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一线经验告诉你火神山为何要选MBBR工艺

更新时间:2020-03-13 10:39 来源:给水排水 作者: 李传志、张帆等 阅读:462 网友评论0

李传志

1966年出生,硕士研究生学历,中信建筑设计研究总院副总工程师,给排水专业总工程师,教授级高级工程师。

主要研究方向:绿色建筑与可持续发展、建筑节水与非传统水资源利用、建筑安全设计与评估、太阳能光热利用、海绵城市设计、水污染防治与黑臭水体治理。

1 工程概况

武汉市为救治新型冠状病毒感染的肺炎患者,解决现有医疗资源不足而紧急建设了武汉火神山医院。武汉火神山医院选址位于知音湖畔,医院鸟瞰如图1。

图1 武汉火神山医院鸟瞰图

武汉火神山医院新建区规划用地面积约50000㎡,总建筑面积33940.76m²,总床位数1000床(其中ICU中心床位数为30床);由1号楼与2号楼组成,另包括配建的附属设施。

新建区全部为传染病院区,医护人员宿舍、生活区全部征用新建区旁边的武汉职工疗养院。疗养院的公用工程配套设施齐全,可以独立运行管理,与新建传染病院区的排水系统及水处理设施完全隔开。医疗设施建筑功能分区如图2。

室外氧气站房、负压吸引机房、垃圾暂存间、尸体暂存间及焚烧炉设于场地东南角。

武汉市冬季主导风向为东北风,夏季主导风向为东南风。根据项目总平面设计及建筑功能布置,污水处理站位于新建传染病院区的西南角,临湖而建。虽然知音湖并非武汉市的水源地,武汉火神山医院的设计、施工建设紧急,但运行管理不降标准,污水集中收集处理达标后,再排入市政管网,既不带来排水系统安全隐患,也不造成环境污染。

图2 武汉火神山医院医疗设施建筑功能分区图

医院附近并无污水处理厂,需要通过一体化泵站排入800m外的市政污水管道,再经由和黄泵站最终排入蔡甸区石洋污水处理厂,污水全程输送距离超过10km。

武汉火神山医院从2020年1月23日开始设计,2月3日前建成,历时10天,建设工期超短,且处于春节长假期间,能够采买到的设备和材料受到极大的限制,这其实在很大程度上也左右了污水处理工艺的选择。

2污水处理量与水质

按照《医院污水处理工程技术规范》HJ2029第4.2.1条要求,医院污水处理工程设计应采取实际检测的方法确定医院污水的污染负荷。医院污水排放量和水质取样检测应符合HJ/T91的技术要求。对10天内需要完成施工交付的武汉火神山医院来说,面对新型冠状病毒感染的肺炎传播速度快、蔓延范围广,武汉地区病患短时间内大量增加的疫情,迫切需要弥补武汉市原有的医疗设施不足。作为应急建设专门的医疗设施,必须立即投入使用。实际上是难于采取实际检测的方法确定医院污水的污染负荷,目前国内可类比的现有同等规模和性质的医院为北京小汤山医院二部,为建设规模1000床的功能齐全的定点SARS医院。

2.1 污水处理工程设计水量

从图2可以已看出,武汉火神山医院兴建院区全部为传染病区,其排水全部为病区排水,新建污水处理站不考虑医护生活区如医护人员宿舍、办公及生活等非病区排水。

减少新型冠状病毒(2019-nCoV)接触传播的主要措施就是需要做到及时洗手,做好手部卫生;按照武汉火神山医院基本流程,医护人员进入和退出路线上,均设置了淋浴清洗,避免将病毒带到清洁区。同时做好室内清洁,保持环境卫生整洁,减少室内环境污染,也需要及时用水清洗消毒。因此无论是按用水量确定污水处理设计水量,还是按日均污水量和变化系数确定污水处理设计水量,均应取上限值。武汉火神山医院作为应急建设的专门医疗设施,在新型冠状病毒感染的肺炎快速传播期间,需要大量收治重症病人;在疫情得到控制期间,收治的病人数量将会减少。因此不论是生活用水量的小时变化系数,还是污水日变化系数,均应取大值才合乎实际。保证武汉火神山医院污水处理设备具有足够的处理能力,才能满足应急医院在运行管理过程中的污染负荷处理需求,防止对周边地区带来新的传染源,确保足够的生物安全性。

