某制药厂抗生素废水治理工程设计方案修改.docx

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某制药厂抗生素废水治理工程设计方案修改

四川理工学院毕业（设计）论文

某制药厂抗生素废水治理工程设计

1总论

抗生素类药品是目前国内消耗较多的品种，大多数属于生物制品，即通过发酵过程提取制得，是微生物、植物、动物在其生命过程中产生的化合物，具有在低浓度下，选择性抑制或杀灭他种微生物或肿瘤细胞能力的化学物质，是人类控制感染性疾病，保障身体健康及防治动植物病害的重要化学药物。

但是由于抗生素的筛选和生产、菌种选育等方面仍存在许多技术难点，从而出现提炼度低，废水中残留抗生素含量高等诸多问题，造成严重的环境污染。

目前，国内有3000多家企业生产70多个品种的抗生素，占世界总量的20%～30%，废水排放量大，水体污染严重。

对抗生素这种成分复杂、色度高、生物毒性大、难降解高浓度有机废水的处理，是国内外公认的一项难题。

目前国内外应用的处理技术不多，且不够成熟，已建成的以好氧生物处理技术为主的工程，投资和处理成本高，废水实际处理率低。

本人毕业设计选题为“某制药厂抗生素废水的治理工程设计”，旨在对废水特性进行调查研究，参考国内外各种治理抗生素废水的工艺技术，在比较、研究各种工艺的优劣和成熟程度以后，按照投资省、运行费用低、处理效果好的原则，设计出一套工艺简单、技术上可行、经济节约的实用型工艺流程。

