移动床生物膜反应器用于医院废水处理的性能评估：去除效率、季节变异性与风险评估

《Frontiers in Environmental Science》：Performance evaluation of a moving bed biofilm reactor for hospital wastewater treatment: removal efficiency, seasonal variability, and risk assessment

　　

医院废水由于含有病原微生物、药物残留和重金属，构成显著的环境与公共卫生风险。研究人员对医院废水处理系统开展了为期1年的时间序列分析，系统评估了上述污染物的季节性与月度变化。医院废水处理厂（HWTP）出水中化学需氧量（COD）浓度在夏季达到峰值85 mg/L。悬浮固体（SS）浓度随时间呈上升趋势，并在年末达到38.3 mg/L的最大值。粪大肠菌群（FCs）最高浓度［3.2 × 10³ MPN/L］出现在2024年5月。移动床生物膜反应器（MBBR）工艺在去除医院废水中的氨氮（NH₃-N）、化学需氧量（COD）、悬浮固体（SS）和粪大肠菌群（FCs）等污染物方面表现良好。上述污染物的平均去除率分别达到99.9%、79.0%、82.6%和71.5%。此外，本研究进一步考察了医院废水处理厂（HWTP）周边不同方位无组织逸散气体H₂S、NH₃、Cl₂的排放特征。医院废水处理厂（HWTP）出水中6种重金属浓度均低于排放标准。单因子污染指数（P_i）和内梅罗污染指数（P_N）均小于0.1，表明重金属污染风险较低。该研究为医院废水监管与处理工艺运行参数优化提供了理论依据和实践指导。

该文发表于《Frontiers in Environmental Science》，围绕移动床生物膜反应器（MBBR，载体附着生物膜实现高效降解的生物处理工艺）在医院废水处理中的应用表现开展了系统评估。研究背景在于，医院废水来源复杂，除常规有机污染物外，还含有病原微生物、药物残留、重金属及消毒相关副产物，若处置不当，将对生态环境和公众健康构成持续风险。现有医院废水处理通常包括预处理、生物处理和消毒处理，但不同工艺在处理效率、运行成本、耐冲击负荷能力及对特定污染物的去除方面存在明显局限。例如，膜生物反应器（MBR）虽可较好截留部分病原体，但膜污染及维护成本较高；高级氧化等工艺虽能去除难降解物质，却受制于高成本和适用条件。相比之下，MBBR因生物量高、运行稳定、占地较小、维护简便和脱氮性能较好，被广泛认为适用于医院废水处理，但针对医院废水实际工程长期运行表现的研究仍相对有限。因此，研究人员以中国云南省昭通市某大型综合医院污水处理站为对象，连续跟踪2024年3月至2025年3月的运行数据，重点考察MBBR工艺对常规污染物、微生物指标、无组织废气及重金属风险的控制效果，并验证出水是否满足《医疗机构水污染物排放标准》（GB 18466-2005）要求。

研究人员开展的核心工作包括：系统监测医院污水处理厂（HWTP）出水水质参数的时间变化，分析季节性和月度波动；评估MBBR系统对化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD₅）、悬浮固体（SS）、氨氮（NH₃-N）及粪大肠菌群（FCs）的去除表现；监测处理站周边东、南、西、北四个方位H₂S、NH₃和Cl₂的逸散特征；并采用单因子污染指数（P_i）与内梅罗综合污染指数（P_N）对出水重金属环境风险进行评价。研究结果表明，MBBR系统对NH₃-N、COD、SS和FCs均具有较好的去除能力，平均去除率分别为99.9%、79.0%、82.6%和71.5%；6种重金属浓度始终低于排放限值，且P_i与P_N均低于0.1，显示出水重金属风险低。研究的意义在于，从长期运行与多维指标联动角度证明了MBBR在医院废水工程中的实用性，同时揭示了夏季COD升高、冬季SS和FCs控制难度加大的季节问题，为医院污水处理工艺调控和环境监管提供了依据。

主要技术方法概括：研究对象为中国云南省昭通市某大型综合医院污水处理厂（HWTP），处理规模为1300 m³/d。研究基于2024年3月至2025年3月第三方检测公司按周或按月反馈的数据，分析COD、BOD₅、SS、FCs、余氯、无组织废气及重金属指标。工艺上采用“预处理—MBBR生化处理—斜管沉淀—二氧化氯（ClO₂）消毒”流程。统计分析使用Origin 2024 b，对H₂S、NH₃、Cl₂进行主成分分析（PCA）与Spearman秩相关分析，并以单因子指数法和内梅罗综合指数法评价重金属污染风险。

