头孢唑林酸废水的纳滤分离及技术经济分析

向连城，荆一凤，张雷
(中国环境科学研究院，北京100012)

　　摘要：抗生素类制药废水污染物浓度高，微生物不易降解，处理难度大。采用纳滤膜分离方法处理头孢唑林酸废水，通过现场实验，确定了工艺参数：料液温度25～30℃，pH值4～5，膜平均通量3L/(m2·h)，膜前流速7.14L/(m2·min)，膜前压力3.0 MPa。并得到头孢唑林酸回收率为90.3％～93.7％。通过经济分析，得出不到2年时间即可回收全部投资， 因此认为纳滤膜分离技术在处理头孢唑林酸废水中的应用不仅技术上合理，在经济上也是可行的。
　　关键词：抗生素废水；纳滤膜；技术经济分析
　　中图分类号：X787 文献标识码：A 文章编号：1009-2455(2004)03-0028-03

Nanonfiltration of Cefazolin-Containing Wastewater
and Techno-Economic Aualysis Thereof
XIANG Lian-cheng，JING Yi-feng，ZHANG Lei
(The Environmental Science Academy of China,Beijing 100012，China)

　　Abstract： In the waste water from the production of anti-biologic pharmaceuticals，the concentration of　pollutants is high and the microorganisms are hardly degradable，which makes the treatment of the waste water　very difficult.A separation process with nanofiltration membrane was used in the treatment of waste water from　the production of cefazolin，the process parameters of which were measured as fo11ows through site tests：Temperature of feed liquid：25～30℃，pH value：4～5，average flux through membrane：3 L/(m²·h)，flowrate　before membrane：7.14 L/(m²·min) ，and pressure before membrane：3.0 MPa.It was also measured that the　recovery rate of cefazolin was 90.3％～93.7％.It is believed through economic analyses that the total investment can be recovered within less than 2 years and，therefore，the application of the separation technology with　nanofiltration membrane in the treatment of waste water containing cefazolin is not only reasonable technically　but also feasib1e economically.
　　Key words： antibiotics-containing wastewater；nanofiltration membrane；techno-economic analysis

　　纳滤膜在工业中的应用开始于20世纪90年代初期，目前在我国也有少量应用。在制药及精细化工等一些行业中，纳滤膜分离技术应用于以清洁生产为目的的有用物质回收和以环境保护为目的的有害物质分离中。
　　本文介绍在广东某精细化工公司进行的现场实验，采用纳滤膜分离唑林酸母液。唑林酸母液中含有残留的头孢唑林酸，它是生产中的产品，应尽量减少生产中的排放；由于其为抗生素类药物，在废水的生物处理中抑制微生物的生长，降低废水处理效率，在废水的生物处理前，应该尽可能去除废水 中残留的头孢唑林酸。本文通过实验数据，分析纳滤膜工艺分离头孢唑林酸在技术经济上的可行性。

1 抗生素废水分离浓缩试验

1.1 试验废水成分
　　头孢唑林酸系合成头孢唑林钠的中间体，其相对分子质量为341。生产中采用化学酰化法制造头孢唑林酸，其主要原料为7-氨基头孢烷酸(7-ACA)、噻二唑、四氮唑乙酸、三甲基乙酰氯、盐酸、二氯甲烷等[1-2]。结晶母液中含有乙醇、乙酸乙酯、氯化铵及其它组分。目前生产中将结晶母液经蒸馏回收溶剂，冷却中和后排放，废液的ρ(CODcr)达75000～250000 mg／L，废液温度为25℃，pH值为2，其中残留的头孢唑林酸全部损失掉了。
1.2 试验装置
　　头孢唑林酸结晶母液纳滤处理试验采用MG95-1纳滤膜分离装置。膜组件型式：卷式膜；膜组件规格：2 540；膜型号：MPS-44。
1.3 试验流程
　　试验流程见图1。

1.4 工艺条件选择
1.4.1 pH值影响试验
　　采用碳酸氢钠调节头孢唑林酸结晶母液的pH值，在不同pH值条件下进行纳滤分离头孢唑林酸结晶母液的试验。不同pH值对头孢唑林酸截留率的影响见图2，不同pH值对膜通量的影响见图3。