同时，本着环境保护和资源回收利用的设计原则，既达到控制污染，又节省投资的目的，为处理高浓度抗生素有机废水提供一条参考途径。

1.1抗生素生产工艺、废水来源及其废水的特性

1.1.1抗生素生产工艺

抗生素生产的原料主要为粮食产品，生产工艺包括微生物发酵、过滤、萃取、结晶、化学方法提取、精制等过程。

以粮食或糖蜜为主要原料生产抗生素的工艺流程见图1-1[1]。

菌种

接种

粮食

配制发酵液

液化

发酵液

糖化

糖蜜

预处理

稀释与配制

干燥

湿产品

提取

过滤

滤渣

废发酵滤液

产品

图1.1抗生素生产工艺流程图

1.1.2废水来源

某抗生素制药厂以生产红霉素原料药为主，生产原料为玉米。

由图1-1可知，废水主要为：

（1）提取工艺的结晶液、废母液，含大量未被利用的有机组分及其分解产物，属高浓度有机废水，为该类废水的主要污染物来源；

（2）洗涤废水，源于发酵罐的清洗、分离机的清洗及其他清洗工段和洗地面等，属中浓度有机废水；（3）冷却水。

废水来源见图1-2[1,2]。

1.1.3废水的特性

红霉素生产废水是一类成分复杂，色度高，含大量醇、酯、酮以及红霉素等的高浓度有机废水。

其主要特征：

（1）来自发酵残余基质的高COD（10,000~80,000mg／L）和高SS（500~25,000mg／L）；

（2）存在难生物降解物质和有抑菌作用的抗生素等毒性物质；

（3）硫酸盐和氨氮浓度高；

（4）水质成分复杂。

中间代谢产物、表面活性剂（破乳剂、消沫剂等）、溶媒过程所加的有机溶剂以及提取分离中残留的高浓度酸、碱等化工原料高；

（5）水量较小，但因间歇排放，冲击负荷高；

（6）pH值波动大，温度较高；

（7）发酵液中抗生素得率仅有0.1%~3%，分离提取率仅60%~70%，因而每吨产品排放高浓度的废母液量高达150m3~850m3[3~6]。

分离提取抗生素

（离子交换、萃取、吸附、结晶、沉淀等）

发酵预处理

（加酸碱、过滤等）

发酵罐

种子罐

冲洗

废水

浓废液

（废母液）

冲洗

废水

废冷

却水

冲洗废水

倒罐废液

废菌

丝体

精制纯化（脱色、结晶、干燥等）

产品质量检验

成品

废水

图1.2抗生素生产废水排污点示意图

1.2废水水质及水量

1.2.1废水水质与水量

该抗生素制药厂污水的水质水量见表1.1。

表1.1污水的水质水量

项目水量（m3/d）COD（mg/L）BOD5（mg/L）SS（mg/L）pH氨氮色度

进水水质20007900300030006.0-7.580200

1.2.2废水排放规律

日排放生产废水水量为2000m3/d，COD总量为11t/d。

生产周期为24小时。

该废水排放不均匀，为保证设计安全，取废水排放不均匀系数K=1.5，则处理站设计进水水量应为2000m3/d×1.5＝3000m3/d。

即本废水处理站的设计规模应为3000m3/d。

2　设计依据及执行标准

2.1设计依据

2.1.1法律法规依据

（1）《中华人民共和国环境保护法》1989年12月6日；

（2）《中华人民共和国水污染防治法》1996年5月15日；

（3）《中华人民共和国水污染防治法实施细则》2000年3月20日；

（4）《防治水污染技术政策》1986年11月26日。

2.1.2技术标准及技术规范依据

（1）《城市排水工程规划规范》GB50318-2000；

（2）《室外排水设计规范》GBJ14-1987；

（3）《建筑给水排水设计规范》GBJ15-1987；

（4）《城市污水处理工程项目建设标准》2001年；

（5）《污水综合排放标准》GB8978-96；

（6）《地表水环境质量标准》GB3838-2002；

2.1.3其他依据

（1）建设单位提供的废水量及水质数据；

（2）环保部门对污染治理的指示与要求；

（3）环境工程手册《水污染防治卷》；

（4）同行业，同工艺工程实例。

2.2执行排放标准

该厂污水处理站排放水进入附近的河流中，该河段为GB3838-2002标准Ⅲ类功能水域，按要求应执行《污水综合排放标准》（GB8978-1996）表4一级排放标准，其标准限值见表2.1。

表2.1废水排放标准限值表（单位：

mg/L）

项目CODBOD5SSpH色度NH3-N

原水水质7900300030006~7.520080

标准限值10030706~95015

2.3设计原则

根据废水处理工程设计自己一系列鲜明的特点和今后的发展趋势，在进行废水处理设计时，除了遵循工程设计的一般原则外，还必须遵循以下原则：

（1）遵循国家有关环境保护法律、法规，遵守污染物排放的国家标准和地方标准。

（2）选用技术要先进适用。

尽量采用先进的、成熟的、适用的技术。

（3）选用质量可靠、维修简便、能耗低的机电设备、专用设备和药剂，尽可能降低系统的运行费用。

（4）废水处理要做到卫生安全，有效控制二次污染。

2.4设计范围

本设计设计范围为：

自污水汇流到污水厂后，经各个处理单元，至处理后的总排放口为止。

包括生化处理构筑物的设计、污泥处理系统设计等。

3　废水处理方案选择及论证

3.1废水处理程度及设计规模论证

3.1.1废水处理程度论证

本工程设计进水水质为本说明书前第1.2.1节进水浓度值，设计排放水浓度值为第2.2节表2.1限值，按进水与排水浓度值之差计算，本工程废水处理程度为：

CODCr去除率为98.7%，BOD5去除率为99%，SS去除率为97.7%，NH3-N的去除率为81.3%，色度的去除率为75%。

3.1.2设计处理规模论证

本说明书第1.2.2节已有论述，本工程设计处理规模为3000m3/d。

3.2现有处理工艺分析

抗生素产品生产过程中，原材料消耗较大，大部分残留在废水和废渣里，废水水质复杂，有机物浓度高，色度大，而且含有少量的抗生素，废水处理有一定的难度。

抗生素废水的处理方法通常可以分为三种：

物化法、生化法及厌氧一好氧组合工艺。

3.2.1物化处理工艺

目前用于抗生素废水处理的物化法主要有混凝-沉淀法、吸附法、过滤法、气浮法和反渗透法。

这些方法有的需加入大量化学药剂，使得处理成本提高，操作复杂；有的生成大量副产物，处理不当易产生二次污染[7,8]。

因此，物化处理常作为生物处理的预处理或后处理工序而不是单独处理工序[3]。

（1）混凝-沉淀法：

混凝-沉淀法是通过向污水中投加混凝剂，使细小悬浮颗粒和胶体颗粒聚集成较粗大的颗粒而沉淀，得以与水分离，使污水得到净化的方法。

常用的混凝剂有聚合硫酸铁、氯化铁、亚铁盐类、聚合氯化硫酸铝、聚合氯化铝、聚丙烯酰胺（PAM），混凝处理后，可以改善絮体的沉降性能，激活废水中降解微生物某些酶的活性，同时去除一部分的COD，提高生化效果[5]。

