CA—SBR工藝在制藥生產廢水處理工程
1 背景介紹
株洲千金藥業股份有限公司是一九九三年由株洲中藥廠改制成立，是中國中成藥生產重點企業五十強之一。公司主要產品為婦科千金片、千金膠囊、舒筋活絡液等。十多年來，公司保持快速發展勢頭，一九九八年實現銷售1.2億元，利潤2469萬元，人均利稅13.7萬元。隨著企業經濟效益的快速增長，公司為造福社會，于2001年興建了全廠廢水處理工程。
該廢水處理站位于株洲市荷塘區金鉤山株洲千金藥業公司廠區內，占地約700m2。根據廠方的分流制排水規劃，廠區生產廢水、生活污水和雨水分管排放，其中廢水處理站只接納生產廢水，設計規模1700m3/d。
2 廢水設計參數
2.1 廢水水量
該公司生產廢水主要來自洗滌、煎煮（洗鍋）、片劑和制劑等工序，其中煎煮工序洗鍋廢水及制劑車間廢水污染程度高，洗滌及冷卻工段排放廢水量大。
該公司擴產后日用水水量及廢水日處理量估算見表1。擴產后公司生產廢水日排放量為1350m3/d，根據公司遠期發展規劃，取設計處理廢水量為1700 m3/d。
表1 擴產后日用水水量及廢水日處理量估算表
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2.2 廢水水質
生產廢水中的污染物質大致可分水溶性的和水不溶性的兩類。水溶性的污染物主要是單寧、生物堿、有機酸、糖類、蒽醌、淀粉等有機物，另外還有制劑工序引入的無毒色素，片劑車間排放的高分子物質等。水不溶性的污染物主要來自清洗、煎煮等工序，主要是泥沙、植物類懸浮物等。因為是中藥制藥企業，所以其生產廢水中的有毒物質較少，COD較西藥制藥廢水要低。
廢水水質指標見表2。
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2.3 處理出水水質標準
廢水處理后執行國家污水綜合排放標準GB8978-96一級排放標準。為了節約水資源，可以考慮部分處理后的水作為中水回用，為達到中水回用標準，設計時考慮了用砂濾和加氯消毒的方法來提高出水水質。主要回用途徑有：
1）澆灌花草，廠區內綠化用水可以全部使用處理后的水。
2）鍋爐煙氣除塵，必要時可以部分使用處理后水進行鍋爐煙氣除塵。
2.4 處理工藝流程
針對上述出水要求，通過必要的試驗研究和參考同類廢水處理工程的經驗，我們選用先進的CA+SBR工藝（催化水解酸化+間歇序批式活性污泥反應器）。在回用水深度處理方面，考慮在二級處理的基礎上，增加砂濾和加氯消毒工藝，使出水水質進一步提高。
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廢水處理工藝流程情況如下（見圖1）：廢水經格柵池和撈毛除渣機除去大顆粒懸浮物后自流進入調節池，調節池中放置了廢鐵屑，通過鐵屑在水中的電化學反應對廢水中的有機污染物起水解催化作用，再進入水解酸化池。水解酸化池分兩段，第一段布置了曝氣裝置，必要時可以進行預曝氣，對池中廢水進行攪拌。水解酸化池出水通過污水提升泵進入SBR池，經曝氣處理后，沉淀。排出沉淀后的上層清水。排水可通過砂濾池濾掉懸浮雜質，也可不通過砂濾池直接經清水池外排。在需要將排水回用時還可以加消毒藥水以提高回用水水質。SBR池的剩余污泥可以排入集泥池，經污泥濃縮池重力濃縮，壓濾機壓濾后外運。
3 廢水處理站平面布置和高程布置
3.1 平面布置
廢水處理站位于千金藥業公司廠區的東北角，占地面積約750m2。（見圖2）在設計時，我們采取了SBR池與調節水解酸化池豎向布置的方法，將SBR池建在調節水解酸化池之上，既節省了占地面積，又利用SBR池的水位高差保證潷水器的自流排水。同時我們將風機房建在地下，并進行隔聲處理，有效的控制了風機運行中產生的噪聲污染。
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3.2 高程布置
