CIP廢液處理的設計要點

師紀偉

（上海森松制藥設備工程有限公司，上海 201323）

在線清洗系統（下稱CIP系統）就是用來清洗工藝生產設備及其相連的管路系統中所有工藝殘留物的系統。一般情況下CIP系統在初淋、堿洗、酸洗和終淋等主要工藝步驟下，在設定的溫度下，將工藝殘留物溶解在清洗液中并被排出工藝系統中。對于CIP系統設計者來說，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系統的設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的許可機構設置的排放限制，管道規范還將限制通過該工廠地面上的非工藝管道系統輸送的物料，以及任何在地下運行的管道系統。接收廢水的污水處理廠來設定這些限制，以保護其操作人員的安全和健康和維持其處理廠的流程，并確保符相應的國家及行業標準。

一般情況下，典型的工業排放要求會對下列CIP污水做出規定：

1）腐蝕性污染物的含量，主要為酸或堿。

2）溫度。

3）養分，如氮和磷等。

4）有機物負荷或生化需氧量（BOD）。

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

2 CIP廢液處理的策略

通常情況下，在工廠中會設計一個集中的廢液處理系統來處理CIP廢液，在經過預處理后達到允許排放指標要求后排入工廠的排水系統進而最終排入市政污水系統做進一步的處理。

現場廢液處理系統將需要處理不在pH和溫度允許范圍內的廢液。CIP系統產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廢液處理系統可以設計為批處理模式或連續處理模式。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行排放。在連續處理系統中，廢液持續地流經一系列的不同設計功能的容器進行實時處理。對于大多數的工廠而言，連續處理模式是比較優選的方案，批處理模式系統更適合于小型的研究性或實驗性設施。

2.1 pH處理

現場廢液處理系統通常使用強酸和強堿，如硫酸和氫氧化鈉，進行酸堿中和。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，可以精確控制注入的酸或堿，使得溶液達到可排放許可的范圍之內。

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，分別是穩定罐（緩存罐），pH中和罐#1（粗pH調節罐）和pH中和罐#2（精pH 調節罐）。酸堿調節用的酸和堿需要經過職業培訓并合格的操作人員操作，并采用相應的安全措施。

圖1 三罐中和系統示意圖

這些設施的設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險性的管道易辨識標識，如對酸堿管道采用色標標識等。

（4）具有足夠計量精度的計量泵。

此處想特別強調對酸堿儲罐進行防濺漏圍擋，通常會提供最大酸堿存儲量的110%容積來設計防濺漏圍擋，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導致放熱反應可能會產生危險熱量以及有毒煙霧。

鑒于pH的對數值特性，在溶液的不同pH范圍內調節使用不同的堿用量，比如pH從2至3和把pH從5調節到6將使用不同量的堿。中和所用的化學品的用量還受以下原因影響：

（1）來液pH。

（2）CIP清洗使用化學品的類型和濃度。

（3）中和用化學品的類型和濃度。

（4）廢液的整體堿性。

（5）廢液的緩沖能力。

（6）廢液被其他化學反應的稀釋程度。

2.2 高溫

CIP回路產生的廢水通常很熱（一般情況下為65～85℃），會導致工廠的廢液超過允許的溫度排放極限。另外CIP系統排放物的熱量與其他蒸餾系統和其他蒸汽冷凝源的排料流結合在一起，可能會明顯提高整個裝置廢液的溫度。應采取措施將這種廢水冷卻至許可要求以下。可以使用板換式熱交換器和適當溫度的設備冷卻水將廢液冷卻至35～40℃。如果CIP系統經過設計和驗證可在較低溫度下工作，則存在較大的節省能源的可能。

2.3 總磷酸鹽

許多CIP清洗化學品都包含磷酸鹽或磷酸，兩者均導致廢水流中的總磷增加。該化學元素通常受到嚴格控制，以防止湖泊和河流中的藻類過多和植物生長進而導致水體惡化。并非所有的市政污水處理廠都設計用于去除營養物（例如磷或氮），這可能導致工廠排放需要滿足市政污水處理廠接收的最終營養物排放要求。但由于磷的處理通常涉及化學沉淀反應或復雜的生物過程，一般在工廠現場不會進行直接處理。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，其具體種類和數量取決于生產工藝流程。BOD通常使用5d分析測試進行測量，該測試確定微生物在有機物的生物化學氧化中使用的溶解氧量。由于大多數污水處理廠都使用微生物工藝來處理其進入的廢物流，排入系統中廢液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，由于操作這些系統的復雜性，因此不宜對BOD進行工廠處理。在這種情況下，高BOD廢物流在工廠內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行混合稀釋至規定水平，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

當使用CIP系統清潔暴露于活性微生物的設備和管道時，可能需要使用專門的廢物處理系統來使廢水滅活，然后將其送至廢物中和進行pH處理。這些生物廢物系統有時被稱為“滅活系統”。它們使用熱量或化學物質以分批模式或連續模式殺死活躍的細胞培養物。

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微生物數量減少6個對數的目標。大多數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和連續流系統。

如圖2所示，典型的連續的生物廢物滅活系統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熱新進待處理物料。

（5）降溫換熱器，用于降低最終排放溫度。

圖2 典型滅活系統示意圖

3 CIP廢液處理系統的設計要點

在設計這些工藝系統/CIP排水系統時須考慮的關鍵事項如下：

1）設計者需要了解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清洗系統的排液管道需按不同的工藝用途進行分組，以便按不同處理需求排放至相應的處理系統。

3）推薦在CIP系統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，然后將其余不含生物活體的廢液排放至 pH中和系統。

4）必須使用適當的結構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系統的排水口應適當加大，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系統放在堤防圍擋區域內。

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

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

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中。

9）在排放管道末端設置過濾器以避免異物進入后續管道系統堵塞管路。

4 結語

CIP系統是現代食品日化等輕工業產品生產企業中普遍應用的系統，其在提高產品生產質量和設備使用效率的同時，其產生的廢液處理系統也是整個生產設施中需要逐步改進的領域之一。該系統的設計安裝將直接影響到企業操作人員的職業健康安全和下游的市政設施的正常運行并最終影響到社會及自然環境的保護。