制药废水处理工艺设计上.doc

毕业设计1 引言1.1 制药废水的产生 随着国民经济的持续增长，医药行业也有了飞速的发展。目前我国已能生产药品近万种，年产量百万吨。按照医药产品种类区分，我国医药工业主要分为生物制药、化学制药和中草药生产。医药工业的发展带来了排废的增加，由于生产工序繁琐，生产原料复杂，直接造成产品转化率低而“三废”产生量大。药剂生产过程中残余的原料、产品和副产品如果不加以妥善处置，将有几十倍乃至几千倍于药物产品的“三废”物质产生，其中尤以废水对环境的污染最为严重1。随着制药工艺和产品结构的改变，医药废水水质也发生了变化，废水的处理难度也随之加大，我们应该不断改进和提高治理工艺水平，选择合适的工艺流程。1 2 生物制药废水的特点（1）水质成分复杂医药产品生产的特点是流程长、反应复杂、副产物多、反应原料常为溶剂类物质或环状结构的化合物，使得废水中污染物质的组分变得复杂，增加了废水的处理难度。（2）废水中污染物质含量高医药工业生产过程中需要大量使用各种化工原料，但由于多步反应、原料利用率低，大部分随废水排放，往往造成废水中污染物的含量居高不下。在医药工业中，COD浓度为几万、几十万毫克/升的废水是经常可以见到的。（3）有毒有害物质多医药废水中有许多有机污染物对微生物是有毒有害的，如卤素化合物、硝基化合物、有机氮化合物、具有杀菌作用的分散剂或表面活性剂等。（4）生物难降解物质多医药废水中的有机污染物大部分属于生物难以降解的物质，如卤素化合物、醚类化合物、硝基化合物及某些杂环化合物等。（5）废水色度高医药废水中有相当一部分废水色度很高，有颜色的废水本身就表明水体中含有特定的污染物质，从感官上使人产生不愉快和厌恶的心理。另外，有色废水可以阻截光线在水中的通行，从而影响水生生物的生长，同时还抑制由日光催化分解有机物质的自然净化能力。1.3 制药废水的污染现状我国近几年来各类医药化工行业迅猛发展，目前有3000多家规模不等的医药化工企业，其在制药过程中排放的大量有毒有害废水己严重危害着人们的健康。医药行业由于药剂产品、生产方法和使用原料的不同，使得生产废水水质各异。但是总体来说，制药废水具有有机污染物含量高、毒性物质多、有机溶媒量大、难生物降解物质多、盐份高的特点，是一种危害很大的工业废水。未经处理或处理未达到排放标准而直接进入环境，将造成严重的危害2。此外，制药厂通常是采用间歇生产，产品的种类变化较大，造成了废水的水质、水量及污染物的种类变化较大3，废水处理难度加大。在所有医药废水中，化学药物制剂废水大多是高浓度有机废水，废水中COD达几万甚至十几万mg/L，且废水成分极其复杂，可生化性较差，直接采用好氧活性污泥法处理，曝气时间长，运行费用高，很难直接生化处理后达标排放4。传统的化学沉淀和氧化过程对其处理效果也不明显。所以制药行业废水的处理己成为急待解决的问题之一。对我国大多数规模小、技术不高的医药化工企业来说，处理废水已成为很大的负担，甚至难以承受，从而使得对医药化工等有毒有害废水的处理研究更为紧迫。2 方案选择2.1 生物制药废水处理方法生物制药废水是以有机污染物为主的废水，处理的主要对象是COD、BOD5、不易生物降解或生物降解速度缓慢的有机物等。其处理方法常见的有生物处理法、物理处理法、化学处理法及等。虽然制药废水的可生化性普遍较差，但经过预处理后仍属可生物降解的有机废水，其处理方法以生物处理法为主，物化处理法和化学处理法为辅。2.1.1 生物处理法（1）普通活性污泥法目前，活性污泥法是国内外处理医药废水比较成熟的方法。由于加强了预处理，改进了曝气方法，使装置运行稳定。该法到20世纪70年代已成为一些工业发达国家的制药厂普遍采用的方法。普通活性污泥法处理医药废水的缺点是废水需要大量稀释，运行中泡沫多，易发生污泥膨胀，剩余污泥量大，去除率不高，须采用二级或多级处理，因此，近年来改进曝气方法和微生物固定技术以提高废水的处理效果，己成为活性污泥法研究和发展的重要内容。（2）SBR法SBR法具有均化水质、无需污泥回流、耐冲击、污泥活性高、结构简单、操作灵活、占地少、投资省、运行稳定、基质去除率高于普通的活性污泥法等特点，比较适合于处理间歇排放和水量水质波动大的废水。