CIP废液处理的设计要点

师纪伟

（上海森松制药设备工程有限公司，上海 201323）

在线清洗系统（下称CIP系统）就是用来清洗工艺生产设备及其相连的管路系统中所有工艺残留物的系统。一般情况下CIP系统在初淋、碱洗、酸洗和终淋等主要工艺步骤下，在设定的温度下，将工艺残留物溶解在清洗液中并被排出工艺系统中。对于CIP系统设计者来说，CIP处理后的废液如何处理，也是非常值得注意考虑的，并且CIP系统的设计将影响到下游的废水处理。

1 CIP废液处理的必要性

对于典型的食品日化的主要处理策略将需要针对高pH，低pH和废液温度，高流速。所有这些属性都有适当的许可机构设置的排放限制，管道规范还将限制通过该工厂地面上的非工艺管道系统输送的物料，以及任何在地下运行的管道系统。接收废水的污水处理厂来设定这些限制，以保护其操作人员的安全和健康和维持其处理厂的流程，并确保符相应的国家及行业标准。

一般情况下，典型的工业排放要求会对下列CIP污水做出规定：

1）腐蚀性污染物的含量，主要为酸或碱。

2）温度。

3）养分，如氮和磷等。

4）有机物负荷或生化需氧量（BOD）。

酸和碱会对输送污水管道以及设备造成腐蚀性损害。温度和pH的峰值都能抑制对有机物处理至关重要的微生物生存及反应过程。如果排放管道系统中存在低燃点的材料，高温也会带来安全风险，从CIP系统输送到排水系统的营养物质和有机物质可能会超过城市污水处理厂的设计，可能会引起重大环境问题。

2 CIP废液处理的策略

通常情况下，在工厂中会设计一个集中的废液处理系统来处理CIP废液，在经过预处理后达到允许排放指标要求后排入工厂的排水系统进而最终排入市政污水系统做进一步的处理。

现场废液处理系统将需要处理不在pH和温度允许范围内的废液。CIP系统产生的废液也会影响工厂满足总磷和BOD浓度许可要求的能力。

CIP废液处理系统可以设计为批处理模式或连续处理模式。就批处理模式而言，废液被收集在一个容器中存储并处理之后进行排放。在连续处理系统中，废液持续地流经一系列的不同设计功能的容器进行实时处理。对于大多数的工厂而言，连续处理模式是比较优选的方案，批处理模式系统更适合于小型的研究性或实验性设施。

2.1 pH处理

现场废液处理系统通常使用强酸和强碱，如硫酸和氢氧化钠，进行酸碱中和。通过向清洗废液中注入少量的强酸或强碱，通过自动化控制系统，可以精确控制注入的酸或碱，使得溶液达到可排放许可的范围之内。

流程通常是通过图1示意的那样通过一系列容器完成。通常为3个大的容器，分别是稳定罐（缓存罐），pH中和罐#1（粗pH调节罐）和pH中和罐#2（精pH 调节罐）。酸碱调节用的酸和碱需要经过职业培训并合格的操作人员操作，并采用相应的安全措施。

图1 三罐中和系统示意图

这些设施的设计和安装需要特别注意以下因素：

（1）防溅漏围挡。

（2）酸和碱的分隔。

（3）涉及部分具有操作风险性的管道易辨识标识，如对酸碱管道采用色标标识等。

（4）具有足够计量精度的计量泵。

此处想特别强调对酸碱储罐进行防溅漏围挡，通常会提供最大酸碱存储量的110%容积来设计防溅漏围挡，以及在泄漏情况下酸和碱的完全隔离。这些酸和碱的溢出引起的反应导致放热反应可能会产生危险热量以及有毒烟雾。

鉴于pH的对数值特性，在溶液的不同pH范围内调节使用不同的碱用量，比如pH从2至3和把pH从5调节到6将使用不同量的碱。中和所用的化学品的用量还受以下原因影响：

（1）来液pH。

（2）CIP清洗使用化学品的类型和浓度。

（3）中和用化学品的类型和浓度。

（4）废液的整体碱性。

（5）废液的缓冲能力。

（6）废液被其他化学反应的稀释程度。

2.2 高温

CIP回路产生的废水通常很热（一般情况下为65～85℃），会导致工厂的废液超过允许的温度排放极限。另外CIP系统排放物的热量与其他蒸馏系统和其他蒸汽冷凝源的排料流结合在一起，可能会明显提高整个装置废液的温度。应采取措施将这种废水冷却至许可要求以下。可以使用板换式热交换器和适当温度的设备冷却水将废液冷却至35～40℃。如果CIP系统经过设计和验证可在较低温度下工作，则存在较大的节省能源的可能。

