CA—SBR工艺在制药生产废水处理工程
1 背景介绍
株洲千金药业股份有限公司是一九九三年由株洲中药厂改制成立，是中国中成药生产重点企业五十强之一。公司主要产品为妇科千金片、千金胶囊、舒筋活络液等。十多年来，公司保持快速发展势头，一九九八年实现销售1.2亿元，利润2469万元，人均利税13.7万元。随着企业经济效益的快速增长，公司为造福社会，于2001年兴建了全厂废水处理工程。
该废水处理站位于株洲市荷塘区金钩山株洲千金药业公司厂区内，占地约700m2。根据厂方的分流制排水规划，厂区生产废水、生活污水和雨水分管排放，其中废水处理站只接纳生产废水，设计规模1700m3/d。
2 废水设计参数
2.1 废水水量
该公司生产废水主要来自洗涤、煎煮（洗锅）、片剂和制剂等工序，其中煎煮工序洗锅废水及制剂车间废水污染程度高，洗涤及冷却工段排放废水量大。
该公司扩产后日用水水量及废水日处理量估算见表1。扩产后公司生产废水日排放量为1350m3/d，根据公司远期发展规划，取设计处理废水量为1700 m3/d。
表1 扩产后日用水水量及废水日处理量估算表
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2.2 废水水质
生产废水中的污染物质大致可分水溶性的和水不溶性的两类。水溶性的污染物主要是单宁、生物碱、有机酸、糖类、蒽醌、淀粉等有机物，另外还有制剂工序引入的无毒色素，片剂车间排放的高分子物质等。水不溶性的污染物主要来自清洗、煎煮等工序，主要是泥沙、植物类悬浮物等。因为是中药制药企业，所以其生产废水中的有毒物质较少，COD较西药制药废水要低。
废水水质指标见表2。
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2.3 处理出水水质标准
废水处理后执行国家污水综合排放标准GB8978-96一级排放标准。为了节约水资源，可以考虑部分处理后的水作为中水回用，为达到中水回用标准，设计时考虑了用砂滤和加氯消毒的方法来提高出水水质。主要回用途径有：
1）浇灌花草，厂区内绿化用水可以全部使用处理后的水。
2）锅炉烟气除尘，必要时可以部分使用处理后水进行锅炉烟气除尘。
2.4 处理工艺流程
针对上述出水要求，通过必要的试验研究和参考同类废水处理工程的经验，我们选用先进的CA+SBR工艺（催化水解酸化+间歇序批式活性污泥反应器）。在回用水深度处理方面，考虑在二级处理的基础上，增加砂滤和加氯消毒工艺，使出水水质进一步提高。
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废水处理工艺流程情况如下（见图1）：废水经格栅池和捞毛除渣机除去大颗粒悬浮物后自流进入调节池，调节池中放置了废铁屑，通过铁屑在水中的电化学反应对废水中的有机污染物起水解催化作用，再进入水解酸化池。水解酸化池分两段，第一段布置了曝气装置，必要时可以进行预曝气，对池中废水进行搅拌。水解酸化池出水通过污水提升泵进入SBR池，经曝气处理后，沉淀。排出沉淀后的上层清水。排水可通过砂滤池滤掉悬浮杂质，也可不通过砂滤池直接经清水池外排。在需要将排水回用时还可以加消毒药水以提高回用水水质。SBR池的剩余污泥可以排入集泥池，经污泥浓缩池重力浓缩，压滤机压滤后外运。
3 废水处理站平面布置和高程布置
3.1 平面布置
废水处理站位于千金药业公司厂区的东北角，占地面积约750m2。（见图2）在设计时，我们采取了SBR池与调节水解酸化池竖向布置的方法，将SBR池建在调节水解酸化池之上，既节省了占地面积，又利用SBR池的水位高差保证滗水器的自流排水。同时我们将风机房建在地下，并进行隔声处理，有效的控制了风机运行中产生的噪声污染。
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3.2 高程布置
