化学合成类制药废水分质处理工艺设计

何　松， 刘帅霞， 齐延山

(1.中电环保股份有限公司， 南京 211102； 2.河南工程学院， 郑州 450007)



化学合成类制药废水分质处理工艺设计

何松1， 刘帅霞2， 齐延山1

(1.中电环保股份有限公司， 南京 211102； 2.河南工程学院， 郑州 450007)

摘要：针对不同性质的化学合成类制药废水进行分质收集和处理，对高浓度、难处理的废水进行高效催化氧化、絮凝沉淀和厌氧处理后，与其他生产废水混合进入水解酸化、缺氧、好氧单元进行后续处理。运行结果表明，该系统处理效果稳定，出水水质达到环太湖流域工业园区污水处理厂接管标准。本工艺可为化学合成制药废水处理系统的设计和升级改造提供参考。

关键词：化学合成制药；废水；分质处理

化学合成制药生产过程中产生的废水具有浓度高、可生化性差、水质复杂、变化大等特点，有的生产废水中含抗生素，不适宜采用生化法处理。对于此类化学合成制药废水，根据其特性和处理要求，通常采用生化法预处理+生化降解的工艺进行处理[1-3]。本文结合化学合成制药废水处理工程实例，提出一种物化法和生化法组合的分质处理工艺，处理后可达工业园区污水处理厂接管标准。

1废水水质、水量及处理要求

1.1废水水质、水量

苏州某制药公司在工业园区新建一座化学合成制药工厂，生产的产品种类主要有乳酸司帕沙星、盐酸西替利嗪、替米沙坦、枸橼酸铋钾和苯磺酸氨氯地平等。工厂所在地苏州位于环太湖流域，出水水质需满足国家和地方规定的水污染物特别排放限值。因此，工厂在生产过程中不采用含氮、磷的原料和工艺，生产车间排水中无氮、磷类污染物。根据该厂规划和现场调配，废水的来源、水量和水质如表1所示。

1.2排放要求

该工厂出水水质需满足环太湖流域水污染物特别排放限值项目要求中的接管标准。具体出水水质指标如表2所示。

表1　生产废水来源、水量、水质一览表

续表1

表2　废水处理系统出水水质指标

2废水处理工艺的确定

2.1废水特点

通过对废水的来源、水量和水质进行分析发现，部分高浓度有机废水COD值高达20 000 mg/L左右，其余废水COD值基本在2 000 mg/L以下。考虑到部分高浓度有机废水中的主要污染物为难降解有机物、悬浮物，并且其中乳酸司帕沙星是一种广谱抗生素，具有杀菌作用，因此，为减小生化处理单元的负荷，进行工艺设计时对其进行分质处理[4]。因项目所在地位于太湖流域，工艺设计除考虑上述污染物外，还需考虑控制氮、磷指标的保障措施。经过上述分析，对于该高浓度、具有杀菌性的难处理废水，设计通过高效催化氧化、絮凝沉淀、厌氧单元(UASB池)进行预处理，再与其他废水和厂区生活污水混合后进入水解酸化、缺氧、好氧处理单元，进行有机物、氮、磷的去除，生化单元出水经消毒后排放至管网。

2.2废水处理规模和工艺流程

本项目处理水量不大，综合考虑投资、运行费用及制药厂二期工程建设，将废水处理系统高浓度废水处理设施和综合调节池、二沉池、污泥浓缩池、设备间等在一期工程中进行一次性建设，一期设计处理量400 m3/d。二期工程只增加生化处理单元土建构筑物和相应设备，总处理量800 m3/d。污泥处理方面，通过污泥浓缩池收集废水系统产生的污泥，之后经板框压滤机脱水外运。综上所述，最终确定采用如图1所示的工艺流程对该化学合成类制药废水进行分质处理。

2.3废水处理工艺说明

2.3.1格栅井/浓水池

高浓度、难降解的生产废水经专用管道输送至1#格栅井，之后进入浓水池进行水质、水量调节，以保证后续单元连续、稳定运行。考虑到预处理单元的规模和以后的故障检修时间，设计处理量50 m3/d。池内设1台人工格栅、1套空气搅拌装置、2台提升泵。

