# 次氯酸钠与过氧乙酸对合成医院废水消毒效能的评价研究

《Heliyon》：Evaluation of sodium hypochlorite and peracetic acid for disinfection of synthetic hospital wastewater

　　

这项研究旨在评价次氯酸钠和过氧乙酸在添加与不添加抗生素阿莫西林的条件下对合成医院废水的消毒效果。研究采用了一个具有2水平和4因素（消毒剂类型、阿莫西林的存在与否、消毒剂浓度和接触时间）的全因子实验设计，以系统评估这些变量对消毒效率的影响。根据医院废水中常见检测浓度，添加了23.58 mg L?1的阿莫西林以模拟药物污染。评估的重点是两种消毒剂对去除废水中以10? CFU mL?1浓度污染的大肠杆菌（E. coli）的效率。次氯酸钠和过氧乙酸的测试浓度分别为5和15 mg L?1，接触时间为5和15 min。在微生物学评估的同时，还测量了化学需氧量（COD）、pH、总残余氯和总残余过氧乙酸等理化参数。本研究的创新之处在于评估了药物化合物存在下的消毒性能，以模拟真实医院废水场景。过氧乙酸表现出有效的大肠杆菌灭活能力，作为次氯酸钠的可行替代方案，其副产物形成潜力可能更低。然而，过氧乙酸分解产生的乙酸和过氧化氢等特定副产物未被定量分析，建议在未来的研究中进行探讨。在所测试的条件中，推荐使用15 mg L?1的过氧乙酸进行延长消毒，以实现高效微生物削减和潜在更低毒性副产物生成。该研究还为副产物形成及每种消毒剂的经济性考量提供了见解，为医院废水管理决策提供了支持性信息。

# 次氯酸钠与过氧乙酸对合成医院废水消毒效能的评价研究——论文解读

**1. 研究背景与问题**

医院废水因含有抗生素耐药微生物、病原体、放射性物质、化学物质和感染性残留物，其毒性是典型城市废水的5到150倍，对生态系统和公共健康构成持续威胁。医院废水未经预处理直接排入市政污水管网并与生活污水协同处理，可能导致传染病暴发、皮肤感染、腹泻流行及放射性污染等风险。在巴西等缺乏针对医院废水排放专门立法的地区，此类问题尤为突出。对医院废水进行就地预处理，特别是消毒环节，被广泛认为是降低污染物负荷和微生物风险的关键措施。氯消毒（如次氯酸钠）虽因其高效、低成本而被广泛采用，但其与废水中有机物反应会生成三卤甲烷、卤代乙酸等有害消毒副产物。在此背景下，过氧乙酸作为一种广谱、高效且副产物毒性较低的替代消毒剂受到日益关注。然而，医院废水成分复杂，含高浓度溶解性有机物和抗生素残留，可能干扰消毒效率并影响副产物的形成。目前关于抗生素存在条件下消毒剂性能的系统评估仍较为缺乏。因此，本研究通过构建合成医院废水并添加典型抗生素阿莫西林，系统比较次氯酸钠与过氧乙酸在不同浓度和接触时间下的消毒效果，旨在探讨过氧乙酸是否可作为氯消毒的可行替代方案，为医院废水预处理决策提供科学依据。

**2. 研究设计与结论概述**

研究人员采用2水平4因素全因子实验设计，系统考察了消毒剂类型（次氯酸钠vs过氧乙酸）、阿莫西林存在与否、消毒剂浓度（5和15 mg L?1）及接触时间（5和15 min）四个因素对消毒效率的影响。研究以大肠杆菌（E. coli）ATCC 25922为指示微生物，将其以10? CFU mL?1的浓度污染合成医院废水，部分处理中添加23.58 mg L?1的阿莫西林以模拟药物污染。结果表明，两种消毒剂均能有效灭活大肠杆菌，在15 mg L?1浓度和15 min接触时间下均可实现超过4 log的去除率。过氧乙酸在15 mg L?1条件下表现出与传统次氯酸钠相当的消毒效率，且其副产物（水和乙酸）对环境危害更低，被推荐为可行的替代消毒方案。阿莫西林的存在导致处理后废水的COD值显著升高，表明药物残留会影响消毒过程并可能与消毒剂反应生成额外副产物。该研究为医院废水消毒剂的选择提供了重要的实验依据，强调了在真实医院废水复杂基质中进一步验证的必要性。

**3. 主要关键技术方法**

本研究采用的主要技术方法包括：（1）合成医院废水的制备，依据Tiwari等人提出的方法配制，包含碳水化合物、蛋白质、盐类和有机物等，以模拟典型医院废水成分（E. coli ATCC 25922菌株来源于巴西马林加州立大学水、环境与食品微生物实验室菌种保藏中心）；（2）全因子实验设计，包含2水平4因素共16种处理组合，每种处理重复3次，共48个样本；（3）总残余氯测定采用碘量电极技术，总残余过氧乙酸测定采用高锰酸盐和碘量滴定法；（4）消毒效率通过平板菌落计数法和log去除率公式计算；（5）统计学分析采用单因素方差分析（ANOVA）结合Tukey事后检验（p<0.05），以确定各处理组间的显著性差异。

**4. 研究结果**

**4.1 合成原废水特征**

对合成医院废水的理化及微生物学特征分析显示，pH平均值为9.38，高于真实医院废水的平均水平（7.50），这归因于合成废水制备方法采用了较高的参考pH值。COD平均值为1044.3 mg L?1，与巴西马林加大学医院实际原废水数值相符，表明合成废水在有机负荷方面具有较好的代表性。色度和浊度平均值分别为145.2 PtCo和14.20 NTU。E. coli初始浓度为5.37×10? CFU mL?1，符合文献报道的真实医院废水微生物浓度范围。

