500吨某制药厂中药生产废水处理设计.docx
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500吨某制药厂中药生产废水处理设计
某制药厂中药生产废水处理设计
1.概述
1.1工程基本情况简介
该制药厂是一中小企业，中药生产废水的最大排放量为500m3/d，拟定设计处理水量为500m3/d，处理系统按每天24h连续运行设计，即设计处理水量为20.83m3/h。
确定本污水处理工程的设计进水水质如下表：
表1-1污水水质情况
项目
COD
BOD5
pH
SS
NH3-N
TP
色度
进水
6000
2800
5.5-6.5
350
20
15
300
除pH值外其它单位为:
mg/L
设计处理后要求出水水质达到《中药类制药工业水污染物排放标准》（GB21906–2008）的一级排放标准，出水水质各个参数情况见表二：
表1-2污水排放标准
项目
COD
BOD5
pH
SS
NH3-N
TP
色度
出水
70
18
6.0-9.0
50
10
0.5
40
除pH值外其它单位为：
mg/L
1.2设计依据
（1）《中药类制药工业水污染物排放标准》（GB21906–2008）
（2）《给排水设计规X》
（3）《实用环境工程设计手册》
（4）《环境工程设计手册》
（5）相关的环境保护法规和技术政策
1.3设计X围
本工程设计X围包括该制药厂中药生产废水处理区内的废水处理工艺、土建工程、管道工程、设备购置等。
设计包括：
（1）废水处理工艺流程设计；
（2）废水处理站平面布置图设计；
（3）废水处理站高程图设计；
（4）废水处理站管线图设计；
（5）部分构筑物的设计；
（6）投资估算；
（7）工程经济和环境效益分析。
1.4设计原则
工艺方案的选择对于废水处理设施的建设、确保处理设施的处理效果和降低运行费用发挥着最为重要的作用，因此需要结合设计规模、废水水质特性以及当地的实际条件和要求，选择技术可行、经济合理的处理工艺技术，经全面技术经济分析后优选出最佳的总体工艺方案和实施方式。
在废水处理设施的总体工艺方案确定中，遵循以下原则：
（1）所选工艺必须技术先进、成熟，对水质变化适应能力强，运行稳定，能保证出水水质达到工厂使用标准及国家废水排放标准的要求。
（2）所选工艺应减少基建投资和运行费用，节省占地面积和降低能耗。
（3）所选工艺应易于操作、运行灵活且便于管理。
根据进水水质、水量，应能对工艺运行参数和操作进行适当调整。
（4）所选工艺应易于实现自动控制，提高操作管理水平。
（5）所选工艺应最大程度减少对周围环境的不良影响（气味、噪声、气雾等）。
2.处理工艺设计[2]
2.1工艺流程确定
根据处理的废水水量、水质及处理要求，结合工程经验，确定废水处理工艺，工艺流程如图：
图2.1制药厂中药生产废水处理工艺流程
2.2工艺流程设计说明
中药生产废水通过格栅进入污水处理段调节池，调节水质水量，在絮凝剂的作用下，去除废水中的悬浮物和胶体物质等污染物，降低后续处理单元的工作负荷。
经泵定量提升到二相厌氧反应器，在厌氧微生物的作用下，将废水中的各种复杂有机物分解转化成小分子有机物，甲烷和二氧化碳等物质，剩余污泥进入污泥浓缩池[3]。
该流程的产酸反应器采用厌氧反应器，其污泥的回流比可使产酸反应中保持较高浓度的产酸污泥，以加快悬浮物质或难降解物质的水解酸化，为后续的产甲烷反应创造有利条件[4]。
而工程采用的高负荷厌氧反应器（UASB），在池底甲布水系统与三相分离器之间留有一定空间，以便悬浮悬浮状态的絮状污泥和颗粒污泥在其中生长、积累，具有良好的污泥滞留效果[5]。
在厌氧微生物作用下，将废水中大分子有机物降解为小分子有机物、甲烷和CO2等。
