生物制药废水处理站提标改造工程实例

卢毅明

（上海中耀环保实业有限公司， 上海 200092）

生物制药行业是指利用微生物将原料进行发酵， 并经过过滤、 提炼等工艺制成药品的行业， 目前已成为我国各地区政府重点发展方向。 该行业的工业废水具有高COD、 高氨氮与TN、 高色度、 成分复杂等特点［1-2］， 处理好该部分废水， 对地区的环境保护、 实现经济可持续性发展具有重要的意义。

目前， 生物制药废水的处理工艺均相对复杂，主要是生化与深度处理相结合的工艺， 如采用臭氧-活性炭工艺来提高废水的生物可降解性［3］， 也有采用气浮-复式兼氧-MBR 工艺来进行废水处理［4］。

某生物制药废水处理工程由于当地环保要求提高， 需进行提标改造， 本文介绍了提标改造工艺流程， 并给出了主要构筑物设计参数及工程运行效果。

1 工程概况

江苏某生物制药公司主要从事维C 等营养保健品的研发、 生产， 其维C 年产量为20 000 t／a。 主要生产工艺分为发酵、 提取、 转化与精制4 个单元，即采用山梨醇二步发酵为古龙酸钠， 通过离子交换提取古龙酸， 通过古龙酸与甲醇反应生成古龙酸甲酯， 并与碳酸氢钠反应生成Vc-Na， 再通过树脂交换生成粗维C， 后通过精制单元得到成品维C。

生产废水主要来自发酵、 提取与转化3 个生产工艺单元， 主要污染物为油、 COD、 TN、 氨氮等。废水处理站设计规模为9 000 m3／d， 采用二级厌氧-二级好氧-化学沉淀工艺处理， 原设计出水水质需达到GB 21903—2008《发酵类制药工业水污染排放标准》［5］中表2 水污染物排放限值。

根据2017 年当地政府发布的《靖江市九圩港沿线工业企业废水整治工作方案》， 要求2019 年该废水处理站设计出水水质须达到GB 21903—2008 中表3 水污染物特别排放限值。 废水处理站现有工艺不能满足更为严格的COD、 氨氮、 TP 等出水标准，故需要对该废水处理站进行提标改造。

2 提标改造方案

2.1 提标改造前工艺存在的问题

改造前工艺流程为： 生产废水→中和罐→沉砂池→调节池→一级厌氧池→二级厌氧池→一沉池→一级好氧池→二沉池→二级好氧池→三沉池→氧化沉淀池→达标排放。

根据2016 年至2017 年原有工艺出水数据， 该废水处理站出水COD 平均质量浓度为78.68 mg／L，SS 平均质量浓度为40 mg／L， 氨氮质量浓度低于10 mg／L， TN 质量浓度为3.0 ～23.7 mg／L， 以上水质均能够满足GB 21903—2008 中表2 水污染物排放限值。

根据新的要求， 2019 年出水水质需要执行该标准中表3 水污染物特别排放限值， 那么COD、氨氮、 TN、 SS 指标均不能达标， 故设计采用高级氧化技术进一步去除废水中COD， 增设缺氧段达到脱除TN 的目的， 同时增加曝气生物滤池（BAF）去除SS 和残余氨氮。

2.2 提标改造工程设计进出水水质

该废水主要来自于发酵、 提取与转化3 个生产工艺单元， 主要污染物为有机物、 TN、 氨氮， 水量为9 000 m3／d。

根据最新要求， 废水处理站设计出水水质须达到GB 21903—2008 中表3 水污染物特别排放限值，具体设计进出水水质如表1 所示。

2.3 提标改造方案

在预处理阶段增设一组隔油池（与新建调节池合建）， 用于强化来水中油的去除， 保持生化系统污泥的活性［6］； 同时， 在现有调节池的基础上， 增加调节池的缓冲容积， 减少水质的波动幅度， 降低对后续生化系统的冲击。

表1 设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality

在生化处理阶段， 于一级好氧池后增设臭氧催化氧化反应器。 臭氧在催化剂的作用下可高效生成·OH， 将难降解有机物断键。 在去除COD 的同时， 提高了废水的可生化性， 从而可以增强和提高二级好氧的处理效果， 进一步降低废水的COD 浓度。 同时， 将原有二级好氧池前端改造为缺氧池，利用反硝化细菌的反硝化作用， 将硝态氮转化为氮气， 从而去除废水中的TN。 另外， 由于原三沉池表面负荷过高， 出水飘泥， 故增加1 座三沉池。

