生物活毒废水高温灭活处理方案分析

引言

对于生物制药企业来说,在生产过程中通常会排放生物活毒废水,这些废水可能含有或潜在含有病原性微生物,如细菌、病毒、真菌、寄生虫等,具有较大危害性,需要经过灭活处理后才能排放至污水处理系统,经集中处理后排放。

生物活毒废水的界定跟制药企业产品的生产工艺相关,需要根据产品的生产工艺来确定。生物活毒废水通常采用物理热力灭菌方法,高温对微生物有明显的致死作用,大多数病毒和细菌在90~120℃加热30min左右就可将其杀死。将工业蒸汽直接通入活毒废水中,利用高温使细菌的菌体变性或凝固,酶失去活性,从而可使细菌死亡:而病毒在高温下DNA、RNA中的化学键会吸收热量而导致键断裂,从而使病毒灭活。蛋白质、核酸等化学结构是由氢键连接的,氢键的化学键比较弱,当菌体受热时,氢键很容易遭到破坏,蛋白质、核酸等结构也随之被破坏,失去生物活性,从而导致细菌死亡。此外,高温亦可导致细胞膜功能损失而使小分子物质以及降解的核糖体漏出。

生物活毒废水高温灭活按设计方案来说通常分为序批式高温生物活毒废水灭活和连续性高温生物活毒废水灭活。

1序批式生物活毒废水灭活

序批式高温生物活毒废水灭活,废水的收集过程是连续的,而处理过程是批量式的,按照批次对生物活毒废水进行灭活,但又不会影响后续生物活毒废水的收集。如图1所示,一套序批式生物活毒废水灭活装置通常由一个生物废水收集罐和一个生物废水灭活罐组成,或设计两个同样的灭活罐,也可以根据生产工况灵活设计。生物活毒废水灭活系统通常放置于地下室,生产车间产生的生物活毒废水通过重力收集在生物废水收集罐中,经预处理后转移至生物废水灭活罐中,然后工业蒸汽直接通入灭活罐对生物活毒废水进行加热,根据生物活毒废水的特性,制定生物活毒废水的灭活条件,加热到一定温度后维持相应的时间,通过高温实现生物活毒废水的灭活。

图1 序批式生物活毒废水灭活系统示意图

系统为全自动控制,自动运行时系统可根据已设置好的工艺自行工作,工艺流程包括进废水、停止进水、酸碱中和、升温、灭活、冷却、排放等工序。系统也可切换成手动工作,用户可自行操作。

1.1生物活毒废水收集系统

生物活毒废水收集系统的主要工艺操作包括:收集生物活毒废水、酸碱中和、生物活毒废水升温等。

生物废水收集罐通常放在地下室,生物活毒废水通过重力收集到生物废水收集罐中,生物废水收集罐有液位控制,达到一定的液位后,停止进液,液位可在操作界面设定,系统会设置高、低液位报警,保证设备正常运行,达到一定体积后生物废水收集罐会通入酸液或碱液对生物活毒废水进行pH调节。

生物废水收集罐配备pH传感器、浓碱桶和浓酸桶,同时配备计量泵,可以通过管路自动给生物废水收集罐提供碱液或酸液,酸液或碱液的进液阀与pH传感器联动,可实现生物活毒废水的酸碱自动调节,生物废水收集罐通过循环泵可实现生物活毒废水的搅拌或转运。

生物废水收集罐配备温度传感器,生物废水收集罐循环管路可配备换热器,以实现生物活毒废水通过工业蒸汽进行预升温。

1.2生物活毒废水灭活系统

生物活毒废水首先通过自流的方式进入灭活罐或从生物废水收集罐转移至生物废水灭活罐,生物活毒废水灭活程序分为"进液—升温—灭活—泄压—降温—排放"六个阶段。

(1)进液:灭活罐进液阀门打开,生物活毒废水进入灭活罐,达到设定液位时进水阀关闭进入加热状态。此时生物活毒废水可进入生物废水收集罐或继续进入另外一个灭活罐,不会对生产车间的工作造成影响。

(2)升温:生物废水灭活罐可以使用蒸汽喷射器向灭活罐内直接通工业蒸汽,实现生物活毒废水与工业蒸汽的快速汽水混合,实现快速升温,工业蒸汽的流量可以根据生物活毒废水的体积和加热工况计算出来。工业蒸汽通过蒸汽喷射器直接通入罐中,可利用搅动作用使生物活毒废水的温度均匀,循环管路也可配备汽水混合器,实现工业蒸汽和生物活毒废水在管路的快速混合。生物废水灭活罐可配备循环泵,实现生物活毒废水的循环搅拌及转运。

为了防止生物活毒废水灭活不彻底,生物废水灭活罐可在不同位置配备两个或多个温度传感器,当灭活罐温度传感器的温度均达到灭活温度时,系统才开始计时,转入灭活程序。

(3)灭活:当达到灭活温度时,开始保温程序,此时序批式通蒸汽,起到保温作用,使罐内生物活毒废水的温度维持在灭活的温度范围内,同时罐体内利用蒸汽喷射器的均匀传热作用能迅速、高效完成加热灭活工艺,生物活毒废水在设定温度下持续灭活一定时间后,转入泄压程序。

