降低排水量提高純化水制備系統的轉化率探討

（金陵藥業股份有限公司南京金陵制藥廠，南京 210038）

水是藥品生產過程中使用最為廣泛的物料。作為純水系統原料的原水雖然看起來很純凈，依然存在著很多可變因素如離子、微生物、有機物、無機物、氣體、不溶性顆粒、膠體等[1]依據GMP（生產質量管理規范）相關規定，只有符合特定要求的水才能夠被制藥工藝使用，因此必須通過技術手段除去原水中的雜質，控制微生物污染，才能保證藥品生產質量符合要求。純化水是制藥生產當中非常重要且被大量使用的工藝用水。目前制藥企業獲取純水的方式主要為反滲透法，利用半透膜（反滲透膜），借助于外界施加的壓力為動力，使原水中的水分子有選擇性地透過膜達到除鹽的目的，使水得到純化[2]。

目前常用的制備純化水系統的工藝流程如圖1所示。

圖1 制備純化水系統工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of purified water preparation system

1 制藥廠純化水系統節水問題

制藥廠中純化水系統非生產用水包括：制水設備運行排水，停工復產用水，清潔消毒用水，檢測用水等，目前純化水系統生產轉換率低的問題一直困擾著藥企的生產，而從大量的數據分析可知，造成純化水生產轉換率偏低的關鍵原因是系統排水量過大，占比超過總用水量的90%（如圖2所示）。這樣的情況不僅造成藥企成本負擔居高不下，而且也不符合節能減排的要求。因此，本文旨在從設備改進方面研究純化水生產過程中排水量降低的方法與措施，希望此項研究在保證純化水系統穩定運行的前提下，降低制藥廠純化水制備運營成本，并起到節能減排作用。

2 降低純化水系統排水量措施的分析

2.1 純化水系統設備選型配置未優化造成排水量增加

圖2 某藥廠純化水系統月度各環節非生產用水量排列圖Fig.2 Monthly non-production water consumption permutation diagram of purified water system in a pharmaceutical factory

目前常用的純化水系統配置方案為《預處理+二級反滲透裝置（二級RO） +電除鹽裝置（EDI）》，這個方案具有預處理設備耗材相對便宜、技術成熟等優點，但是優化方案《超濾預處理方案》（原水→原水儲罐→原水加壓泵→疊片過濾器→超濾裝置→超濾水儲罐→加藥裝置→一級高壓泵→一級反滲透裝置→反滲透水儲罐→EDI 泵→EDI裝置→純化水儲罐→純化水輸送泵→車間各用水點）則具有更多的優勢，優化系統中的超濾裝置對不同水質的適應性更強，不僅能夠阻擋所有管路中的不溶物，效果也比多介質過濾器好，出水濁度NTU 更低，而且對于膠體也有很好的阻擋效果（如表1所示），從而降低膠體對反滲透膜的污染，使反滲透膜的清洗周期延長，并可使反滲透膜的通水量增加約10%～20%，即在產水量不變的前提下可減少膜的使用數量[3]，因此比采用二級反滲透方案具有更高的水回收率。據統計采用《超濾預處理方案》比采用二級反滲透有更高的水的回收率，可節約10%的原水，減少水資源浪費[4]。

表1 超濾和多介質過濾器出水SD值和濁度比較表Tab.1 Comparison table of SD value and turbidity of water purified by ultrafiltration and multi-media filter

2.2 制水系統一級RO濃水未被回收

純化水系統一級RO濃水排放包含兩種運行狀態，一種是正常生產時段水泵高頻率工作狀態（生產車間處于生產狀態，各純化水使用點皆在使用狀態），另一種是非生產時段水泵低頻率循環狀態（生產車間處于非生產狀態，各純化水使用點皆未在使用）。

