醫院污水處理技術研究進展

辜凌云，史鴻樂，陳可欣，余春秀，徐 威，吳 怡，熊兆錕，賴 波

（1.四川省生態環境科學研究院，四川成都 610041；2.四川大學 建筑與環境學院，四川成都 610065）

醫院在保障公共衛生和人體健康方面起著至關重要的作用，但隨著科技發展和醫療檢測技術的進步，大量使用的藥物將通過醫院污水排放進入城鎮管網或自然水體中。醫院污水來源及成分極其復雜，含有病原微生物、藥物污染物及代謝產物、重金屬、造影劑及抗性基因等，這些有毒有害物質如果不經有效處理，將成為疫病擴散的重要途徑〔1-2〕。同時，在新冠肺炎疫情常態化的背景下，醫院病人數快速增加，相應的各種治療藥物、消毒藥劑、病原微生物等大幅增加，從而導致醫院污水中抗病毒類治療藥物及代謝產物和病毒、細菌等病原性微生物顯著增加。超常使用的抗生素、抗病毒類藥物無法通過傳統的污水處理設施得到有效的處理和完全降解，這類新污染物進入水體中會給水環境和人體健康帶來極大威脅〔3-6〕。

大規模傳染病爆發期間對醫院污水的及時處理可防止疫病通過污水擴散，保障人體健康安全，其環境效益及社會意義巨大。2020年新冠肺炎疫情爆發后，生態環境部迅速印發了《關于做好新型冠狀病毒感染的肺炎疫情醫療污水和城鎮污水監管工作的通知》，體現了國家對疫情期間醫院污水污染防治工作的重視。2021年8月，生態環境部等五部門聯合發布了《關于加快補齊醫療機構污水處理設施短板提高污染治理能力的通知》，進一步強調了疫情期間加強醫院污水深度處理的重要性。相對于居民生活污水，醫院污水具有毒害物質濃度高、可生化性差等特點，無法通過常規污水處理技術有效處理。

如何提高對醫院污水處理的有效性，切斷病原微生物和有毒有害物質進入環境的途徑，減少二次污染風險，是當前亟待解決的環境衛生問題。筆者將從醫院污水主要成分及特征出發，對我國醫院污水處理現狀及面臨的問題進行總結，對醫院污水主要處理工藝和前沿技術進展進行梳理及深入闡述，并提出相關對策和建議，旨在為我國醫院污水治理提供一定技術參考。

1 醫院污水主要成分及特征

1.1 醫院污水主要成分

醫院污水中主要成分包括病原微生物、藥物及其代謝產物、重金屬、有毒化學殘留物、造影劑及抗性基因等〔2，7-8〕。

病原微生物包括大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌、沙門氏菌、弧菌、各類傳染性病毒等；藥物及其代謝產物主要包括鎮痛類、消炎類、抗菌類、抑菌類、精神類、降壓類和激素類藥物及其代謝產物；重金屬主要包括鎘、銅、鐵、釓、汞、鉑等；有毒化學殘留物包括洗滌劑和消毒劑等的殘留物、苯酚、氯化物等；造影劑主要是131I。此外，諸多報道中還提到了醫院污水中抗性細菌和抗性基因的存在〔9-11〕。

1.2 醫院污水主要特征

1.2.1 理化特性

醫院污水的主要理化指標包括化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、總懸浮物（TSS）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總有機碳（TOC）、可溶性有機碳（DOC）、氯化物、油脂、氧化還原電位、電導率和pH等。一般醫院污水中各類污染物指標范圍：COD 43～270 mg/L、BOD5100～400 mg/L、TSS 150～500 mg/L、TN 60～230 mg/L、NH4+-N 10～68 mg/L、TOC 31～180 mg/L、DOC 120～130 mg/L、氧化還原電位 850～950 /mV、電 導 率 300～2 700 μS/cm、油 脂50～210 mg/L。

根據P.VERLICCHI等〔12〕的 研 究，醫 院 污 水 中COD一般是常規城鎮污水的2～3倍，醫院污水與城鎮污水的主要指標對比見表1。

表1 醫院污水和城鎮污水水質對比Table 1 Comparison of water quality between hospital sewage and urban sewage

