CIP廢液處理的設(shè)計要點

師紀(jì)偉

（上海森松制藥設(shè)備工程有限公司，上海 201323）

在線清洗系統(tǒng)（下稱CIP系統(tǒng)）就是用來清洗工藝生產(chǎn)設(shè)備及其相連的管路系統(tǒng)中所有工藝殘留物的系統(tǒng)。一般情況下CIP系統(tǒng)在初淋、堿洗、酸洗和終淋等主要工藝步驟下，在設(shè)定的溫度下，將工藝殘留物溶解在清洗液中并被排出工藝系統(tǒng)中。對于CIP系統(tǒng)設(shè)計者來說，CIP處理后的廢液如何處理，也是非常值得注意考慮的，并且CIP系統(tǒng)的設(shè)計將影響到下游的廢水處理。

1 CIP廢液處理的必要性

對于典型的食品日化的主要處理策略將需要針對高pH，低pH和廢液溫度，高流速。所有這些屬性都有適當(dāng)?shù)脑S可機構(gòu)設(shè)置的排放限制，管道規(guī)范還將限制通過該工廠地面上的非工藝管道系統(tǒng)輸送的物料，以及任何在地下運行的管道系統(tǒng)。接收廢水的污水處理廠來設(shè)定這些限制，以保護(hù)其操作人員的安全和健康和維持其處理廠的流程，并確保符相應(yīng)的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

一般情況下，典型的工業(yè)排放要求會對下列CIP污水做出規(guī)定：

1）腐蝕性污染物的含量，主要為酸或堿。

2）溫度。

3）養(yǎng)分，如氮和磷等。

4）有機物負(fù)荷或生化需氧量（BOD）。

酸和堿會對輸送污水管道以及設(shè)備造成腐蝕性損害。溫度和pH的峰值都能抑制對有機物處理至關(guān)重要的微生物生存及反應(yīng)過程。如果排放管道系統(tǒng)中存在低燃點的材料，高溫也會帶來安全風(fēng)險，從CIP系統(tǒng)輸送到排水系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)和有機物質(zhì)可能會超過城市污水處理廠的設(shè)計，可能會引起重大環(huán)境問題。

2 CIP廢液處理的策略

通常情況下，在工廠中會設(shè)計一個集中的廢液處理系統(tǒng)來處理CIP廢液，在經(jīng)過預(yù)處理后達(dá)到允許排放指標(biāo)要求后排入工廠的排水系統(tǒng)進(jìn)而最終排入市政污水系統(tǒng)做進(jìn)一步的處理。

現(xiàn)場廢液處理系統(tǒng)將需要處理不在pH和溫度允許范圍內(nèi)的廢液。CIP系統(tǒng)產(chǎn)生的廢液也會影響工廠滿足總磷和BOD濃度許可要求的能力。

CIP廢液處理系統(tǒng)可以設(shè)計為批處理模式或連續(xù)處理模式。就批處理模式而言，廢液被收集在一個容器中存儲并處理之后進(jìn)行排放。在連續(xù)處理系統(tǒng)中，廢液持續(xù)地流經(jīng)一系列的不同設(shè)計功能的容器進(jìn)行實時處理。對于大多數(shù)的工廠而言，連續(xù)處理模式是比較優(yōu)選的方案，批處理模式系統(tǒng)更適合于小型的研究性或?qū)嶒炐栽O(shè)施。

2.1 pH處理

現(xiàn)場廢液處理系統(tǒng)通常使用強酸和強堿，如硫酸和氫氧化鈉，進(jìn)行酸堿中和。通過向清洗廢液中注入少量的強酸或強堿，通過自動化控制系統(tǒng)，可以精確控制注入的酸或堿，使得溶液達(dá)到可排放許可的范圍之內(nèi)。

流程通常是通過圖1示意的那樣通過一系列容器完成。通常為3個大的容器，分別是穩(wěn)定罐（緩存罐），pH中和罐#1（粗pH調(diào)節(jié)罐）和pH中和罐#2（精pH 調(diào)節(jié)罐）。酸堿調(diào)節(jié)用的酸和堿需要經(jīng)過職業(yè)培訓(xùn)并合格的操作人員操作，并采用相應(yīng)的安全措施。

