医院污水处理技术研究进展

辜凌云，史鸿乐，陈可欣，余春秀，徐 威，吴 怡，熊兆锟，赖 波

（1.四川省生态环境科学研究院，四川成都 610041；2.四川大学 建筑与环境学院，四川成都 610065）

医院在保障公共卫生和人体健康方面起着至关重要的作用，但随着科技发展和医疗检测技术的进步，大量使用的药物将通过医院污水排放进入城镇管网或自然水体中。医院污水来源及成分极其复杂，含有病原微生物、药物污染物及代谢产物、重金属、造影剂及抗性基因等，这些有毒有害物质如果不经有效处理，将成为疫病扩散的重要途径〔1-2〕。同时，在新冠肺炎疫情常态化的背景下，医院病人数快速增加，相应的各种治疗药物、消毒药剂、病原微生物等大幅增加，从而导致医院污水中抗病毒类治疗药物及代谢产物和病毒、细菌等病原性微生物显著增加。超常使用的抗生素、抗病毒类药物无法通过传统的污水处理设施得到有效的处理和完全降解，这类新污染物进入水体中会给水环境和人体健康带来极大威胁〔3-6〕。

大规模传染病爆发期间对医院污水的及时处理可防止疫病通过污水扩散，保障人体健康安全，其环境效益及社会意义巨大。2020年新冠肺炎疫情爆发后，生态环境部迅速印发了《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》，体现了国家对疫情期间医院污水污染防治工作的重视。2021年8月，生态环境部等五部门联合发布了《关于加快补齐医疗机构污水处理设施短板提高污染治理能力的通知》，进一步强调了疫情期间加强医院污水深度处理的重要性。相对于居民生活污水，医院污水具有毒害物质浓度高、可生化性差等特点，无法通过常规污水处理技术有效处理。

如何提高对医院污水处理的有效性，切断病原微生物和有毒有害物质进入环境的途径，减少二次污染风险，是当前亟待解决的环境卫生问题。笔者将从医院污水主要成分及特征出发，对我国医院污水处理现状及面临的问题进行总结，对医院污水主要处理工艺和前沿技术进展进行梳理及深入阐述，并提出相关对策和建议，旨在为我国医院污水治理提供一定技术参考。

1 医院污水主要成分及特征

1.1 医院污水主要成分

医院污水中主要成分包括病原微生物、药物及其代谢产物、重金属、有毒化学残留物、造影剂及抗性基因等〔2，7-8〕。

病原微生物包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、沙门氏菌、弧菌、各类传染性病毒等；药物及其代谢产物主要包括镇痛类、消炎类、抗菌类、抑菌类、精神类、降压类和激素类药物及其代谢产物；重金属主要包括镉、铜、铁、钆、汞、铂等；有毒化学残留物包括洗涤剂和消毒剂等的残留物、苯酚、氯化物等；造影剂主要是131I。此外，诸多报道中还提到了医院污水中抗性细菌和抗性基因的存在〔9-11〕。

1.2 医院污水主要特征

1.2.1 理化特性

医院污水的主要理化指标包括化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）、总悬浮物（TSS）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总有机碳（TOC）、可溶性有机碳（DOC）、氯化物、油脂、氧化还原电位、电导率和pH等。一般医院污水中各类污染物指标范围：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、氧化还原电位 850～950 /mV、电 导 率 300～2 700 μS/cm、油 脂50～210 mg/L。

根据P.VERLICCHI等〔12〕的 研 究，医 院 污 水 中COD一般是常规城镇污水的2～3倍，医院污水与城镇污水的主要指标对比见表1。

表1 医院污水和城镇污水水质对比Table 1 Comparison of water quality between hospital sewage and urban sewage

1.2.2 病原微生物特征

医院污水中病原微生物特征主要分为细菌性污染和病原体污染。细菌性污染主要通过大肠杆菌（E.coli）进行表征，其他细菌还包括孢子菌、亚硫酸盐还原菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌等。病原体污染的表征主要是各类病毒，如肠病毒、诺瓦克病毒、腺病毒、轮状病毒、新冠病毒、甲肝病毒等。根据E.CARRARO等〔13〕报道的这些病原微生物特征浓度，大肠杆菌、肠球菌、粪大肠杆菌每100 mL废水中最可能存在的细菌数量级分别为103～106、103～106、103～104，诺瓦克病毒、腺病毒、轮状病毒、甲肝病毒1 L废水中病毒载体的基因组拷贝数分别为2.4×106、2.8×106、1.9×106、1.0×104。

