反应机理尚不明晰，需加强更深层次的机理研究;②等离子体技术工业化产品多数停留在技术研究，产品转化与市场推广应用还需大力发展;③等离子体反应器产品还停留在小规模小尺寸上，制约了等离子体技术工业化应用的发展;④等离子体高能耗也是一大问题，与生物法等相比缺乏经济性，可考虑与其他技术进行联合应用。