(1)按用水量确定污水处理设计水量

按照《医院污水处理工程技术规范》HJ2029第4.2.2条,新建医院污水处理工程设计水量可按照医院用水总量的85%~95%确定,此系数主要是考虑污水的蒸发损失和管道渗漏。但是武汉火神山医院属于传染病医院,排水管道内的污水不能外渗和泄漏,污染区空调的冷凝水集中收集,并采用间接排水的方式进入医院污水排水系统,排到污水处理站统一处理。考虑武汉地区湿度较大,每日的空调凝结水量也不少,因此武汉火神山医院污水处理工程的设计水量按照医院用水总量的100%确定。医院住院部生活用水定额取400L/床·d,小时变化系数Kz1=2.5,医护人员生活用水定额取250L/人·班(每班6小时),小时变化系数Kz2=2.0,考虑每日急救车辆冲洗和消毒设施排水、医技楼排水及未预见水量,武汉火神山医院的日用水总量约为800m³/d,医院最高日污水量约为2000m³/d。

(2)按日均污水量和变化系数确定污水处理设计水量

按照《医院污水处理工程技术规范》HJ2029第4.2.2条,新建医院污水处理系统设计水量亦可按日均污水量和日变化系数的经验数据计算。武汉火神山医院属于编制床位数N>500床的设备齐全的大型医院,医院日均单位病床污水排放量取q=600L/床·d,污水日变化系数Kd=2.2。医院最高日污水量约为1320m³/d。考虑本文前述各项因素,确定污水处理设计水量为1500m³/d。

按照《医院污水处理工程技术规范》HJ2029第4.2.4条,医院污水处理工程设计水量应在实测或测算的基础上留有设计裕量,设计裕量宜取实测值或测算值的10%~20%。

按照《医院污水处理设计规范》CECS07:2004,第3.0.2条,医院的综合耗水量、小时变化系数与医院性质、规模、设备完善程度有关,应根据实测确定。当无实测资料时,武汉火神山医院的综合耗水量、小时变化系数可按设备比较齐全的大型医院(设备比较齐全的大型医院,系指建筑物内设有水冲大便器、洗涤盆、沐浴设备和热水供应,病床数为300张以上的医院))计算,日耗水量为650~800L/床·d;小时变化系数K=2.0~2.2。医院最高日污水量约为1960m³/d。

综上分析,权衡按用水量确定污水处理设计水量与按日均污水量和变化系数确定污水处理设计水量,武汉火神山医院最高日污水量取值1960m³/d。

2.2 污水处理工程设计进水水质

武汉火神山医院的病区排水水质除了含有世界卫生组织命名的新型冠状病毒(2019-nCoV)外,设计水质可参考《医院污水处理工程技术规范》HJ2029第4.2.2条表1的经验数据以及同类医院污水水质经验数据,病区污水水质指标如下表1。

表1 污水水质指标表

污水处理设置了预消毒工艺,并设置在化粪池前。由于采用了预消毒工艺,污水处理站的进站水质指标与病区污水排水水质指标有差异,期中pH≤6.0,化学需氧量(CODCr)、生化需氧量(BOD5)、悬浮物(SS)、氨氮(NH3-N)及粪大肠杆菌均小于表1污水水质指标,新型冠状病毒(2019-nCoV)应完成灭活。另进入污水处理站的污水含有余氯,以游离氯计,余氯量大于6.5mg/L。

2.3 污水处理工程设计出水水质

武汉火神山医院属于新型冠状病毒感染的肺炎传染病医院,按照《传染病医院建筑设计规范》GB50849第6.4.1条,传染病医院污水处理后的水质,应符合现行国家标准《医疗机构水污染物排放标准》GB18466的有关规定。《医疗机构水污染物排放标准》GB18466第4.1.1条规定,传染病医疗机构污水排放一律执行表1的规定。污水处理工程设计出水水污染物排放限值(日均值)如表2。

表2 污水处理工程设计出水水污染物排放限值(日均值)

武汉火神山医院建成即投入使用,大量收治重症病人。培养二级生化处理工艺的微生物般要1个月的时间,生化处理调试运行周期过长,实际上,建成后即要求采用二级生化处理工艺运行是不符合医院立即投入使用要求的。因此在医院运行的前期,短时间内将按预消毒+化粪池+消毒的处理工艺流程运行,以充分满足《医疗机构水污染物排放标准》GB18466表1中生物安全指标要求,粪大肠菌群数<100个/L,肠道致病菌、肠道病毒、结核杆菌不得检出,另外增加新型冠状病毒(2019-nCoV)不得检出的要求。污水处理站尾水按pH=6-9,消毒接触池出口总余氯6.5~10 mg/L控制含氯消毒剂投加量。表2中的第7~25项指标,将不作为主要控制值要求,可满足生态环境部《关于做好新型冠状病毒感染的肺炎疫情医疗污水和城镇污水监管工作的通知》环办水体函〔2020〕52号的要求。

