Métodos y características de los procesos de tratamiento de aguas residuales en la industria farmacéutica

Los métodos de tratamiento de aguas residuales con antibióticos se pueden resumir de la siguiente manera: métodos de tratamiento fisicoquímicos, métodos de tratamiento biológico aeróbico, métodos de tratamiento biológico anaeróbico y una combinación de varios métodos.

Los métodos físicos y químicos incluyen principalmente la precipitación, la coagulación, la filtración y otros métodos. Debido a la compleja composición de las aguas residuales de producción de antibióticos, el alto contenido orgánico y una pequeña cantidad de antibióticos residuales, cuando se utiliza el tratamiento bioquímico, el fuerte efecto inhibitorio de los antibióticos residuales sobre los microorganismos da como resultado procesos de tratamiento de aguas residuales complejos, altos costos y efectos inestables.

El tratamiento biológico aeróbico incluye principalmente SBR, foso de oxidación, aireación de pozo profundo y oxidación por contacto. Sin embargo, dado que las aguas residuales con antibióticos son aguas residuales orgánicas de alta concentración, el método de lodo activado del proceso aeróbico convencional no puede resistir las aguas residuales con una concentración de COD de más de 10 g/L, y las aguas residuales originales deben diluirse en gran medida. Por lo tanto, el consumo de agua limpia y energía es grande, lo que resulta en altos costos de tratamiento, y la tasa de tratamiento de aguas residuales real del fabricante de la aplicación también es baja.

El tratamiento biológico anaeróbico incluye principalmente el digestor anaeróbico, el filtro anaeróbico, el lecho de lodos anaeróbicos ascendentes, el lecho de lodos granulares anaeróbicos expandidos, la circulación interna, etc. En comparación con el tratamiento aeróbico, el tratamiento anaeróbico generalmente tiene una alta carga orgánica en el tratamiento de aguas residuales con antibióticos, bajo rendimiento de lodos, fácil deshidratación de lodos biológicos, menor requerimiento de nutrientes, sin necesidad de aireación y bajo consumo de energía. Puede generar biogás, recuperar energía, tiene un amplio rango de temperatura del agua adecuada y tiene las ventajas de un largo tiempo de almacenamiento de lodos anaeróbicos activados, que se ha utilizado cada vez más ampliamente.

• Fuente y características de las aguas residuales con antibióticos

La producción de antibióticos incluye fermentación microbiana, filtración, cristalización por extracción, refinado y otros procesos. Las aguas residuales utilizadas para producir antibióticos con granos o melaza como materia prima principal provienen principalmente de aguas residuales orgánicas de alta concentración de los procesos de separación, extracción, refinado y purificación, como líquido de cristalización, licor madre de desecho y aguas residuales de lavado de tanques de siembra y tanques de fermentación, y agua de refrigeración para tanques de fermentación. Por lo tanto, las aguas residuales tienen las siguientes características:

1. Alto contenido de COD

El COD de las aguas residuales con antibióticos generalmente está entre 5000 y 80000 mg/L. Incluyen principalmente la matriz residual de fermentación y el proceso de extracción, la descarga de líquido residual del hervidor de destilación después de la recuperación del solvente, el líquido de desecho de adsorción descargado del proceso de intercambio iónico, el filtrado de fermentación de antibióticos insolubles en agua y el líquido de desecho del tanque de contaminación, etc. La concentración de estos componentes es alta, como la concentración de CODCr de las aguas residuales de penicilina es de 15000-80000 mg/L, y la concentración de CODCr de las aguas residuales de oxitetraciclina es de 8000-35000 mg/L.

2. Alta concentración de SS en las aguas residuales (500～25000 mg/L)

Los SS en las aguas residuales con antibióticos son principalmente el sustrato de cultivo residual de la fermentación y el micelio microbiano producido por la fermentación. Por ejemplo, los SS de las aguas residuales de gentamicina son de aproximadamente 8000 mg/L, y las aguas residuales de penicilina son de 5000-23000 mg/L.