两相厌氧工艺通过产酸相和产甲烷相的协同作用，不但使废水的可生化性大大提高，而且去除了大部分子有机物质，降低了废水的浓度[6]。
氧化沟作为一种完全混合且不需要初沉池的延时曝气活性污泥法工艺，是一种出水水质好、运行可靠、基建投资费用和运行费用低的污水处理方法[3]。
氧化沟不仅满足BOD5和SS的去除，而且氧化沟中还能进行充分的硝化和一定的反硝化作用，有效的去除废水中的氮和磷[7]。
将氧化沟处理排出的废水中加入微量絮凝剂，使废水中的悬浮物在絮凝剂的作用下经斜管填料进行沉淀。
由于中药提取的废水中含有较高浓度的磷酸盐，除在预处理阶段利用钙盐沉淀，以及后续生化系统除去部分的磷酸盐以外，仍需在氧化沟处理完成后进行加药混凝处理，以保证磷处理效果达标[5]。
厌氧反应器、氧化沟、二沉池及混凝沉淀池中的剩余污泥通过污泥泵进入浓缩池，加入絮凝剂后，经板框压缩机脱水后运走[3]。
2.3各单元预期处理效果
物料衡算（拟定废水量500m3/d）
①废水经过格栅、调节池。
调节池的主要作用是调节水质水量，水量没有发生很大的变化，仍然为500m3/d。
②废水经过两相厌氧反应器反应器，由于厌氧部分产生污泥量与废水量比起来非常小，可以忽略不计，进入氧化沟的废水水量基本不变，依旧为500m3/d。
③氧化沟系统中的水量衡算应包括整个反应器里的进出水量，反应池中的污泥产量以及污泥回流，但是污泥回流是一个内循环系统，对于整个氧化沟系统，变化不大。
④废水经过混凝沉淀池，主要是除去上述工艺未能完全去除的含磷污染物，所产生的污泥量与废水量相比非常小，可以忽略不计，水量依旧为500m3/d。
⑤污泥处理系统中携带有水，但这部分水在脱水后又被送回调节池，因此水量损失也不大。
所以，整个过程水量基本恒定不变。
各主要构筑物对BOD5、COD、NH3-N、SS、TP、pH、色度的预期处理效果见表2.1。
表2.1各主要构筑物预期去除效果
处理单元
项目
BOD5
（mg/L）
COD
（mg/L）
NH3—N
（mg/L）
TP
（mg/L）
pH
色度
SS
（mg/L）
格栅
进水
2800
6000
20
15
5.5-6.5
300
350
去除率
1%
7%
0
0
-
5%
35%
调节池
进水
2772
5580
20
15
5.5-6.5
285
227.5
去除率
2%
2%
0
0
-
5%
55%
厌氧池
进水
2717
5468
20
15
5.5-6.5
271
102.5
去除率
20%
60%
25%
15%
-
30%
5%
UASB池
进水
2173
2187
15
12.75
5.0-6.0
189.7
97.38
去除率
85%
80%
18%
15%
-
41%
10%
氧化沟
进水
326
415.6
12.3
11．08
4.5-5.5
111.2
87.64
去除率
96%
85%
70%
48.2%
-
45%
25%
二沉池
进水
13.04
62.34
3.69
5.6
5.0-6.0
61.56
65.73
去除率
11%
15%
6%
10%
-
40%
20%
混凝沉淀池
进水
11.6
52
3.47
5.04
5.0-6.0
36.9
52.6
去除率
15%
17%
3%
93%
-
35%
80%
预计效果
9.86
44
3.38
0.35
6.0-9.0
24
10.5
总去除率
99.9%
99.3%
77.5%
97.7%
100%
93.1%
97%
排放标准
18
70
10
0.5
100%
40
50
3.工艺单元设计
3.1格栅（地埋式）
3.1.1设计说明[4]
中药生产废水主要来自生产车间，在洗泡蒸煮药材、冲洗、制剂等过程中产生。
废水包括生产过程中的原药洗涤水，原药药汁残液、过滤、蒸馏、萃取等单元操作中产生的污水、生产设备洗涤和地板冲洗水[8]。
