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給水排水 |一線經驗告訴你火神山為何要選MBBR工藝

日期:2020-03-20  




1 工程概況


武漢市為救治新型冠狀病毒感染的肺炎患者,解決現有醫療資源不足而緊急建設了武漢火神山醫院。武漢火神山醫院選址位于知音湖畔,醫院鳥瞰如圖1。


圖1 武漢火神山醫院鳥瞰圖


武漢火神山醫院新建區規劃用地面積約50000㎡,總建筑面積33940.76㎡,總床位數1000床(其中ICU中心床位數為30床);由1號樓與2號樓組成,另包括配建的附屬設施。


新建區全部為傳染病院區,醫護人員宿舍、生活區全部征用新建區旁邊的武漢職工療養院。療養院的公用工程配套設施齊全,可以獨立運行管理,與新建傳染病院區的排水系統及水處理設施完全隔開。醫療設施建筑功能分區如圖2。

室外氧氣站房、負壓吸引機房、垃圾暫存間、尸體暫存間及焚燒爐設于場地東南角。


武漢市冬季主導風向為東北風,夏季主導風向為東南風。根據項目總平面設計及建筑功能布置,污水處理站位于新建傳染病院區的西南角,臨湖而建。雖然知音湖并非武漢市的水源地,武漢火神山醫院的設計、施工建設緊急,但運行管理不降標準,污水集中收集處理達標后,再排入市政管網,既不帶來排水系統安全隱患,也不造成環境污染。


圖2 武漢火神山醫院醫療設施建筑功能分區圖


醫院附近并無污水處理廠,需要通過一體化泵站排入800m外的市政污水管道,再經由和黃泵站最終排入蔡甸區石洋污水處理廠,污水全程輸送距離超過10km。

武漢火神山醫院從2020年1月23日開始設計,2月3日前建成,歷時10天,建設工期超短,且處于春節長假期間,能夠采買到的設備和材料受到極大的限制,這其實在很大程度上也左右了污水處理工藝的選擇。



2 污水處理量與水質


按照《醫院污水處理工程技術規范》HJ2029第4.2.1條要求,醫院污水處理工程設計應采取實際檢測的方法確定醫院污水的污染負荷。醫院污水排放量和水質取樣檢測應符合HJ/T91的技術要求。對10天內需要完成施工交付的武漢火神山醫院來說,面對新型冠狀病毒感染的肺炎傳播速度快、蔓延范圍廣,武漢地區病患短時間內大量增加的疫情,迫切需要彌補武漢市原有的醫療設施不足。作為應急建設專門的醫療設施,必須立即投入使用。實際上是難于采取實際檢測的方法確定醫院污水的污染負荷,目前國內可類比的現有同等規模和性質的醫院為北京小湯山醫院二部,為建設規模1000床的功能齊全的定點SARS醫院。


2.1 污水處理工程設計水量

從圖2可以已看出,武漢火神山醫院興建院區全部為傳染病區,其排水全部為病區排水,新建污水處理站不考慮醫護生活區如醫護人員宿舍、辦公及生活等非病區排水。


減少新型冠狀病毒(2019-nCoV)接觸傳播的主要措施就是需要做到及時洗手,做好手部衛生;按照武漢火神山醫院基本流程,醫護人員進入和退出路線上,均設置了淋浴清洗,避免將病毒帶到清潔區。同時做好室內清潔,保持環境衛生整潔,減少室內環境污染,也需要及時用水清洗消毒。因此無論是按用水量確定污水處理設計水量,還是按日均污水量和變化系數確定污水處理設計水量,均應取上限值。武漢火神山醫院作為應急建設的專門醫療設施,在新型冠狀病毒感染的肺炎快速傳播期間,需要大量收治重癥病人;在疫情得到控制期間,收治的病人數量將會減少。因此不論是生活用水量的小時變化系數,還是污水日變化系數,均應取大值才合乎實際。保證武漢火神山醫院污水處理設備具有足夠的處理能力,才能滿足應急醫院在運行管理過程中的污染負荷處理需求,防止對周邊地區帶來新的傳染源,確保足夠的生物安全性。


