Análisis exhaustivo de la tecnología de aguas residuales farmacéuticas

Las aguas residuales de la industria farmacéutica comprenden principalmente las procedentes de la producción de antibióticos y de fármacos sintéticos. Estas aguas residuales se clasifican en cuatro categorías principales: 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 los diversos procesos de preparación. Se caracterizan por su compleja composición, alto contenido orgánico, elevada toxicidad, color intenso, alta salinidad, propiedades bioquímicas deficientes y vertidos intermitentes. Se trata de aguas residuales industriales de difícil tratamiento. Con el desarrollo de la industria farmacéutica en nuestro 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 residual farmacéutica, es necesario emplear un tratamiento fisicoquímico como pretratamiento o postratamiento del tratamiento bioquímico. Los métodos de tratamiento físico y químico utilizados actualmente incluyen principalmente coagulación, flotación por aire, adsorción, eliminación de amoníaco, electrólisis, intercambio iónico y separación por membranas.

coagulación

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

flotación por aire

La flotación por aire comprende diversas modalidades, como la flotación por aireación, la flotación por aire disuelto, la flotación química y la flotación electrolítica. La fábrica farmacéutica Xinchang utiliza un sistema de flotación por aire de vórtice CAF para el pretratamiento de aguas residuales farmacéuticas. Con los productos químicos adecuados, la tasa de eliminación promedio de DQO es de aproximadamente el 25 %.

método de adsorción

Entre los adsorbentes más comunes se encuentran el carbón activado, el carbón vegetal activado, el ácido húmico y las resinas de adsorción. La fábrica farmacéutica Wuhan Jianmin utiliza un proceso de adsorción con cenizas de carbón seguido de un tratamiento biológico aeróbico secundario para el tratamiento de aguas residuales. Los resultados mostraron una tasa de eliminación de DQO del 41,1 % en el pretratamiento por adsorción, con una mejora en la relación DBO₅/DQO.

separación por membrana

Las tecnologías de membrana, como la ósmosis inversa, la nanofiltración y las membranas de fibra, permiten recuperar materiales útiles y reducir las emisiones orgánicas totales. Sus principales características son la simplicidad del equipo, la facilidad de operación, 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, así como la recuperación de la cinamicina.

electrólisis

Este método presenta ventajas como alta eficiencia y simplicidad operativa, además de un buen efecto de decoloración electrolítica. Li Ying [8] realizó un pretratamiento electrolítico del sobrenadante de riboflavina, obteniendo tasas de eliminación de DQO, SS y color del 71 %, 83 % y 67 %, respectivamente.

tratamiento químico

Cuando se emplean métodos químicos, el uso excesivo de ciertos reactivos puede provocar contaminación secundaria de los cuerpos de agua. Por lo tanto, es necesario realizar estudios experimentales previos al diseño. Entre los métodos químicos se incluyen el método hierro-carbono, el método redox químico (reactivo de Fenton, H₂O₂, O₃), la tecnología de oxidación profunda, etc.

método del carbón de hierro

La operación industrial demuestra que el uso de Fe-C como etapa de pretratamiento para aguas residuales farmacéuticas mejora significativamente la biodegradabilidad del efluente. Lou Maoxing utiliza un tratamiento combinado de microelectrólisis de hierro, 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 %, y el efluente final cumple con la norma nacional de primera clase «Estándar Integrado de Descarga de Aguas Residuales» (GB8978-1996).

Procesamiento del reactivo de Fenton

La combinación de sal ferrosa y H₂O₂ se denomina reactivo de Fenton, el cual elimina eficazmente la materia orgánica refractaria que no se puede eliminar con las tecnologías tradicionales de tratamiento de aguas residuales. Con el avance de la investigación, se introdujeron luz ultravioleta (UV), oxalato (C₂O₄²⁻), entre otros, en el reactivo de Fenton, lo que mejoró considerablemente su capacidad de oxidación. Al tratar aguas residuales farmacéuticas con el reactivo de Fenton, utilizando TiO₂ como catalizador y una lámpara de mercurio de baja presión de 9 W como fuente de luz, se logró una decoloración del 100 %, una eliminación de la DQO del 92,3 % y una disminución del nitrobenceno de 8,05 mg/L a 0,41 mg/L.

Oxidación

Este método mejora la biodegradabilidad de las aguas residuales y aumenta la tasa de eliminación de la DQO. Por ejemplo, se trataron aguas residuales de tres plantas de tratamiento con antibióticos, como la de Balcioglu, mediante oxidación con ozono. Los resultados mostraron que la ozonización no solo incrementó la relación DBO₅/DQO, sino que también el porcentaje de eliminación de DQO superó el 75 %.