格栅主要用来截留污水中较粗大漂浮物和悬浮物，防止堵塞和缠绕水泵机组、管道阀门、处理构筑物配水设施、进出水口，减少后续处理产生的浮渣，保证污水处理设施的正常运行[4]。
3.1.2设计计算
3.1.2.1设计参数[4]
栅前流速v1=0.3m/s
过栅流速V=0.1m/s
栅条间隙宽度b=0.01m
格栅倾角α=60°
格栅数为N=1个
栅条宽度S=0.02m
3.1.2.2设计计算[2]
设计流量Q=500m3/d=0.006m3/s
根据最优水力断面公式
计算得:
栅前槽宽
，则栅前水深
取栅前水深h=0.1m，过栅流速V=0.2m/s，栅条间隙宽度b=0.01m，格栅倾角α=60º，格栅数N=1个，则栅条间隙数n为：
栅槽有效宽度B2=s（n-1）+en=0.02×（35-1）+0.01×35=1.02m
进水渠道渐宽部分长度
（其中α1为进水渠展开角）
栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度
过栅水头损失（h1）
因栅条边为矩形截面，取k=3，则
式中：
ε=β（s/e）4/3
h0：
计算水头损失
k：
系数，格栅受污物堵塞后，水头损失增加倍数，取k=3
ε：
阻力系数，与栅条断面形状有关，当为矩形断面时β=2.42
栅后槽总高度（H）
取栅前渠道超高h2=0.3m，则栅前槽总高度H1=h+h2=0.1+0.3=0.4m
栅后槽总高度H=h+h1+h2=0.10+0.1+0.3=0.5m
格栅总长度L=L1+L2+0.5+1.0+0.4/tanα
=1.12+0.56+0.5+1.0+0.4/tan60°
=3.41m
每日栅渣量ω=Q平均日ω1=
=0.03m3/d＜0.2m3/d
所以宜采用人工格栅清渣
3.2调节池（地埋式）
3.2.1设计说明[2]
中药材废水污染主要变现为高浓度有机废水的污染，对于中药制药工业，由于药物生产过程中不同药物品种和生产工艺不同，所产生的废水水质及水量有很大的差别，而且由于产品更换周期短，随着产品的更换，废水水质、水量经常波动，极不稳定。
中药废水的另一个特点是有机污染物浓度高，悬浮物，尤其是木质素等比重较轻、难于沉淀的有机物含量高，色度较高，废水的可生化性较好，多为间歇排放，污水成分复杂，水质水量变化较大。
综上中药废水特点，需设调节池。
调节池的作用是集水缓冲、均匀调节兼水解酸化、中和水质。
在絮凝剂的作用下，去除废水中的悬浮物和胶体物质等污染物，降低后续处理单元的工作负荷。
3.2.2设计计算[4]
3.2.2.1设计参数
水力停留时间t取2.5h
该厂最大排水量Qmax取500m3/d,即为20.83m3/h
有效水深取H=2.5m
3.2.2.2计算
调节池有效容积为：
V容积=Qmaxt=20.83×2.5=52.5m3
H=2.5m，超高0.5m，则池面积：
A=V/H=52.5÷2.5=21m2
取池长L=5.3m,则池宽B=4.0m
即调节池的实际尺寸为：
L·B·H=5.3m×4.0m×（2.5+0.5）m
附属设施:
选用二台潜水排污泵（一用一备），型号为WQ27-15-2.2，参数如下表：
泵
流量
m3/h
扬程m
转速r/min
电机功率kW
效率﹪
排出口径
mm
WQ27-15-2.2
27
15
2900
2.2
70
240
3.3两相厌氧工艺（半地埋式）
3.3.1设计说明[3]
经物理处理后的废水，流入两相厌氧反应器中，进行厌氧反应处理。
废水中有机污染物结构比较复杂，不宜生物降解。
两相厌氧工艺的产酸反应器采用厌氧反应器，其污泥的回流可使产酸反应中保持较高浓度的产酸污泥，以加快悬浮物质或难降解物质的水解酸化，为后续的产甲烷反应创造有利条件。