主要设计参数： 水力停留时间36 h；有效池容75 m3；尺寸L×B×H=6 000 mm×4 000 mm×4 000 mm。

2.3.2pH调节池1

调节浓水池来水的pH至4.0，调节后的废水进入高效催化氧化池。池内设1套空气搅拌装置、2台提升泵。

图1　化学合成类制药废水分质处理工艺流程

主要设计参数：水力停留时间20 min；有效容积0.7 m3；尺寸L×B×H=1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm。

2.3.3高效催化氧化池

高效催化氧化是基于铁炭微电解中电化学反应进行的处理，通过改进的高效催化氧化剂，能有效改善废水可生化性和去除部分色度[5]。当Fe和C浸入电解质溶液中时，由于Fe和C之间存在1.2 V的电极电位差，因而会形成无数的微电池，在微电池阳极反应过程中生成大量的Fe2+进入废水，进而氧化成Fe3+，形成具有较高吸附絮凝活性的絮凝剂[6]。阴极反应产生大量新生态的[H]和[O]，在偏酸性的条件下，这些活性成分均能与废水中的许多组分发生氧化还原反应，使有机大分子发生断链降解。同时，降低了废水色度，提高了废水可生化性，且阴极反应消耗了大量的H+，生成了大量的OH-，这使废水的pH值有所提高。

当废水与铁炭接触后，发生如下电化学反应：

阳极：Fe-2e→Fe2+；E(Fe/Fe)=0.4 V

阴极：2H++2e→H2；E(H+/H2)=0 V

当有氧存在时，阴极反应如下：

O2+4H++4e→2H2O；E(O2)=1.23 V

O2+2H2O+4e→4OH-；E(O2/OH-)=0.41 V

主要设计参数：水力停留时间45 min；有效池容1.6 m3；尺寸D×H=Φ1 000 mm×3 200 mm。

2.3.4pH调节池2

调节高效催化氧化池来水的pH至7.0～8.0，调节后的废水进入絮凝沉淀池。池内设1套空气搅拌装置。

主要设计参数：水力停留时间20 min；有效容积0.7 m3；尺寸L×B×H=1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm。

2.3.5絮凝沉淀池

当高效催化氧化池出水pH至中性后进入絮凝沉淀池，絮凝剂为聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)。去除高浓度废水中80%以上的颗粒状污染物，保证后续厌氧单元的进水水质满足厌氧生物单元运行要求。池内设1台混合搅拌机，2台絮凝搅拌机。

主要设计参数：沉淀区上升流速0.4 mm/s；尺寸L×B×H=4 000 mm×1 000 mm×3 000 mm。

2.3.6中间水池

絮凝沉淀池出水进入中间水池进行缓冲调节，中间水池出水进入UASB池。中间水池内设2台废水提升泵。

主要设计参数：水力停留时间3 h；有效容积6.5 m3；尺寸L×B×H=2 000 mm×1 500 mm×4 000 mm。

2.3.7UASB池

UASB即升流式厌氧污泥床，由污泥反应区、三相分离器(包括沉淀区)和气室3部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与污泥层中污泥进行混合接触，微生物通过水解、酸化、产乙酸、产甲烷过程降解废水有机物，并将废水中大分子有机物进一步降解为小分子、易降解有机物，以提高后续处理单元的处理效果。

主要设计参数：设计容积负荷10 kg/m3·d；有效容积100 m3；尺寸D×H=Φ4 000 mm×10 000 mm。

2.3.8格栅井/综合调节池

经前述各单元预处理后的高浓度、难降解废水由UASB池进入综合调节池，与厂区另一路废水管网收集来的低浓度废水进行混合，经调节池均质后的综合废水有机物以小分子为主，高浓度废水的可降解性得到明显提高。池内设1套空气搅拌装置、2台废水提升泵。

主要设计参数：水力停留时间10 h；有效容积340 m3；尺寸L×B×H=18 000 mm×6 000 mm×4 000 mm。

2.3.9水解酸化池

进入中和调节池的低浓度废水中有部分大分子有机物，为提高后续好氧生化单元的处理效果，在综合调节池后设水解酸化池，通过水解酸化作用将这部分大分子、难降解有机物水解为小分子有机物。考虑到本项目为难处理工业废水，为提高池内微生物量和系统抗冲击能力，在水解酸化池和后续生化池内设组合填料。水解酸化池底设2台潜水搅拌机，以实现泥水快速混合。