使用氯化铁处理抗生素废水不仅具有良好的COD去除效果，还能除去废水中的氟。

常用的沉淀处理设施有：

竖流式沉淀池、斜管沉淀池、辐流沉淀池、平流沉淀池等。

（2）吸附法：

固体表面有吸附水中溶解及胶体物质的能力。

吸附处理法就是指利用固体吸附剂的物理吸附和化学吸附性能去除废水中多种污染物的过程。

吸附剂的种类很多，常用的是活性炭和腐植酸类吸附剂（风化煤、泥煤、褐煤等）。

由于吸附法对进水的预处理要求高，吸附剂的价格昂贵，因此在废水处理中，吸附法主要用来去除废水中的微量污染物，达到深度深化的目的。

如废水中少量有害的生物难降解有机物的去除、脱色、除臭等[9]。

受吸附剂的粒径、表面以及结构等的影响，径吸附处理的废水的COD去除率一般在20%~40%，色度的去除率则可以达到80%以上[10]。

（3）气浮法：

就是向水中通入空气，利用空气产生的微小气泡去除水中细小的悬浮物，使其随气泡一起上浮到水面而加以分离去除的一种水处理方法。

气浮法是抗生素废水处理中常用的一种方法，包括充气气浮、溶气气浮、化学气浮和电解气浮等多种形式。

抗生素生产废水经化学气浮处理后，可去除50％的CODCr，SS去除率可达70%以上[5]。

（4）过滤法：

去除化学沉淀和生物过程未能去除的微细颗粒和胶体物质[11]。

主要有：

各类滤池、各种膜材过滤器等。

过滤在抗生素废水处理中不常用，除非回用水的深度处理或针对某些难降解化合物的处理。

（5）反渗透法：

反渗透法是用足够的压力使溶液中的溶剂（一般常指水）通过反渗透膜（或半渗透膜）而分离出来，以浓缩溶液或废水的方法。

反渗透的装置主要有板框式、管式、螺旋卷式和中空纤维式[12]。

反渗透因设备费用较高，膜清洗效果较差的原因在抗生素废水处理中很少用

3.2.2生化处理工艺

生化法是利用微生物来氧化分解水中有毒有害物质的方法。

生化法主要处理有机物，也能处理少量的无机物。

生化法处理废水具有基建投资少、处理费用低；去除效果好，可达90%以上；最终产物是二氧化碳和水，不产生二次污染；过程控制稳定等优点，因而常用来处理高浓度有机废水。

生化处理技术主要分为好氧和厌氧。

好氧主要有生物膜法和活性污泥法两大类；厌氧包括：

EGSB、UASB等；

（1）好氧生物处理：

是指在游离（分子氧）存在的条件下，好氧微生物降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。

好氧生物处理的反应速度快，所需的反应时间较短，故处理构筑物容积较小，且处理过程中散发的臭气较少。

所以目前对中、低浓度的有机废水，或者说BOD5浓度小于500mg/L的有机废水，基本上采用好氧生物处理[8]。

其基本处理流程见图3.1。

在抗生素废水中常用的好氧生物处理主要有：

活性污泥法、生物接触氧化法，一般COD和BOD的去除率为75%~97.5%。

接触氧化池

初沉池

格栅

泵

曝气调节池

格栅

废水

出水

滤饼

板框压滤机

污泥浓缩池

二沉池

图3.1废水氧工艺基本流程

（2）厌氧生物处理：

在无氧的条件下，由兼性菌及专性厌氧菌降解有机污染物，最终产物是二氧化碳、甲烷、水、硫化氢和氨[11]。

厌氧生物反应通常被划分成两个阶段过程：

第一阶段是水解酸化阶段，第二阶段是甲烷发酵阶段。

废水厌氧生物处理过程不需另加氧源，故运行费用低。

此外，它还具有剩余污泥量少，可回收能量（CH4）等优点。

目前，国内外高浓度有机废水的处理方法，基本上是以厌氧法为主。

抗生素废水厌氧处理中常用工艺有升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧流化床、厌氧折流板反应器（ABR）等。