(1)按用水量確定污水處理設計水量

按照《醫院污水處理工程技術規范》HJ2029第4.2.2條,新建醫院污水處理工程設計水量可按照醫院用水總量的85%~95%確定,此系數主要是考慮污水的蒸發損失和管道滲漏。但是武漢火神山醫院屬于傳染病醫院,排水管道內的污水不能外滲和泄漏,污染區空調的冷凝水集中收集,并采用間接排水的方式進入醫院污水排水系統,排到污水處理站統一處理??紤]武漢地區濕度較大,每日的空調凝結水量也不少,因此武漢火神山醫院污水處理工程的設計水量按照醫院用水總量的100%確定。醫院住院部生活用水定額取400L/床·d,小時變化系數Kz1=2.5,醫護人員生活用水定額取250L/人·班(每班6小時),小時變化系數Kz2=2.0,考慮每日急救車輛沖洗和消毒設施排水、醫技樓排水及未預見水量,武漢火神山醫院的日用水總量約為800m3/d,醫院最高日污水量約為2000m3/d。


(2)按日均污水量和變化系數確定污水處理設計水量

按照《醫院污水處理工程技術規范》HJ2029第4.2.2條,新建醫院污水處理系統設計水量亦可按日均污水量和日變化系數的經驗數據計算。武漢火神山醫院屬于編制床位數N>500床的設備齊全的大型醫院,醫院日均單位病床污水排放量取q=600L/床·d,污水日變化系數Kd=2.2。醫院最高日污水量約為1320m3/d??紤]本文前述各項因素,確定污水處理設計水量為1500m3/d。


按照《醫院污水處理工程技術規范》HJ2029第4.2.4條,醫院污水處理工程設計水量應在實測或測算的基礎上留有設計裕量,設計裕量宜取實測值或測算值的10%~20%。


按照《醫院污水處理設計規范》CECS07:2004,第3.0.2條,醫院的綜合耗水量、小時變化系數與醫院性質、規模、設備完善程度有關,應根據實測確定。當無實測資料時,武漢火神山醫院的綜合耗水量、小時變化系數可按設備比較齊全的大型醫院(設備比較齊全的大型醫院,系指建筑物內設有水沖大便器、洗滌盆、沐浴設備和熱水供應,病床數為300張以上的醫院))計算,日耗水量為650~800L/床·d;小時變化系數K=2.0~2.2。醫院最高日污水量約為1960m3/d。


綜上分析,權衡按用水量確定污水處理設計水量與按日均污水量和變化系數確定污水處理設計水量,武漢火神山醫院最高日污水量取值1960m3/d。


2.2 污水處理工程設計進水水質

武漢火神山醫院的病區排水水質除了含有世界衛生組織命名的新型冠狀病毒(2019-nCoV)外,設計水質可參考《醫院污水處理工程技術規范》HJ2029第4.2.2條表1的經驗數據以及同類醫院污水水質經驗數據,病區污水水質指標如下表1。


表1 污水水質指標表


污水處理設置了預消毒工藝,并設置在化糞池前。由于采用了預消毒工藝,污水處理站的進站水質指標與病區污水排水水質指標有差異,期中pH≤6.0,化學需氧量(CODCr)、生化需氧量(BOD5)、懸浮物(SS)、氨氮(NH3-N)及糞大腸桿菌均小于表1污水水質指標,新型冠狀病毒(2019-nCoV)應完成滅活。另進入污水處理站的污水含有余氯,以游離氯計,余氯量大于6.5mg/L。


2.3 污水處理工程設計出水水質

武漢火神山醫院屬于新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病醫院,按照《傳染病醫院建筑設計規范》GB50849第6.4.1條,傳染病醫院污水處理后的水質,應符合現行國家標準《醫療機構水污染物排放標準》GB18466的有關規定?!夺t療機構水污染物排放標準》GB18466第4.1.1條規定,傳染病醫療機構污水排放一律執行表1的規定。污水處理工程設計出水水污染物排放限值(日均值)如表2。


表2 污水處理工程設計出水水污染物排放限值(日均值)


武漢火神山醫院建成即投入使用,大量收治重癥病人。培養二級生化處理工藝的微生物般要1個月的時間,生化處理調試運行周期過長,實際上,建成后即要求采用二級生化處理工藝運行是不符合醫院立即投入使用要求的。因此在醫院運行的前期,短時間內將按預消毒+化糞池+消毒的處理工藝流程運行,以充分滿足《醫療機構水污染物排放標準》GB18466表1中生物安全指標要求,糞大腸菌群數<100個/L,腸道致病菌、腸道病毒、結核桿菌不得檢出,另外增加新型冠狀病毒(2019-nCoV)不得檢出的要求。污水處理站尾水按pH=6-9,消毒接觸池出口總余氯6.5~10 mg/L控制含氯消毒劑投加量。表2中的第7~25項指標,將不作為主要控制值要求,可滿足生態環境部《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》環辦水體函〔2020〕52號的要求。