在高程布置设计上，利用厂区废水管网出口的高差让废水自流进入从调节水解酸化池，再利用污水泵做一次提升将水解酸化池出水泵入SBR池。SBR池排水以及砂滤过程利用构筑物之间的高差克服水头损失，使废水自流流动，参见图3。
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4 主要构筑物
4.1 格栅池
格栅池尺寸为4.4×2.4×1.4m3，前部分为栅条间距10mm的人工粗格栅，后部分设有一台CM2000型除毛除渣机。格栅池能有效去除各类大体积杂物，为后续处理创造良好条件。
4.2 调节池
调节池尺寸10.0×9.5×5.0m3，池体超高1.0m，设计水利停留时间HRT=2.54h，进水采用双层环状穿孔管布水。
4.3 水解酸化池
水解酸化池尺寸20.0×9.5×5.0m3，内分两格，池体超高1.0m，有效容积760m3，设计水利停留时间HRT=10.7h，第一格池底布置有微孔曝气头，必要时可以进行曝气搅拌。
4.4 SBR池
SBR池尺寸10.0×9.5×5.5m3，池体超高0.5m，共3池。进水采用ZW150-180-15型污水泵从集水井中将废水提升至SBR池，池中利用环状穿孔管布水。曝气采用SSR型罗茨鼓风机，曝气装置选用氧利用率20%以上的DYW-Ⅲ型微孔曝气器，每池布置156个。排水采用BS250-5000型滗水器，最大滗水率超过60%，最大单池周期排水285m3。3个SBR池采取交错间歇的方式运行，设计单池运行周期为12h，其中进水1.5h，曝气8.0h，沉淀1.0h，排水1.0h，闲置0.5h，每池每日运行2周期，3池每日运行6周期，最大日处理量为285×6=1710m3。
4.5 集泥井
集泥井尺寸10.0×1.5×5.0m3，共三池，其底部与调节池以及水解酸化池连通。SBR池中的多余污泥通过SBR池底的排空阀直接排放到集泥井中，逐渐累积后利用污泥泵抽至污泥浓缩池。
4.6 污泥浓缩池
污泥浓缩池尺寸3.5×1.5×3.3m3，底部为斗状，共2池。由于实践证明SBR工艺产生的剩余污泥很少，所以污泥浓缩池设计时没采用一般活性污泥工艺的设计参数。浓缩采用重力浓缩，设计停留时间12～24h，浓缩池上清液通过池壁上的电动阀逐层排出，底部浓缩污泥用螺杆泵抽送至带式污泥压滤机上进行脱水处理。
4.7 消毒—砂滤—清水池
消毒—砂滤—清水池为一体式结构，尺寸9.2×7.5×6.3m3，其中消毒池尺寸9.2×3.5×6.3m3，砂滤池9.2×2.5×6.3m3。消毒采用氯片消毒器配置溶液通过在消毒池中与排水的均匀混合到达出水消毒的目的。另外在消毒池上设有增氧机，必要时可以提高出水中的溶解氧含量，进一步提高处理水质。砂滤池采用普通快滤池结构，以Φ1～20mm的瓷球为滤料，设计滤速12.4m/h，反冲采用SBR池排水反冲，反冲时间5min。操作中，SBR池排水可根据需要决定是否通过过砂滤池。
4.8 泵及风机房
泵与风机房平面尺寸10.0×5.24m2，为双层结构。其中风机房设于泵房下的负一层中，内设有供水解酸化池预曝气的HC-100S型回转风机（5.11m3/min，0.5kg/cm2，7.5kw）一台，供SBR池曝气的SSR125型罗茨鼓风机（9.19m3/min，0.59kg/cm2，15kw）3台，为滗水器汽缸以及污泥压滤机汽缸提供压缩空气的Z-0.025/7型空气压缩机两台。
4.9 污泥脱水间
污泥脱水间尺寸9.23×5.24×5.2m3，其中设有PFMA-500型带式压滤机一台，用于抽送浓缩污泥的G（GS）35-1型螺杆泵一台，用于冲洗压滤机的IS50-32-200A型清洗水泵一台，混凝剂投配装置一套。
5 废水处理站运行情况分析
5.1 系统运行安排