增加深度处理工段， 采用BAF-多介质滤池工艺。 BAF 池内填料通过吸附溶解氧、 微生物及有机物形成生物填料后， 有利于硝化细菌的繁殖生长，能够形成硝化反应， 对废水中氨氮有一定的去除效果。 通过多介质滤池的过滤作用， 去除废水中的SS， 确保出水水质稳定达标。

提标改造工艺流程如图1 所示。

3 主要构筑物及设计参数

3.1 利旧单元

（1） 中和罐。 8 只， 钢制设备， 单罐尺寸为φ2.6 m×6.4 m， 水力停留时间为40 min。

图1 提标改造工艺流程Fig. 1 Wastewater treatment process after upgrading and reconstruction

（2） 沉砂池。 1 座， 尺寸为12.0 m×5.0 m×5.0 m。 内设斜板与出水堰板， 上升流速为6.25 m／s。 内设排泥泵1 台， 流量为15 m3／h， 扬程为20 m， 功率为2.2 kW。

（3） 一级厌氧池。 2 座， 每座可单独运行。 单池尺寸为37.0 m×12.0 m×8.0 m， 单池容积为3 550 m3， 总停留时间为19.0 h。 内设布水装置， 三相分离器， 污泥质量浓度为15 g／L， 污泥负荷为6.0 kg［COD］／（m3·d）。

（4） 二级厌氧池。 1 座， 尺寸为37.0 m×12.0 m×8.0 m， 单池容积为3 550 m3， 停留时间为9.5 h。 内设布水装置、 三相分离器。 污泥质量浓度为8 g／L， 污泥负荷为2.5 kg［COD］／（m3·d）。

（5） 一沉池。 1 座， 尺寸为φ14.0 m×5.0 m，表面负荷为2.5 m3／（m2·s）。 设置1 台周边传动刮泥机， 直径为14 m， 行走速度为1 ～3 m／min， 功率为0.75 kW。

（6） 一级好氧池。 1 座， 分为3 系列， 总尺寸为40.0 m×27.0 m×5.0 m。 总容积为5 400 m3， 总停 留 时 间 为14.4 h。 COD 负 荷 为0.30 kg／（kg［MLSS］·d）， 硝化负荷为0.05 kg／（kg［MLSS］·d）。内设曝气软管3 600 m， 氧传质效率为15%； 污泥回流泵3 台， 2 用1 备， 单台流量100 m3／h， 扬程20 m， 功率11 kW。

（7） 二级好氧池。 1 座， 分为2 系列， 单系列尺寸为62.1 m×3.5 m×4.0 m， 总容积为1 700 m3， 总停留时间为4.5 h。 COD 负荷为0.30 kg／（kg［MLSS］·d），硝化负荷为0.05 kg／（kg［MLSS］·d）。 内设曝气软管1 200 m， 氧传质效率为15%。

（8） 氧化沉淀池。 1 座， 尺寸为φ 28.0 m×4.5 m。 表面负荷为0.61 m3／（m2·h）。 内设桨式搅拌机3 台， 桨叶直径为1 200 mm， 转速为30 r／min； 周边传动全桥刮泥机1 台， 直径为28 m， 行走速度为1 ～3 m／min； 出水提升泵3 台， 2 用1 备， 单台流量为200 m3／h， 扬程为20 m， 功率为22 kW。

3.2 新增与改造单元

（1） 隔油池。 新建， 1 座， 尺寸为21.7 m×6.0 m×6.8 m， 油珠上浮速度为2.81 m／h。 内设集油管2 根， 直径为0.3 m， 长6.0 m； 污油泵2 台， 1 用1 备， 单台流量为20 m3／h， 扬程为30 m， 功率为5.5 kW。

（2） 调节池。 在原有基础上， 新建1 座， 总尺寸为35.7 m×24.0 m×6.8 m， 池容为5 820 m3， 水力停留时间为15.5 h。 内设双曲面搅拌机4 台， 单台直径为2.5 m， 转速为30 r／min， 功率为7.5 kW；提升泵2 用1 备， 单台水泵流量为200 m3／h， 扬程为15 m， 功率为15 kW。