3. Ingredientes complejos.

Las aguas residuales con antibióticos contienen materias primas como metabolitos intermedios, tensioactivos y altas concentraciones de ácidos, álcalis y solventes orgánicos que quedan en la extracción y separación, con componentes complejos. Es fácil causar fluctuaciones de PH y afectar el efecto bioquímico.

4. Presencia de sustancias biotóxicas.

Las aguas residuales contienen sustancias que son difíciles de degradar por los microorganismos e incluso tienen efectos inhibitorios sobre los microorganismos. En el proceso de fermentación o extracción, las sustancias orgánicas o inorgánicas que deben agregarse para la producción, así como los solventes residuales y los antibióticos residuales y sus productos de degradación descargados durante el proceso de producción, etc., cuando estas sustancias alcanzan una cierta concentración, inhibirán los microorganismos.

5. La concentración de sulfato es alta.

Por ejemplo, el contenido de sulfato de las aguas residuales de estreptomicina es de aproximadamente 3000 mg/L, hasta 5500 mg/L, la penicilina es superior a 5000 mg/L.

Además, las aguas residuales con antibióticos tienen las características de alto croma, gran fluctuación de PH y descarga intermitente. Es una de las aguas residuales orgánicas tóxicas con altos costos de tratamiento y difícil tratamiento.

• Método de tratamiento físico de las aguas residuales con antibióticos

Debido a que las aguas residuales de producción de antibióticos son aguas residuales orgánicas refractarias, el fuerte efecto inhibitorio de los antibióticos residuales sobre los microorganismos puede provocar procesos de tratamiento de aguas residuales complejos, altos costos y efectos inestables. Por lo tanto, en el proceso de tratamiento de aguas residuales con antibióticos, el método de tratamiento físico se puede utilizar como un método de pretratamiento para el tratamiento bioquímico posterior para reducir los sólidos suspendidos en el agua y reducir las sustancias bioinhibidoras en las aguas residuales. Los métodos de tratamiento físico que se utilizan actualmente incluyen principalmente la coagulación, la sedimentación, la flotación por aire, la adsorción, la ósmosis inversa y la filtración.

El método de coagulación consiste en que después de agregar un coagulante, las partículas que han perdido su carga se contactan entre sí mediante agitación para formar flóculos, que son convenientes para su precipitación o filtración para lograr el propósito de separación. Después del tratamiento de coagulación, no solo se puede reducir eficazmente la concentración de contaminantes, sino que también se mejora el rendimiento de biodegradación de las aguas residuales. Los coagulantes comúnmente utilizados en el tratamiento de aguas residuales en la industria farmacéutica de antibióticos incluyen: sulfato férrico polimérico, cloruro férrico, sales ferrosas, sulfato de cloruro de polialuminio, cloruro de polialuminio, sulfato de cloruro de polialuminio férrico, poliacrilamida (PAM), etc. La sedimentación es la separación o eliminación de partículas suspendidas que son más densas que el agua del agua mediante separación de precipitación por gravedad.

La flotación por aire es un proceso en el que se utilizan burbujas de aire diminutas altamente dispersas como portadoras para adsorber contaminantes en las aguas residuales, de modo que la densidad es menor que la del agua y flotan para lograr la separación sólido-líquido o líquido-líquido. Generalmente incluye varias formas, como la flotación por aire inflable, la flotación por aire disuelto, la flotación por aire químico y la flotación por aire electrolítico. Una fábrica farmacéutica nacional utiliza un dispositivo de flotación por aire cóncavo de vórtice CAF para pretratar las aguas residuales farmacéuticas. Con una coordinación farmacéutica adecuada, la tasa de eliminación promedio de CODcr puede ser de alrededor del 25%.

El método de adsorción se refiere al uso de sólidos porosos para adsorber ciertos o varios contaminantes en las aguas residuales para recuperar o eliminar contaminantes, purificando así las aguas residuales. Los adsorbentes comúnmente utilizados son el carbón activado, el carbón activado, los ácidos húmicos, las resinas de adsorción, etc. El método tiene las ventajas de una pequeña inversión, un proceso simple, una operación conveniente y un tratamiento fácil, y es más adecuado para la mejora del proceso de la planta de tratamiento de aguas residuales original.