3.1 常规水质参数处理效率及季节变化
研究人员对2024年3月至2025年3月医院污水处理厂（HWTP）出水水质变化进行了连续观察。结果显示，整个监测期内COD浓度始终低于250 mg/L排放限值，但存在明确季节波动，夏季达到较高水平，峰值约为80 ± 5 mg/L，摘要中报告最高为85 mg/L。文中指出，夏季出水COD升高与进水水质波动、高温条件下生化系统活性变化、曝气供氧效率下降以及水力停留时间（HRT）不足有关。与此同时，SS浓度总体呈上升趋势，尤其自2024年11月后多次高于30 mg/L，提示来水负荷增加及HRT控制不足可能削弱固液分离效果。pH保持在6.0–9.0之间，表明调节池具有较好的缓冲作用。余氯方面，研究中通过控制ClO₂投加浓度在20–40 mg/L，使出水余氯满足标准要求，其中5月至9月余氯多维持在3.0–3.2 mg/L。季度BOD₅监测结果显示，2024年第三季度浓度最高，且BOD₅/COD比值在0.11–0.17间波动，反映出夏季高流量和高负荷压缩了调节池HRT，造成高浓度可生化有机物对MBBR系统形成冲击。

3.2 微生物污染与消毒效果
以粪大肠菌群（FCs）作为粪源性微生物污染核心指示指标，研究人员分析了不同月份的失活效果。结果表明，FCs最高浓度出现在2024年5月，为3.2 × 10³ MPN/L；结论部分进一步指出，冬季出水FCs可升高至4 × 10³ MPN/L以上，且即使提高ClO₂投加量，去除率仍降至最低37.1%。相关结果说明，单纯依赖ClO₂消毒在低温季节对FCs控制存在局限。文中认为，冬季消毒效率下降主要与3方面机制有关：低温降低了ClO₂在水中的溶解度和扩散速率；细菌代谢活动受抑进入休眠状态；休眠细胞增强了对消毒剂的耐受性。此外，附着于颗粒物表面的微生物群落可受到颗粒基质保护，免受氧化损伤，从而在消毒后仍持续存在。这一部分结果强调，医院废水中微生物去除不仅依赖消毒剂剂量，更受到温度、颗粒态污染和微生物生理状态的综合影响。

3.3 医院污水处理厂中各类污染物去除效率
依据工程设计，系统需满足中国污水综合排放及医疗机构污水排放相关标准的要求。研究显示，MBBR系统对关键污染物表现出较好的总体去除效果。全年平均COD去除率为79.0%，其中2024年3月最高达86.2%，2024年8月最低为67.0%。FCs全年平均去除率为71.5%，2024年6月达到最高81%，而2024年5月最低仅为37.1%。摘要同时指出，NH₃-N、COD、SS和FCs平均去除率分别达到99.9%、79.0%、82.6%和71.5%。这些结果表明，MBBR作为核心生化单元，在有机物降解与脱氮方面性能突出，但其对微生物学指标的稳定控制仍受后续消毒条件及季节因素显著影响。综合来看，MBBR工艺适合医院废水处理的主体生化环节，但在高负荷或低温条件下仍需通过优化运行参数提升系统稳健性。

3.4 无组织废气排放特征

3.4.1 主成分分析（PCA）
研究人员对2024年第二季度至2025年第一季度医院污水处理厂四个方位的H₂S、NH₃和Cl₂监测数据进行了主成分分析。结果表明，前两主成分PC1与PC2累计解释方差达81%，能够较好反映无组织废气的时空变化特征。双标图分析显示，2024年第二季度样本组的NH₃排放显著较高，是区分季度差异的关键变量。文中认为，这种季节性升高可能与夏季温度条件下有机氮降解过程中形成的NH₄HCO₃热分解有关。H₂S主要来源于含硫化合物的厌氧分解，而Cl₂则主要来自氯化消毒单元的副产物。该结果说明，医院污水处理站不仅存在水相污染控制问题，也存在气相逸散导致的职业健康和周边环境影响风险，其中NH₃是夏季最敏感的指示气体。

3.4.2 相关性分析
在描述统计与箱线图基础上，研究人员进一步对不同季度的H₂S、NH₃、Cl₂进行了Spearman秩相关分析。结果显示，NH₃浓度水平在三种气体中最高，且变异程度中等；H₂S浓度最低、波动最小，分布最稳定；Cl₂离散程度相对较高，表明其排放受运行条件影响更明显。统计结果显示，H₂S与NH₃之间存在中等程度正相关趋势，但未达到显著水平；Cl₂与其他气体之间未发现显著相关性。研究人员据此认为，H₂S与NH₃可能具有一定共同来源，均与厌氧池中含硫、含氮有机物分解相关；而Cl₂更独立地反映消毒副产物排放特征。