而工程采用的高负荷厌氧反应器（UASB），在池底布水系统与三相分离器之间留出一定空间，以便悬浮状态的絮状污泥和颗粒污泥在其中生长、积累，具有良好的污泥滞留效果。
在厌氧微生物作用下，将废水中的大分子有机物降解为小分子有机物、甲烷和CO2等。
两相厌氧工艺通过产酸相和产甲烷相的协同作用，不但使废水的可生化性大大提高，而且去除了大部分有机物质，极大降低了废水的浓度。
3.3.2设计计算
3.3.2.1设计参数[9]
产酸反应器与产甲烷反应器容积比为1:
4
容积负荷Nv为6kgCOD/（m3·d）
产酸反应器水力停留时间HRT=4h,有效水深h1=3.0m
产甲烷反应器水力停留时间HRT=12h，有效水深h2=4.6m
3.3.2.2计算[2]
两相厌氧反应器的有效容积：
V=QmaxS0/Nv=500×6000÷6000=500m3
产酸反应器水力停留时间HRT=4h；则产酸反应器的有效容积：
V1=Qmaxt1=20.83×4=84m3
有效水深h1=3.0m,超高0.5m，则池面积：
A=V1/H1=84÷3=28m2
取池长为7.0m，则池宽B=4.0m
即厌氧反应器的实际尺寸为：
L·B·H=7m×4m×（3+0.5）m
两相厌氧工艺流程中，产酸反应器和产甲烷反应器之间的沉淀池选用初沉池，沉淀池表面水力负荷q取1.5m3/（m2·h）,沉淀时间t取2.0h，则沉淀区有效水深为：
h=qt=1.5×2.0=3.0m
沉淀区有效容积为：
V=Qmaxt=20.83×2=42m3
有效水深为3.0m，超高为0.5m，则有效沉淀池面积：
A=V/h=42÷3.0=14m2
取池长为4.0m，则池宽为3.5m，取4.0m
即初沉池的实际尺寸为：
L·B·H=4.0m×4.0m×（3+0.5）m
产甲烷反应器选用UASB反应器，UASB反应器配水方式、进水系统、排泥系统、三相分离器、出水系统等设计如下：
两相厌氧反应器的容积负荷Nv采用6.0kgCOD/（m3·d）,则反应器容积为：
V=QmaxS0/Nv=500×6000÷6000=500m3
采用2座UASB反应器，则每个反应器的容积为：
V1=（500-84-42）÷2=187m3
UASB反应器的有效高度取为5m，则反应器面积为：
A1=V1/h=187÷5≈40m2
反应区的平面形状采用矩形，设池长为池宽的2倍，设池长L为池宽B的2倍，则可知B＝4.5m，L＝9.0m。
实际池面积：
S实＝4.5×9.0＝40.5m2
一般应用时反应器装液量为70%～90%，本工程中设计反应器高H＝5.0m，其中超高0.5m，反应器的总容积V＝BLH＝4.5×9.0×（5.0+0.5）＝222.0m3，反应器总容积为444m3，则体积有效系数为374/444＝84.2%，符合有机负荷要求。
故最终的UASB反应器实际尺寸为：
L·B·H=9.0m×4.5m×5.5m
tHRT
V有效/Q=187/21.0
8.9h
Vr
Q/A1=21.0/40
0.52m3/（m2·h）
对于颗粒污泥，水力负荷Vr＝0.1～0.9m3/（m2·h），符合要求。
（1）布水点的设置
由于设计容积负荷＞4.0kgCOD/（m3·d），因此每个点的布水面积取3m2为好，每池布水点数：
n
S/S0=40/3=13，取n＝15个
设布水管内流速u1＝0.5m/s，u2＝0.6m/s，u3＝0.7m/s，u4＝0.8m/s，u5＝1.0m/s，u6＝3.0m/s（管出口），则直径d为:
d1＝
=
=61mm
d2＝
=
=40mm
d3＝
=
=26mm
d4＝
=
=17mm
d5＝
=
=11mm
d6＝
=
=5mm
布水管设置在离UASB反应器底部200mm处。
（2）验证
空塔水流速度：
uk
Q/S＝21/40＝0.52m/h＜1.0m/h，符合要求。