1.2.2 病原微生物特征

醫院污水中病原微生物特征主要分為細菌性污染和病原體污染。細菌性污染主要通過大腸桿菌（E.coli）進行表征，其他細菌還包括孢子菌、亞硫酸鹽還原菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等。病原體污染的表征主要是各類病毒，如腸病毒、諾瓦克病毒、腺病毒、輪狀病毒、新冠病毒、甲肝病毒等。根據E.CARRARO等〔13〕報道的這些病原微生物特征濃度，大腸桿菌、腸球菌、糞大腸桿菌每100 mL廢水中最可能存在的細菌數量級分別為103～106、103～106、103～104，諾瓦克病毒、腺病毒、輪狀病毒、甲肝病毒1 L廢水中病毒載體的基因組拷貝數分別為2.4×106、2.8×106、1.9×106、1.0×104。

1.2.3 藥物及其代謝產物特征

藥物及其代謝產物廣泛存在于各類醫院污水中，主要包括抗炎類、抗菌類、抑菌類、鎮痛類、神經類、瀉藥通便類、造影劑類等。大部分藥物進入人體后經代謝排放，其中約55%～80%的代謝產物通過尿液排放，約4%～30%的代謝產物通過糞便排放進入污水中?？偟膩碚f，醫院污水中藥物類污染物的質量濃度在78 μg/L～5 mg/L。表2詳細列舉了醫院中各治療科室及污水中檢測出的典型藥物及對應濃度〔14〕。

表2 醫院污水中主要藥物的濃度范圍Table 2 Range of concentration measured in hospital wastewater

1.2.4 重金屬特征

醫院污水中的重金屬主要包括釓、汞、鉑、鎘、銅、鐵、鎳、鉛等。金屬釓主要來源于核磁共振檢查過程中口服或靜脈注射的釓雙胺或釓噴酸藥劑中。醫院污水中釓的質量濃度一般在1～300 μg/L。金屬汞主要來源于診斷劑、消毒劑、利尿劑中，其質量濃度一般在0.3～7.5 μg/L。金屬鉑主要來源于癌癥或腫瘤治療的卡鉑、順氯氨鉑等抗癌藥物中，質量濃度一般在0.01～3.5 μg/L。K.KüMMERER等〔15〕在一項研究中分析了歐洲5家醫院排放污水中的鉑濃度，發現約70%的含鉑藥物最終通過人體代謝排放進入醫院污水。

1.3 醫院污水產排特征

醫院污水產排特征與諸多因素有關，如醫院床位總數、病區設置情況、廚房及洗浴等配套設施情況、住院和門診病人情況、醫院所在地發展情況、地理位置和氣候條件等。

醫院污水排放量主要取決于醫院規模和類型，床位數≥500張定為大型醫院，100～499張定為中型醫院，＜100張定為小型醫院。一般規模越大，醫院污水排放量越高。通過調查16家不同規模醫院的污水排放量發現，3家大型醫院污水排放量在903～1 298 m3/d，5家中型醫院在194～600 m3/d，8家小型醫院在27～103 m3/d〔16〕。日本高槻市一家有480個床位的核心綜合醫院其污水排放量在426～503 m3/d，平均排放 量約為460 m3/d〔17〕。此外，醫 院需水量與地區經濟及社會發展情況有很大關系。一般而言，發達地區的醫院需水量基本在200～800 L/（床·d），欠發達地區基本在200～400 L/（床·d）。醫院污水排放量在每日不同時段的波動較大，主要受到臨床患者接受治療情況或實驗室分析完成情況的影響，一般于每日上午8：00～11：00及下午16：00～19：00達到峰值〔18〕。我國醫院根據規模大小，普通醫院污水排放量基本在250～750 m3/d，省級及以上綜合性醫院污水排放量基本在1 000～3 000 m3/d，各醫院污水具體排放量可根據《醫院污水處理工程技術規范》（HJ 2029—2013）進行計算。