Tecnología de oxidación

También conocida como tecnología de oxidación avanzada, esta tecnología integra los últimos avances en investigación sobre luz, electricidad, sonido, magnetismo, materiales y otras disciplinas afines, incluyendo la oxidación electroquímica, la oxidación húmeda, la oxidación con agua supercrítica, la oxidación fotocatalítica y la degradación ultrasónica. Entre ellas, la oxidación fotocatalítica ultravioleta destaca por su novedad, alta eficiencia y no selectividad hacia las aguas residuales, siendo especialmente adecuada para la degradación de hidrocarburos insaturados. En comparación con métodos de tratamiento como la radiación ultravioleta, el calentamiento y la presión, el tratamiento ultrasónico de la materia orgánica es más directo y requiere menos equipamiento. Como método de tratamiento novedoso, ha despertado un interés creciente. Xiao Guangquan et al. [13] emplearon el método de contacto biológico aeróbico ultrasónico para el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas. El tratamiento ultrasónico se llevó a cabo durante 60 s a una potencia de 200 W, logrando una tasa de eliminación de la DQO total del 96%.

tratamiento bioquímico

La tecnología de tratamiento bioquímico es una tecnología ampliamente utilizada para el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas, 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 presentan una alta concentración de materia orgánica, generalmente es necesario diluir la solución madre durante el tratamiento biológico aeróbico. Por consiguiente, el consumo energético es elevado. Si bien las aguas residuales pueden someterse a tratamiento bioquímico, resulta difícil verterlas directamente cumpliendo la normativa tras dicho tratamiento. Por ello, se suele optar por el tratamiento aeróbico exclusivamente. Existen pocos tratamientos disponibles y se requiere un pretratamiento general. Entre los métodos de tratamiento biológico aeróbico más comunes se incluyen el método de lodos activados, el método de aireación en pozos profundos, el método de biodegradación por adsorción (método AB), el método de oxidación por contacto, el método de lodos activados secuenciales por lotes (método SBR) y el método de lodos activados circulantes (método CASS), entre otros.

Método de aireación de pozos profundos

La aireación en pozo profundo es un sistema de lodos activados de alta velocidad. Este método se caracteriza por una alta tasa de utilización de oxígeno, un espacio reducido, una buena eficacia de tratamiento, una baja inversión, bajos costos operativos, ausencia de abultamiento de lodos y una menor producción de los mismos. Además, su aislamiento térmico es óptimo y el tratamiento no se ve afectado por las condiciones climáticas, lo que garantiza la eficacia del tratamiento de aguas residuales durante el invierno en regiones del norte. Tras el tratamiento bioquímico de las aguas residuales orgánicas de alta concentración procedentes de la Fábrica Farmacéutica del Noreste mediante el tanque de aireación en pozo profundo, la tasa de eliminación de DQO alcanzó el 92,7%. Se observa una eficiencia de procesamiento muy elevada, lo cual resulta sumamente beneficioso para el procesamiento posterior.

Método AB

El método AB es un método de lodos activados de ultra alta carga. La tasa de eliminación de DBO5, DQO, SS, fósforo y nitrógeno amoniacal mediante el proceso AB es generalmente superior a la del proceso de lodos activados convencional. Sus ventajas más destacadas son la alta carga de la sección A, su gran capacidad de resistencia a cargas inestables y su importante efecto amortiguador sobre el pH y las sustancias tóxicas. Es especialmente adecuado para el tratamiento de aguas residuales con alta concentración y grandes variaciones en su calidad y cantidad. El método de Yang Junshi et al. utiliza el método biológico de hidrólisis-acidificación-AB para el tratamiento de aguas residuales con antibióticos, lo que se traduce en un proceso más corto, ahorro de energía y un menor coste de tratamiento que el método de floculación química-tratamiento biológico para aguas residuales similares.

oxidación biológica por contacto

Esta tecnología combina las ventajas del método de lodos activados y el método de biopelícula, y ofrece ventajas como una alta capacidad de carga, baja producción de lodos, gran resistencia a impactos, operación estable y gestión sencilla. Muchos proyectos adoptan un método de dos etapas, con el objetivo de domesticar cepas dominantes en diferentes fases, potenciar el efecto sinérgico entre las distintas poblaciones microbianas y mejorar los efectos bioquímicos y la resistencia a choques. En ingeniería, la digestión anaeróbica y la acidificación se utilizan frecuentemente como etapa de pretratamiento, y la oxidación por contacto se emplea para el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas. La Fábrica Farmacéutica del Norte de Harbin utiliza un proceso de hidrólisis-acidificación-oxidación biológica por contacto en dos etapas para el tratamiento de sus aguas residuales farmacéuticas. Los resultados operativos demuestran la estabilidad del tratamiento y la idoneidad de la combinación de procesos. Con la progresiva maduración de la tecnología, sus campos de aplicación se amplían considerablemente.