空塔气流速度：
ug
式中：
Q—设计处理量，m3/h
Co—进水COD浓度，kg/m3
η—COD去除率，取80%
S—横截面积，m2
r—沼气产率，取0.35m3/kgCOD
ug
（21×6000×10-3×80%×0.52）/40＝0.85m/h＜1.0m/h，符合要求。
整个两相厌氧工艺，在设计中利用水力自流作用，是废水进出反应器时，无需外加外力作用。
3.4三相分离器的设计[13]
I三相分离器构造形式多种多样，但是必定有3个主要功能和3个组成部分：
气液分离、固液分离和污泥回流3个功能以及气封、沉淀区和回流缝3个组成部分。
3.4.1沉淀区设计
根据一般设计要求，水流在沉淀室内的表面负荷率q′＜0.7m3/（m2·h），沉淀室底部进水口表面负荷一般小于2.0m3/（m2·h）,本工程设计中，与短边平行，沿长边每池布置5个集气罩，构成5个分离单元，则每池设置5个三相分离器。
三相分离器长度B＝4.5m，每个单元宽度b＝L/5＝9.0/5＝1.8m
沉淀区的沉淀面积即为反应器水平面积，即40m2
沉淀区的表面负荷率：
Q/S＝21/40＝0.52m3/（m2·h）＜1.0～2.0m3/（m2·h）
3.4.2回流缝的设计
设上下三角形集气罩斜面水平夹角为α＝55°，取h3＝0.9m
b1＝h3/tgα＝0.9/tg55°＝0.63m
b2＝b－2b1＝1.9－2×0.63＝0.64（m）
式中：
b1—下三角形集气罩底宽度，m
h3—下三角形集气罩垂直高度，m
b2—相邻两个下三角形集气罩之间水平距离，m
b—单元三相分离器宽度，m
下三角集气罩之间污泥回流缝混合液上升流速
a1＝nb2L＝5×0.64×4.5＝15.0m2
v1＝Q/a1＝21/15.0＝1.3m/h
式中：
v1—下三角形集气罩之间污泥回流缝中混合液的上升流速，m/h
a1—下三角形集气罩回流缝总面积，m2
L—反应器宽度，即三相分离器的长度B，m
n—反应器的三相分离器的单元数
为使回流缝水流稳定，固液分离效果良好，污泥能顺利回流，一般v1＜2m/h。
上三角集气罩下端与下三角斜面之间水平距离的回流缝中水流的流速
设b3＝CD＝0.3m
a2＝2nb3L＝2×5×0.3×4.5＝13.5m2
v2＝Q/a2＝21/26.4＝1.6m/h
式中：
v2—上三角集气罩下端与下三角集气罩斜面之间水平距离的回流缝中水流的流速，m/h
a2—上三角集气罩回流缝的总面积，m2
b3—上三角集气罩回流缝的宽度，m
假定a2为控制断面Amin，一般其面积不低于反应器面积的20%，v2就是vmax。
同时要满足：
v1＜v2（vmax）＜2.0m/h。
3.4.3气液分离设计
CE＝CDsin55°＝0.3×sin55°＝0.25m
CB＝CE/sin35°＝0.25/sin35°＝0.44m
设AB＝0.5m
H4＝（ABcos55°＋b2/2）×tg55°＝0.88m
校核气液分离，假定气泡上升流速和水流速度不变，根据平行四边形法则，要使气泡分离不进入沉淀区的必要条件是：
vb/va＞AD/AB或BC/AB。
沿AB方向水流速度：
va＝Q/CE×B×2×N＝1.7m/h
式中：
B—三相分离器长度
N—每池三相分离器数量
气泡上升速度：
vb＝βg/18μ×（ρ1－ρ2）×d2,μ＝νρ1
式中：
d-气泡直径，cm
ρ1-液体密度，g/cm3
ρ2-沼气密度，g/cm3
β-碰撞系数，取0.95
μ-废水的动力黏滞系数，g/（cm·s）
v-液体的运动粘滞系数，cm2/s
设气泡直径d＝0.01cm，在35℃下，ρ1＝1.03g/cm3，ρ2＝1.15×10-3g/cm3，v＝0.0101cm2/s，β＝0.95，μ＝0.0101×1.03＝0.0104g/（cm·s），由于废水动力粘滞系数值比净水的大，取0.02g/（cm·s）。