但SBR法具有污泥沉降、泥水分离时间较长的缺点。在处理高浓度废水时，要求维持较高的污泥浓度，同时，还易发生高黏性膨胀。因此，常考虑在活性污泥系统中投加粉末活性炭，这样，可以减少曝气池的泡沫，改善污泥降沉性能、液-固分离性能、活性脱水性能等，获得较高的去除率5。采用SBR废水处理工艺对吉林市制药厂废水进行实验研究。结果表明，SBR处理工艺可有效的处理制药废水。使COD、pH值及挥发酚均达到排放标准6。生物膜法和SBR法相结合的废水处理工艺具有较强的耐冲击负荷能力，污泥性能很好，特别适宜于水质、水量波动较大的废水的处理。还可有效地处理含有抗生素类等生物难降解污染物的制药废水。当进水COD在157.761236.77mg/L之间变化时，出水COD均小于95mg/L7。（3）生物流化床法生物流化床将普通的活性污泥法和生物滤池两者的优点融为一体，因而具有容积负荷高、反应速度快、占地面积小等优点。生物流化床常以工厂烟道灰等做载体，内设挡板，使流化床分为曝气区、回流区、沉淀区。COD去除率可达80%以上，BOD5去除率可过95%以上8。（4）生物接触氧化法生物接触氧化法兼有活性污泥法和生物膜法的特点，具有容积负荷高、污泥产量少、抗冲击能力强、工艺运行稳定、管理方便等优点。很多工程采用两段法，目的在于驯化不同阶段的优势菌种，充分发挥不同微生物种群间的协同作用，提高生化效果和抗冲击能力。在工程中常以厌氧消化、酸化作为预处理工序，采用接触氧化法处理制药废水。哈尔滨北方制药厂采用水解酸化两段生物接触氧化工艺处理制药废水，运行结果表明，该工艺处理效果稳定、工艺组合合理9。随着该工艺技术的逐渐成熟，应用领域也更加广泛。（5）上流式厌氧污泥床法(UASB)UASB反应器具有厌氧消化效率高、结构简单等优点。UASB能否高效稳定运行的关键在于反应器内能否形成微生物适宜、产甲烷活性高、沉降性能良好的颗粒污泥。UASB运行时，对管理技术要求较高，且启动驯化困难，在启动初期，通常要求采用间歇脉冲进料的方式搅拌，以弥补因产气不足而不能达到菌体与基质的充分接触。通常要求SS含量不能过高，以保证COD去除率在85%90%以上。UASB反应器已经被成功地应用于部分纤维板生产废水和屠宰场废水的治理10。二级串联UASB的COD去除率可达到90%以上，山东某制药厂采用了二级UASB厌氧工艺处理废水，取得了良好的处理效果和经济效益11。上流式厌氧污泥床过滤器（UASB+AF）是近年来发展起来的一种新型复合式厌氧反应器，它结合了UASB和厌氧滤池(AF)的优点，使反应器的性能有所改善。该复合反应器在启动运行期间，可有效地截留污泥，加速污泥颗粒化，对容积负荷、温度pH值的波动有较好的承受能力。该复合式厌氧反应器已用来处理维生素C、双黄连粉针剂等制药废水12。（6）氧化沟自从PASVEER氧化沟1954年出现以来，就是依靠其简便的方式处理污水而得到不断发展的。氧化沟应用多年，经久不衰，而且取得相当大的突破，80年代初出现了一体化氧化沟等。近些年来，用氧化沟处理污水的生化工艺逐渐在国内推广，对于医药企业，氧化沟处理法也不断得到应用。（7）厌氧-好氧组合工艺医药废水属于较难处理的高浓度有机废水，废水具有组成复杂，污染物种类多，含量高，毒性强，生物难降解物质多，水质、水量变化大等特点，从而增加了处理该废水的难度。多年的试验和实践结果表明，对于这类高浓度有机废水，采用厌氧-好氧组合工艺己逐渐成为人们的共识13,14。（8）膜生物反应器膜生物反应器，是一种用膜过滤取代传统生物处理中二沉池和砂滤池的生物处理技术，它综合了膜分离技术和生物处理的优点，具有出水无需消毒、容积负荷高、抗冲击能力强、占地面积小、剩余污泥量少、设计运行管理方便等优点。膜生物反应器主要包括分离式膜生物反应器、一体式膜生物反应器以及萃取式膜生物反应器。 由于医药废水COD浓度高，色度高，污染物种类多，成分复杂，冲击负荷大，抗生素类医药废水中含有抑制微生物生长的抗生素，采用传统的生化法处理很难达到排放标准15,16。