1.2.3 药物及其代谢产物特征

药物及其代谢产物广泛存在于各类医院污水中，主要包括抗炎类、抗菌类、抑菌类、镇痛类、神经类、泻药通便类、造影剂类等。大部分药物进入人体后经代谢排放，其中约55%～80%的代谢产物通过尿液排放，约4%～30%的代谢产物通过粪便排放进入污水中。总的来说，医院污水中药物类污染物的质量浓度在78 μg/L～5 mg/L。表2详细列举了医院中各治疗科室及污水中检测出的典型药物及对应浓度〔14〕。

表2 医院污水中主要药物的浓度范围Table 2 Range of concentration measured in hospital wastewater

1.2.4 重金属特征

医院污水中的重金属主要包括钆、汞、铂、镉、铜、铁、镍、铅等。金属钆主要来源于核磁共振检查过程中口服或静脉注射的钆双胺或钆喷酸药剂中。医院污水中钆的质量浓度一般在1～300 μg/L。金属汞主要来源于诊断剂、消毒剂、利尿剂中，其质量浓度一般在0.3～7.5 μg/L。金属铂主要来源于癌症或肿瘤治疗的卡铂、顺氯氨铂等抗癌药物中，质量浓度一般在0.01～3.5 μg/L。K.KÜMMERER等〔15〕在一项研究中分析了欧洲5家医院排放污水中的铂浓度，发现约70%的含铂药物最终通过人体代谢排放进入医院污水。

1.3 医院污水产排特征

医院污水产排特征与诸多因素有关，如医院床位总数、病区设置情况、厨房及洗浴等配套设施情况、住院和门诊病人情况、医院所在地发展情况、地理位置和气候条件等。

医院污水排放量主要取决于医院规模和类型，床位数≥500张定为大型医院，100～499张定为中型医院，＜100张定为小型医院。一般规模越大，医院污水排放量越高。通过调查16家不同规模医院的污水排放量发现，3家大型医院污水排放量在903～1 298 m3/d，5家中型医院在194～600 m3/d，8家小型医院在27～103 m3/d〔16〕。日本高槻市一家有480个床位的核心综合医院其污水排放量在426～503 m3/d，平均排放 量约为460 m3/d〔17〕。此外，医 院需水量与地区经济及社会发展情况有很大关系。一般而言，发达地区的医院需水量基本在200～800 L/（床·d），欠发达地区基本在200～400 L/（床·d）。医院污水排放量在每日不同时段的波动较大，主要受到临床患者接受治疗情况或实验室分析完成情况的影响，一般于每日上午8：00～11：00及下午16：00～19：00达到峰值〔18〕。我国医院根据规模大小，普通医院污水排放量基本在250～750 m3/d，省级及以上综合性医院污水排放量基本在1 000～3 000 m3/d，各医院污水具体排放量可根据《医院污水处理工程技术规范》（HJ 2029—2013）进行计算。

医院污水中污染物的排放量与季节密切相关。一般来说，随着春冬季节患者数量增加，污水中的污染物量也会显著增加，而在夏秋季节则相对较低。根据S.AYDIN等〔16〕的研究，冬季医院污水中的抗生素质量浓度可达（497±3.66）～（322 735±4.58） ng/L，远高于夏季的（21.2±0.13）～（4 886±3.80） ng/L。此外有研究报道了葡萄牙4种不同类型医院污水中的药物污染负荷情况，大学医院（1 456床）、综合医院（350床）、儿科医院（110床）和妇产科医院（96床）分别为306、155、14、1.5 g/d〔19〕。

新冠疫情爆发后，收治感染病患的医疗场所产生了大量涉疫污水，污水中还含有病原微生物、抗病毒药物等有毒有害物质，具有空间污染、急性感染和潜在感染的特点。据报道，武汉雷神山医院作为应对新冠肺炎疫情应急建造的大型传染病医院，日均涉疫污水排水量约为528.7 m3（2020年3月），收治患者数峰值可达1 237人〔20〕。疫情发生后，我国武汉市地表水中的阿奇霉素质量浓度从疫情发生前的4.2 ng/L上升到935 ng/L，城市污水中其他抗病毒药物浓度也增加了70%以上〔21〕。重大疫病爆发期间就诊病患数的突然增加，将引起涉疫医院污水系统水量冲击负荷、药物污染负荷及疫病传播风险等大幅度增加，给污水的应急处置带来挑战。涉疫医疗污水未经有效处理排放将成为疫病传播和环境污染的重要途径，新冠疫情传播期间对医疗污水的有效处置不容忽视。