主要设计参数：水力停留时间3 h；有效容积100 m3；尺寸L×B×H=7 000 mm×3 000 mm×5 500 mm

2.3.10缺氧池

本项目生产的废水中无含氮污染物，排放含氮污染物的仅有厂区生活污水，考虑到生化系统运行需要补充的氮，缺氧池设计参照以往同类项目，按5 h的水力停留时间设计，保证废水处理系统排水含氮总量满足环保要求。缺氧池内设2台潜水搅拌机、1套组合填料。

主要设计参数：水力停留时间5 h；有效容积170 m3；尺寸L×B×H=7 000 mm×5 000 mm×5 500 mm

2.3.11好氧池

经前述各单元处理后的综合废水的主要污染物以易降解、无毒害的有机物为主，在好氧池内实现对有机物的有效降解。兼顾到本项目对排水氨氮、总氮的要求。池内设1套微孔曝气装置、1套组合填料。

主要设计参数：COD负荷1.8 kg/m3·d；有效容积600 m3；尺寸L×B×H=19 000 mm×7 000 mm×5 500 mm。

2.3.12二沉池

好氧单元出水在二沉池实现固液分离，生物污泥一部分回流至水解酸化池和缺氧池，另一部分作为剩余污泥排至污泥浓缩池。考虑到废水处理系统的波动性和废水处理的难度，二沉池水力负荷设计取低值。

主要设计参数：设计水力负荷0.20 mm/s；有效容积100 m3；尺寸D×H=Φ8 500 mm×4 000 mm。

2.3.13污泥浓缩池及脱水机

UASB池、絮凝沉淀池、二沉池排出的污泥至污泥浓缩池，浓缩池采用重力浓缩，上部清液溢流至综合调节池，浓缩污泥通过污泥泵输送至脱水机。本项目处理量不大，污泥产量较少，设计采用运行、维护方便的板框压滤机，脱水后的泥饼送外部处理。为提高设备利用率，降低工程投资，设计选用1台40 m2的板框压滤机，浓缩池浓缩时间为30 h。污泥处理系统设2台污泥提升泵、1台板框压滤机。

主要设计参数：设计浓缩时间30 h；有效容积50 m3；尺寸L×B×H=4 000 mm×4 000 mm×4 000 mm。

2.3.14其他公辅设施

公辅设施包括废水处理系统运行所需的综合设备间、鼓风机房、药剂间、在线仪表间、化验室、中控室、值班室等。

3废水处理系统的调试与运行

3.3.1废水处理系统的调试

废水处理系统与制药工厂同步分期建设，2011年一期工程已建成，设计处理水量400 m3/d，2011年10月份调试结束，进入废水处理系统的生产废水量平均330 m3/d。调试期间物化单元控制pH调整池1的pH在3.5～4.5之间，pH调整池2的pH控制在7.5～9.0之间，中间水池的pH控制在7.0～8.0之间，PAC、PAM加药量根据水质情况确定。

本系统主体工艺为高效厌氧生物反应器，设计运行条件为中温(即系统在40 ℃左右运行)，调试时根据中间水池以及UASB反应器内的温控仪调节中间水池内的蒸汽加热系统，使系统满足运行条件。高含盐量的废水内微生物种类比较单一，容易因波动而造成严重影响，系统故障后的再驯化过程也较长。因此，应严格控制废水中的盐分波动。刚开始调试时，微生物对废水有一个逐渐适应的过程，因而调试初期的进水COD应在1 000 mg/L左右，且进水流量不应大于0.5 m3/h。为了满足微生物生长的需要，启动阶段需向废水中投加适当的营养源，投加量由C∶N∶P=(100～200)∶5∶1确定。

在好氧微生物的培养中，由于微生物对废水也有个适应过程，所以调试初期进水流量不应大于5 m3/h，微生物生长所需营养不足部分由系统外投加，投加量按C∶N∶P=100∶5∶1确定。在培养过程中，曝气池的溶解氧含量控制在2～4 mg/L之间，因为溶解氧过低或过高均会对微生物的培养、驯化造成不良影响，过低影响微生物的好氧呼吸，过高则因为生命活动太过剧烈而影响生物污泥沉降性能。

