Análisis integral de la tecnología de aguas residuales farmacéuticas

Las aguas residuales de la industria farmacéutica incluyen principalmente las provenientes de la producción de antibióticos y fármacos sintéticos. Se clasifican en cuatro categorías: aguas residuales de la producción de antibióticos, aguas residuales de la producción de fármacos sintéticos, aguas residuales de la producción de medicamentos patentados chinos, aguas de lavado y aguas residuales de lavado de diversos procesos de preparación. Estas aguas residuales se caracterizan por su composición compleja, alto contenido orgánico, alta toxicidad, color intenso, alto contenido de sal, propiedades bioquímicas especialmente deficientes y vertidos intermitentes. Se trata de aguas residuales industriales de difícil tratamiento. Con el desarrollo de la industria farmacéutica de mi país, las aguas residuales farmacéuticas se han convertido gradualmente en una importante fuente de contaminación.

1. Método de tratamiento de aguas residuales farmacéuticas

Los métodos de tratamiento de aguas residuales farmacéuticas se pueden resumir en: tratamiento físico químico, tratamiento químico, tratamiento bioquímico y tratamiento combinado de varios métodos, cada método de tratamiento tiene sus propias ventajas y desventajas.

Tratamiento físico y químico

Según las características de calidad del agua de las aguas residuales farmacéuticas, el tratamiento fisicoquímico debe emplearse como pretratamiento o postratamiento para el tratamiento bioquímico. Los métodos de tratamiento físico-químico utilizados actualmente incluyen principalmente la coagulación, la flotación por aire, la adsorción, la extracción de amoníaco, la electrólisis, el intercambio iónico y la separación por membranas.

coagulación

Esta tecnología es un método de tratamiento de agua ampliamente utilizado a nivel nacional e internacional. Se utiliza ampliamente en el pretratamiento y postratamiento de aguas residuales médicas, como el sulfato de aluminio y el sulfato poliférrico en aguas residuales de la medicina tradicional china. La clave para un tratamiento de coagulación eficiente reside en la correcta selección y adición de coagulantes con un rendimiento excelente. En los últimos años, el desarrollo de coagulantes ha evolucionado desde polímeros de bajo peso molecular hasta polímeros de alto peso molecular, y desde la funcionalización monocomponente hasta la de compuestos [3]. Liu Minghua et al. [4] trataron la DQO, la SS y la cromaticidad del líquido residual con un pH de 6,5 y una dosis de floculante de 300 mg/L con un floculante compuesto de alta eficiencia F-1. Las tasas de eliminación fueron del 69,7 %, 96,4 % y 87,5 %, respectivamente.

flotación por aire

La flotación por aire generalmente incluye diversas modalidades, como la flotación por aireación, la flotación por aire disuelto, la flotación por aire químico y la flotación por aire electrolítico. La fábrica farmacéutica Xinchang utiliza un dispositivo de flotación por aire de vórtice CAF para el pretratamiento de aguas residuales farmacéuticas. La tasa promedio de eliminación de DQO es de aproximadamente el 25 % con productos químicos adecuados.

método de adsorción

Los adsorbentes más comunes son el carbón activado, el carbón activado, el ácido húmico, la resina de adsorción, etc. La fábrica farmacéutica Wuhan Jianmin utiliza el proceso de tratamiento biológico aeróbico secundario (tratamiento de aguas residuales) por adsorción de cenizas de carbón. Los resultados mostraron una tasa de eliminación de DQO del pretratamiento por adsorción del 41,1 % y una mejora en la relación DBO5/DQO.

Separación por membranas

Las tecnologías de membranas incluyen la ósmosis inversa, la nanofiltración y las membranas de fibra para recuperar materiales útiles y reducir las emisiones orgánicas totales. Las principales características de esta tecnología son la simplicidad del equipo, la facilidad de uso, la ausencia de cambios de fase y químicos, la alta eficiencia de procesamiento y el ahorro energético. Juanna et al. utilizaron membranas de nanofiltración para separar aguas residuales con cinamicina. Se observó una reducción del efecto inhibidor de la lincomicina sobre los microorganismos presentes en las aguas residuales y la recuperación de cinamicina.

electrólisis

El método ofrece ventajas como alta eficiencia, operación sencilla y un buen efecto de decoloración electrolítica. Li Ying [8] realizó un pretratamiento electrolítico del sobrenadante de riboflavina, y las tasas de eliminación de DQO, SS y croma alcanzaron el 71 %, 83 % y 67 %, respectivamente.

tratamiento químico

Cuando se emplean métodos químicos, el uso excesivo de ciertos reactivos puede causar contaminación secundaria de los cuerpos de agua. Por lo tanto, se debe realizar investigación experimental pertinente antes del diseño. Los métodos químicos incluyen el método hierro-carbono, el método químico redox (reactivo de Fenton, H₂O₂, O₃), la tecnología de oxidación profunda, etc.