醫院污水中污染物的排放量與季節密切相關。一般來說，隨著春冬季節患者數量增加，污水中的污染物量也會顯著增加，而在夏秋季節則相對較低。根據S.AYDIN等〔16〕的研究，冬季醫院污水中的抗生素質量濃度可達（497±3.66）～（322 735±4.58） ng/L，遠高于夏季的（21.2±0.13）～（4 886±3.80） ng/L。此外有研究報道了葡萄牙4種不同類型醫院污水中的藥物污染負荷情況，大學醫院（1 456床）、綜合醫院（350床）、兒科醫院（110床）和婦產科醫院（96床）分別為306、155、14、1.5 g/d〔19〕。

新冠疫情爆發后，收治感染病患的醫療場所產生了大量涉疫污水，污水中還含有病原微生物、抗病毒藥物等有毒有害物質，具有空間污染、急性感染和潛在感染的特點。據報道，武漢雷神山醫院作為應對新冠肺炎疫情應急建造的大型傳染病醫院，日均涉疫污水排水量約為528.7 m3（2020年3月），收治患者數峰值可達1 237人〔20〕。疫情發生后，我國武漢市地表水中的阿奇霉素質量濃度從疫情發生前的4.2 ng/L上升到935 ng/L，城市污水中其他抗病毒藥物濃度也增加了70%以上〔21〕。重大疫病爆發期間就診病患數的突然增加，將引起涉疫醫院污水系統水量沖擊負荷、藥物污染負荷及疫病傳播風險等大幅度增加，給污水的應急處置帶來挑戰。涉疫醫療污水未經有效處理排放將成為疫病傳播和環境污染的重要途徑，新冠疫情傳播期間對醫療污水的有效處置不容忽視。

2 醫院污水處理現狀及問題

2.1 現有的處理要求

近年來，我國針對不同規模、不同性質的醫院污水，提出了根據污水排放去向的不同水質要求下可采用的工藝路線（圖1所示）：1）傳染病院（包括有傳染病房的綜合醫院）采用二級處理；2）處理出水排入自然水體的縣及縣以上醫院采用二級處理；3）處理出水排入城市下水道（設有二級污水處理廠）的綜合醫院提倡采用二級處理，對采用一級處理工藝的必須加強處理效果；4）對于50床以下綜合醫院和鄉鎮衛生院提倡采用簡易生化處理，有條件的可采用二級處理或加強處理效果的一級處理工藝。傳染病醫院（包括帶傳染病房的綜合醫院）產生污水還需進行預消毒處理〔22〕。

圖1 不同醫院污水處理工藝Fig.1 Wastewater treatment process in different hospital

根據《醫院污水處理工程技術規范》（HJ 2029—2013）的設計要求，醫院污水處理設施根據傳染病醫院和非傳染病醫院污水性質的不同采取不同的工藝流程（如圖2所示）。醫院污水處理設施一般常規的工藝流程包括格柵、調節池、水解池、生化反應處理池、二沉池和消毒池等〔23〕。

圖2 醫院污水處理工藝流程Fig.2 Process flow chart of hospital wastewater treatment

目前常用的消毒方式有氯消毒、臭氧和紫外3類。氯消毒包括液氯、次氯酸鹽和二氧化氯。投量不足可能導致消毒效果不佳，致病菌不能徹底滅殺；投量過高可能產生高毒害的消毒副產物。臭氧氧化能力強，殺菌效果高于普通含氯制劑，反應時間短，但過量的臭氧氣體會腐蝕管道設備。紫外消毒效率高，不產生二次污染，但是受能耗、運行成本和維護成本限制，且水中懸浮物濃度對光利用率影響較大。

2.2 國內醫療機構污水處理現狀及存在的問題

筆者對國內部分省市近5年來醫院污水處理現狀（《醫療機構水污染物排放標準》中規定的各類控制項目的達標情況）及消毒現狀（《醫療機構水污染物排放標準》中規定的糞大腸菌群、腸道致病菌或總余氯的達標情況）進行梳理，詳細數據見表3和表4。從表3可以看出，各省醫院污水處理總合格率均不高，其中新疆烏魯木齊（2021年）、云南保山（2019年）、廣西欽州（2018年）、上海浦東新區（2018年）、云南昆明（2018年）的醫院污水處理水質總合格率分別為74.3%、56.5%、71.4%、78.26%、29.11%。從表4可以看出，國內大部分地區的一級、二級及其他類型醫院的污水消毒狀況也未能完全達到標準要求。