在武漢火神山醫院運行的后期,通過運行調試,培養二級生化處理工藝的微生物,來滿足現行國家標準《傳染病醫院建筑設計規范》GB50849采用二級生化處理后再排人城市污水管道的要求,實現《醫療機構水污染物排放標準》GB18466表1中有關傳染病醫療機構水污染物排放限值要求。最終表2污水處理工程設計出水水污染物排放限值(日均值)中,第1~25項指標均滿足標準值要求。





3 污水處理工程工藝


武漢火神山醫院病區污水,除了含有新型冠狀病毒(2019-nCoV)外,病區排水水質與一般醫院污水的污染負荷相當,由于醫護進出流線上使用較多的淋浴用水,相應的污染負荷濃度比一般醫院污水要低,但新型冠狀病毒致病力強,傳染性高,傳播方式包括空氣飛沫傳播、氣溶膠傳播、接觸傳播及可能的糞口傳播。新型冠狀病毒是一種新的病原體,對病毒傳播機制和疾病嚴重程度的認識還在不斷深入,防控工作仍面臨嚴峻挑戰。


3.1 污水處理工程工藝選擇原則

污水處理工程工藝選擇除了考慮醫院規模、污水水量、污染負荷及進出水質外,新型冠狀病毒的強致病力及高傳染性也是武漢火神山醫院必須重視的關鍵因素,除此以外,還需要兼顧以下影響因素。


(1)傳染病醫院水污染物排放的規范標準要求

武漢火神山醫院屬于傳染病醫院,涉及的現行國家規范標準主要包括《傳染病醫院建筑設計規范》GB50849、《醫療機構水污染物排放標準》GB18466、《醫院污水處理工程技術規范》HJ2029與《醫院污水處理設計規范》CECS07:2004等。


武漢火神山醫院最高日污水量約為2000m3/d,醫院附近并無污水處理廠,污水需經院區污水處理站處理后,通過一體化污水提升泵站排入距污水處理站800m外的市政污水管道,再經由和黃泵站最終排入蔡甸區石洋污水處理廠,污水輸送全程超過10km。根據現行國家標準《傳染病醫院建筑設計規范》GB50849,病區污水采用二級生化處理后再排人城市污水管道,武漢火神山醫院污水必須采用二級處理,并需設置預消毒工藝。


(2)超短建設工期與設備材料采購

武漢火神山醫院項目要求在10天內完成施工交付,在春節長假期間內超短工期建成,能采購到并可以在武漢及時交貨的設備材料受到極大的限制,這其實在很大程度上也影響了污水處理工藝的選擇。


(3)污水處理站選址及用地面積局促限制

從圖1武漢火神山醫院鳥瞰圖及圖2武漢火神山醫院醫療設施建筑功能分區圖可以看出,項目選址及用地對污水處理工藝選擇的重要影響。武漢市冬季主導風向為東北風,夏季主導風向為東南風。在新建區布置了醫療設施后,根據項目總平面設計及建筑功能布置,項目建設用地已經用完,醫院污水處理站只能在項目用地之外選址??晒┻x擇的地塊只有武漢職工療養院西南角臨湖的約900㎡的不規整用地,因此污水處理站只能布置在新建傳染病院區的西南角,受用地面積局促的影響較大。


(4)污水處理站污泥處置與廢氣處理量

武漢火神山醫院作為新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病醫院,由于新型冠狀病毒感染的肺炎傳染的途徑不確定,傳染速度快、短期蔓延范圍廣。污水處理站污泥需要就地焚燒,即使病區污水經過了預消毒處理,大量病例表明,新型冠狀病毒可能通過排污或通風系統污染環境。因此污水處理池均需要密閉,尾氣需要統一收集消毒處理后排放。排放廢氣過多的生物處理工藝,將帶來尾氣消毒處理的難度。


3.2 污水處理工程工藝比選

傳染病醫院污水的二級處理工藝流程一般為“調節池→生物氧化→接觸消毒”。醫院污水通過化糞池進入調節池。調節池前部設置自動格柵。調節池內設提升水泵,污水經提升后進入好氧池進行生物處理,好氧池出水進入接觸池消毒,出水達標排放。常用醫院污水生物處理工藝流程如圖3。