El método de ósmosis inversa utiliza una membrana semipermeable para separar las soluciones concentradas y diluidas, y utiliza la diferencia de presión como fuerza impulsora para aplicar una presión que excede la presión osmótica de la solución para cambiar la dirección de permeación natural, e infiltrar la presión del agua en la solución concentrada hacia el lado de la solución diluida, se puede lograr el propósito de concentración y purificación de aguas residuales.

• Método de tratamiento químico de aguas residuales con antibióticos

1. Oxidación fotocatalítica.

Esta tecnología puede degradar eficazmente la concentración de materia orgánica en las aguas residuales farmacéuticas, y tiene las ventajas de un rendimiento estable, sin selectividad para las aguas residuales, condiciones de reacción cálidas y sin contaminación secundaria, lo que tiene una buena perspectiva de aplicación. Utilizando Ti02 como catalizador, se utilizó un reactor fotocatalítico de lecho fluidizado para tratar las aguas residuales farmacéuticas, y se investigó el efecto fotocatalítico en diferentes condiciones de proceso. Después de 150 min, el COD del efluente en la etapa de oxidación fotocatalítica fue de 113 y 124 mg/L, las tasas de eliminación fueron del 81,0% y el 85,6% y el valor de BODs/COD también podría aumentarse de 0,2 a 0,5, lo que mejoró la biodegradabilidad de las aguas residuales. Sin embargo, todavía existen deficiencias en el método de oxidación fotocatalítica, y el catalizador Ti02 más utilizado tiene una alta selectividad y es difícil de separar y reciclar. Por lo tanto, la preparación de fotocatalizadores eficientes es la premisa para que este método se utilice ampliamente en el campo de la protección ambiental.

2. Método Fe-C.

Fe-C es una tecnología de tratamiento de aguas residuales que ha sido ampliamente estudiada y aplicada. La solución electrolítica se llena con aguas residuales con un valor de PH de 3 a 6. Las limaduras de hierro y las partículas de carbono forman numerosas baterías primarias diminutas, liberando [H] altamente activo. El [H] ecológico nuevo puede interactuar con muchos componentes en la solución. Se produce una reacción redox y, al mismo tiempo, se produce un Fe3 ecológico nuevo. El Fe3 ecológico nuevo tiene una alta actividad y genera Fe3. Con el progreso de la reacción de hidrólisis, se forma un gel con Fe3 como centro, para lograr el efecto de degradación de las aguas residuales orgánicas.

A temperatura y presión normales, el carbón activado y las limaduras de hierro se instalaron en la columna de lixiviación con una relación de longitud de tubo como capa filtrante, y se utilizaron Mn2 y Cu2 como catalizadores para tratar las aguas residuales integrales de la fábrica farmacéutica de tetraciclina; los resultados muestran que el carbón activado tiene un mayor efecto de adsorción. Al mismo tiempo, la microbatería Fe-c formada en el tubo oxida el hierro en floculante de hidróxido férrico, que separa el sólido y el líquido y reduce la turbidez. En la aplicación real de los métodos de tratamiento químico, el uso excesivo de reactivos puede provocar fácilmente una contaminación secundaria de los cuerpos de agua, por lo que se debe realizar un trabajo de investigación relevante antes del diseño.

3. Tratamiento antibiótico y aeróbico de aguas residuales.

Los métodos biológicos aeróbicos comúnmente utilizados en las aguas residuales farmacéuticas incluyen principalmente: método de lodos activados ordinario, método bioquímico a presión, método de aireación de pozo profundo, método de oxidación de contacto biológico, método de lecho fluidizado biológico, proceso de lodos activados por lotes secuenciales, etc.