表3 國內部分省市近5年醫院污水處理排放狀況Table 3 Effluent discharge status of hospitals in some province of China in recent five years

表4 國內部分省市近5年醫院污水消毒狀況Table 4 Effluent disinfection status of hospitals in some province of China in recent five years

綜合來看，國內目前醫院污水的處理過程中還存在較多問題：1）污水處理設施運行維護管理不到位，部分醫院未對設施設備進行定期維護；2）運維管理人員專業技術水平不足，多數未進行專業培訓，消毒藥劑的投加和使用不規范；3）隨著社會發展和就診人數的增加，現有的醫院污水處理工藝及設備性能等無法滿足日益增長的污水處理需求；4）傳統的醫院污水處理工藝無法對藥物類污染物進行有效的降解處理，抗生素、激素類藥物隨地下管網進入城市污水處理廠后進入自然水體，增大了新污染物污染風險。因此，現階段亟需對傳統的醫院污水工藝進行提標升級，確保污水處理設施的穩定運行。

3 醫院污水治理技術

國內外針對醫院污水處理常用技術與工藝包括常規生物處理技術、改良的生物處理技術、傳統物化處理技術及高級氧化工藝等。P.VERLICCHI等〔49〕梳理了近20年來各國常用的醫院污水處理技術，見表5。

表5 不同國家常用的醫院污水處理工藝Table 5 Hospital wastewater treatment process in different countries

3.1 常規生物處理技術

常規的生物處理技術如活性污泥法和膜生物反應器（MBR法），已廣泛用于醫院污水的處理。

3.1.1 活性污泥法

活性污泥法可以在好氧、兼氧或厭氧條件下運行，能有效降低污水中的有機污染物、SS和絮凝物，但在污染物有機負荷較高時，污泥活性可能受到抑制，導致該工藝對醫院污水中藥物及化學殘留物的去除效果差。

序批式活性污泥法（SBR）能夠處理高濃度的有機或有毒廢水，可用于有效處理醫院污水。M.POURAKBAR等〔50〕對存在SARS-CoV-2 RNA病毒的醫院污水經過不同技術處理后排放的生物氣溶膠進行研究，結果表明傳統活性污泥法表面曝氣釋放的生物氣溶膠中含有SARS-CoV-2 RNA病毒，可能會對污水處理廠的工作人員構成潛在健康威脅，而在SBR工藝釋放的生物氣溶膠中未檢測到該病毒，表明SBR工藝處理含病毒的醫院污水更為可靠。

3.1.2 MBR法

MBR法可同時實現污泥濃縮和泥水分離，有利于將病原微生物和污泥中的微生物截留在反應器內，同時延長難降解藥物的水力停留時間，提高出水水質。因此，采用MBR法處理醫院污水在全球范圍內廣泛應用。N.H.TRAN等〔51〕的研究中，MBR工藝對四環素類藥物的去除效果（70.1%～97.8%）比傳統活性污泥法（31.4%～93.9%）表現更優，且性能更加穩定。MBR技術可高效去除醫院污水中的抗生素、有機化合物及多種病原微生物，從而更好地保護環境和公眾健康〔52〕。

3.2 改良的生物處理技術

改良的生物處理技術主要是一些目前處于實驗室小試或中試階段的技術，包括改良的MBR技術和移動床生物膜反應器（MBBR法）。

3.2.1 改良的MBR法

雖然MBR法在處理醫院污水方面表現良好，但仍存在運行能耗高、膜組件造價高且易受污染等問題。李杏等〔53〕對北京某三甲醫院的污水處理系統采用“MBR工藝+紫外線消毒+次氯酸鈉消毒（備用）”進行升級改造，SS、COD、氨氮的去除率分別從62.7%、28.6%、27.3%提升至96.6%、91.7%、83.7%，出水水質好且穩定，但運行成本也顯著提高了72.6%。因此，有必要研發改良的MBR技術，以期在提高污水處理效率的同時降低膜污染程度和頻次。T.T.NGUYEN等〔54〕研究了一種浸沒式海綿-膜生物反應器（sponge-MBR）以提高膜組件的使用壽命，結果表明膜組件添加海綿介質可以有效減少低通量情況下因濾餅形成而引起的阻力，以及可溶性物質吸收造成膜的不可逆污染。