2 医院污水处理现状及问题

2.1 现有的处理要求

近年来，我国针对不同规模、不同性质的医院污水，提出了根据污水排放去向的不同水质要求下可采用的工艺路线（图1所示）：1）传染病院（包括有传染病房的综合医院）采用二级处理；2）处理出水排入自然水体的县及县以上医院采用二级处理；3）处理出水排入城市下水道（设有二级污水处理厂）的综合医院提倡采用二级处理，对采用一级处理工艺的必须加强处理效果；4）对于50床以下综合医院和乡镇卫生院提倡采用简易生化处理，有条件的可采用二级处理或加强处理效果的一级处理工艺。传染病医院（包括带传染病房的综合医院）产生污水还需进行预消毒处理〔22〕。

图1 不同医院污水处理工艺Fig.1 Wastewater treatment process in different hospital

根据《医院污水处理工程技术规范》（HJ 2029—2013）的设计要求，医院污水处理设施根据传染病医院和非传染病医院污水性质的不同采取不同的工艺流程（如图2所示）。医院污水处理设施一般常规的工艺流程包括格栅、调节池、水解池、生化反应处理池、二沉池和消毒池等〔23〕。

图2 医院污水处理工艺流程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类。氯消毒包括液氯、次氯酸盐和二氧化氯。投量不足可能导致消毒效果不佳，致病菌不能彻底灭杀；投量过高可能产生高毒害的消毒副产物。臭氧氧化能力强，杀菌效果高于普通含氯制剂，反应时间短，但过量的臭氧气体会腐蚀管道设备。紫外消毒效率高，不产生二次污染，但是受能耗、运行成本和维护成本限制，且水中悬浮物浓度对光利用率影响较大。

2.2 国内医疗机构污水处理现状及存在的问题

笔者对国内部分省市近5年来医院污水处理现状（《医疗机构水污染物排放标准》中规定的各类控制项目的达标情况）及消毒现状（《医疗机构水污染物排放标准》中规定的粪大肠菌群、肠道致病菌或总余氯的达标情况）进行梳理，详细数据见表3和表4。从表3可以看出，各省医院污水处理总合格率均不高，其中新疆乌鲁木齐（2021年）、云南保山（2019年）、广西钦州（2018年）、上海浦东新区（2018年）、云南昆明（2018年）的医院污水处理水质总合格率分别为74.3%、56.5%、71.4%、78.26%、29.11%。从表4可以看出，国内大部分地区的一级、二级及其他类型医院的污水消毒状况也未能完全达到标准要求。

表3 国内部分省市近5年医院污水处理排放状况Table 3 Effluent discharge status of hospitals in some province of China in recent five years

表4 国内部分省市近5年医院污水消毒状况Table 4 Effluent disinfection status of hospitals in some province of China in recent five years

综合来看，国内目前医院污水的处理过程中还存在较多问题：1）污水处理设施运行维护管理不到位，部分医院未对设施设备进行定期维护；2）运维管理人员专业技术水平不足，多数未进行专业培训，消毒药剂的投加和使用不规范；3）随着社会发展和就诊人数的增加，现有的医院污水处理工艺及设备性能等无法满足日益增长的污水处理需求；4）传统的医院污水处理工艺无法对药物类污染物进行有效的降解处理，抗生素、激素类药物随地下管网进入城市污水处理厂后进入自然水体，增大了新污染物污染风险。因此，现阶段亟需对传统的医院污水工艺进行提标升级，确保污水处理设施的稳定运行。

3 医院污水治理技术

国内外针对医院污水处理常用技术与工艺包括常规生物处理技术、改良的生物处理技术、传统物化处理技术及高级氧化工艺等。P.VERLICCHI等〔49〕梳理了近20年来各国常用的医院污水处理技术，见表5。

表5 不同国家常用的医院污水处理工艺Table 5 Hospital wastewater treatment process in different countries

3.1 常规生物处理技术

常规的生物处理技术如活性污泥法和膜生物反应器（MBR法），已广泛用于医院污水的处理。

3.1.1 活性污泥法

活性污泥法可以在好氧、兼氧或厌氧条件下运行，能有效降低污水中的有机污染物、SS和絮凝物，但在污染物有机负荷较高时，污泥活性可能受到抑制，导致该工艺对医院污水中药物及化学残留物的去除效果差。

序批式活性污泥法（SBR）能够处理高浓度的有机或有毒废水，可用于有效处理医院污水。M.POURAKBAR等〔50〕对存在SARS-CoV-2 RNA病毒的医院污水经过不同技术处理后排放的生物气溶胶进行研究，结果表明传统活性污泥法表面曝气释放的生物气溶胶中含有SARS-CoV-2 RNA病毒，可能会对污水处理厂的工作人员构成潜在健康威胁，而在SBR工艺释放的生物气溶胶中未检测到该病毒，表明SBR工艺处理含病毒的医院污水更为可靠。