随着膜技术的不断发展，采用膜过滤取代传统生化处理系统中的二沉池所得到的膜生物反应器(简称MBR)弥补了原工艺的不足，在医药废水处理中的应用研究也逐渐深入17,18。2.1.2 化学处理法（1）混凝法混凝的目的在于向水中投加一些药剂，使水中难以沉淀的胶体颗粒脱稳而相互聚合，增大至能自然沉淀的程度，这种方法称为混凝。通过混凝可去除污水中的细分散固体颗粒、乳状油及胶体物质等。在制药废水处理中常用的混凝剂有：聚合硫酸铁、三氯化铁、亚铁盐、聚合硫酸铝、聚合氯化铝、聚合氯化硫酸铝铁、聚丙烯酸胺(PAM)等。李立明等人选用11种絮凝剂对硫酸庆大霉素废水进行混凝试验，结果表明TDF絮凝剂的综合效果最好，最佳工艺条件下，COD去除率约为55%，SS去除率约为36%，干渣回收率在1.25%以上，每吨废水的药剂费为1.0元19。（2）Fe-C处理法在酸性介质的作用下，铁屑与炭粒形成无数个微小原电池，释放出活性极强的H，新生态的H能与溶液中的许多组分发生氧化还原反应，同时还产生新生态的Fe2+，新生态的Fe2+具有较高的活性，生成Fe3+，随着水解反应的进行形成以Fe3+为中心的胶凝体。工业中以Fe-C作为制药废水的预处理步骤，运行表明经预处理后废水的可生化性大大提高，效果明显。（3）Fenton试剂处理法Fenton试剂是由H2O2和Fe2+混合得到的一种强氧化剂。由于能产生氧化能力很强的OH自由基，具有极强的氧化能力，特别适用于生物难降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水的氧化处理。而且具有反应迅速、温度和压力等反应条件缓和且无二次污染等优点。（4）深度氧化技术制药废水由于COD浓度高、色度深以及含有大量的有毒有害物质，除采用传统的生化及物化处理方法外，废水深度氧化技术有其独特特色。湿式空气氧化技术是在较高温度(150350)和压力(0.520MPa)下，以空气或纯氧为氧化剂将有机污染物氧化分解为无机物或小分子有机物的化学过程。张记市等人采用高温催化氧化预处理含酚制药废水，COD、SS去除率可达60%20。2.1.3 物化处理法物化处理不仅可作为生物处理工序的预处理，有时还可作为医药废水的单独处理工序或后处理工序。在医药废水处理中采用的物化法有很多，因不同的制药废水而不同21。（1）气浮法将空气以微小气泡的形式通入含有疏水性物质(如乳化油或相对密度近于1.0的细小悬浮颗粒)的水中，使粘附在气泡上的污染物随气泡上浮至水面，从而达到与水体分离的目的。通常包括充气气浮、溶气气浮、化学气浮和电解气浮等多种形式。气浮法适用于悬浮物含量较高的废水的预处理，具有投资少、能耗低、工艺简单、维修方便等优点，但不能有效地去除废液中可溶性有机物，尚需其它方法作为进一步的处理。新昌制药厂采用涡凹气浮设备处理医药废水，在适当的药剂配合下，COD的平均去除率可在25%左右。（2）吸附法利用多孔性固体吸附剂，使水中一种或多种物质被吸附在固体表面上，从而予以回收或去除的方法称为吸附法。吸附剂的种类很多，有活性炭、活化煤、吸附树脂以及腐殖酸类吸附剂等。青海制药集团公司采用炉渣-活性炭吸附来处理医药废水，处理后废水COD浓度大幅度削减至75%，效果显著，而且投资小、操作方便。除了上述几种常用的物化处理方法外，某些制药废水还采用反渗透法和吹脱法等。反渗透法可实现废水浓缩和净化的目的，吹脱法可降低氨氮含量。也可用离子交换、膜分离、萃取、蒸发与结晶、磁分离等。综上所述，使用单一的工艺处理生物制药废水很难使废水达标排放，所以需要利用各个工艺的优势进行组合，以达到最佳处理效果。2.2 方案的确定2.2.1 设计参数设计水量为4500m3/d，处理化学合成类医药废水，水质参数如表2.1所示，废水经处理后达到化学合成类制药工业水污染物排放标准（GB 219042008）。表2.1 水质参数名称COD(mg/L)BOD5(mg/L)SS(mg/L)pH进水120050040047出水1002050692.2.2 污水性质分析生物制药废水的主要污染物为有机物，其中BOD5/COD=0.41，为可生化降解污水，但由于制药废水成分复杂，其中仍有相当部分有机物难于生物降解；针对此特点，设计工艺时首先应提高废水的可生化性，然后再进行生化处理。