一般COD和BOD的去除率为80%~90%[5]。

3.2.3抗生素废水处理组合工艺

对于抗生素这类高浓度的有机废水，单独使用厌氧或好氧都不能达到处理要求。

从80年代开始，厌氧—好氧生物处理组合工艺逐渐成为主导工艺。

其基本处理流程见图3.2。

厌氧一好氧组合工艺中，厌氧阶段的容积负荷高，抗冲击负荷能力强，能够降低系统的基建费用，同时还可以回收沼气。

好氧阶段的主要作用是进一步降低厌氧系统出水的各项污染指标，以达到排放标准。

所以采用厌氧一好氧处理抗生素废水，不仅克服了好氧处理的高能耗、高运转费用及稀释水量大等缺点，也克服了厌氧处理出水不能达标排放的缺点，在经济及技术上均可行。

从工程应用角度应优先采用生物接触氧化和SBR工艺（序批式活性污泥法）。

处理效果较好的组合工艺有：

混凝+厌氧-好氧生物接触氧化法+氧化脱色处理扑热息痛废水，水解-好氧法处理青霉素、庆大霉素、链霉素等十多种产品的生产废水，厌氧-好氧生物处理-絮凝沉淀法综合治理医药中间体生产废水，臭氧氧化-铁屑/烟道灰过滤-混凝吸附组合沉淀法处理扑热息痛废水。

还有SBR法处理生物制药废水，当废水COD在1.18g/L~3.061g/L之间，出水COD都小于300mg/L，能满足国家制药行业废水排放标准[1]。

鼓风

二沉池

排放

接触氧化池

厌氧酸化池

初沉池

粗格栅

抗生素废水

冷凝水

滤泥

图3.2厌氧-好氧组合式废水处理工艺流程图

3.3工艺方法选择及论证

抗生素生产废水的来源主要是：

提取工艺的结晶液、废母液（属于高浓度有机废水）；洗涤废水（属于中浓度有机废水）。

且该抗生素废水BOD/COD=0.38，可生物降解。

国内外一般都采用“生物处理”为主的基本工艺路线。

由于设计进水水质浓度高，要达到排放要求，污染物去除率高（CODcr去除率为98.7%，BOD5去除率为99%，SS去除率为97.7%，NH3-N去除率为81.3%，色度为75%），任何单级生物处理都达不到如此高的去除率，所以必须选择多级处理流程方能达到。

根据国内外工程实践资料，本工程选择“一级物化+二级生化”即“预处理+水解酸化+生物接触氧化法”的基本工艺流程。

3.3.1预处理工艺选择与论证

预处理的目的是使物料的理化性状适合于后续处理工艺要求，具有调节水质、水量，去除生物抑制物质，提高废水的可生化性作用。

去除废水中的较大悬浮物，以保证后续处理设施的正常运行以及降低其他处理设施的处理负荷，同时为生物处理创造条件[14]。

1格栅

该废水包括洗涤废水，源于发酵罐的清洗、分离机的清洗及其他清洗工段和洗地面的废水等，设计细格栅，可清除较粗大的悬浮杂物，保护后面的机泵正常运行。

2调节池

该废水因间歇排放带来的排放水质、水量变动大，因此设计一个均质调节池，均衡调节污水的水质、水量、水温的变化[15]，保证后续处理工艺的稳定运行。

3接触吸附池

废水中色度高，故在生化处理前面对废水进行脱色去磷。

粉煤灰成本低，对磷和色度的处理效果好，用其处理废水可谓以废治废[16]。

且废水在絮凝前经粉煤灰处理，脱色、除臭和COD去除效果较为显著，且可改善絮凝效果[17]。

设计在接触吸附池内填充粉煤灰，废水从池底向上流经粉煤灰层，废水与粉煤灰充分接触，发生吸附、过滤作用，达到脱色去磷的目的，同时可除去部分COD、BOD和SS等污染物，废水的可生化性增强。