Método de hierro y carbono

La operación industrial demuestra que el uso de Fe-C como pretratamiento para aguas residuales farmacéuticas puede mejorar considerablemente la biodegradabilidad del efluente. Lou Maoxing utiliza un tratamiento combinado de hierro, microelectrólisis, flotación anaeróbica, aeróbica y por aire para tratar las aguas residuales de productos intermedios farmacéuticos como la eritromicina y la ciprofloxacina. La tasa de eliminación de DQO tras el tratamiento con hierro y carbono fue del 20 %. El efluente final cumple con la norma nacional de primera clase "Estándar Integrado de Descarga de Aguas Residuales" (GB8978-1996).

Procesamiento de reactivos de Fenton

La combinación de sal ferrosa y H₂O₂ se denomina reactivo de Fenton y puede eliminar eficazmente la materia orgánica refractaria que no se puede eliminar con la tecnología tradicional de tratamiento de aguas residuales. Con el avance de la investigación, se introdujeron en el reactivo de Fenton luz ultravioleta (UV), oxalato (C₂O₄₂), etc., lo que mejoró considerablemente la capacidad de oxidación. Utilizando TiO₂ como catalizador y una lámpara de mercurio de baja presión de 9 W como fuente de luz, las aguas residuales farmacéuticas se trataron con el reactivo de Fenton. La tasa de decoloración fue del 100 %, la tasa de eliminación de DQO fue del 92,3 % y el compuesto de nitrobenceno disminuyó de 8,05 mg/L a 0,41 mg/L.

Oxidación

El método puede mejorar la biodegradabilidad de las aguas residuales y ofrece una mejor tasa de eliminación de DQO. Por ejemplo, se trataron aguas residuales de tres antibióticos, como Balcioglu, mediante oxidación con ozono. Los resultados mostraron que la ozonización de las aguas residuales no solo aumentó la relación DBO5/DQO, sino que también la tasa de eliminación de DQO superó el 75 %.

Tecnología de oxidación

También conocida como tecnología de oxidación avanzada, reúne los últimos resultados de investigación de la luz moderna, la electricidad, el sonido, el magnetismo, los materiales y otras disciplinas similares, incluyendo la oxidación electroquímica, la oxidación húmeda, la oxidación en agua supercrítica, la oxidación fotocatalítica y la degradación ultrasónica. Entre ellas, la tecnología de oxidación fotocatalítica ultravioleta tiene las ventajas de novedad, alta eficiencia y ninguna selectividad para las aguas residuales, y es especialmente adecuada para la degradación de hidrocarburos insaturados. En comparación con los métodos de tratamiento como los rayos ultravioleta, el calentamiento y la presión, el tratamiento ultrasónico de la materia orgánica es más directo y requiere menos equipo. Como un nuevo tipo de tratamiento, se ha prestado cada vez más atención. Xiao Guangquan et al. [13] utilizaron el método de contacto biológico aeróbico-ultrasónico para tratar aguas residuales farmacéuticas. El tratamiento ultrasónico se llevó a cabo durante 60 s y la potencia fue de 200 w, y la tasa total de eliminación de DQO de las aguas residuales fue del 96%.

Tratamiento bioquímico

La tecnología de tratamiento bioquímico es una tecnología de tratamiento de aguas residuales farmacéuticas ampliamente utilizada, que incluye el método biológico aeróbico, el método biológico anaeróbico y el método combinado aeróbico-anaeróbico.

Tratamiento biológico aeróbico

Dado que la mayoría de las aguas residuales farmacéuticas son aguas residuales orgánicas de alta concentración, generalmente es necesario diluir la solución madre durante el tratamiento biológico aeróbico. Por lo tanto, el consumo de energía es elevado, las aguas residuales pueden tratarse bioquímicamente y es difícil descargarlas directamente hasta alcanzar el estándar después del tratamiento bioquímico. Por lo tanto, se utiliza únicamente el método aeróbico. Existen pocos tratamientos disponibles y se requiere un pretratamiento general. Los métodos de tratamiento biológico aeróbico más utilizados incluyen el método de lodos activados, el método de aireación de pozos profundos, el método de biodegradación por adsorción (método AB), el método de oxidación por contacto, el método de lodos activados secuenciales (método SBR) y el método de lodos activados circulantes (método CASS), entre otros.