2.2.3 工艺流程的确定针对生物制药废水特点以及出水水质的要求，并结合现有医药废水处理技术的特点，本设计中拟采用水解酸化-二级生物接触氧化工艺处理医药废水。处理工艺流程图见图2.1。2.2.4 工艺流程主体部分介绍（1）水解酸化阶段：水解酸化池放弃了厌氧反应中甲烷发酵阶段，利用水解和产酸菌的反应，将不溶性有机物水解成溶解性有机物，提高废水可生化性。（2）生物接触氧化阶段：氧化池内设有填料，填料上长满生物膜，废水与生物膜接触的过程中，水里面的有机物被微生物吸收后转化为新的生物膜，生物膜经历了挂膜、生长、增厚、脱落等更替过程，直至最后随处理水流出或变成新的污泥。图2.1 水解酸化-生物接触氧化工艺流程图3 构筑物设计与计算3.1 格栅 格栅，是由一组平行的金属栅条制成的框架，斜置在进水渠道上，或泵站集水池的进水口处，用以拦截污水中大块的呈悬浮或漂浮状态的污物。按格栅的栅条间间隙宽度可分粗格栅（50100mm），中格栅（1040mm），细格栅（310mm）。由于本设计中废水所含污物均为小颗粒物质，故只采用细格栅进行出渣。3.1.1 设计说明（1）水泵前格栅条间隙，应根据水泵允许通过污水的能力来确定；（2）污水处理系统前格栅栅条净间隙，应符合下列要求：人工清除为25100mm，机械清除为16100mm，最大间隙为100mm。污水处理厂可设置中、细两道格栅，大型污水处理厂亦可设置粗、中、细三道格栅。（3）栅渣量与地区的特点、格栅的间隙大小、污水流量以及下水道系统的类型等因素有关。在无当地运行资料时，可采用：格栅间隙1625mm：0.100.05m3栅渣/103m3污水。格栅间隙3050mm：0.030.01m3栅渣/103m3污水。栅渣的含水率一般为80%，密度约为960kg/m3。（4）每日栅渣量大于0.2m3时，一般采用机械格栅，同时机械格栅不少于2台，并一备一用。（5）格栅的过栅流速一般采用0.61.0m/s；（6）栅前渠道内水流速度一般采用0.40.9m/s；（7）格栅倾角一般采用4575。人工清除格栅倾角小时，较省力，但占地面积大；（8）通过格栅的水头损失一般采用0.080.15m；（9）格栅间必须设置工作台，台面应高出栅前最高设计水位0.5m。工作台上应有安全和冲洗设施；（10）格栅间工作台两侧过道宽度不应小于0.7m。工作台正面过道宽度：人工清除：不应小于1.2m。机械清除：不应小于1.5m。3.1.2 设计参数设计最大流量Qmax=4500m3/d=0.052m3/s，栅条宽度S=0.01m，栅条间隙b=0.008m，栅前水深h=0.3m，过栅流速v=0.8m/s，格栅倾角=70，栅渣量W1=0.1m3/103m3，设计两组格栅（一用一备）。计算草图如图3.1所示。图3.1 格栅计算草图3.1.3 设计计算（1）格栅的间隙数：式中：最大设计流量，m3/s；格栅倾角，；栅前水深，m；栅条间隙，m；过栅流速，m/s。代入数据得：个 （式3.11）（2）格栅宽度：式中：栅条的建筑宽度，m；栅条宽度，m； 栅条间隙，m； 栅条间隙数。代入数据得： （式3.12）（3）进水渠道渐宽部分长度：若取进水渠道宽B1=0.3m，渐宽部分展开角=20，此时进水渠道内的流速为0.75m/s。代入数据得： （式3.13）（4）渠道与出水渠道连接处的渐窄部分长度：代入数据得： （式3.14）（5）过栅水头损失：式中：过栅水头损失，m；形状系数；栅条宽度，m；栅条间隙，m；过栅流速，m/s；重力加速度，m2/s；截污后水头损失增大倍数，工程上一般取3。因栅条为圆形截面，则取形状系数=2.40。代入数据得： （式3.15）（6）取栅前渠道超高，则栅前槽总高： 代入数据得： （式3.16）（7）则栅后槽总高度： 代入数据得： （式3.17）（8）栅槽总长度：代入数据得： （式3.18）（9）每日栅渣量： 式中：总变化系数，取1.5。代入数据得： （式3.19）所以应采用机械清渣。3.1.3 格栅选型选用