3.2.2 MBBR法

MBBR法是在生物膜法的基礎上進一步發展起來的。微生物依附在填料上但又以懸浮形態存在于水相中，通過獲得較高的生物量和較長的污泥齡，從而達到較高的污染物去除效率。G.T.H.OOI等〔55〕采用6個串聯的MBBR進行中試規模的醫院污水處理實驗，使污水中的藥物類污染物得到了有效去除。N.A.KHAN等〔56〕通過集成的MBBR技術處理醫院污水，其中布洛芬和氧氟沙星的去除率最高可達96%。因此，MBBR是一種高效、經濟且可靠的醫院污水處理技術。

3.3 傳統物化處理技術

3.3.1 活性炭吸附法

活性炭吸附劑應用廣泛，常用于污水的深度處理。D.SERRANO等〔57〕將粉末狀活性炭用于醫院污水深度處理，污水中卡馬西平、甲氧芐啶、雙氯芬酸、地西泮等藥物類污染物去除效果顯著提高。M.BOEHLER等〔58〕通過向生物處理池中投加粉末狀活性炭，取得了苯并三唑、卡馬西平、克拉霉素、布洛芬和雙氯芬酸等藥物污染物80%以上的去除率。

3.3.2 膜過濾法

膜過濾法是采用微孔膜對污染物進行攔截去除的一種方法，主要包括微濾、納濾和反滲透，攔截率基本能達到85%以上。V.YANGALI-QUINTANILLA等〔59〕研究發現，反滲透容易產生膜污染且能耗較高，而納濾則可在較低的壓力下去除醫院污水中的污染物質。有研究表明通過反滲透、超濾和微濾還可去除污水中的大量病毒（MS-2噬菌體、PRD-1噬菌體、MVM小鼠微小病毒、T4噬菌體、phi X174噬菌體等）〔60〕。然而，采用膜過濾法處理醫院污水將產生濃度更高的污染物殘余物，需經妥善處理處置以防給環境帶來更大的次生危害。

3.4 高級氧化技術

與傳統的如雙氧水、高錳酸鉀、次氯酸等氧化手段相比，高級氧化技術可通過產生自由基的強氧化性快速高效去除污水中的難降解藥物及代謝產物。常見的自由基包括羥基自由基（·OH）、硫酸根自由基（SO4·-）、超氧自由基（O2·-）等。如圖3所示，常見高級氧化技術包括光催化、UV輻射、Fenton、光催化/Fenton、非均相催化過硫酸鹽、電催化等。

圖3 常見高級氧化技術類型Fig.3 Types of advanced oxidation technologies

高級氧化技術與單純的萃取、膜過濾、活性炭吸附等技術相比更加環境友好，但也應注意氧化過程中可能產生的有毒中間副產物。

3.4.1 臭氧技術

臭氧技術已廣泛應用于大部分的歐洲國家醫院污水的深度處理過程。臭氧可通過與某些特定官能團相結合直接降解污染物，也可通過產生·OH間接氧化污染物（圖4）。Xiaoyu LIU等〔61〕研究發現新冠肺炎流行期間臭氧/過一硫酸鹽（O3/PMS）工藝能夠有效強化降解抗病毒藥物利巴韋林；同時比較不同的臭氧工藝發現，O3和PMS/O3系統產生的溴化有毒副產物高于H2O2/O3系統。劉行浩等〔62〕利用臭氧技術實現了對污水中氯霉素的完全去除（20 min），同時降低中間產物毒性。

圖4 臭氧降解藥物污染物機理Fig.4 Mechanism of the degradation of pharmaceutical pollutants by ozonation process