3.1.2 MBR法

MBR法可同时实现污泥浓缩和泥水分离，有利于将病原微生物和污泥中的微生物截留在反应器内，同时延长难降解药物的水力停留时间，提高出水水质。因此，采用MBR法处理医院污水在全球范围内广泛应用。N.H.TRAN等〔51〕的研究中，MBR工艺对四环素类药物的去除效果（70.1%～97.8%）比传统活性污泥法（31.4%～93.9%）表现更优，且性能更加稳定。MBR技术可高效去除医院污水中的抗生素、有机化合物及多种病原微生物，从而更好地保护环境和公众健康〔52〕。

3.2 改良的生物处理技术

改良的生物处理技术主要是一些目前处于实验室小试或中试阶段的技术，包括改良的MBR技术和移动床生物膜反应器（MBBR法）。

3.2.1 改良的MBR法

虽然MBR法在处理医院污水方面表现良好，但仍存在运行能耗高、膜组件造价高且易受污染等问题。李杏等〔53〕对北京某三甲医院的污水处理系统采用“MBR工艺+紫外线消毒+次氯酸钠消毒（备用）”进行升级改造，SS、COD、氨氮的去除率分别从62.7%、28.6%、27.3%提升至96.6%、91.7%、83.7%，出水水质好且稳定，但运行成本也显著提高了72.6%。因此，有必要研发改良的MBR技术，以期在提高污水处理效率的同时降低膜污染程度和频次。T.T.NGUYEN等〔54〕研究了一种浸没式海绵-膜生物反应器（sponge-MBR）以提高膜组件的使用寿命，结果表明膜组件添加海绵介质可以有效减少低通量情况下因滤饼形成而引起的阻力，以及可溶性物质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础上进一步发展起来的。微生物依附在填料上但又以悬浮形态存在于水相中，通过获得较高的生物量和较长的污泥龄，从而达到较高的污染物去除效率。G.T.H.OOI等〔55〕采用6个串联的MBBR进行中试规模的医院污水处理实验，使污水中的药物类污染物得到了有效去除。N.A.KHAN等〔56〕通过集成的MBBR技术处理医院污水，其中布洛芬和氧氟沙星的去除率最高可达96%。因此，MBBR是一种高效、经济且可靠的医院污水处理技术。

3.3 传统物化处理技术

3.3.1 活性炭吸附法

活性炭吸附剂应用广泛，常用于污水的深度处理。D.SERRANO等〔57〕将粉末状活性炭用于医院污水深度处理，污水中卡马西平、甲氧苄啶、双氯芬酸、地西泮等药物类污染物去除效果显著提高。M.BOEHLER等〔58〕通过向生物处理池中投加粉末状活性炭，取得了苯并三唑、卡马西平、克拉霉素、布洛芬和双氯芬酸等药物污染物80%以上的去除率。

3.3.2 膜过滤法

膜过滤法是采用微孔膜对污染物进行拦截去除的一种方法，主要包括微滤、纳滤和反渗透，拦截率基本能达到85%以上。V.YANGALI-QUINTANILLA等〔59〕研究发现，反渗透容易产生膜污染且能耗较高，而纳滤则可在较低的压力下去除医院污水中的污染物质。有研究表明通过反渗透、超滤和微滤还可去除污水中的大量病毒（MS-2噬菌体、PRD-1噬菌体、MVM小鼠微小病毒、T4噬菌体、phi X174噬菌体等）〔60〕。然而，采用膜过滤法处理医院污水将产生浓度更高的污染物残余物，需经妥善处理处置以防给环境带来更大的次生危害。

3.4 高级氧化技术

与传统的如双氧水、高锰酸钾、次氯酸等氧化手段相比，高级氧化技术可通过产生自由基的强氧化性快速高效去除污水中的难降解药物及代谢产物。常见的自由基包括羟基自由基（·OH）、硫酸根自由基（SO4·-）、超氧自由基（O2·-）等。如图3所示，常见高级氧化技术包括光催化、UV辐射、Fenton、光催化/Fenton、非均相催化过硫酸盐、电催化等。

