生物活毒廢水高溫滅活處理方案分析

摘 要：介紹了生物活毒廢水高溫滅活處理方案，對(duì)序批式生物活毒廢水滅活和連續(xù)性生物活毒廢水滅活的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，生物制藥企業(yè)可以根據(jù)自身生物活毒廢水的滅活條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇適合的滅活工藝。

關(guān)鍵詞：生物活毒廢水；序批式滅活；連續(xù)性滅活

中圖分類號(hào)：X787? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）09-0086-03

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.024

0? ? 引言

對(duì)于生物制藥企業(yè)來(lái)說，在生產(chǎn)過程中通常會(huì)排放生物活毒廢水，這些廢水可能含有或潛在含有病原性微生物，如細(xì)菌、病毒、真菌、寄生蟲等，具有較大危害性，需要經(jīng)過滅活處理后才能排放至污水處理系統(tǒng)，經(jīng)集中處理后排放。

生物活毒廢水的界定跟制藥企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝相關(guān)，需要根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝來(lái)確定。生物活毒廢水通常采用物理熱力滅菌方法，高溫對(duì)微生物有明顯的致死作用，大多數(shù)病毒和細(xì)菌在90～120 ℃加熱30 min左右就可將其殺死。將工業(yè)蒸汽直接通入活毒廢水中，利用高溫使細(xì)菌的菌體變性或凝固，酶失去活性，從而可使細(xì)菌死亡；而病毒在高溫下DNA、RNA中的化學(xué)鍵會(huì)吸收熱量而導(dǎo)致鍵斷裂，從而使病毒滅活。蛋白質(zhì)、核酸等化學(xué)結(jié)構(gòu)是由氫鍵連接的，氫鍵的化學(xué)鍵比較弱，當(dāng)菌體受熱時(shí)，氫鍵很容易遭到破壞，蛋白質(zhì)、核酸等結(jié)構(gòu)也隨之被破壞，失去生物活性，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。此外，高溫亦可導(dǎo)致細(xì)胞膜功能損失而使小分子物質(zhì)以及降解的核糖體漏出。

生物活毒廢水高溫滅活按設(shè)計(jì)方案來(lái)說通常分為序批式高溫生物活毒廢水滅活和連續(xù)性高溫生物活毒廢水滅活[1]。

1? ? 序批式生物活毒廢水滅活

序批式高溫生物活毒廢水滅活，廢水的收集過程是連續(xù)的，而處理過程是批量式的，按照批次對(duì)生物活毒廢水進(jìn)行滅活，但又不會(huì)影響后續(xù)生物活毒廢水的收集。如圖1所示，一套序批式生物活毒廢水滅活裝置通常由一個(gè)生物廢水收集罐和一個(gè)生物廢水滅活罐組成，或設(shè)計(jì)兩個(gè)同樣的滅活罐，也可以根據(jù)生產(chǎn)工況靈活設(shè)計(jì)。生物活毒廢水滅活系統(tǒng)通常放置于地下室，生產(chǎn)車間產(chǎn)生的生物活毒廢水通過重力收集在生物廢水收集罐中，經(jīng)預(yù)處理后轉(zhuǎn)移至生物廢水滅活罐中，然后工業(yè)蒸汽直接通入滅活罐對(duì)生物活毒廢水進(jìn)行加熱，根據(jù)生物活毒廢水的特性，制定生物活毒廢水的滅活條件，加熱到一定溫度后維持相應(yīng)的時(shí)間，通過高溫實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水的滅活[2]。

系統(tǒng)為全自動(dòng)控制，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)可根據(jù)已設(shè)置好的工藝自行工作，工藝流程包括進(jìn)廢水、停止進(jìn)水、酸堿中和、升溫、滅活、冷卻、排放等工序。系統(tǒng)也可切換成手動(dòng)工作，用戶可自行操作。

1.1? ? 生物活毒廢水收集系統(tǒng)

生物活毒廢水收集系統(tǒng)的主要工藝操作包括：收集生物活毒廢水、酸堿中和、生物活毒廢水升溫等。

生物廢水收集罐通常放在地下室，生物活毒廢水通過重力收集到生物廢水收集罐中，生物廢水收集罐有液位控制，達(dá)到一定的液位后，停止進(jìn)液，液位可在操作界面設(shè)定，系統(tǒng)會(huì)設(shè)置高、低液位報(bào)警，保證設(shè)備正常運(yùn)行，達(dá)到一定體積后生物廢水收集罐會(huì)通入酸液或堿液對(duì)生物活毒廢水進(jìn)行pH調(diào)節(jié)。

生物廢水收集罐配備pH傳感器、濃堿桶和濃酸桶，同時(shí)配備計(jì)量泵，可以通過管路自動(dòng)給生物廢水收集罐提供堿液或酸液，酸液或堿液的進(jìn)液閥與pH傳感器聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水的酸堿自動(dòng)調(diào)節(jié)，生物廢水收集罐通過循環(huán)泵可實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水的攪拌或轉(zhuǎn)運(yùn)。