3.5 重金属污染与毒性评价

3.5.1 单因子指数法（P_i）
研究人员监测了Hg、Cd、Cr、Cr⁶⁺、As和Pb 6种重金属在医院污水处理厂出水中的季度浓度，并与《医疗机构水污染物排放标准》（GB 18466-2005）限值进行比较。所有监测值均低于相应标准值。通过单因子污染指数法计算可见，各季度各金属P_i均低于1.0，且整体数值很低，说明单一重金属均未构成超标风险。从分布上看，Cr⁶⁺和总Cr在热图中相对较高，但仍远低于标准限值。2024年第二季度Cd、Cr⁶⁺和Pb浓度较其他季度略高，但仍处于安全范围内。

3.5.2 内梅罗综合指数法（P_N）
进一步采用内梅罗综合污染指数法整合多种重金属的综合风险。结果显示，各季度P_N范围为0.007–0.058，均低于0.1，风险等级均为“清洁”。这表明，在整个研究周期内，医院污水处理厂出水不存在显著重金属污染风险，完全符合GB 18466-2005要求。尽管如此，结论部分指出，Cd和Cr⁶⁺的P_i相对其他金属更高，因此可作为后续水质管理中的重点控制对象。

3.6 经济性能评价
研究还对该医院污水处理设施的经济指标进行了简要评估。该处理站规模为1300 m³/d，占地1600 m²，建设投资为1035万元人民币。运行成本包括处理费用4.5 CNY/m³、污泥处置费4490 CNY/吨和人工成本500 CNY/d。结合污染物去除效果来看，该系统在保持较高处理性能的同时，具有较为合理的工程运行成本。但文中同时指出，若进一步提升曝气效率并优化污泥管理，仍有可能增强系统成本效益。

讨论部分总结
本文讨论部分围绕医院废水处理中MBBR工艺的适用性、季节波动成因及多类污染控制难点展开。研究表明，MBBR对有机污染物和氨氮具有稳定去除能力，适合作为医院废水生化处理核心工艺；但出水COD、SS和FCs均表现出明显季节性变化，说明系统运行效果受进水负荷、温度、水力停留时间和消毒条件共同调控。夏季高温及雨季来水变化会抬升COD负荷，并削弱曝气供氧效率；冬季低温则降低ClO₂消毒效能，增加FCs残留风险。与此同时，无组织废气监测补充了医院污水处理环境风险评估维度，证实NH₃和H₂S与厌氧分解过程相关，Cl₂则主要反映消毒副产物排放。重金属分析则显示，该系统出水整体风险较低。总体而言，本文从出水水质、微生物安全、废气逸散与重金属风险四个层面，较完整地评价了医院污水处理站长期运行状态，为后续精细化运行控制提供了依据。

研究结论翻译
本研究表明，MBBR系统在COD去除方面表现良好，最高去除率达到86.2%。然而，其运行效果明显受季节和气候影响。夏季（8月）COD浓度峰值超过80 mg/L。冬季SS浓度普遍较高，最高接近40 mg/L，这可能与水力负荷增加有关。系统pH维持在中性范围（7.0–9.0），其稳定性归因于调节池的缓冲作用。8月余氯浓度最低，为2.0 mg/L，此时消毒效果最佳，但仍需关注其对后续市政污水处理设备的潜在影响。冬季出水FCs浓度显著升高，超过4 × 10³ MPN/L；尽管提高了ClO₂投加量，FCs去除率仍降至最低值37.1%。其主要原因包括ClO₂溶解度降低、细菌代谢活性减缓以及低温下细菌抗性增强。通过PCA和Spearman相关分析发现，NH₃与H₂S具有共同来源，均与厌氧池产生过程相关，其中NH₃在夏季由于有机氮热分解而成为主导污染物。Cl₂与其他气体无显著相关性，主要来源于消毒副产物。所有单因子污染指数均小于1.0，表明医院污水处理厂出水中重金属浓度符合排放标准。然而，Cd和Cr⁶⁺的P_i值明显高于其他重金属，提示其应作为后续水质管理与控制的重点目标。在处理成本为4.5 CNY/m³的条件下，MBBR系统具有较合理的经济性，但若对能耗，尤其是曝气效率，以及污泥管理进行优化，系统成本效益仍可进一步提升。