Método de aireación de pozo profundo

La aireación de pozo profundo es un sistema de lodos activados de alta velocidad. Este método ofrece una alta tasa de utilización de oxígeno, ocupa poco espacio, tiene un buen rendimiento de tratamiento, baja inversión, bajo costo operativo, no produce acumulación de lodos y reduce su producción. Además, su buen aislamiento térmico y el tratamiento no se ve afectado por las condiciones climáticas, lo que garantiza la eficacia del tratamiento de aguas residuales invernales en las regiones del norte. Tras el tratamiento bioquímico de las aguas residuales orgánicas de alta concentración de la Fábrica Farmacéutica del Noreste mediante el tanque de aireación de pozo profundo, la tasa de eliminación de DQO alcanzó el 92,7 %. Se observa una alta eficiencia de procesamiento, lo cual resulta fundamental para el siguiente procesamiento.

Método AB

El método AB es un método de lodos activados de carga ultraalta. La tasa de eliminación de DBO5, DQO, SS, fósforo y nitrógeno amoniacal mediante el proceso AB es generalmente mayor que la del proceso convencional de lodos activados. Sus ventajas destacadas son la alta carga de la sección A, la alta capacidad de carga antichoque y el alto efecto amortiguador sobre el valor de pH y las sustancias tóxicas. Es especialmente adecuado para el tratamiento de aguas residuales con alta concentración y grandes variaciones en la calidad y cantidad del agua. El método de Yang Junshi et al. utiliza el método biológico de acidificación por hidrólisis-AB para tratar aguas residuales con antibióticos, que ofrece un flujo de proceso corto, ahorro energético y un coste de tratamiento inferior al del método de tratamiento biológico por floculación química para aguas residuales similares.

oxidación por contacto biológico

Esta tecnología combina las ventajas del método de lodos activados y del método de biopelícula, y ofrece las ventajas de un alto volumen de carga, baja producción de lodos, alta resistencia al impacto, un proceso estable y una gestión sencilla. Muchos proyectos adoptan un método de dos etapas, con el objetivo de domesticar cepas dominantes en diferentes etapas, aprovechar al máximo el efecto sinérgico entre las diferentes poblaciones microbianas y mejorar los efectos bioquímicos y la resistencia al impacto. En ingeniería, la digestión anaeróbica y la acidificación se utilizan a menudo como pretratamiento, y un proceso de oxidación por contacto se utiliza para tratar aguas residuales farmacéuticas. La Fábrica Farmacéutica Harbin Norte adopta el proceso de hidrólisis-acidificación-oxidación biológica por contacto de dos etapas para tratar aguas residuales farmacéuticas. Los resultados de la operación muestran que el efecto del tratamiento es estable y la combinación de procesos es razonable. Con la progresiva madurez de la tecnología de proceso, sus campos de aplicación también se amplían.

Método SBR

El método SBR tiene las ventajas de una fuerte resistencia a la carga de choque, alta actividad de lodos, estructura simple, sin necesidad de reflujo, operación flexible, tamaño reducido, baja inversión, operación estable, alta tasa de remoción de sustrato y buena desnitrificación y remoción de fósforo. . Aguas residuales fluctuantes. Los experimentos en el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas mediante el proceso SBR muestran que el tiempo de aireación tiene una gran influencia en el efecto del tratamiento del proceso; la configuración de secciones anóxicas, especialmente el diseño repetido de anaeróbicos y aeróbicos, puede mejorar significativamente el efecto del tratamiento; el tratamiento mejorado SBR de PAC El proceso puede mejorar significativamente el efecto de remoción del sistema. En los últimos años, el proceso se ha vuelto cada vez más perfecto y se utiliza ampliamente en el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas.

Tratamiento Biológico Anaeróbico

Actualmente, el tratamiento de aguas residuales orgánicas de alta concentración, tanto a nivel nacional como internacional, se basa principalmente en métodos anaeróbicos. Sin embargo, la DQO del efluente aún es relativamente alta tras el tratamiento con métodos anaeróbicos independientes, por lo que generalmente se requiere un postratamiento (como el tratamiento biológico aeróbico). Actualmente, es necesario fortalecer el desarrollo y diseño de reactores anaeróbicos de alta eficiencia, así como la investigación exhaustiva de las condiciones de operación. Las aplicaciones más exitosas en el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas son el lecho anaeróbico de lodos de flujo ascendente (UASB), el lecho anaeróbico compuesto (UBF), el reactor anaeróbico de deflectores (ABR), la hidrólisis, etc.