3.4.2 UV/H2O2

UV/H2O2是應用最為廣泛的高級氧化技術之一，對醫院污水中污染物去除效果顯著，其降解效率與廢水的渾濁度和堿度有關〔63〕。C.K?HLER等〔64〕將UV/H2O2置于MBR反應器前對醫院污水進行預處理，發現在低壓UV照射和1.11 g/L H2O2同時存在的條件下，可獲得對14種典型藥物污染物70%以上的去除率。

3.4.3 光催化/Fenton

在光照條件下，光催化/Fenton系統中的氧化反應可持續進行，因此氧化效率遠高于傳統Fenton系統（圖5）〔65〕。M.JARAMILLO-BAQUERO等〔66〕研 究了光催化/Fenton對污水中抗菌藥物阿奇霉素的去除，在較短的反應時間（30 min）內使阿奇霉素的去除率達到了92%。根據S.MIRALLES-CUEVAS等〔67〕的研究，與傳統臭氧技術處理污染物相比，光催化/Fenton更加經濟可行，還可用于處理膜濾后的高濃度污水。

圖5 Fenton工藝降解藥物污染物機理Fig.5 Mechanism of the degradation of pharmaceutical pollutants by Fenton process

3.4.4 電催化/臭氧技術

電催化/臭氧技術將電化學技術與臭氧耦合，可通過電解過程原位生成H2O2催化臭氧分解產生·OH，是提高自由基生成濃度并加速污染物降解的有效途徑。Yahan YU等〔68〕采用電催化/臭氧技術處理某三甲醫院實際污水，同步實現了醫院污水中病原微生物的高效滅活和110種藥物類污染物的有效去除，污染物去除率（93.9%）遠優于單獨臭氧（42.0%）或電解技術（27.6%）。

3.4.5 活化過硫酸鹽技術

過一硫酸鹽（PMS）經均相（Fe2+、Fe3+）或非均相（混合金屬氧化物、單金屬氧化物、零價鐵、活性炭等）的催化劑活化可產生具有強氧化性的活性自由基（·OH、SO4·-），高 效 快 速降解水 中 的 污 染 物。Zelin WU等〔69〕制備了一種基于沸石咪唑的磁性金屬有機骨架化合物Fe3O4@Zn/Co-ZIFs作為催化劑活化PMS，可實現持久性藥物污染物卡馬西平的高效降解。Xianhu LONG等〔70〕將電化學（EC）技術作為“助催化劑”構建的EC/Fe（Ⅲ）/PMS系統可增強PMS的活化，在較短的時間內（10 min）實現硝基苯、甲硝唑、苯甲酸、卡馬西平和磺胺甲唑的完全降解，同時顯示出對醫院污水中大腸桿菌等病原體的滅活能力。

3.5 醫院污水處理技術比較

上述各處理技術均存在一定優勢及不足。表6對各類醫院污水處理技術的優缺點及適用性進行了比較，為不同類型醫院的污水處理技術工藝選擇提供參考。

表6 醫院污水處理技術比較Table 7 Comparison of hospital wastewater treatment technologies

4 建議與展望

基于新型冠狀病毒肺炎大流行期間醫院污水大幅增長、新污染物處理亟待改善等問題，對醫院污水主要成分特征、處理現狀及現有的處理技術進行概述。通過總結發現，常見醫院污水處理技術在應用上均存在一定缺陷，而醫院污水成分復雜、難降解，是環境中許多新污染物的主要來源，難以通過一般生化處理技術有效去除。因此，對未來醫院污水防控體系建設提出以下幾點建議。

1）醫院污水成分復雜，含有大量病原微生物和難降解藥物類污染物，在新冠肺炎疫情反復的情況下，污水易成為傳播疫情的途徑。因此，應加快規范建設各級醫院的污水處理處置設施，提高對醫院污水的深度處理。

2）目前國內醫院普遍采用簡單的消毒處理或生化處理工藝，導致污水中病原微生物和抗生素等新污染物得不到有效處理，應加快研發一些高級氧化技術以實現醫院污水的同步消殺除污。

3）針對部分定點醫院、方艙醫院、臨時醫療機構等，還可推進研發一體化應急設備，為疫情期間的醫院污水應急處理處置做好技術儲備。