圖1 三罐中和系統(tǒng)示意圖

這些設(shè)施的設(shè)計和安裝需要特別注意以下因素：

（1）防濺漏圍擋。

（2）酸和堿的分隔。

（3）涉及部分具有操作風(fēng)險性的管道易辨識標(biāo)識，如對酸堿管道采用色標(biāo)標(biāo)識等。

（4）具有足夠計量精度的計量泵。

此處想特別強調(diào)對酸堿儲罐進(jìn)行防濺漏圍擋，通常會提供最大酸堿存儲量的110%容積來設(shè)計防濺漏圍擋，以及在泄漏情況下酸和堿的完全隔離。這些酸和堿的溢出引起的反應(yīng)導(dǎo)致放熱反應(yīng)可能會產(chǎn)生危險熱量以及有毒煙霧。

鑒于pH的對數(shù)值特性，在溶液的不同pH范圍內(nèi)調(diào)節(jié)使用不同的堿用量，比如pH從2至3和把pH從5調(diào)節(jié)到6將使用不同量的堿。中和所用的化學(xué)品的用量還受以下原因影響：

（1）來液pH。

（2）CIP清洗使用化學(xué)品的類型和濃度。

（3）中和用化學(xué)品的類型和濃度。

（4）廢液的整體堿性。

（5）廢液的緩沖能力。

（6）廢液被其他化學(xué)反應(yīng)的稀釋程度。

2.2 高溫

CIP回路產(chǎn)生的廢水通常很熱（一般情況下為65～85℃），會導(dǎo)致工廠的廢液超過允許的溫度排放極限。另外CIP系統(tǒng)排放物的熱量與其他蒸餾系統(tǒng)和其他蒸汽冷凝源的排料流結(jié)合在一起，可能會明顯提高整個裝置廢液的溫度。應(yīng)采取措施將這種廢水冷卻至許可要求以下?？梢允褂冒鍝Q式熱交換器和適當(dāng)溫度的設(shè)備冷卻水將廢液冷卻至35～40℃。如果CIP系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計和驗證可在較低溫度下工作，則存在較大的節(jié)省能源的可能。

2.3 總磷酸鹽

許多CIP清洗化學(xué)品都包含磷酸鹽或磷酸，兩者均導(dǎo)致廢水流中的總磷增加。該化學(xué)元素通常受到嚴(yán)格控制，以防止湖泊和河流中的藻類過多和植物生長進(jìn)而導(dǎo)致水體惡化。并非所有的市政污水處理廠都設(shè)計用于去除營養(yǎng)物（例如磷或氮），這可能導(dǎo)致工廠排放需要滿足市政污水處理廠接收的最終營養(yǎng)物排放要求。但由于磷的處理通常涉及化學(xué)沉淀反應(yīng)或復(fù)雜的生物過程，一般在工廠現(xiàn)場不會進(jìn)行直接處理。比較好的方法是盡可能避免含有磷酸鹽或磷酸的CIP化學(xué)藥品。用于CIP清潔的磷酸的一種替代方法乙醇酸或檸檬酸。在工藝開發(fā)和清潔驗證的早期，就需要考慮使用這些替代的清潔劑。

2.4 生化需氧量（BOD）

CIP廢液中可能包含較高水平的生化需氧量（BOD）的有機物，其具體種類和數(shù)量取決于生產(chǎn)工藝流程。BOD通常使用5d分析測試進(jìn)行測量，該測試確定微生物在有機物的生物化學(xué)氧化中使用的溶解氧量。由于大多數(shù)污水處理廠都使用微生物工藝來處理其進(jìn)入的廢物流，排入系統(tǒng)中廢液BOD的高低或可變水平將直接影響污水處理廠的處理能力和效果。

與磷相似，由于操作這些系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此不宜對BOD進(jìn)行工廠處理。在這種情況下，高BOD廢物流在工廠內(nèi)隔離并收集在大容器中，之后將它們與其他污水一起計量加入這個容器中進(jìn)行混合稀釋至規(guī)定水平，這樣就不會將大量的高濃度BOD廢物流一次排入到市政污水處理廠從而對市政污水處理廠的瞬時處理能力造成沖擊。