Método SBR

El método SBR presenta ventajas como una alta resistencia a cargas de choque, elevada actividad de lodos, estructura simple, ausencia de reflujo, operación flexible, tamaño reducido, baja inversión, funcionamiento estable, alta tasa de remoción de sustrato y buena desnitrificación y eliminación de fósforo. Los experimentos sobre el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas mediante el proceso SBR demuestran que el tiempo de aireación influye considerablemente en la eficacia del tratamiento; la configuración de secciones anóxicas, especialmente el diseño combinado anaeróbico-aeróbico, mejora significativamente dicha eficacia; y el tratamiento mejorado con SBR de PAC mejora notablemente la eliminación de contaminantes en polvo. En los últimos años, este proceso se ha perfeccionado 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 sigue siendo relativamente alta tras el tratamiento con métodos anaeróbicos separados, por lo que generalmente se requiere un postratamiento (como el tratamiento biológico aeróbico). Por lo tanto, es necesario seguir impulsando el desarrollo y el diseño de reactores anaeróbicos de alta eficiencia, así como profundizar en la investigación de sus condiciones de operación. Las aplicaciones más exitosas en el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas incluyen el reactor UASB (lecho anaeróbico de lodos de flujo ascendente), el reactor UBF (lecho compuesto anaeróbico), el reactor ABR (reactor anaeróbico de flujo descendente) y la hidrólisis, entre otros.

Ley UASB

El reactor UASB presenta ventajas como una alta eficiencia de digestión anaeróbica, una estructura simple, un tiempo de retención hidráulica corto y la no necesidad de un dispositivo de retorno de lodos independiente. Cuando se utiliza el UASB para el tratamiento de aguas residuales de la producción de kanamicina, clorina, vitamina C, sulfadiazina de plata, glucosa y otros productos farmacéuticos, el contenido de sólidos en suspensión generalmente no es demasiado alto para garantizar una tasa de eliminación de DQO superior al 85-90 %. La tasa de eliminación de DQO del reactor UASB de dos etapas puede superar el 90 %.

Método UBF

Según Wenning et al., se realizó una prueba comparativa entre UASB y UBF. Los resultados muestran que el UBF presenta buenas características de transferencia de masa y separación, es apto para diversas especies biológicas y biomasa, posee alta eficiencia de procesamiento y gran estabilidad operativa. Biorreactor de oxígeno.

Hidrólisis y acidificación

El tanque de hidrólisis, denominado Lecho de Lodos Hidrolizado de Flujo Ascendente (HUSB), es una modificación del reactor UASB. 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; degrada 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 reducido, la inversión inicial en su construcción es baja y el volumen de lodos disminuye. En los últimos años, el proceso de hidrólisis-aeróbica se ha utilizado ampliamente en el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas. Por ejemplo, una planta biofarmacéutica emplea un proceso de acidificación hidrolítica y oxidación biológica por contacto en dos etapas para tratar sus aguas residuales. El funcionamiento es estable y la eliminación de materia orgánica es notable. Los porcentajes de eliminación de DQO, DBO5 SS y SS fueron del 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 satisface los requisitos, los procesos combinados, como el tratamiento anaeróbico-aeróbico y el de acidificación hidrolítica-aeróbica, mejoran la biodegradabilidad, la resistencia al impacto, el costo de inversión y la eficacia del tratamiento de las aguas residuales. Su uso está muy extendido en la práctica de la ingeniería debido al buen desempeño de cada método individual. Por ejemplo, una fábrica farmacéutica utiliza el proceso anaeróbico-aeróbico para tratar aguas residuales farmacéuticas, con una tasa de eliminación de DBO5 del 98 % y de DQO del 95 %, manteniendo la estabilidad del tratamiento. El proceso de microelectrólisis-hidrólisis anaeróbica-acidificación-SBR se emplea para tratar aguas residuales farmacéuticas de síntesis química. Los resultados demuestran que la serie completa de procesos presenta una alta resistencia al impacto de las variaciones en la calidad y cantidad de las aguas residuales, alcanzando una tasa de eliminación de DQO del 86 % al 92 %, lo que la convierte en una opción ideal para el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas. – Oxidación catalítica – Oxidación por contacto. Cuando la DQO del agua de entrada es de aproximadamente 12 000 mg/L, la DQO del agua de salida es inferior a 300 mg/L; la tasa de eliminación de DQO en las aguas residuales farmacéuticas biológicamente refractarias tratadas mediante el método biofilm-SBR puede alcanzar el 87,5%~98,31%, lo que es mucho mayor que el efecto de tratamiento de uso individual del método biofilm y el método SBR.