1.4.2 温度影响试验
　　用调节冷冻系统阀门开启度的方法，改变料液桶中结晶母液的温度，进行不同温度条件下头孢唑林酸结晶母液分离回收试验。不同温度对膜通量的影响见图4。

　　由图4可知，随着温度升高，膜通量逐渐增大，有利于提高分离速度，这主要是由于温度升高，料液的粘度下降所致。
　　但头孢唑林酸随温度的升高，分解速度加快，当温度超过30℃时，头孢唑林酸快速分解。
1.4.3 工艺条件确定
　　由试验结果可以看出，在一定范围内提高pH值和温度对头孢唑林酸分离回收是有利的；另一方面，提高pH值和温度不利于头孢唑林酸稳定，使头孢唑林酸在分离回收过程中降解。综合考虑以上两方面因素，确定头孢唑林酸结晶母液纳滤分离处理中，pH值控制在4～5，温度控制在25～30℃。工艺操作中其它参数，如操作压力、流量等由以前的小试及中试确定。
　　头孢唑林酸结晶母液纳滤分离处理的工艺条件因此确定为：
　　流量：10 L／min；
　　压力：3.0 MPa；
　　膜前后压力差：0.1 MPa；
　　料液pH值：4～5；
　　料液温度：25～30℃。
1.5 分离试验
1.5.1 分离过程通量变化
　　头孢唑林酸结晶母液纳分离浓缩过程中，膜通量随时间变化曲线见图5。由图5看出，随时间延续，膜通量逐渐下降，膜平均通量为3L／(m2·h)。
1.5.2 头孢唑林酸浓缩回收
　　为减少头孢唑林酸在浓缩过程中降解，需尽量缩短浓缩时间，同时又需保证生产回用的浓度要图5 结晶母液纳滤分离浓缩膜通量变化曲线求，经研究将浓缩倍数确定为5倍[1-2]。纳滤处理头孢唑林酸结晶母液的浓缩回收数据见表1。

　　由表1数据可知，采用纳滤方法处理头孢唑林酸结晶母液，对结晶母液上清液和滤后液均可实现头孢唑林酸的有效回收，在浓缩倍数为5倍时回收率为90.3％～93.7％。

2 费用效益分析

　　在已知生产规模的条件下，可采用改良朗格因子法计算设备投资额[3]：
　　J=CBm (1)
　　式中：J——设备投资；
　　　　　C——比费用(单位生产规模的投资额)；
　　　　　B—— 所选用生产能力；
　　　　　m——衰减系数。
　　该公司每天排放唑林酸母液4m³。现场实验 得到运行参数为：膜平均通量3 L/(m²·h),膜前流速7.14 L/(m²·h),膜前压力30 MPa。假设由母液中提取唑林酸每天工作8h，则所需膜面积为：
　　S=4000÷(8×3)=167m² （2）

　　由此可估算出唑林酸回收所需膜装置的投资为222万元。
　　静态年运行成本费用=120万元。
　　每年可回收唑林酸的价值为342万元。
　　回收效益=唑林酸回收值-运行成本=204万元／a。
　　抗生素回收各项费用见表2。
　　采用纳滤膜回收抗生素工艺的设备投资222万元，在抗生素回收工艺实施后，不到2年即可表2 抗生素回收各项费用回收全部投资。运行成本为回收效益的59％。

3 结论

　　①采用纳滤分离方法对头孢唑林酸结晶母液进行处理，可以有效回收头孢唑林酸结晶母液中残留的头孢唑林酸，头孢唑林酸回收率90.3％～93.7％。
　　②经济分析表明，采用纳滤分离方法对头孢唑林酸母液进行处理，经济上是合理的。在抗生素回收工艺实施后，不到2年即可回收全部投资。

参考文献：
　　[1]邬行彦.抗生素生产工艺学[M].北京：化学工业出版社，1982.
　　[2]陈钧鸣，徐玲娣.抗生素工业分析[M].北京：中国医药科技出版社，1991.
　　[3] R Rautenbach(王乐夫，译).膜工艺-组件和装置设计基础[M].北京：化学工业出版社，1998.

作者简介：向连城(1962-)，男，湖北恩施人，副研，北京朝阳区安外大羊坊8号，中国环境科学研究院，电话(010)84915314。