在武汉火神山医院运行的后期,通过运行调试,培养二级生化处理工艺的微生物,来满足现行国家标准《传染病医院建筑设计规范》GB50849采用二级生化处理后再排人城市污水管道的要求,实现《医疗机构水污染物排放标准》GB18466表1中有关传染病医疗机构水污染物排放限值要求。最终表2污水处理工程设计出水水污染物排放限值(日均值)中,第1~25项指标均满足标准值要求。

3污水处理工程工艺

武汉火神山医院病区污水,除了含有新型冠状病毒(2019-nCoV)外,病区排水水质与一般医院污水的污染负荷相当,由于医护进出流线上使用较多的淋浴用水,相应的污染负荷浓度比一般医院污水要低,但新型冠状病毒致病力强,传染性高,传播方式包括空气飞沫传播、气溶胶传播、接触传播及可能的粪口传播。新型冠状病毒是一种新的病原体,对病毒传播机制和疾病严重程度的认识还在不断深入,防控工作仍面临严峻挑战。

3.1 污水处理工程工艺选择原则

污水处理工程工艺选择除了考虑医院规模、污水水量、污染负荷及进出水质外,新型冠状病毒的强致病力及高传染性也是武汉火神山医院必须重视的关键因素,除此以外,还需要兼顾以下影响因素。

(1)传染病医院水污染物排放的规范标准要求

武汉火神山医院属于传染病医院,涉及的现行国家规范标准主要包括《传染病医院建筑设计规范》GB50849、《医疗机构水污染物排放标准》GB18466、《医院污水处理工程技术规范》HJ2029与《医院污水处理设计规范》CECS07:2004等。

武汉火神山医院最高日污水量约为2000m³/d,医院附近并无污水处理厂,污水需经院区污水处理站处理后,通过一体化污水提升泵站排入距污水处理站800m外的市政污水管道,再经由和黄泵站最终排入蔡甸区石洋污水处理厂,污水输送全程超过10km。根据现行国家标准《传染病医院建筑设计规范》GB50849,病区污水采用二级生化处理后再排人城市污水管道,武汉火神山医院污水必须采用二级处理,并需设置预消毒工艺。

(2)超短建设工期与设备材料采购

武汉火神山医院项目要求在10天内完成施工交付,在春节长假期间内超短工期建成,能采购到并可以在武汉及时交货的设备材料受到极大的限制,这其实在很大程度上也影响了污水处理工艺的选择。

(3)污水处理站选址及用地面积局促限制

从图1武汉火神山医院鸟瞰图及图2武汉火神山医院医疗设施建筑功能分区图可以看出,项目选址及用地对污水处理工艺选择的重要影响。武汉市冬季主导风向为东北风,夏季主导风向为东南风。在新建区布置了医疗设施后,根据项目总平面设计及建筑功能布置,项目建设用地已经用完,医院污水处理站只能在项目用地之外选址。可供选择的地块只有武汉职工疗养院西南角临湖的约900㎡的不规整用地,因此污水处理站只能布置在新建传染病院区的西南角,受用地面积局促的影响较大。

(4)污水处理站污泥处置与废气处理量

武汉火神山医院作为新型冠状病毒感染的肺炎传染病医院,由于新型冠状病毒感染的肺炎传染的途径不确定,传染速度快、短期蔓延范围广。污水处理站污泥需要就地焚烧,即使病区污水经过了预消毒处理,大量病例表明,新型冠状病毒可能通过排污或通风系统污染环境。因此污水处理池均需要密闭,尾气需要统一收集消毒处理后排放。排放废气过多的生物处理工艺,将带来尾气消毒处理的难度。

3.2 污水处理工程工艺比选

传染病医院污水的二级处理工艺流程一般为“调节池→生物氧化→接触消毒”。医院污水通过化粪池进入调节池。调节池前部设置自动格栅。调节池内设提升水泵,污水经提升后进入好氧池进行生物处理,好氧池出水进入接触池消毒,出水达标排放。常用医院污水生物处理工艺流程如图3。