4折板反应槽

抗生素废水中含溶解性和胶体性固体高。

王连军和刘春玲[18]在抗生素废水的预处理方面做了大量的实验研究，认为抗生素废水的前期预处理中通过加药絮凝工艺，可以大幅度降低废水的COD值25%～30%，为后续处理减轻负担，直接有效且减少基建投资。

王丽杰选用氯化铁（FC）、聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合硫酸铁（PFS）及阳离子PAM五种实验室常用絮凝剂对抗生素废水进行实验研究，实验证明，阳离子PAM的对SS的去除效果最好，氯化铁（FC）与阳离子PAM的SS去除效果非常接近[19]。

对两者的处理成本进行分析后，确定选用氯化铁作为絮凝剂。

设计折板反应槽，目的是使来自溶液罐的絮凝剂氯化铁（FeCl3）在进入竖流式沉淀池之前，与废水充分混合，使后面沉淀池中的絮凝沉淀能更好的完成。

因此在竖流式沉淀池中，脱色、絮凝、沉淀作用同时完成，去除了水中的部分色度、COD、BOD和SS等污染物，为生物处理创造条件。

3.3.2二级生物处理工艺选择与论证

二级生物处理工艺选择是整个处理工艺的核心，它是利用微生物具有氧化分解的这一功能，采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长、繁殖的环境，使其大量增殖以提高氧化分解有机物效率的一种污水处理方法[20]。

本工程决定采用“水解酸化＋好氧生物处理”二级流程。

1水解酸化工艺特点及选择论证

（1）原理分析：

水解酸化属厌氧处理的范畴。

厌氧处理一般分为水解、产酸和产气三个阶段，水解酸化就是将厌氧过程控制在水解和产酸阶段，利用兼性的水解产酸菌，把废水中难降解的复杂有机物转化为简单有机物，而不到产甲烷气阶段[21]。

由于抗生素废水中高SO42-、高浓度氨氮对产甲烷菌的抑制以及沼气产气量低、利用价值不高，废水经厌氧处理后剩余的主要是难降解的有机物，导致后续好氧生物处理阶段的COD去除率较低，且所需处理时间较长，增加了运行费用等原因，近年来研究者们开始尝试以厌氧水解（酸化）取代厌氧发酵。

据文献报道，有些有机物在好氧条件下较难被微生物所降解，经厌氧酸化预处理可以改变难降解有机物的化学结构，使其好氧生物降解性能提高[3,7]。

水解酸化主要就是将废水中的大分子、难降解物质转化为小分子、易被微生物降解的有机物。

通过水解酸化，可提高废水的可生化性，有利于后续好氧处理，并对固体有机物有降解功能，从而减少污泥量。

（2）水解酸化工艺有以下优点[15]：

a.池体不需要密闭，也不需要三相分离器，运行管理方便简单；

b.大分子有机物经水解酸化后，生成小分子有机物，可生化性较好，即水解酸化可以改变原来污水的可生化性，从而减少反应时间和处理能耗；

c.水解酸化过程为控制在厌氧消化的第一、二阶段，没有达到厌氧发酵的最终阶段，因而出水中也就没有厌氧发酵所产生的难闻气味，改善了污水处理厂的环境；

d.水解酸化反应所需时间较短，因此所需的构筑物体积很小，一般相当于初沉池容积，可节约基建投资；

e.水解酸化对固体有机物的降解效果较好，而且产生的剩余污泥很少，实现了污泥、污水一次处理，具有消化池的部分功能。

水解酸化处理作为各种生化处理的预处理，因不需曝气大大降低了生产运行成本，可提高污水的可生化性，降低后续生物处理的负荷，大量削减后续好氧处理工艺的曝气量，降低工程投资和运行费用，因而被广泛应用于难生物降解的化工、造纸、制药等高浓度有机工业废水处理中[22]。

（3）水解酸化反应器的选择与论证

厌氧折流板反应器（ABR）是MaCarty和Bachmann等于1982年提出的一种新型高效厌氧反应器。

其结构如图3-1。

该反应器实现了将污泥停留时间（MCRT）与水力停留时间（HRT）分离，能够保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄，属于高负荷系统[23]，其构造特点是：