（3） 臭氧催化氧化池。 1 座， 尺寸为17.6 m×17.0 m×6.8 m， 停留时间为5.4 h。 内设臭氧空气分布系统、 反洗水分布系统、 反洗风分布系统、 正常布水分布系统、 底部联通分布系统、 出水配水系统各1 套， 以及臭氧催化氧化剂120 套， 单套尺寸为1.5 m×1.0 m×1.0 m。

（4） 缺氧池。 改造缺氧池2 座， 钢混结构， 单座平面尺寸为62.1 m×3.5 m×4.0 m。 反硝化负荷为0.08 kg／（kg［MLSS］·d）。 内设混合液回流泵4台， 4 用， 单台功率为4 kW。

（5） 三沉池。 在原有2 座的基础上， 新建1座， 尺寸为φ 20.0 m×4.5 m， 表面负荷为0.6 m3／（m2·h）。 内设进水泵2 台， 1 用1 备， 单台流量为190 m3／h， 扬程为20 m， 功率为15 kW； 污泥回流泵3 台， 2 用1 备， 流量为200 m3／h， 扬程为20 m， 功率为18.5 kW； 中心浓缩机（含中心导流筒）1台， 直径为20 m。

（6） 曝气生物滤池。 新建1 座， 钢混结构， 尺寸为10.0 m×10.0 m×5.5 m， 水力停留时间为1.5 h。 滤料材质为陶粒， 体积为375 m3。

（7） 多介质滤池。 新建， 尺寸为10.0 m×5.0 m×5.5 m， 池容为137.5 m3， 水力停留时间为0.4 h， 上升流速为7.5 m／h。 内设石英砂滤料， 体积为90 m3； 滤池反洗泵2 台， 单台 流量 为550 m3／h，扬程为20 m， 功率为55 kW。

（8） 综合设备间。 新建1 座， 框架结构， 平面尺寸为21.0 m × 17.0 m， 高6.5 m。 内设臭氧发生器1 套， VPSA 制氧系统1 套， 闭路循环冷却水系统1 套， 尾气破坏器1 套， 配电柜1 套。 臭氧发生器单套产量为25 kg／h， 功率为175 kW。

泵房平面尺寸为21.0 m×8.5 m， 高6.5 m， 内设反洗水泵3 台， 2 用1 备， 单台流量为350 m3／h， 扬程为25 m， 功率为37 kW； 泥水提升泵2台， 1 用1 备， 单台流量为10 m3／h， 扬程为20 m，功率为1.5 kW； 出水提升泵3 台， 2 用1 备， 单台流量为220 m3／h， 扬程为15 m， 功率为15 kW。

4 工程设计特点

（1） 改造方案充分利用了原有构筑物， 如二级好氧池， 最大限度节省了投资， 缩短了建设周期。

（2） 采用臭氧催化氧化工艺， 能高效形成·OH，在去除部分COD 的同时， 能够断键难降解有机物， 为后续反硝化提供碳源， 节省了运行费用。

（3） 缺氧池采用高效氧化沟形式， 能快速混合均匀， 大大缓解了水质波动对反硝化细菌的影响。

5 工程运行效果

该项目于2019 年1 月建成， 3 月份进入调试阶段。 调试运行40 d 后， 出水COD、 氨氮、 SS 与TN 达到设计要求。 2019 年9 月份通过环保验收，出水水质稳定满足GB 21903—2008 中表3 水污染物特别排放限值。 2019 年5 月～12 月平均进出水水质如表2 所示。

表2 实际进出水平均水质Tab. 2 Actual average influent and effluent water quality

6 投资及运行成本

本工程建设投资约为4 000 万元， 新增运行成本为0.87 元／t， 总运行成本为4.12 元／t。

7 结语

（1） 该工程运行实践表明， 采用二级厌氧-一级好氧-臭氧催化氧化-缺氧-好氧-BAF-砂滤工艺处理生物制药废水， 处理效果稳定， 出水COD 平均质量浓度为42.1 mg／L， 氨氮平均质量浓度为1.4 mg／L， TN 平均质量浓度为5.7 mg／L， SS 平均质量浓度为8.5 mg／L， 满足了GB 21903—2008 中表3水污染物特别排放限值。

（2） 采用臭氧催化氧化工艺， 其平均COD 去除量为50 mg／L， 同时提高了废水的可生化性， 为下游生化处理提供了有利的碳源。 臭氧催化氧化装置占地面积较小， 运行简单， 适合作为提标改造项目的深度处理单元， 以满足日益严格的排放要求。