2.3 总磷酸盐

许多CIP清洗化学品都包含磷酸盐或磷酸，两者均导致废水流中的总磷增加。该化学元素通常受到严格控制，以防止湖泊和河流中的藻类过多和植物生长进而导致水体恶化。并非所有的市政污水处理厂都设计用于去除营养物（例如磷或氮），这可能导致工厂排放需要满足市政污水处理厂接收的最终营养物排放要求。但由于磷的处理通常涉及化学沉淀反应或复杂的生物过程，一般在工厂现场不会进行直接处理。比较好的方法是尽可能避免含有磷酸盐或磷酸的CIP化学药品。用于CIP清洁的磷酸的一种替代方法乙醇酸或柠檬酸。在工艺开发和清洁验证的早期，就需要考虑使用这些替代的清洁剂。

2.4 生化需氧量（BOD）

CIP废液中可能包含较高水平的生化需氧量（BOD）的有机物，其具体种类和数量取决于生产工艺流程。BOD通常使用5d分析测试进行测量，该测试确定微生物在有机物的生物化学氧化中使用的溶解氧量。由于大多数污水处理厂都使用微生物工艺来处理其进入的废物流，排入系统中废液BOD的高低或可变水平将直接影响污水处理厂的处理能力和效果。

与磷相似，由于操作这些系统的复杂性，因此不宜对BOD进行工厂处理。在这种情况下，高BOD废物流在工厂内隔离并收集在大容器中，之后将它们与其他污水一起计量加入这个容器中进行混合稀释至规定水平，这样就不会将大量的高浓度BOD废物流一次排入到市政污水处理厂从而对市政污水处理厂的瞬时处理能力造成冲击。

2.5 有生物活性的有机体

当使用CIP系统清洁暴露于活性微生物的设备和管道时，可能需要使用专门的废物处理系统来使废水灭活，然后将其送至废物中和进行pH处理。这些生物废物系统有时被称为“灭活系统”。它们使用热量或化学物质以分批模式或连续模式杀死活跃的细胞培养物。

蒸汽加热是使废物流中任何活生物体失活的首选方法。使用直接注入废物流中的蒸汽或使用热交换器可轻松实现微生物数量减少6个对数的目标。大多数情况下会使用直接蒸汽，因为其加热效率高，而且不太可能因被处理的废物流污染。蒸汽喷射器非常适合分批系统和连续流系统。

如图2所示，典型的连续的生物废物灭活系统将包括但不限于以下主要组件：

（1）废液接收罐，用于收集生物废物和高BOD废物流。

（2）灭活罐，在灭活过程中用于存储待灭活处理废液。

（3）蒸汽喷射器，用于蒸汽和废液混合加热。

（4）热回收换热器，用于回收利用蒸汽喷射后高温来预热新进待处理物料。

（5）降温换热器，用于降低最终排放温度。

图2 典型灭活系统示意图

3 CIP废液处理系统的设计要点

在设计这些工艺系统/CIP排水系统时须考虑的关键事项如下：

1）设计者需要了解CIP废液的可能成分，特别是酸碱类型和可能的活性生物体。

2）CIP清洗系统的排液管道需按不同的工艺用途进行分组，以便按不同处理需求排放至相应的处理系统。

3）推荐在CIP系统的总排水管道上安装分流阀，然后将含有生物活性体的漂洗液和苛性钠清洗液排向灭活系统，然后将其余不含生物活体的废液排放至 pH中和系统。

4）必须使用适当的结构材料来存放高纯度水和酸洗液。推荐的材料包括不锈钢或玻璃纤维增强塑料，这些材料的防腐性能较好。

5）CIP系统的排水口应适当加大，以防止在排水过程中排水量过大造成周围的地面溢水，建议将CIP系统放在堤防围挡区域内。

6）在确定排水管总管和支管的大小时，必须使用瞬时流量，而不是管道设计人员通常使用的平均流量。应特别考虑尽可能短地将排放管道接连接到后续处理系统中，避免管道系统多次管道转向而增加管道系统阻力。

7）在设计清洗管道的总管和支管这些高流量的排水系统的排空呼吸口的尺寸和位置时，也应注意和CIP的流量相匹配，以避免通气不畅发生虹吸现象。

8）在CIP模块排放管道和地面排水口之间提供空气隔断，以防止废物回流入工艺系统中。

9）在排放管道末端设置过滤器以避免异物进入后续管道系统堵塞管路。

4 结语

CIP系统是现代食品日化等轻工业产品生产企业中普遍应用的系统，其在提高产品生产质量和设备使用效率的同时，其产生的废液处理系统也是整个生产设施中需要逐步改进的领域之一。该系统的设计安装将直接影响到企业操作人员的职业健康安全和下游的市政设施的正常运行并最终影响到社会及自然环境的保护。