图3 常用医院污水生物处理工艺流程图

一般传染病医院的医疗污水和粪便分别收集。生活污水直接进入预消毒池处理后进入调节池,病人的粪便应先独立消毒后,通过排水道进入化粪池或单独处理。但武汉火神山医院属于新型冠状病毒感染的肺炎传染病医院,而新型冠状病毒传染的途径至今仍未完全清楚,防控工作仍面临严峻挑战。目前病区除了粪便污水外,其它的污水是否也会造成病毒在医疗设施内感染,或对周边地区造成感染,缺少科学实验证据支持。因此为了生物安全起见,武汉火神山医院病区粪便污水和其它污水均经过预消毒池进行消毒处理,通过化粪池停留36h后,再进入调节池。

医院污水生物处理工艺主要有活性污泥法、生物接触氧化法、膜生物反应器、曝气生物滤池。

传统活性污泥法适用于800床以上水量较大的医院污水处理工程,对污水水质的适应性强,建设费用较低,但生物处理污水停留时间较长,工艺设施占地面积较大,会产生大量的活性污泥,同时,曝气量大也易导致新型冠状病毒对空气造成污染。武汉火神山医院污水处理工程可用地面积小,位于医院主出入口,且濒临知音湖,因此传统活性污泥法的这些工艺特点,正是武汉火神山医院污水处理工程设计条件不具备,或者应该避免的。传统活性污泥法不能作为备选工艺。

曝气生物滤池虽然出水水质好,抗冲击负荷能力强,容积负荷高于常规处理工艺,占地面积通常为常规工艺的1/3~1/5。但需进行反冲洗,反冲水量较大,且运行方式复杂,其工艺特点也不适用于武汉火神山医院含新型冠状病毒污水处理工程备选工艺。

武汉火神山医院污水处理工程工艺将从生物接触氧化法、膜生物反应器类工艺中进行比选,如下表3。

表3 武汉火神山医院污水处理工程工艺比选表

(1)方案一、生物接触氧化

接触氧化工艺具有效率高、流程简单,投资省,操作费用低,耐负荷冲击能力强的特点。但污水处理站受用地面积的严重制约,只能选择容积负荷更高的工艺。

(2)方案二、MBR生物反应器

MBR污水处理工艺虽然系统设备简单,占地空间小,系统微生物质量浓度高、容积负荷高。但MBR中MLSS浓度非常高,要保持足够的传氧速率,必须加大曝气强度,对武汉火神山医院这类新型冠状病毒感染的肺炎传染病医院来说,过多的处理站尾气排放,将带来更大的尾气消毒处理量,显然,这不是呼吸道烈性传染病医院污水处理工艺的最优选择。

(3)方案三、MBBR移动床生物膜反应器

MBBR移动床生物膜反应器的工艺原理是通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体,提高反应器中的生物量及生物种类,从而提高反应器的处理效率。由于填料密度接近于水,所以在曝气的时候,与水呈完全混合状态,微生物生长的环境为气、液、固三相。由于载体在水中的碰撞和剪切作用,使得空气气泡更加细小,增加了氧气的利用率。另外,每个载体内外均具有不同的生物种类,内部生长一些厌氧菌或兼氧菌,外部为好养菌,这样每个载体都成为一个微型反应器,使硝化反应和反硝化反应同时存在,从而提高了处理效果。MBBR工艺兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优点,是一种新型高效的污水处理方法。依靠曝气和水流的提升作用,使得载体总是处于流化状态,进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜,这就使得移动床生物膜使用了整个反应器空间,充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性,使之扬长避短,相互补充。与A/O法的填料不同的是,悬浮填料能与污水频繁接触。MBBR的主要特点是处理负荷高、氧化池容积小,降低了基建投资;不需要反冲洗设备,减少了设备投资;操作简便,降低了污水的运行成本;MBBR工艺污泥产率低,降低了污泥处置费用;MBBR工艺中不需要填料支架,可直接投加填料,节省了安装时间和费用。

综上,武汉火神山医院污水处理工艺选择除了需要考虑污水处理工艺本身的特点外,还需要考虑设备材料采购、用地、选址等因素的影响。经过分析比较和建设工期权衡,最终选择方案三MBBR移动床生物膜反应器工艺作为应急医院污水处理的生化处理工艺,其工艺流程如图4。