生物廢水收集罐配備溫度傳感器，生物廢水收集罐循環(huán)管路可配備換熱器，以實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水通過工業(yè)蒸汽進(jìn)行預(yù)升溫。

1.2? ? 生物活毒廢水滅活系統(tǒng)

生物活毒廢水首先通過自流的方式進(jìn)入滅活罐或從生物廢水收集罐轉(zhuǎn)移至生物廢水滅活罐，生物活毒廢水滅活程序分為“進(jìn)液—升溫—滅活—泄壓—降溫—排放”六個(gè)階段。

（1）進(jìn)液：滅活罐進(jìn)液閥門打開，生物活毒廢水進(jìn)入滅活罐，達(dá)到設(shè)定液位時(shí)進(jìn)水閥關(guān)閉進(jìn)入加熱狀態(tài)。此時(shí)生物活毒廢水可進(jìn)入生物廢水收集罐或繼續(xù)進(jìn)入另外一個(gè)滅活罐，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)車間的工作造成影響。

（2）升溫：生物廢水滅活罐可以使用蒸汽噴射器向滅活罐內(nèi)直接通工業(yè)蒸汽，實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水與工業(yè)蒸汽的快速汽水混合，實(shí)現(xiàn)快速升溫，工業(yè)蒸汽的流量可以根據(jù)生物活毒廢水的體積和加熱工況計(jì)算出來(lái)。工業(yè)蒸汽通過蒸汽噴射器直接通入罐中，可利用攪動(dòng)作用使生物活毒廢水的溫度均勻，循環(huán)管路也可配備汽水混合器，實(shí)現(xiàn)工業(yè)蒸汽和生物活毒廢水在管路的快速混合。生物廢水滅活罐可配備循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水的循環(huán)攪拌及轉(zhuǎn)運(yùn)。

為了防止生物活毒廢水滅活不徹底，生物廢水滅活罐可在不同位置配備兩個(gè)或多個(gè)溫度傳感器，當(dāng)滅活罐溫度傳感器的溫度均達(dá)到滅活溫度時(shí)，系統(tǒng)才開始計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)入滅活程序。

（3）滅活：當(dāng)達(dá)到滅活溫度時(shí)，開始保溫程序，此時(shí)序批式通蒸汽，起到保溫作用，使罐內(nèi)生物活毒廢水的溫度維持在滅活的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)罐體內(nèi)利用蒸汽噴射器的均勻傳熱作用能迅速、高效完成加熱滅活工藝，生物活毒廢水在設(shè)定溫度下持續(xù)滅活一定時(shí)間后，轉(zhuǎn)入泄壓程序。

（4）泄壓：滅活完成，罐體泄壓閥打開，氣體排放至空氣流通管路，將罐內(nèi)的壓力降至常壓。

（5）降溫：生物廢水滅活罐排水閥、循環(huán)泵打開，廢水通過降溫?fù)Q熱器進(jìn)行循環(huán)降溫。當(dāng)廢水的溫度降到35 ℃（溫度可調(diào)）后，降溫完成。

（6）排放：當(dāng)降溫過程結(jié)束后，排水閥、循環(huán)泵打開，廢水在循環(huán)泵的作用下實(shí)現(xiàn)有動(dòng)力的安全排放，通常排放到廢水池中進(jìn)行統(tǒng)一處理。

1.3? ? 生物滅活廢水熱能利用

高溫滅活后的生物活毒廢水需要降溫排放，這時(shí)生物活毒廢水熱量是很大的，可以采用高溫的生物活毒廢水對(duì)收集系統(tǒng)中常溫的生物活毒廢水進(jìn)行預(yù)升溫，生物廢水收集罐循環(huán)管路配備換熱器，可以通過換熱器實(shí)現(xiàn)熱量交換，實(shí)現(xiàn)熱能的回收。生物廢水收集罐的換熱器可以根據(jù)工況選擇高溫生物活毒廢水換熱或工業(yè)蒸汽換熱，換熱器具備防泄漏設(shè)計(jì)，可避免滅活前生物活毒廢水對(duì)滅活后生物活毒廢水的污染，也可避免污染環(huán)境。

2? ? 連續(xù)性生物活毒廢水滅活

連續(xù)性生物活毒廢水滅活系統(tǒng)，是一種對(duì)生物活毒廢水進(jìn)行連續(xù)滅活、排放的系統(tǒng)（圖2），可以不間斷地處理生物活毒廢水。與傳統(tǒng)的序批式滅活處理方式相比，連續(xù)性生物活毒廢水滅活系統(tǒng)在處理效率、節(jié)能性等方面有了一定程度的提高，更適用于對(duì)產(chǎn)量大的活毒廢水的滅活處理。