圖3 常用醫院污水生物處理工藝流程圖


一般傳染病醫院的醫療污水和糞便分別收集。生活污水直接進入預消毒池處理后進入調節池,病人的糞便應先獨立消毒后,通過排水道進入化糞池或單獨處理。但武漢火神山醫院屬于新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病醫院,而新型冠狀病毒傳染的途徑至今仍未完全清楚,防控工作仍面臨嚴峻挑戰。目前病區除了糞便污水外,其它的污水是否也會造成病毒在醫療設施內感染,或對周邊地區造成感染,缺少科學實驗證據支持。因此為了生物安全起見,武漢火神山醫院病區糞便污水和其它污水均經過預消毒池進行消毒處理,通過化糞池停留36h后,再進入調節池。


醫院污水生物處理工藝主要有活性污泥法、生物接觸氧化法、膜生物反應器、曝氣生物濾池。


傳統活性污泥法適用于800床以上水量較大的醫院污水處理工程,對污水水質的適應性強,建設費用較低,但生物處理污水停留時間較長,工藝設施占地面積較大,會產生大量的活性污泥,同時,曝氣量大也易導致新型冠狀病毒對空氣造成污染。武漢火神山醫院污水處理工程可用地面積小,位于醫院主出入口,且瀕臨知音湖,因此傳統活性污泥法的這些工藝特點,正是武漢火神山醫院污水處理工程設計條件不具備,或者應該避免的。傳統活性污泥法不能作為備選工藝。


曝氣生物濾池雖然出水水質好,抗沖擊負荷能力強,容積負荷高于常規處理工藝,占地面積通常為常規工藝的1/3~1/5。但需進行反沖洗,反沖水量較大,且運行方式復雜,其工藝特點也不適用于武漢火神山醫院含新型冠狀病毒污水處理工程備選工藝。


武漢火神山醫院污水處理工程工藝將從生物接觸氧化法、膜生物反應器類工藝中進行比選,如下表3。


3 武漢火神山醫院污水處理工程工藝比選表


(1)方案一、生物接觸氧化

接觸氧化工藝具有效率高、流程簡單,投資省,操作費用低,耐負荷沖擊能力強的特點。但污水處理站受用地面積的嚴重制約,只能選擇容積負荷更高的工藝。


(2)方案二、MBR生物反應器

MBR污水處理工藝雖然系統設備簡單,占地空間小,系統微生物質量濃度高、容積負荷高。但MBR中MLSS濃度非常高,要保持足夠的傳氧速率,必須加大曝氣強度,對武漢火神山醫院這類新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病醫院來說,過多的處理站尾氣排放,將帶來更大的尾氣消毒處理量,顯然,這不是呼吸道烈性傳染病醫院污水處理工藝的最優選擇。


(3)方案三、MBBR移動床生物膜反應器

MBBR移動床生物膜反應器的工藝原理是通過向反應器中投加一定數量的懸浮載體,提高反應器中的生物量及生物種類,從而提高反應器的處理效率。由于填料密度接近于水,所以在曝氣的時候,與水呈完全混合狀態,微生物生長的環境為氣、液、固三相。由于載體在水中的碰撞和剪切作用,使得空氣氣泡更加細小,增加了氧氣的利用率。另外,每個載體內外均具有不同的生物種類,內部生長一些厭氧菌或兼氧菌,外部為好養菌,這樣每個載體都成為一個微型反應器,使硝化反應和反硝化反應同時存在,從而提高了處理效果。MBBR工藝兼具傳統流化床和生物接觸氧化法兩者的優點,是一種新型高效的污水處理方法。依靠曝氣和水流的提升作用,使得載體總是處于流化狀態,進而形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜,這就使得移動床生物膜使用了整個反應器空間,充分發揮附著相和懸浮相生物兩者的優越性,使之揚長避短,相互補充。與A/O法的填料不同的是,懸浮填料能與污水頻繁接觸。MBBR的主要特點是處理負荷高、氧化池容積小,降低了基建投資;不需要反沖洗設備,減少了設備投資;操作簡便,降低了污水的運行成本;MBBR工藝污泥產率低,降低了污泥處置費用;MBBR工藝中不需要填料支架,可直接投加填料,節省了安裝時間和費用。


綜上,武漢火神山醫院污水處理工藝選擇除了需要考慮污水處理工藝本身的特點外,還需要考慮設備材料采購、用地、選址等因素的影響。經過分析比較和建設工期權衡,最終選擇方案三MBBR移動床生物膜反應器工藝作為應急醫院污水處理的生化處理工藝,其工藝流程如圖4。