在高程布置設計上，利用廠區廢水管網出口的高差讓廢水自流進入從調節水解酸化池，再利用污水泵做一次提升將水解酸化池出水泵入SBR池。SBR池排水以及砂濾過程利用構筑物之間的高差克服水頭損失，使廢水自流流動，參見圖3。
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4 主要構筑物
4.1 格柵池
格柵池尺寸為4.4×2.4×1.4m3，前部分為柵條間距10mm的人工粗格柵，后部分設有一臺CM2000型除毛除渣機。格柵池能有效去除各類大體積雜物，為后續處理創造良好條件。
4.2 調節池
調節池尺寸10.0×9.5×5.0m3，池體超高1.0m，設計水利停留時間HRT=2.54h，進水采用雙層環狀穿孔管布水。
4.3 水解酸化池
水解酸化池尺寸20.0×9.5×5.0m3，內分兩格，池體超高1.0m，有效容積760m3，設計水利停留時間HRT=10.7h，第一格池底布置有微孔曝氣頭，必要時可以進行曝氣攪拌。
4.4 SBR池
SBR池尺寸10.0×9.5×5.5m3，池體超高0.5m，共3池。進水采用ZW150-180-15型污水泵從集水井中將廢水提升至SBR池，池中利用環狀穿孔管布水。曝氣采用SSR型羅茨鼓風機，曝氣裝置選用氧利用率20%以上的DYW-Ⅲ型微孔曝氣器，每池布置156個。排水采用BS250-5000型潷水器，最大潷水率超過60%，最大單池周期排水285m3。3個SBR池采取交錯間歇的方式運行，設計單池運行周期為12h，其中進水1.5h，曝氣8.0h，沉淀1.0h，排水1.0h，閑置0.5h，每池每日運行2周期，3池每日運行6周期，最大日處理量為285×6=1710m3。
4.5 集泥井
集泥井尺寸10.0×1.5×5.0m3，共三池，其底部與調節池以及水解酸化池連通。SBR池中的多余污泥通過SBR池底的排空閥直接排放到集泥井中，逐漸累積后利用污泥泵抽至污泥濃縮池。
4.6 污泥濃縮池
污泥濃縮池尺寸3.5×1.5×3.3m3，底部為斗狀，共2池。由于實踐證明SBR工藝產生的剩余污泥很少，所以污泥濃縮池設計時沒采用一般活性污泥工藝的設計參數。濃縮采用重力濃縮，設計停留時間12～24h，濃縮池上清液通過池壁上的電動閥逐層排出，底部濃縮污泥用螺桿泵抽送至帶式污泥壓濾機上進行脫水處理。
4.7 消毒—砂濾—清水池
消毒—砂濾—清水池為一體式結構，尺寸9.2×7.5×6.3m3，其中消毒池尺寸9.2×3.5×6.3m3，砂濾池9.2×2.5×6.3m3。消毒采用氯片消毒器配置溶液通過在消毒池中與排水的均勻混合到達出水消毒的目的。另外在消毒池上設有增氧機，必要時可以提高出水中的溶解氧含量，進一步提高處理水質。砂濾池采用普通快濾池結構，以Φ1～20mm的瓷球為濾料，設計濾速12.4m/h，反沖采用SBR池排水反沖，反沖時間5min。操作中，SBR池排水可根據需要決定是否通過過砂濾池。
4.8 泵及風機房
泵與風機房平面尺寸10.0×5.24m2，為雙層結構。其中風機房設于泵房下的負一層中，內設有供水解酸化池預曝氣的HC-100S型回轉風機（5.11m3/min，0.5kg/cm2，7.5kw）一臺，供SBR池曝氣的SSR125型羅茨鼓風機（9.19m3/min，0.59kg/cm2，15kw）3臺，為潷水器汽缸以及污泥壓濾機汽缸提供壓縮空氣的Z-0.025/7型空氣壓縮機兩臺。
4.9 污泥脫水間
污泥脫水間尺寸9.23×5.24×5.2m3，其中設有PFMA-500型帶式壓濾機一臺，用于抽送濃縮污泥的G（GS）35-1型螺桿泵一臺，用于沖洗壓濾機的IS50-32-200A型清洗水泵一臺，混凝劑投配裝置一套。
5 廢水處理站運行情況分析
5.1 系統運行安排