2.1? ? F0值

連續(xù)性生物活毒廢水滅活是通過高壓的工業(yè)蒸汽將生物活毒廢水加熱到較高溫度，如140 ℃，然后設(shè)計(jì)一段保溫管路，使高溫生物活毒廢水在保溫管道中停留一定時(shí)間，可以在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水的滅活，從而實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水的連續(xù)滅活。而要實(shí)現(xiàn)140 ℃、一定滅活時(shí)間的滅活工況與121 ℃、30 min的滅活工況等效，需要了解F0值的概念。

F0值定義：一定滅菌溫度（T）、z值為10 ℃產(chǎn)生的滅菌效果，與121 ℃、z值為10 ℃產(chǎn)生的滅菌效力相同時(shí)所需要的時(shí)間（min）。也就是說，F(xiàn)0是將被滅菌物品在滅菌過程中不同的受熱溫度與時(shí)間折算到與熱壓121 ℃滅菌時(shí)熱效力相當(dāng)?shù)臏缇鷷r(shí)間。

F0值系在滅菌過程中驗(yàn)證濕熱滅菌可靠性的比較參數(shù)。規(guī)定濕熱滅菌參比溫度為121 ℃，以特別耐濕熱的嗜熱脂肪芽孢桿菌為微生物指示劑，將不同滅菌溫度和時(shí)間折算為相同滅菌效力的121 ℃濕熱滅菌所相當(dāng)?shù)臅r(shí)間（min）即為F0值。滅菌過程中只需記錄被滅菌物品的實(shí)際溫度與時(shí)間，就可算出F0值。有些滅菌器的溫度記錄儀附有F0計(jì)算器，在滅菌過程中和滅菌后自動(dòng)顯示F0值，當(dāng)F0值大于一定數(shù)值，即可確認(rèn)達(dá)到可靠的滅菌效果。

2.2? ? 連續(xù)性生物活毒廢水滅活

根據(jù)F0值的概念，提高生物活毒廢水的加熱溫度，可以減少生物活毒廢水的滅菌時(shí)間，從而在短時(shí)間內(nèi)將病菌殺死。

高溫高壓的工業(yè)蒸汽可通過管道蒸汽噴射器與管道中的生物活毒廢水進(jìn)行充分混合，實(shí)現(xiàn)生物活毒廢水的快速升溫，當(dāng)滅活時(shí)間足夠短時(shí)，如30 s，可以在管路中設(shè)計(jì)一段保溫段，高溫生物活毒廢水的溫度在保溫段不會(huì)有多少衰減，只要高溫生物活毒廢水在保溫段停留時(shí)間滿足30 s，即可認(rèn)為已經(jīng)完成生物活毒廢水的滅活。保溫段的長(zhǎng)度可以根據(jù)生物活毒廢水滅活時(shí)間和生物活毒廢水的流速計(jì)算得出。表1為滅活溫度、滅活時(shí)間與F0值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3? ? 生物滅活廢水熱能利用

滅活后的生物活毒廢水熱量很高，可以通過換熱器用于常溫生物活毒廢水的預(yù)熱，這樣將常溫生物活毒廢水加熱至滅活溫度，就能節(jié)約大量的工業(yè)蒸汽，實(shí)現(xiàn)熱量的回收利用，而滅活完成的生物活毒廢水經(jīng)過換熱，也可以減少冷卻水的使用量，節(jié)省冷量能耗。

滅活通過自控程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，一旦滅活參數(shù)不滿足滅活要求，生物活毒廢水可通過管線回流到生物廢水收集罐，再次進(jìn)行生物活毒廢水滅活。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

序批式生物活毒廢水滅活設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，投資相對(duì)較低，但存在處理時(shí)間較長(zhǎng)、處理車間異味明顯、能耗高、滅活不徹底、占地空間大等問題；連續(xù)性滅活方案是通過短時(shí)超高溫加熱方式，對(duì)生物活毒廢水進(jìn)行連續(xù)滅活處理，具有設(shè)計(jì)方案比較復(fù)雜、投資相對(duì)大等問題，但相對(duì)來(lái)說優(yōu)勢(shì)更為明顯，具有安全性高、節(jié)能、處理效率高和處理量大等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地滿足產(chǎn)生大量生物活毒廢水的制藥企業(yè)對(duì)生物活毒廢水的滅活需求。

業(yè)主可根據(jù)項(xiàng)目的投資情況、活毒廢水處理間的占地空間、是否需要預(yù)處理等工況綜合考慮，從而選擇合適的滅活方式。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張亦靜，吳繼中.淺談生物安全實(shí)驗(yàn)室活毒廢水處理[J].給水排水，2006，32（7）：66-69.

[2] 王冠軍，嚴(yán)春炎，武國(guó)梁，等.生物安全實(shí)驗(yàn)室活毒廢水處理工藝研究[J].軍事醫(yī)學(xué)，2013，37（1）：27-29.

收稿日期：2023-01-03

作者簡(jiǎn)介：王亮（1983—），男，河北石家莊人，工程師，研究方向：藥機(jī)設(shè)備工程設(shè)計(jì)。