图4 武汉火神山医院污水生物处理工艺流程图

实际上,武汉火神山医院西侧知音湖大道上的市政污水排水管道不能接纳医院污水处理站排水,附近并无污水处理厂,因此根据规范应采用二级生化处理工艺来处理医院病区污水,即使知音湖并非武汉市的水源地,污水处理站尾水也不能直接或间接排人知音湖。但作为应急医院,建设工期10天,建成后即投入使用,采用生化处理工艺,一是建设周期长,二是培养二级生化处理工艺的微生物一般要1个月左右的时间[2],因此医院初期运行时采用二级生化工艺是不现实的,不能满足医院病区立即投入使用的要求。考虑到武汉地区病患短时间内大量增加,作为应急建设的专门医疗设施,必须立即投入使用,因此医院投入使用的前期,污水处理工艺只能采用两级消毒处理工艺,并通过紧急铺设的排水道,把两级接触消毒处理后的医院污水引到城市污水处理厂进一步处理,优先满足卫生防疫的要求,肠道致病菌、肠道病毒、结核杆菌及新型冠状病毒(2019-nCoV)不得检出。武汉火神山医院运行初期不能实施二级生化处理工艺时,暂按预消毒+化粪池+消毒的处理工艺流程运行。医院污水应急消毒处理工艺流程如图5。

图5 武汉火神山医院污水应急消毒处理工艺流程图

实际上,武汉火神山医院西侧知音湖大道上的市政污水排水管道不能接纳医院污水处理站排水,附近并无污水处理厂,因此根据规范应采用二级生化处理工艺来处理医院病区污水,即使知音湖并非武汉市的水源地,污水处理站尾水也不能直接或间接排人知音湖。但作为应急医院,建设工期10天,建成后即投入使用,采用生化处理工艺,一是建设周期长,二是培养二级生化处理工艺的微生物一般要1个月左右的时间,因此医院初期运行时采用二级生化工艺是不现实的,不能满足医院病区立即投入使用的要求。考虑到武汉地区病患短时间内大量增加,作为应急建设的专门医疗设施,必须立即投入使用,因此医院投入使用的前期,污水处理工艺只能采用两级消毒处理工艺,并通过紧急铺设的排水道,把两级接触消毒处理后的医院污水引到城市污水处理厂进一步处理,优先满足卫生防疫的要求,肠道致病菌、肠道病毒、结核杆菌及新型冠状病毒(2019-nCoV)不得检出。武汉火神山医院运行初期不能实施二级生化处理工艺时,暂按预消毒+化粪池+消毒的处理工艺流程运行。医院污水应急消毒处理工艺流程如图5。

虽然预消毒工艺投加了较多的含氯消毒剂,将会给后续污水处理站的生化处理带来不利影响。但采用臭氧消毒,污水悬浮物浓度应小于20mg/L,然而预消毒池进水悬浮物浓度为≤120mg/L,所以预消毒没有选择臭氧消毒剂。

另一方面,考虑到在本次新型冠状病毒感染的肺炎传染病疫情过后,武汉火神山医院仍然可作为呼吸道烈性传染病以外的其它传染病医院继续使用的可能性,以保证这部分投资效益的最大化。

4 结语

武汉火神山医院病区污水处理构筑物按两组并联设计。每组处理规模为40m³/h,两组并联设计处理水量为80m³/h,最高日污水处理量为1920m³/d。在医院运行初期不能实施二级生化处理工艺,暂按预消毒+化粪池+消毒的处理工艺流程运行,按照污水处理从预消毒工艺开始,至污水处理站消毒结束,工艺全流程的水力停留时间不小于2d计,消毒处理工艺的最高日污水处理水量可达2500m³/d;当新型冠状病毒感染的肺炎传染病疫情稳定,二级生化处理工艺的微生物驯化培养完成时,则采用预消毒+二级处理+消毒工艺,两组并联全流程运行,设计处理水量为80m³/h,最高日污水处理量为1920m3/d;在肺炎传染病疫情后期,病区入住病人减少,相应排出的污水量也将减少,当医院病区污水量不足以支撑污水处理构筑物按两组并联运行时,可按一组污水处理构筑物运行,最高日污水处理规模为960m³/d。当武汉火神山医院采用预消毒+二级处理+消毒工艺运行时,由于预消毒工艺的存在,将病区污水中易于生化处理的有机物化学氧化了,在二级处理工艺运行时,还需要投加部分碳源,以加快二级生化处理工艺微生物的驯化培养,提早实现按二级生化处理工艺运行;在生物处理工艺稳定运行期间,需要根据预消毒污水的余氯量,调整碳源投加量,并可在调节池内增加脱氯工艺,以维持二级生化处理工艺的正常运行。

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