該廢水處理站工程2001年底竣工，經過近半年的調試和試運行，目前已投入正式使用。 由于該污水處理站是根據企業遠期發展規劃設計確定處理水量的，受企業生產能力限制，目前污水處理量約800～900m3/d，并沒有達到設計處理量。因為采用的是SBR工藝，運行方式十分靈活，所以即使目前進水量不到設計要求的60%，整個生化系統的仍然能夠正常運行。具體運行方式如下：只使用三個SBR池中的兩個，每個SBR池每天運行兩周期，每個SBR池每周期處理水量200～250m3/d。如果今后水量增大，可以從已運行的量個SBR池中分出部分活性污泥，進行運行即可，根據從第一個SBR池分出部分的活性污泥接種到第二個SBR池的實踐過程來看，新的SBR池的啟動過程很快，從接種污泥到正常以運行大約只要10天左右，而且不會對分出活性污泥的SBR池的運行產生不良影響。
SBR工藝之所以能適應水量的大幅變化是因為其采用的是間歇式運行，一個周期中的五個工藝階段的時間分配都可以根據實際需要靈活安排，而且每周期的排水量也可以根據需要通過潷水器的潷水深度來確定。根據設計，我們能保證進水量在200m3/d～1700m3/d范圍內整個系統都能正常運行，克服了運用傳統的連續流式活性污泥法時由于進水水量達不到設計要求而無法正常以運行的缺點。
5.2 水質運行情況分析
從2002年5月該廢水處理站于正式投入使用以來，出水水質情況較穩定，出水清澈，各項指標均能到達設計要求。水質監測見表3（以COD為主要監測指標）。
表3 水質監測結果（月平均值）
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運行過程中五六月份曾受企業生產安排影響，部分車間生產不正常，造成進水水量偏少，COD含量較低。
以上監測數據表明，采用CA—SBR工藝對中成藥制藥廢水的處理效果很理想，其中CA（催化水解酸化）階段對COD的去除率一般在20%左右，SBR階段的COD去除率在95%左右。整個工藝過程對進水水質水量的變化有很大的適應性，抗沖擊負荷能力好。
5.3 污泥運行情況分析
由于SBR工藝中曝氣過程和沉淀過程是在同一池中完成的，所以不僅能節省基建費用，而且還省去了一般活性污泥法中的污泥回流系統，簡化了操作。該廢水站SBR池的活性污泥來源于某污水廠的剩余污泥，通過接種馴化來使其適應中藥制藥廢水的處理，馴化好的污泥呈褐色。
在日常的監測中考慮操作的方便性，我們以SBR池正常水位時池中的污泥沉降比（SV）來表示污泥量，根據多次試驗得出SV=20時的污泥濃度約為3500mg/L。
在實際運行過程中，我們發現污泥的增殖性能在SV＜15時較快，SV＞20后，污泥的增殖就變得很緩慢（見表3），而且污泥會呈現出老化現象，所以我們將SBR污泥池污泥量控制在SBR池正常水位時SV=20左右，即MLSS=3500mg/L左右。
由于污泥在運行過程中不斷的老化，所以每天要排出一定量的污泥，根據一段時間的摸索，我們將排泥安排在每天排水結束后，排泥量一般為污泥總量的5%～10% ，即污泥齡約在10～20d。實踐發現，適時適量的排泥是系統穩定運行的重要保證。如果不及時排泥會造成污泥老化，污泥絮體變碎，沉降性能變差，使出水水質下降。
13.5.4 溶解氧控制
SBR池曝氣運行中的廢水溶解氧含量的變化是確定曝氣時間的重要依據。我們發現在實際運行過程中，每天流入廢水處理站的廢水水質會因生產變化而有所變化，有時變化幅度很大。以進入SBR池的廢水為監測對象，其COD值一般在600mg/L～1000mg/L之間，但有時甚至會低于200mg/L。從圖4中，我們可以清楚的看到，從水解酸化池進入到SBR池的廢水DO值為0mg/L，開始曝氣后DO值增長非常緩慢，這可能是因為曝氣初期曝氣廢水中有機物染物含量很高，隨曝氣中氧一進入SBR池就被活性污泥中的微生物很快消耗掉，此時系統處在缺氧階段。隨著時間的推移，廢水中的污染物被活性污泥逐漸吸附降解，這時水中的溶解氧開始慢慢上升，水中的絕大部分污染物已被轉移至污泥中，系統過渡到富氧階段，在DO達到1.0mg/L后，其增長速率明顯增快。根據實測發現當DO上升到4.5mg/L左右時，其增長速率就會明顯降低，這時污染物已被微生物逐漸分解。