2.5 有生物活性的有機體

當(dāng)使用CIP系統(tǒng)清潔暴露于活性微生物的設(shè)備和管道時，可能需要使用專門的廢物處理系統(tǒng)來使廢水滅活，然后將其送至廢物中和進(jìn)行pH處理。這些生物廢物系統(tǒng)有時被稱為“滅活系統(tǒng)”。它們使用熱量或化學(xué)物質(zhì)以分批模式或連續(xù)模式殺死活躍的細(xì)胞培養(yǎng)物。

蒸汽加熱是使廢物流中任何活生物體失活的首選方法。使用直接注入廢物流中的蒸汽或使用熱交換器可輕松實現(xiàn)微生物數(shù)量減少6個對數(shù)的目標(biāo)。大多數(shù)情況下會使用直接蒸汽，因為其加熱效率高，而且不太可能因被處理的廢物流污染。蒸汽噴射器非常適合分批系統(tǒng)和連續(xù)流系統(tǒng)。

如圖2所示，典型的連續(xù)的生物廢物滅活系統(tǒng)將包括但不限于以下主要組件：

（1）廢液接收罐，用于收集生物廢物和高BOD廢物流。

（2）滅活罐，在滅活過程中用于存儲待滅活處理廢液。

（3）蒸汽噴射器，用于蒸汽和廢液混合加熱。

（4）熱回收換熱器，用于回收利用蒸汽噴射后高溫來預(yù)熱新進(jìn)待處理物料。

（5）降溫?fù)Q熱器，用于降低最終排放溫度。

圖2 典型滅活系統(tǒng)示意圖

3 CIP廢液處理系統(tǒng)的設(shè)計要點

在設(shè)計這些工藝系統(tǒng)/CIP排水系統(tǒng)時須考慮的關(guān)鍵事項如下：

1）設(shè)計者需要了解CIP廢液的可能成分，特別是酸堿類型和可能的活性生物體。

2）CIP清洗系統(tǒng)的排液管道需按不同的工藝用途進(jìn)行分組，以便按不同處理需求排放至相應(yīng)的處理系統(tǒng)。

3）推薦在CIP系統(tǒng)的總排水管道上安裝分流閥，然后將含有生物活性體的漂洗液和苛性鈉清洗液排向滅活系統(tǒng)，然后將其余不含生物活體的廢液排放至 pH中和系統(tǒng)。

4）必須使用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料來存放高純度水和酸洗液。推薦的材料包括不銹鋼或玻璃纖維增強塑料，這些材料的防腐性能較好。

5）CIP系統(tǒng)的排水口應(yīng)適當(dāng)加大，以防止在排水過程中排水量過大造成周圍的地面溢水，建議將CIP系統(tǒng)放在堤防圍擋區(qū)域內(nèi)。

6）在確定排水管總管和支管的大小時，必須使用瞬時流量，而不是管道設(shè)計人員通常使用的平均流量。應(yīng)特別考慮盡可能短地將排放管道接連接到后續(xù)處理系統(tǒng)中，避免管道系統(tǒng)多次管道轉(zhuǎn)向而增加管道系統(tǒng)阻力。

7）在設(shè)計清洗管道的總管和支管這些高流量的排水系統(tǒng)的排空呼吸口的尺寸和位置時，也應(yīng)注意和CIP的流量相匹配，以避免通氣不暢發(fā)生虹吸現(xiàn)象。

8）在CIP模塊排放管道和地面排水口之間提供空氣隔斷，以防止廢物回流入工藝系統(tǒng)中。

9）在排放管道末端設(shè)置過濾器以避免異物進(jìn)入后續(xù)管道系統(tǒng)堵塞管路。

4 結(jié)語

CIP系統(tǒng)是現(xiàn)代食品日化等輕工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)中普遍應(yīng)用的系統(tǒng)，其在提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和設(shè)備使用效率的同時，其產(chǎn)生的廢液處理系統(tǒng)也是整個生產(chǎn)設(shè)施中需要逐步改進(jìn)的領(lǐng)域之一。該系統(tǒng)的設(shè)計安裝將直接影響到企業(yè)操作人員的職業(yè)健康安全和下游的市政設(shè)施的正常運行并最終影響到社會及自然環(huán)境的保護(hù)。