在系统处理效果达到设计要求时，逐渐提高废水处理量，增加高浓度废水的比例以提高废水浓度。经过4个月的调试，至2011年9月，在处理水量330 m3/d的工况下，系统处理效果达到设计要求。

3.3.2总体运行效果

经调试后，整个废水处理系统于2012年1月份开始运行，运行过程中对出水的COD、SS、NH3-N、TN和TP进行监测，每月的监测数据如图2和图3所示。从图2可以看出，该废水处理系统自2012年1月开始运行，出水的COD和SS分别在170 mg/L和30 mg/L以下，完全满足排放要求。在前8个月出水的COD和SS波动比较大，后4个月基本处于下降趋势，这说明整个处理系统正在逐步趋于稳定。

从图3可以看出，该废水处理系统出水水质满足NH3-N和TP分别小于0.3 mg/L和2.6 mg/L的排放要求，并且在2012年1月到12月一年的运行期间波动不大，这可能与该厂生产过程中未采用含氮、磷的原料和工艺有关。NH3-N和TP主要来源于生活污水，生活污水的水量为25 m3/d，仅占整个处理量的7.6%。

图2　处理系统对COD和SS的处理效果

图3　处理系统对NH3-N、TN和TP的处理效果

4主要技术经济指标

本废水处理系统日常运行成本包括电费、药剂费、人工费。

(1)电费。项目按800 m3/d处理量设计时的总装机功率为85 kW，电价按0.65元/kw·h计，则每天耗电费用：

85×24×0.80×0.65=1 060.8元/d

(2)药剂费。PAC用量80 kg/d，PAM用量1.6 kg/d，PAC价格1 800元/t，PAM价格20 000元/t，则每天药剂费用：

(80×1 800+1.6×20 000)/1 000=176元/d

(3)人工费。系统采用三班制，每班1人，常白班1人，化验1人，共需5人；人均工资以1 600元/月计，则每天人工费为：

5×1 600/30=266.7元/d

(4)废水处理日常运行成本。该成本为二期建成后总的运行成本，核算(不包括折旧费)如下：

(1 060.8+176+266.7)/800=1.88元/吨

5结语

(1)化学合成制药废水随产品类别、生产工艺的不同而有较大差异，对于含有高浓度、难降解、具有杀菌性污染物的废水，在减少源头排放的同时，宜分质收集；对高浓度、难降解废水先进行预处理，再与其他废水混合后处理，以提高废水处理系统的稳定性和整体处理效果。

(2)高效催化氧化是高浓度化学合成制药废水的有效预处理手段，需注意采取措施减小废水中有害物质对生化处理单元的影响。

(3)本工程按工业园区污水厂接管标准设计，但实际出水水质远优于接管标准，其中NH3-N、TN、TP、SS指标达到《化学合成类制药工业水污染物排放标准》(GB21904-2008)中新建企业向环境水体排放的要求，COD小于180 mg/L。此研究结论对GB21904-2008规定的新建企业向环境水体排放的项目设计有较大的参考价值。

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(责任编辑：陆俊杰)

收稿日期：2016-03-09

作者简介：何松(1982-)，男，河南淮滨人，工程师，主要研究方向为原水预处理、工业废水处理。

文章编号：1671-6906(2016)03-0069-06

中图分类号：X787

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.016

The Technological Design of a Chemical Synthetic Pharmaceutical Wastewater Treatment Project

HE Song1, LIU Shuai-xia2, QI Yan-shan1

(1.CEC Environmental Protection Co.Ltd., Nanjing 211102;2. Henan Insitute of Engineering, Zhengzhou 450007, China)

Abstract:The chemical synthesis-based pharmaceutical wastewater is collected and treated according to their property and quality. Prior to mixing with other industrial water for the further treatment (hydrolysis/acidification-anoxic-aerobic treatment), the high-strength pharmaceutical wastewater is firstly treated by the high-efficiency catalytic oxidation, flocculation, and anaerobic process. The result of operation shows that the process is stable and its effluent quality meets the Influent Standard of the Wastewater Treatment Plant in Industrial Park around Tai lake. This process will serve as an example for system design and upgrading of chemical synthesis-based pharmaceutical wastewater treatment.

Key words:chemical synthetic pharmaceutical; waste water; mass treatment