该废水处理站工程2001年底竣工，经过近半年的调试和试运行，目前已投入正式使用。 由于该污水处理站是根据企业远期发展规划设计确定处理水量的，受企业生产能力限制，目前污水处理量约800～900m3/d，并没有达到设计处理量。因为采用的是SBR工艺，运行方式十分灵活，所以即使目前进水量不到设计要求的60%，整个生化系统的仍然能够正常运行。具体运行方式如下：只使用三个SBR池中的两个，每个SBR池每天运行两周期，每个SBR池每周期处理水量200～250m3/d。如果今后水量增大，可以从已运行的量个SBR池中分出部分活性污泥，进行运行即可，根据从第一个SBR池分出部分的活性污泥接种到第二个SBR池的实践过程来看，新的SBR池的启动过程很快，从接种污泥到正常以运行大约只要10天左右，而且不会对分出活性污泥的SBR池的运行产生不良影响。
SBR工艺之所以能适应水量的大幅变化是因为其采用的是间歇式运行，一个周期中的五个工艺阶段的时间分配都可以根据实际需要灵活安排，而且每周期的排水量也可以根据需要通过滗水器的滗水深度来确定。根据设计，我们能保证进水量在200m3/d～1700m3/d范围内整个系统都能正常运行，克服了运用传统的连续流式活性污泥法时由于进水水量达不到设计要求而无法正常以运行的缺点。
5.2 水质运行情况分析
从2002年5月该废水处理站于正式投入使用以来，出水水质情况较稳定，出水清澈，各项指标均能到达设计要求。水质监测见表3（以COD为主要监测指标）。
表3 水质监测结果（月平均值）
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运行过程中五六月份曾受企业生产安排影响，部分车间生产不正常，造成进水水量偏少，COD含量较低。
以上监测数据表明，采用CA—SBR工艺对中成药制药废水的处理效果很理想，其中CA（催化水解酸化）阶段对COD的去除率一般在20%左右，SBR阶段的COD去除率在95%左右。整个工艺过程对进水水质水量的变化有很大的适应性，抗冲击负荷能力好。
5.3 污泥运行情况分析
由于SBR工艺中曝气过程和沉淀过程是在同一池中完成的，所以不仅能节省基建费用，而且还省去了一般活性污泥法中的污泥回流系统，简化了操作。该废水站SBR池的活性污泥来源于某污水厂的剩余污泥，通过接种驯化来使其适应中药制药废水的处理，驯化好的污泥呈褐色。
在日常的监测中考虑操作的方便性，我们以SBR池正常水位时池中的污泥沉降比（SV）来表示污泥量，根据多次试验得出SV=20时的污泥浓度约为3500mg/L。
在实际运行过程中，我们发现污泥的增殖性能在SV＜15时较快，SV＞20后，污泥的增殖就变得很缓慢（见表3），而且污泥会呈现出老化现象，所以我们将SBR污泥池污泥量控制在SBR池正常水位时SV=20左右，即MLSS=3500mg/L左右。
由于污泥在运行过程中不断的老化，所以每天要排出一定量的污泥，根据一段时间的摸索，我们将排泥安排在每天排水结束后，排泥量一般为污泥总量的5%～10% ，即污泥龄约在10～20d。实践发现，适时适量的排泥是系统稳定运行的重要保证。如果不及时排泥会造成污泥老化，污泥絮体变碎，沉降性能变差，使出水水质下降。
13.5.4 溶解氧控制
SBR池曝气运行中的废水溶解氧含量的变化是确定曝气时间的重要依据。我们发现在实际运行过程中，每天流入废水处理站的废水水质会因生产变化而有所变化，有时变化幅度很大。以进入SBR池的废水为监测对象，其COD值一般在600mg/L～1000mg/L之间，但有时甚至会低于200mg/L。从图4中，我们可以清楚的看到，从水解酸化池进入到SBR池的废水DO值为0mg/L，开始曝气后DO值增长非常缓慢，这可能是因为曝气初期曝气废水中有机物染物含量很高，随曝气中氧一进入SBR池就被活性污泥中的微生物很快消耗掉，此时系统处在缺氧阶段。随着时间的推移，废水中的污染物被活性污泥逐渐吸附降解，这时水中的溶解氧开始慢慢上升，水中的绝大部分污染物已被转移至污泥中，系统过渡到富氧阶段，在DO达到1.0mg/L后，其增长速率明显增快。根据实测发现当DO上升到4.5mg/L左右时，其增长速率就会明显降低，这时污染物已被微生物逐渐分解。