(4)泄压:灭活完成,罐体泄压阀打开,气体排放至空气流通管路,将罐内的压力降至常压。

(5)降温:生物废水灭活罐排水阀、循环泵打开,废水通过降温换热器进行循环降温。当废水的温度降到35C(温度可调)后,降温完成。

(6)排放:当降温过程结束后,排水阀、循环泵打开,废水在循环泵的作用下实现有动力的安全排放,通常排放到废水池中进行统一处理。

1.3生物灭活废水热能利用

高温灭活后的生物活毒废水需要降温排放,这时生物活毒废水热量是很大的,可以采用高温的生物活毒废水对收集系统中常温的生物活毒废水进行预升温,生物废水收集罐循环管路配备换热器,可以通过换热器实现热量交换,实现热能的回收。生物废水收集罐的换热器可以根据工况选择高温生物活毒废水换热或工业蒸汽换热,换热器具备防泄漏设计,可避免灭活前生物活毒废水对灭活后生物活毒废水的污染,也可避免污染环境。

2连续性生物活毒废水灭活

连续性生物活毒废水灭活系统,是一种对生物活毒废水进行连续灭活、排放的系统(图2),可以不间断地处理生物活毒废水。与传统的序批式灭活处理方式相比,连续性生物活毒废水灭活系统在处理效率、节能性等方面有了一定程度的提高,更适用于对产量大的活毒废水的灭活处理。

2.1F0值

连续性生物活毒废水灭活是通过高压的工业蒸汽将生物活毒废水加热到较高温度,如1420,然后设计一段保温管路,使高温生物活毒废水在保温管道中停留一定时间,可以在较短时间内实现生物活毒废水的灭活,从而实现生物活毒废水的连续灭活。而要实现140℃、一定灭活时间的灭活工况与121℃、30min的灭活工况等效,需要了解F0值的概念。

F0值定义:一定灭菌温度(T)、z值为10℃产生的灭菌效果,与121℃、z值为10℃产生的灭菌效力相同时所需要的时间(min)。也就是说,F0是将被灭菌物品在灭菌过程中不同的受热温度与时间折算到与热压121℃灭菌时热效力相当的灭菌时间。

F0值系在灭菌过程中验证湿热灭菌可靠性的比较参数。规定湿热灭菌参比温度为121℃,以特别耐湿热的嗜热脂肪芽孢杆菌为微生物指示剂,将不同灭菌温度和时间折算为相同灭菌效力的121℃湿热灭菌所相当的时间(min)即为F0值。灭菌过程中只需记录被灭菌物品的实际温度与时间,就可算出F0值。有些灭菌器的温度记录仪附有F0计算器,在灭菌过程中和灭菌后自动显示F0值,当F0值大于一定数值,即可确认达到可靠的灭菌效果。

2.2连续性生物活毒废水灭活

根据F0值的概念,提高生物活毒废水的加热温度,可以减少生物活毒废水的灭菌时间,从而在短时间内将病菌杀死。

高温高压的工业蒸汽可通过管道蒸汽喷射器与管道中的生物活毒废水进行充分混合,实现生物活毒废水的快速升温,当灭活时间足够短时,如30s,可以在管路中设计一段保温段,高温生物活毒废水的温度在保温段不会有多少衰减,只要高温生物活毒废水在保温段停留时间满足30s,即可认为已经完成生物活毒废水的灭活。保温段的长度可以根据生物活毒废水灭活时间和生物活毒废水的流速计算得出。表1为灭活温度、灭活时间与F0值的对应关系。

2.3生物灭活废水热能利用

灭活后的生物活毒废水热量很高,可以通过换热器用于常温生物活毒废水的预热,这样将常温生物活毒废水加热至灭活温度,就能节约大量的工业蒸汽,实现热量的回收利用,而灭活完成的生物活毒废水经过换热,也可以减少冷却水的使用量,节省冷量能耗。

灭活通过自控程序自动实现,一旦灭活参数不满足灭活要求,生物活毒废水可通过管线回流到生物废水收集罐,再次进行生物活毒废水灭活。

3结语

序批式生物活毒废水灭活设计简单,投资相对较低,但存在处理时间较长、处理车间异味明显、能耗高、灭活不彻底、占地空间大等问题:连续性灭活方案是通过短时超高温加热方式,对生物活毒废水进行连续灭活处理,具有设计方案比较复杂、投资相对大等问题,但相对来说优势更为明显,具有安全性高、节能、处理效率高和处理量大等优点,可以更好地满足产生大量生物活毒废水的制药企业对生物活毒废水的灭活需求。

业主可根据项目的投资情况、活毒废水处理间的占地空间、是否需要预处理等工况综合考虑,从而选择合适的灭活方式。