2.2.1 高頻狀態一級RO濃水排放回收問題

高頻狀態一級RO濃水排放量占比雖為所有非生產用水中最大份額，但是實際卻沒有回收的可能性，主要緣于此狀態下產生的大量一級RO濃水（電導率在1 500 μs/cm 左右）進入原水罐后會大幅降低原水罐內原水水質（原水電導率要求為≤400 μs/cm），會對RO 膜、EDI 模塊等關鍵組件造成損壞或影響其使用壽命，甚至會污染整個純化水系統造成生產風險，因此在保證系統水質要求及設備系統安全的前提下，高頻狀態下一級濃水無法被回收再利用，必須外排。但是需要注意的是由于制水車間里面排水口較多，必須對各個排水口進行合理設置。如果設置不當，將有壓力的排水系統與沒有壓力的排水系統設置在同一個系統中，會造成有壓排水串到無壓系統中，引發倒灌及冒氣等[5]，影響排水系統，進而影響純化水系統的整體運行質量。

2.2.2 低頻狀態一級RO濃水排放回收問題

在非生產時段水泵低頻率循環狀態下二級RO 淡水（電導率在0.8～1.8 μs/cm）不進入車間純化水管網，而是回流進原水罐從而造成原水罐內水質大幅提升，此時即使同時再回收一級RO濃水，原水罐內水質依然能夠達到工藝規程中的原水電導率≤400 μs/cm 要求（如圖3所示），且此狀態下設備產水不進入后續純化水管路系統，因此在物理上存在隔離，不具備污染整個系統的可能性，所以在此條件下一級濃水可以被回收再利用。

圖3 原水電導率隨一級濃水回收量變化圖Fig.3 Variation diagram of conductivity of raw water with recovery of primary concentrated water

2.3 管路設計安裝不合理造成漏排水

很多制藥廠在純化水系統管路設計和安裝時存在一些問題，往往直接造成系統漏排水，降低了生產轉換率。例如：因管路設計安裝不合理造成循環狀態下壓差作用造成漏排水。在純水管路循環且主設備停機狀態時，因原水罐水位高于一級RO設備水位，引發壓強作用，原水罐內原水通過一級RO設備的濃水排放管路不斷地進行漏排放，從而導致濃水排放量異常。改進措施：在原水罐和一級RO設備之間增加倒U型登高連通裝置（如圖4所示），對純水設備內部管路進行相應改造，對原水罐和一級RO設備之間相對水平直管連接方式進行改造，改變為倒U型登高管路連接方式（登高裝置高度可通過水位差計算壓差得知），利用連通器原理：在設備停機狀態下，原水罐內的原水與倒U型左側管路內的原水因為空氣壓強和液體壓強的共同影響，兩側水位一致，避免了原水罐高水位對一級RO設備的壓強影響造成RO設備排放管路漏排水。這種情況下不能通過在排放管路上增加閥門的方式加以解決，原因在于一旦閥門失控，設備損壞幾率會非常大。

2.4 二級反滲透裝置產出的不合格純化水沒有合理利用

因為純化水設備開機初期，突發的原水水質變差或前端裝置故障等原因，造成純化水水質未達標，一些早期純水機組會采取直接把二級反滲透裝置所生產的不合格純化水外排的方式加以解決，造成經濟損失和水資源浪費。優化措施：純化水管路上增加三通裝置并增加一路旁通管路，可將不合格的純水引流至原水罐，同時在管路上安裝電動隔膜閥和電導率在線監測傳感器，用以在線監測純化水水質，并自動控制電動閥門開閉。水質不合格時自動切換排放管路回流至原水罐，一旦水質合格則自動切換為純化水管路進入后續處理系統，用這部分電導率極低的優質水和原水混合，這樣可大大改善反滲透裝置的進水水質，使進水水質降低50%左右。既可達到節水又可達到改善水質的目的[6]。

圖4 倒U型登高裝置Fig.4 Ω-shaped climbing device

3 結束語

排水是降低制藥廠純化水系統生產轉換率的主要因素，同時也是純水系統不可或缺的組成部分。因此需根據系統各種環節排水的特點及存在的問題并根據藥企實際需求和現場實際情況，采用合適的優化措施，才能在保證純化水生產符合GMP 相關要求的前提下，達到節約用水的最終目的。