在反应器内沿水力流向设置多层隔板，将反应器分隔成若干个串联的反应器。

在各个反应室内，水力接近于完全混合，而在整个反应器中则近视于推流式。

这不仅有利于提高反应器的容积利用率，而且在不同隔室内可相对独立地培养适合于各自环境的微生物群落，利于各类微生物的平稳增长，还可以很好地抗冲击负荷[24]。

厌氧折流板反应器（ABR）实际上是一个将多个UASB集于一个反应器且构造比UASB更为简单的多级阶段两相反应器。

ABR适用于处理多种有毒有害工业废水。

众多研究都表明ABR在处理各种工业废水中表现出许多其它厌氧反应器所不具备的优点，具体归纳为以下四个方面：

a.当废水的BOD5/CODCr较低，废水的可生化性较差时，经ABR处理可获得明显的水解酸化作用，能有效提高BOD5/CODCr，改善废水的可生化性；

b.在ABR内可形成性能良好的颗粒污泥，大大提高了ABR对水力冲击负荷的抵抗能力；

c.ABR具有较强的耐浓度冲击能力和对毒物冲击适应能力，表现出良好的运行稳定性；

d.ABR构造简单、能耗低、投资省；

e.ABR启动时间短，操作运行方便，便于工程应用[23]。

根据该废水水量小，有机负荷高的特点，以及工程设计要求能耗小、处理效果好、管理简便的原则，本设计选择“厌氧折流板反应器”作为水解酸化反应器。

2．好氧生物处理工艺选择与论证

废水通过水解酸化阶段仅仅是为后续好氧处理创造了良好的反应条件，提高了BOD5/CODCr比值[10]。

水解酸化后CODCr和BOD5去除率并不高，对CODCr的去除率通常只有20%~30%，所以，废水通过水解酸化是不可达标排放的，必须进一步好氧处理。

抗生素生产废水的好氧生物处理工艺主要是早期传统活性污泥法和70年代开发的革新替代工艺，如深井曝气、生物流化床、生物接触氧化法、SBR及氧化沟等[6,7]。

对以上几种好氧生物处理工艺方法进行技术经济指标比较（如表3.1所示），以确定将要采用的处理方法。

方案

技术指标（BOD5去除率%）

经济指标

运行情况

备注

基建费

能耗

占地

运行稳定

管理情况

适应负荷波动

传统活性法

85-95

100

100

100

一般

一般

不适应

适用于中等浓度的生活污水和工业废水，对冲击敏感

深井曝气法

85-90

>100

<100

<100

稳定

一般

适应

施工难度大，一般不用

SBR法

90-99

<100

100

<100

稳定

简便

适应

适用于中、小型污水处理厂

氧化沟

90-95

<100

>100

>100

稳定

简便

适应

适用于中、小型污水处理厂，需要脱氮除磷地区

生物膜法

≥90

<100

<100

约100

稳定

简便

适应

适用于小型污水处理厂

表3.1各种好氧生物处理工艺方法的技术经济指标比较

注：

将传统活性污泥法100作为相对经济指标基准

由表3.1，根据该废水水量小，有机污染物浓度高的特点，以及工程设计要求能耗小、基建少、占地小、运行稳定且管理简便的原则，本设计选择以生物膜法为核心的污水处理工艺方案。

由于生物流化床设备的磨损较固定床严重，设计时存在生产放大方面的问题，如防堵塞、曝气方法、进水配水系统的选用和生物颗粒流失等，在我国废水处理中还少有工业性应用[11]，因此，本设计最后选定生物接触氧化法作为好氧生物处理工艺。

生物接触氧化法又称“淹没式生物滤池”或“接触曝气法”，在反应器内设置填料，废水经过充氧（或在氧化池底部鼓风曝气）后与填料相接触，在生长在填料上的生物膜和填料空隙间的活性污泥双重作用下，使废水得到净化。

接触氧化池内装有填料，大部分微生物以生物膜的形式固着生长于填料表面，少部分则以活性污泥的形式悬浮生长于水中[25]。

生物接触氧化法是一种介于活性污泥和生物滤池两者之间的生物处理技术，具有两种方法的优点，因此在污水处理工程中得到了广泛的应用。

生物接触氧化法具有如下特点[11,25]：

（1）由于填料的比表面积大，池内的充氧条件良好。

池内单位容积的生物固体量高于活性污泥法曝气池及生物滤池，因此生物接触氧化池具有