圖4 武漢火神山醫院污水生物處理工藝流程圖


實際上,武漢火神山醫院西側知音湖大道上的市政污水排水管道不能接納醫院污水處理站排水,附近并無污水處理廠,因此根據規范應采用二級生化處理工藝來處理醫院病區污水,即使知音湖并非武漢市的水源地,污水處理站尾水也不能直接或間接排人知音湖。但作為應急醫院,建設工期10天,建成后即投入使用,采用生化處理工藝,一是建設周期長,二是培養二級生化處理工藝的微生物一般要1個月左右的時間[2],因此醫院初期運行時采用二級生化工藝是不現實的,不能滿足醫院病區立即投入使用的要求??紤]到武漢地區病患短時間內大量增加,作為應急建設的專門醫療設施,必須立即投入使用,因此醫院投入使用的前期,污水處理工藝只能采用兩級消毒處理工藝,并通過緊急鋪設的排水道,把兩級接觸消毒處理后的醫院污水引到城市污水處理廠進一步處理,優先滿足衛生防疫的要求,腸道致病菌、腸道病毒、結核桿菌及新型冠狀病毒(2019-nCoV)不得檢出。武漢火神山醫院運行初期不能實施二級生化處理工藝時,暫按預消毒+化糞池+消毒的處理工藝流程運行。醫院污水應急消毒處理工藝流程如圖5。


圖5 武漢火神山醫院污水應急消毒處理工藝流程圖


實際上,武漢火神山醫院西側知音湖大道上的市政污水排水管道不能接納醫院污水處理站排水,附近并無污水處理廠,因此根據規范應采用二級生化處理工藝來處理醫院病區污水,即使知音湖并非武漢市的水源地,污水處理站尾水也不能直接或間接排人知音湖。但作為應急醫院,建設工期10天,建成后即投入使用,采用生化處理工藝,一是建設周期長,二是培養二級生化處理工藝的微生物一般要1個月左右的時間,因此醫院初期運行時采用二級生化工藝是不現實的,不能滿足醫院病區立即投入使用的要求??紤]到武漢地區病患短時間內大量增加,作為應急建設的專門醫療設施,必須立即投入使用,因此醫院投入使用的前期,污水處理工藝只能采用兩級消毒處理工藝,并通過緊急鋪設的排水道,把兩級接觸消毒處理后的醫院污水引到城市污水處理廠進一步處理,優先滿足衛生防疫的要求,腸道致病菌、腸道病毒、結核桿菌及新型冠狀病毒(2019-nCoV)不得檢出。武漢火神山醫院運行初期不能實施二級生化處理工藝時,暫按預消毒+化糞池+消毒的處理工藝流程運行。醫院污水應急消毒處理工藝流程如圖5。


雖然預消毒工藝投加了較多的含氯消毒劑,將會給后續污水處理站的生化處理帶來不利影響。但采用臭氧消毒,污水懸浮物濃度應小于20mg/L,然而預消毒池進水懸浮物濃度為≤120mg/L,所以預消毒沒有選擇臭氧消毒劑。


另一方面,考慮到在本次新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病疫情過后,武漢火神山醫院仍然可作為呼吸道烈性傳染病以外的其它傳染病醫院繼續使用的可能性,以保證這部分投資效益的最大化。





4 結語


武漢火神山醫院病區污水處理構筑物按兩組并聯設計。每組處理規模為40m3/h,兩組并聯設計處理水量為80m3/h,最高日污水處理量為1920m3/d。在醫院運行初期不能實施二級生化處理工藝,暫按預消毒+化糞池+消毒的處理工藝流程運行,按照污水處理從預消毒工藝開始,至污水處理站消毒結束,工藝全流程的水力停留時間不小于2d計,消毒處理工藝的最高日污水處理水量可達2500m3/d;當新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病疫情穩定,二級生化處理工藝的微生物馴化培養完成時,則采用預消毒+二級處理+消毒工藝,兩組并聯全流程運行,設計處理水量為80m3/h,最高日污水處理量為1920m3/d;在肺炎傳染病疫情后期,病區入住病人減少,相應排出的污水量也將減少,當醫院病區污水量不足以支撐污水處理構筑物按兩組并聯運行時,可按一組污水處理構筑物運行,最高日污水處理規模為960m3/d。當武漢火神山醫院采用預消毒+二級處理+消毒工藝運行時,由于預消毒工藝的存在,將病區污水中易于生化處理的有機物化學氧化了,在二級處理工藝運行時,還需要投加部分碳源,以加快二級生化處理工藝微生物的馴化培養,提早實現按二級生化處理工藝運行;在生物處理工藝穩定運行期間,需要根據預消毒污水的余氯量,調整碳源投加量,并可在調節池內增加脫氯工藝,以維持二級生化處理工藝的正常運行。


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