5.5 生物相变化
污泥中的微生物以钟虫、轮虫为主，也有少量纤毛虫、鞭毛虫、线虫。运行过程中曾出现豆形虫大量增多，而其他微生物种类很少的状况，这时的污泥絮体出现破碎、沉降性变差。因此，我们定期做污泥微生物镜检来了解污泥中生物相的变化，根据观察结果来调整曝气量和排泥量以及排泥操作周期。
5.6 运行中存在的问题
5.6.1 曝气量的控制问题
运行过程中存在的主要问题是如何控制曝气量。和传统活性污泥法一样，SBR工艺在曝气过程中也存在随着时间的推移，废水中的有机物染物会不断的被分解掉而使需氧量逐渐减少，如何来根据系统实际需氧量来控制曝气量是一个需要解决的问题，因为曝气阶段后期多余的曝气量不但会浪费不必要的能耗，提高废水处理的成本，而且有时会因为过量曝气而使污泥自身分解，使污泥絮体破碎而难以沉淀，造成出水水质下降。
对于这个问题，当前较普遍的解决方法是采用在线监测设备根据即时监测取得的数据通过自动化控制系统控制变频风机，来调整曝气量来适应活性污泥系统需氧量的变化。该废水站设计之初曾作过这方面考虑，但因千金公司考虑这样做前期投入将较大而且日后的自动化控制系统维护工作较复杂而没有采用。
目前我们解决这一问题采取的是经验法，即根据一段时间的运行，来摸索合适的运行参数。根据实际操作得出的运行数据如表4。
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注：上述曝气时间指的是一个SBR池使用一台风量为9.19m3/min，风压0.59kg/cm2，功率15kw的罗茨鼓风机曝气时的时间。
通过这种方法只能确定合适的曝气时间以保证废水中的有机物充分分解，并不能根据不同时间段生化系统对需氧量的变化来合理分配曝气量。曝气阶段后期的过量曝气问题依旧存在。
5.6.2 出水水质变化问题
在调试和运行中都曾出现SBR排水水质周期性变差问题。水质变差主要体现在水色变黄，浊度升高，但一般出现这类情况时COD上升并不太明显。这种情况一般几周到几个月出现一次，持续时间几天到一周不等。出现这种情况时，往往可发现在SBR池长时间沉淀后发现大块的类似铁锈的膜状物漂浮在水面上。根据分析，我们认为这可能是水解酸化池中的铁屑在催化水解过程中发生电化学氧化还原反应，生成了Fe(OH)3的胶体使水色变黄，浊度增加。
6 工程评价
6.1 工程投资和运行成本
该废水处理站工程总投资约300万元。运行成本主要是动力费用固定资产折旧费、设备维修费、药剂费、人工费等。设计阶段我们估算的废水处理成本为0.45元/m3，但由于目前处理水量只有设计处理量的50%，所以使实际测算的处理成本相对提高，约为0.76元/m3。
6.2 经济效益、环境效益和社会效益
经济效益方面，虽然废水处理站的建设花费了企业一大笔资金，今后的运行仍需要企业不断的资金投入，但废水处理站的成功运行可以每年为企业节省因超标排污而交纳的十几万费用，且利用处理后的回用水还可以为企业节约部分自来水费。
在环境效益和社会效益方面，千金药业废水处理站的建成投入运行结束了该厂废水直接排放的历史，废水经处理后出水清澈，水质指标大多优于相关的排放标准，如COD一般在40mg/L～50mg/L，大大低于一级排放标准中要求的100mg/L。出水排放到厂区附近的金钩山村的小河沟中后未对周围环境产生不良影响，有效地保护了当地的环境质量。这些都为千金药业公司赢得了良好的社会声誉。
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