vb＝（0.95×9.81）/（18×0.02）＝9.58m/h
BC/AB＝0.44/0.5＝0.88
vb/va＝9.58/1.7＝5.64
所以：
vb/va＞BC/AB，可脱去d≥0.01cm的气泡
3.4.4三相分离器与UASB高度设计
三相分离区总高度h＝h2＋h3＋h4－h5
h2为集气罩以上的覆盖水深，取0.5m
AF＝h/sin55°＝1.46m
DF＝AF－AD＝1.46－0.5－0.52＝0.44m
h5＝DFsin55°＝0.44×sin55°＝0.36m
h＝h2＋h3＋h4－h5＝0.5＋0.9＋0.88－0.36＝1.92m
UASB总高H=5.5m，其中超高0.5m，沉淀区高1.0m，污泥床高2.0m，悬浮区高2.0m。
3.4.5产泥量的计算
UASB反应器中污泥总量计算
一般UASB污泥床主要由沉降性能良好的厌氧污泥组成，平均浓度为15VSS/L，则UASB反应器中污泥总量为：
G＝VCSS＝500×15＝5600kg/d＝5.6t/d
产泥量计算厌氧生物处理污泥产量取r＝0.08kgVSS/kgCOD，流量Q=21m3/h，进水COD浓度C0＝6000mg/L＝6kg/m3，COD去除率E=80%
UASB反应器总产泥：
△X＝RQC0E＝0.08×500×6.0×0.8＝192kgVSS/d
据VSS/SS＝0.8，△X＝192/0.8＝240kgSS/d.
污泥含水率为98%，当含水率＞95%时，取ρs＝1000kg/m3，则污泥含产量：
WS＝240/1000×（1－98%）＝12m3/d
污泥泥龄：
θc＝G/△X＝5600/240＝23.0d
3.4.6出水系统的设计计算
出水系统的作用是把沉淀区液面的澄清水均匀的收集并排出。
出水是否均匀对处理效果有很大的影响，且其形式与三相分离器及沉淀设计有关。
出水槽设计
对于每个反应池，由5个单元三相分离器，出水槽共有5条，槽宽0.2m。
单个反应器流量：
qi＝Q/3600＝21/3600＝0.006m3/s
设出口槽附近水流速度为0.2m/s，则槽口附近水深为
qi/5/ua＝0.006/5/0.2×0.2＝0.03m
取槽口附近槽深为0.20m，出水槽坡度为0.01，出水槽尺寸为10m×0.2m×0.2m，出水槽数量为5座
溢流堰设计
出水槽溢流堰共有10条，每条长9.6m；设计90°三角堰，堰高50mm
堰口宽100mm，则堰口水面宽50mm
每个UASB反应器处理水量6.0L/s，查知溢流负荷为1～2L/（m·s），设计溢流负荷f＝1.0L/（m·s），则堰上水面总长为：
L＝qi/f＝6.0m
三角堰数量：
n＝L/bˊ＝6.0/50×10-3＝120g个，取120个
每条溢流堰三角堰数量：
120/10＝12个
一条溢流堰上共有12个100mm的堰口，12个700mm的间隙
堰上水头校核
每个堰出流率：
q＝qi/n＝5.0×10-5m3/s
按90°三角堰计算公式q＝1.43h2.5，则堰上水头：
h＝（q/1.43）0.4＝0.016m
3.4.7出水渠设计计算
反应器沿长边设一条矩形出水渠，6条出水槽的出水流至此出水渠。
设出水渠宽0.4m，坡度0.001，出水渠渠口附近水流速度为0.2m/s
渠口附近水深＝qi/u×a＝0.15m
以出水槽槽口为基准计算，出水渠渠深：
0.2＋0.15＝0.35m
离出水渠渠口最远的出水槽到渠口的距离为13.85m，出水渠长为13.85＋0.1＝13.95m
出水渠尺寸：
13.95m×0.4m×0.35m，向渠口坡度为0
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