图3 常见高级氧化技术类型Fig.3 Types of advanced oxidation technologies

高级氧化技术与单纯的萃取、膜过滤、活性炭吸附等技术相比更加环境友好，但也应注意氧化过程中可能产生的有毒中间副产物。

3.4.1 臭氧技术

臭氧技术已广泛应用于大部分的欧洲国家医院污水的深度处理过程。臭氧可通过与某些特定官能团相结合直接降解污染物，也可通过产生·OH间接氧化污染物（图4）。Xiaoyu LIU等〔61〕研究发现新冠肺炎流行期间臭氧/过一硫酸盐（O3/PMS）工艺能够有效强化降解抗病毒药物利巴韦林；同时比较不同的臭氧工艺发现，O3和PMS/O3系统产生的溴化有毒副产物高于H2O2/O3系统。刘行浩等〔62〕利用臭氧技术实现了对污水中氯霉素的完全去除（20 min），同时降低中间产物毒性。

图4 臭氧降解药物污染物机理Fig.4 Mechanism of the degradation of pharmaceutical pollutants by ozonation process

3.4.2 UV/H2O2

UV/H2O2是应用最为广泛的高级氧化技术之一，对医院污水中污染物去除效果显著，其降解效率与废水的浑浊度和碱度有关〔63〕。C.KÖHLER等〔64〕将UV/H2O2置于MBR反应器前对医院污水进行预处理，发现在低压UV照射和1.11 g/L H2O2同时存在的条件下，可获得对14种典型药物污染物70%以上的去除率。

3.4.3 光催化/Fenton

在光照条件下，光催化/Fenton系统中的氧化反应可持续进行，因此氧化效率远高于传统Fenton系统（图5）〔65〕。M.JARAMILLO-BAQUERO等〔66〕研 究了光催化/Fenton对污水中抗菌药物阿奇霉素的去除，在较短的反应时间（30 min）内使阿奇霉素的去除率达到了92%。根据S.MIRALLES-CUEVAS等〔67〕的研究，与传统臭氧技术处理污染物相比，光催化/Fenton更加经济可行，还可用于处理膜滤后的高浓度污水。

图5 Fenton工艺降解药物污染物机理Fig.5 Mechanism of the degradation of pharmaceutical pollutants by Fenton process

3.4.4 电催化/臭氧技术

电催化/臭氧技术将电化学技术与臭氧耦合，可通过电解过程原位生成H2O2催化臭氧分解产生·OH，是提高自由基生成浓度并加速污染物降解的有效途径。Yahan YU等〔68〕采用电催化/臭氧技术处理某三甲医院实际污水，同步实现了医院污水中病原微生物的高效灭活和110种药物类污染物的有效去除，污染物去除率（93.9%）远优于单独臭氧（42.0%）或电解技术（27.6%）。

3.4.5 活化过硫酸盐技术

过一硫酸盐（PMS）经均相（Fe2+、Fe3+）或非均相（混合金属氧化物、单金属氧化物、零价铁、活性炭等）的催化剂活化可产生具有强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〕制备了一种基于沸石咪唑的磁性金属有机骨架化合物Fe3O4@Zn/Co-ZIFs作为催化剂活化PMS，可实现持久性药物污染物卡马西平的高效降解。Xianhu LONG等〔70〕将电化学（EC）技术作为“助催化剂”构建的EC/Fe（Ⅲ）/PMS系统可增强PMS的活化，在较短的时间内（10 min）实现硝基苯、甲硝唑、苯甲酸、卡马西平和磺胺甲唑的完全降解，同时显示出对医院污水中大肠杆菌等病原体的灭活能力。

3.5 医院污水处理技术比较

上述各处理技术均存在一定优势及不足。表6对各类医院污水处理技术的优缺点及适用性进行了比较，为不同类型医院的污水处理技术工艺选择提供参考。

表6 医院污水处理技术比较Table 7 Comparison of hospital wastewater treatment technologies

4 建议与展望

基于新型冠状病毒肺炎大流行期间医院污水大幅增长、新污染物处理亟待改善等问题，对医院污水主要成分特征、处理现状及现有的处理技术进行概述。通过总结发现，常见医院污水处理技术在应用上均存在一定缺陷，而医院污水成分复杂、难降解，是环境中许多新污染物的主要来源，难以通过一般生化处理技术有效去除。因此，对未来医院污水防控体系建设提出以下几点建议。

1）医院污水成分复杂，含有大量病原微生物和难降解药物类污染物，在新冠肺炎疫情反复的情况下，污水易成为传播疫情的途径。因此，应加快规范建设各级医院的污水处理处置设施，提高对医院污水的深度处理。

2）目前国内医院普遍采用简单的消毒处理或生化处理工艺，导致污水中病原微生物和抗生素等新污染物得不到有效处理，应加快研发一些高级氧化技术以实现医院污水的同步消杀除污。

3）针对部分定点医院、方舱医院、临时医疗机构等，还可推进研发一体化应急设备，为疫情期间的医院污水应急处理处置做好技术储备。