5.5 生物相變化
污泥中的微生物以鐘蟲、輪蟲為主，也有少量纖毛蟲、鞭毛蟲、線蟲。運行過程中曾出現豆形蟲大量增多，而其他微生物種類很少的狀況，這時的污泥絮體出現破碎、沉降性變差。因此，我們定期做污泥微生物鏡檢來了解污泥中生物相的變化，根據觀察結果來調整曝氣量和排泥量以及排泥操作周期。
5.6 運行中存在的問題
5.6.1 曝氣量的控制問題
運行過程中存在的主要問題是如何控制曝氣量。和傳統活性污泥法一樣，SBR工藝在曝氣過程中也存在隨著時間的推移，廢水中的有機物染物會不斷的被分解掉而使需氧量逐漸減少，如何來根據系統實際需氧量來控制曝氣量是一個需要解決的問題，因為曝氣階段后期多余的曝氣量不但會浪費不必要的能耗，提高廢水處理的成本，而且有時會因為過量曝氣而使污泥自身分解，使污泥絮體破碎而難以沉淀，造成出水水質下降。
對于這個問題，當前較普遍的解決方法是采用在線監測設備根據即時監測取得的數據通過自動化控制系統控制變頻風機，來調整曝氣量來適應活性污泥系統需氧量的變化。該廢水站設計之初曾作過這方面考慮，但因千金公司考慮這樣做前期投入將較大而且日后的自動化控制系統維護工作較復雜而沒有采用。
目前我們解決這一問題采取的是經驗法，即根據一段時間的運行，來摸索合適的運行參數。根據實際操作得出的運行數據如表4。
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注：上述曝氣時間指的是一個SBR池使用一臺風量為9.19m3/min，風壓0.59kg/cm2，功率15kw的羅茨鼓風機曝氣時的時間。
通過這種方法只能確定合適的曝氣時間以保證廢水中的有機物充分分解，并不能根據不同時間段生化系統對需氧量的變化來合理分配曝氣量。曝氣階段后期的過量曝氣問題依舊存在。
5.6.2 出水水質變化問題
在調試和運行中都曾出現SBR排水水質周期性變差問題。水質變差主要體現在水色變黃，濁度升高，但一般出現這類情況時COD上升并不太明顯。這種情況一般幾周到幾個月出現一次，持續時間幾天到一周不等。出現這種情況時，往往可發現在SBR池長時間沉淀后發現大塊的類似鐵銹的膜狀物漂浮在水面上。根據分析，我們認為這可能是水解酸化池中的鐵屑在催化水解過程中發生電化學氧化還原反應，生成了Fe(OH)3的膠體使水色變黃，濁度增加。
6 工程評價
6.1 工程投資和運行成本
該廢水處理站工程總投資約300萬元。運行成本主要是動力費用固定資產折舊費、設備維修費、藥劑費、人工費等。設計階段我們估算的廢水處理成本為0.45元/m3，但由于目前處理水量只有設計處理量的50%，所以使實際測算的處理成本相對提高，約為0.76元/m3。
6.2 經濟效益、環境效益和社會效益
經濟效益方面，雖然廢水處理站的建設花費了企業一大筆資金，今后的運行仍需要企業不斷的資金投入，但廢水處理站的成功運行可以每年為企業節省因超標排污而交納的十幾萬費用，且利用處理后的回用水還可以為企業節約部分自來水費。
在環境效益和社會效益方面，千金藥業廢水處理站的建成投入運行結束了該廠廢水直接排放的歷史，廢水經處理后出水清澈，水質指標大多優于相關的排放標準，如COD一般在40mg/L～50mg/L，大大低于一級排放標準中要求的100mg/L。出水排放到廠區附近的金鉤山村的小河溝中后未對周圍環境產生不良影響，有效地保護了當地的環境質量。這些都為千金藥業公司贏得了良好的社會聲譽。
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