Además, con el continuo desarrollo de la tecnología de membranas, la investigación aplicada 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 presenta ventajas como una alta capacidad de carga, gran resistencia a impactos, tamaño reducido y menor generación de lodos residuales. El proceso de biorreactor de membrana anaeróbico se utilizó para tratar aguas residuales de cloruro ácido de productos intermedios farmacéuticos con una DQO de 25 000 mg/L. La tasa de eliminación de DQO del sistema se mantuvo por encima del 90 %. Por primera vez, se aprovechó la capacidad de las bacterias obligadas para degradar materia orgánica específica. Se utilizaron biorreactores de membrana extractivos para tratar aguas residuales industriales que contenían 3,4-dicloroanilina. El TRH fue de 2 h, la tasa de eliminación alcanzó el 99 % y se obtuvo un efecto de tratamiento óptimo. A pesar del problema de la obstrucción de la membrana, con el continuo desarrollo de la tecnología de membranas, el MBR se utilizará cada vez más 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 únicamente a tratamiento bioquímico; por lo tanto, es necesario realizar un pretratamiento previo. Generalmente, se debe instalar un tanque de regulación para ajustar la calidad del agua y el pH, y se debe utilizar un método fisicoquímico o químico como proceso de pretratamiento, según las circunstancias, para reducir los sólidos en suspensión, la salinidad y parte de la demanda química de oxígeno (DQO), disminuir las sustancias inhibidoras biológicas y mejorar la degradabilidad de las aguas residuales, facilitando así el posterior tratamiento bioquímico.

Las aguas residuales pretratadas pueden someterse a procesos anaeróbicos y aeróbicos según sus características de calidad. Si los requisitos de efluentes son elevados, se recomienda continuar con el tratamiento aeróbico. La selección del proceso específico debe considerar integralmente factores como la naturaleza de las aguas residuales, la eficacia del tratamiento, la inversión en infraestructura y los costos de operación y mantenimiento, para que la tecnología sea viable y económica. El proceso completo consiste en una combinación de pretratamiento, tratamiento anaeróbico, tratamiento aeróbico y postratamiento. El proceso combinado de hidrólisis-adsorción-oxidación por contacto-filtración se utiliza para tratar aguas residuales farmacéuticas que contienen insulina sintética.

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

Promover la producción limpia en la industria farmacéutica, mejorar la utilización de materias primas, la recuperación integral de productos intermedios y subproductos, y reducir o eliminar la contaminación en el proceso productivo mediante la transformación tecnológica. Debido a las particularidades de algunos procesos de producción farmacéutica, las aguas residuales contienen una gran cantidad de materiales reciclables. Para el tratamiento de estas aguas residuales, el primer paso es fortalecer la recuperación y el aprovechamiento integral de los materiales. Para las aguas residuales de productos intermedios farmacéuticos con un contenido de sales de amonio de entre el 5 % y el 10 %, se utiliza una película absorbente fija para la evaporación, concentración y cristalización, con el fin de recuperar (NH₄)₂SO₄ y NH₄NO₃ con una fracción de masa de aproximadamente el 30 %. Estos compuestos se utilizan como fertilizante o se reutilizan. Los beneficios económicos son evidentes; 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. Tras la recuperación del formaldehído gaseoso, este puede formularse como reactivo de formalina o quemarse como fuente de calor en calderas. Mediante la recuperación de formaldehído, se puede lograr el aprovechamiento sostenible de los recursos y recuperar la inversión en la planta de tratamiento en un plazo de 4 a 5 años, consiguiendo así la integración de beneficios ambientales y económicos. Sin embargo, la composición de las aguas residuales farmacéuticas comunes es compleja, lo que dificulta su reciclaje, complica el proceso de recuperación y eleva los costos. Por lo tanto, una tecnología de tratamiento de aguas residuales integral, avanzada y eficiente es fundamental para resolver por completo el problema de las aguas residuales.

4. Conclusión

Se han publicado 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 las aguas residuales farmacéuticas. La elección del proceso depende de la naturaleza de las aguas residuales. Según sus características, generalmente se requiere un pretratamiento para mejorar su biodegradabilidad, eliminar inicialmente los contaminantes y, posteriormente, combinarlo con un tratamiento bioquímico. En la actualidad, el desarrollo de un sistema de tratamiento de aguas compuesto, económico y eficaz, constituye un problema urgente que debe resolverse.

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