Ley UASB

El reactor UASB ofrece las ventajas de una alta eficiencia de digestión anaeróbica, una estructura simple, un corto tiempo de retención hidráulica y la eliminación de la necesidad de un dispositivo de retorno de lodos independiente. Cuando se utiliza el UASB en el tratamiento de aguas residuales de kanamicina, clorina, VC, SD, glucosa y otras aguas residuales de la producción farmacéutica, el contenido de SS no suele ser demasiado alto para garantizar una tasa de eliminación de DQO superior al 85%-90%. La tasa de eliminación de DQO del UASB de dos etapas puede superar el 90%.

Método UBF

Wenning et al. realizaron una prueba comparativa con UASB y UBF. Los resultados muestran que el UBF se caracteriza por una buena transferencia de masa y un buen efecto de separación, diversas biomasas y especies biológicas, alta eficiencia de procesamiento y una gran estabilidad operativa. Biorreactor de oxígeno.

Hidrólisis y acidificación

El tanque de hidrólisis se denomina lecho de lodos hidrolizados aguas arriba (HUSB) y es un UASB modificado. En comparación con el tanque anaeróbico de proceso completo, el tanque de hidrólisis presenta las siguientes ventajas: no requiere sellado, agitación ni separador trifásico, lo que reduce costos y facilita el mantenimiento; puede degradar macromoléculas y sustancias orgánicas no biodegradables presentes en las aguas residuales en moléculas pequeñas. La materia orgánica, fácilmente biodegradable, mejora la biodegradabilidad del agua cruda; la reacción es rápida, el volumen del tanque es pequeño, la inversión de capital en construcción es baja y el volumen de lodos se reduce. En los últimos años, el proceso de hidrólisis aeróbica se ha utilizado ampliamente en el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas. Por ejemplo, una fábrica biofarmacéutica utiliza un proceso de acidificación hidrolítica y oxidación biológica por contacto en dos etapas para tratar aguas residuales farmacéuticas. La operación es estable y el efecto de eliminación de materia orgánica es notable. Las tasas de eliminación de DQO, DBO5, SS y SS fueron 90,7%, 92,4% y 87,6%, respectivamente.

Proceso de tratamiento combinado anaeróbico-aeróbico

Dado que el tratamiento aeróbico o anaeróbico por sí solo no puede satisfacer los requisitos, los procesos combinados como el tratamiento anaeróbico-aeróbico, la acidificación hidrolítica-aeróbica mejoran la biodegradabilidad, la resistencia al impacto, el costo de inversión y el efecto del tratamiento de las aguas residuales. Es ampliamente utilizado en la práctica de la ingeniería debido al rendimiento de un solo método de procesamiento. Por ejemplo, una fábrica farmacéutica utiliza un proceso anaeróbico-aeróbico para tratar aguas residuales farmacéuticas, la tasa de eliminación de DBO5 es del 98%, la tasa de eliminación de DQO es del 95% y el efecto del tratamiento es estable. El proceso de microelectrólisis-hidrólisis anaeróbica-acidificación-SBR se utiliza para tratar aguas residuales farmacéuticas químicas sintéticas. Los resultados muestran que toda la serie de procesos tiene una fuerte resistencia al impacto a los cambios en la calidad y cantidad de las aguas residuales, y la tasa de eliminación de DQO puede alcanzar el 86% al 92%, lo que es una opción de proceso ideal para el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas. – Oxidación Catalítica – Proceso de Oxidación por Contacto. Cuando la DQO del influente es de aproximadamente 12 000 mg/L, la DQO del efluente es menor a 300 mg/L; la tasa de eliminación de DQO en las aguas residuales farmacéuticas biológicamente refractarias tratadas mediante el método de biopelícula-SBR puede alcanzar entre el 87,5 % y el 98,31 %, lo que es mucho más alto que el del efecto del tratamiento de un solo uso del método de biopelícula y el método SBR.