En la actualidad, el método más maduro para tratar las aguas residuales antibióticas en el país y en el extranjero es el método de lodos activados. Debido al pretratamiento reforzado, el método de aireación mejorado y el funcionamiento estable del dispositivo, se ha convertido en un método comúnmente utilizado por las fábricas farmacéuticas en algunos países industrializados en la década de 1970. Sin embargo, la desventaja del método común de lodos activados es que las aguas residuales necesitan mucha dilución, hay mucha espuma durante el funcionamiento, es propenso a la expansión de lodos, la cantidad de lodos en exceso es grande y la tasa de eliminación no es alta. En este caso, se deben emplear dos o más etapas de procesamiento. Por lo tanto, en los últimos años, mejorar el método de aireación y la tecnología de inmovilización microbiana para mejorar el efecto de tratamiento de las aguas residuales se ha convertido en una parte importante de la investigación y el desarrollo del proceso de lodos activados.

En comparación con el método de lodos activados ordinario, el método bioquímico a presión aumenta la concentración de oxígeno disuelto y el suministro de oxígeno es suficiente, lo que no solo es propicio para acelerar la biodegradación, sino también para mejorar la resistencia a la carga de choque biológica.

El método de aireación de pozo profundo es un sistema de lodos activados de alta velocidad. En comparación con el método de lodos activados ordinario, el método de aireación de pozo profundo tiene las siguientes ventajas: alta tasa de utilización de oxígeno, equivalente a 10 veces la de la aireación ordinaria; alta carga de lodos, de 2,5 a 4 veces mayor que la del método de lodos activados ordinario; pequeño, baja inversión, bajo costo operativo, alta eficiencia, la tasa de eliminación promedio de COD puede alcanzar más del 70%; fuerte resistencia al impacto de la carga hidráulica y orgánica; sin problema de hinchamiento de lodos; buen efecto de aislamiento térmico.

El método de oxidación de contacto biológico tiene las características del método de lodos activados y el método de biopelícula, y tiene una alta carga de procesamiento, lo que puede tratar aguas residuales orgánicas que fácilmente causan hinchamiento de lodos. En el tratamiento de aguas residuales de producción en la industria farmacéutica, la oxidación de contacto biológica se utiliza a menudo directamente, o la digestión anaeróbica y la acidificación se utilizan como procedimientos de pretratamiento para tratar las aguas residuales de producción farmacéutica. Sin embargo, cuando se utiliza el método de oxidación de contacto para tratar las aguas residuales farmacéuticas, si la concentración del agua de entrada es alta, es probable que aparezca una gran cantidad de espuma en la piscina, y se deben tomar medidas preventivas y contramedidas durante el funcionamiento.

El lecho fluidizado biológico combina las ventajas del método de lodos activados ordinario y el método de filtro biológico, por lo que tiene las ventajas de alta carga volumétrica, alta velocidad de reacción y pequeña superficie.

El proceso de lodos activados por lotes secuenciales (SBR) tiene las ventajas de una calidad de agua homogeneizada, sin necesidad de retorno de lodos, resistencia al impacto, alta actividad de lodos, estructura simple, funcionamiento flexible, menos ocupación de terreno, baja inversión, funcionamiento estable y una tasa de eliminación de matriz superior al método común de lodos activados. Es más adecuado para tratar aguas residuales con descarga intermitente y grandes fluctuaciones en la calidad y cantidad de agua. Sin embargo, el método SBR tiene las desventajas de la sedimentación de lodos y el largo tiempo de separación de lodos y agua. Al tratar aguas residuales de alta concentración, se requiere mantener una alta concentración de lodos y, al mismo tiempo, es propenso a la hinchazón de alta viscosidad.

Por lo tanto, a menudo se considera agregar carbón activado en polvo para reducir la espuma en el tanque de aireación, mejorar el rendimiento de sedimentación de lodos, el rendimiento de separación líquido-sólido y el rendimiento de deshidratación de lodos, etc., para obtener una mayor tasa de eliminación. La aplicación directa del método aeróbico para tratar las aguas residuales antibióticas todavía necesita considerar la toxicidad de los antibióticos residuales en las aguas residuales para las bacterias aeróbicas, por lo que generalmente se requiere un pretratamiento de las aguas residuales.