**4.2 全因子实验结果**

**4.2.1 COD**

经单因素方差分析（p<0.05）和Tukey检验，不同处理组间COD值存在显著差异。添加消毒剂后所有处理的COD均有所上升，归因于氧化剂与难降解有机物反应使其转化为更易生物降解的化合物。含阿莫西林的样本COD值始终高于不含药物样本。COD增幅最小的是T2处理（无阿莫西林、过氧乙酸5 mg L?1、接触5 min，COD为1044.1 mg L?1），增幅最大的是T15处理（含阿莫西林、次氯酸钠15 mg L?1、接触15 min，COD为1066.5 mg L?1）。次氯酸钠在高浓度和长接触时间下引起的COD增幅最大，与氯与有机物反应形成副产物有关。

**4.2.2 pH**

所有处理均导致pH值下降，与未处理原废水相比呈现显著的负差异。最低pH值（8.1）出现在T5、T13和T15处理中，最高pH值（8.67）出现在T4处理（含阿莫西林、过氧乙酸5 mg L?1、接触5 min）。过氧乙酸处理导致的pH降低与其分解产生乙酸有关，且过氧乙酸在pH低于其酸解离常数（pKa≈8.2）时消毒效率更高。由于真实医院废水pH多低于8.20，过氧乙酸在实际应用中预计表现更优。

**4.2.3 总残余氯**

总残余氯与次氯酸钠初始投加浓度直接相关。初始浓度为15 mg L?1的处理（T5、T7、T13、T15）获得了较高的总残余氯和游离余氯值，其中游离余氯超出当地污水公司规定的2 mg L?1排放限值。初始浓度为5 mg L?1的处理残余氯值较低。较高的残余氯虽可延长管网中的消毒效果，但游离氯易与有机物反应形成有毒副产物，需通过脱氯措施（如活性炭吸附或还原剂投加）加以控制。

**4.2.3.1 氯仿**

对T11和T15处理后样本的氯仿定量分析显示，两种样本均低于方法定量限（<0.005 mg L?1），未能确认氯仿的存在。但研究强调，合成废水成分相对简单，真实医院废水中含有更复杂的难降解化合物，仍有可能形成卤代乙酸、卤代乙腈等其他氯化副产物，需引起关注。

**4.2.4 总残余过氧乙酸**

与总残余氯类似，总残余过氧乙酸浓度随初始投加浓度的增加而升高。初始浓度15 mg L?1的处理（T6、T8、T14、T16）残余值较高，其中含阿莫西林的T8和T12处理总残余过氧乙酸值最高。有机物在最初5 min内大量消耗过氧乙酸，无机化合物（特别是铁）则导致后续缓慢的指数衰减。

**4.2.5 大肠杆菌去除效率**

所有处理均实现了超过2 log的大肠杆菌去除率。T13（次氯酸钠15 mg L?1、15 min，5.2779 log）、T14（过氧乙酸15 mg L?1、15 min，5.1529 log）、T15（次氯酸钠15 mg L?1、15 min）和T16（过氧乙酸15 mg L?1、15 min，4.7270 log）表现出最高的去除效率，均超过4 log（99.99%）。较低去除率出现在过氧乙酸5 mg L?1的处理（T4为2.7956 log，T2为2.8753 log，T10为2.8815 log）。C·t值计算显示，T13和T15（次氯酸钠）分别为38.25和48.30 mg min·L?1，T14和T16（过氧乙酸）分别为47.40和22.05 mg min·L?1。两种消毒剂在高浓度和长接触时间下均表现出优异的杀菌性能，过氧乙酸在含有机物的基质中显示出与氯相当的消毒潜力。

**4.3 副产物形成与经济考量**

次氯酸钠消毒过程中会与天然有机物反应生成三卤甲烷（THMs）和卤代乙酸（HAAs），二者均与不良健康效应（包括致癌性）相关。残余氯对水生生物具有毒性，需进行脱氯处理。过氧乙酸的优势在于其分解产物主要为水和乙酸，对环境危害较低，且其自分解特性省去了脱氯步骤，可抵消较高的化学品成本。过氧乙酸还能有效降解废水中的有机微污染物（如药物）。全球过氧乙酸市场预计到2026年将达到13亿美元，废水处理领域年增长率约8%。尽管过氧乙酸初始成本较高，但较低的投加量和较短的接触时间可带来运营节省，使其成为经济上可行的替代方案。

**5. 讨论总结与结论**

讨论部分指出，氯消毒虽经济高效，但产生的有害副产物对水环境和人体健康构成威胁；过氧乙酸作为一种广谱消毒剂，具有高灭菌能力、对pH依赖性较低、技术实施简便且在同等条件下副产物毒性更低的优势。在医院废水预处理的场景下，选择消毒方法需在微生物灭活效率与副产物毒性之间寻求平衡。本研究的全因子实验设计为系统比较两种消毒剂在多因素组合条件下的性能提供了可靠框架。研究结论指出：两种消毒剂均能有效灭活E. coli；药物（阿莫西林）的存在显著影响消毒效率和COD变化，说明药物残留是医院废水消毒中不可忽视的干扰因素；过氧乙酸在15 mg L?1浓度下可实现高效微生物削减且副产物对环境影响较小，可作为次氯酸钠的有效替代方案。然而，由于本研究基于受控实验室条件下的合成废水，未来仍需开展真实医院废水的验证研究，并进一步探索过氧乙酸分解产物的定量分析及其长期环境影响。巴西等缺乏医院废水排放专项立法的国家，应鼓励开展更多医院废水毒性潜力的评估研究，为制定针对性的排放标准提供科学依据。