Además, con el continuo desarrollo de la tecnología de membranas, la investigación de aplicaciones del biorreactor de membrana (MBR) en el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas se ha profundizado gradualmente. El MBR combina las características de la tecnología de separación por membranas y el tratamiento biológico, y tiene las ventajas de una carga de alto volumen, fuerte resistencia al impacto, tamaño compacto y menos lodos residuales. El proceso de biorreactor de membrana anaeróbico se utilizó para tratar las aguas residuales de cloruro de ácido intermedio farmacéutico con DQO de 25 000 mg/L. La tasa de eliminación de DQO del sistema se mantiene por encima del 90%. Por primera vez, se utilizó la capacidad de las bacterias obligadas para degradar materia orgánica específica. Los biorreactores de membrana extractivos se utilizan para tratar aguas residuales industriales que contienen 3,4-dicloroanilina. El TRH fue de 2 h, la tasa de eliminación alcanzó el 99% y se obtuvo el efecto de tratamiento ideal. A pesar del problema de ensuciamiento de la membrana, con el continuo desarrollo de la tecnología de membranas, el MBR se utilizará más ampliamente en el campo del tratamiento de aguas residuales farmacéuticas.

2. Proceso de tratamiento y selección de aguas residuales farmacéuticas

Las características de calidad del agua de las aguas residuales farmacéuticas hacen imposible que la mayoría de estas se sometan a un tratamiento bioquímico exclusivo, por lo que es necesario realizar un pretratamiento previo. Generalmente, se debe instalar un tanque regulador para ajustar la calidad del agua y el valor de pH, y se debe utilizar un método fisicoquímico o químico como pretratamiento según la situación real para reducir la SS, la salinidad y parte de la DQO en el agua, reducir las sustancias inhibidoras biológicas en las aguas residuales y mejorar su degradabilidad, facilitando así el posterior tratamiento bioquímico de las aguas residuales.

Las aguas residuales pretratadas pueden tratarse mediante procesos anaeróbicos y aeróbicos, según sus características de calidad. Si los requerimientos de efluentes son altos, el tratamiento aeróbico debe continuar después del aeróbico. La selección del proceso específico debe considerar integralmente factores como la naturaleza de las aguas residuales, el efecto del tratamiento, la inversión en infraestructura, y la operación y el mantenimiento para que la tecnología sea viable y económica. El proceso completo combina pretratamiento, anaeróbico, aeróbico y (postratamiento). El proceso combinado de hidrólisis, adsorción, oxidación por contacto y filtración se utiliza para tratar aguas residuales farmacéuticas que contienen insulina artificial.

3. Reciclaje y aprovechamiento de sustancias útiles en aguas residuales farmacéuticas

Promover la producción limpia en la industria farmacéutica, mejorar la tasa de utilización de materias primas, la tasa de recuperación integral de productos intermedios y subproductos, y reducir o eliminar la contaminación en el proceso de producción mediante la transformación tecnológica. Debido a la particularidad de algunos procesos de producción farmacéutica, las aguas residuales contienen una gran cantidad de materiales reciclables. Para el tratamiento de estas aguas residuales farmacéuticas, el primer paso es fortalecer la recuperación de materiales y el uso integral. Para las aguas residuales intermedias farmacéuticas con un contenido de sal de amonio de hasta el 5% al ​​10%, se utiliza una película limpiadora fija para la evaporación, concentración y cristalización para recuperar (NH₄)₂SO₄ y NH₄NO₃ con una fracción másica de aproximadamente el 30%. Úselo como fertilizante o reutilícelo. Los beneficios económicos son obvios; una empresa farmacéutica de alta tecnología utiliza el método de purga para tratar las aguas residuales de producción con un contenido extremadamente alto de formaldehído. Una vez recuperado el gas formaldehído, puede formularse en un reactivo de formalina o quemarse como fuente de calor de caldera. Mediante la recuperación de formaldehído, se puede lograr el uso sostenible de los recursos y la recuperación del costo de la inversión en la planta de tratamiento en un plazo de 4 a 5 años, logrando así unificar los beneficios ambientales y económicos. Sin embargo, la composición de las aguas residuales farmacéuticas generales es compleja, difícil de reciclar, el proceso de recuperación es complejo y su costo es elevado. Por lo tanto, una tecnología avanzada y eficiente de tratamiento integral de aguas residuales es clave para resolver por completo el problema de las aguas residuales.

4 Conclusión

Existen numerosos informes sobre el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas. Sin embargo, debido a la diversidad de materias primas y procesos en la industria farmacéutica, la calidad de las aguas residuales varía considerablemente. Por lo tanto, no existe un método de tratamiento consolidado y unificado para estas aguas. La elección del método de tratamiento depende de la naturaleza de las aguas residuales. Según las características de las aguas residuales, generalmente se requiere un pretratamiento para mejorar su biodegradabilidad, eliminar inicialmente los contaminantes y, posteriormente, combinarlo con un tratamiento bioquímico. Actualmente, el desarrollo de un dispositivo compuesto de tratamiento de agua económico y eficaz es un problema urgente.

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