绿色制药发展动态(2020)

2020-09-30 14:39:24 caoyu 29

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绿色制药发展动态(2020)


第一章 2020年中国医药产业发展走势

2020年,带量采购政策全面落地,省级重点监控制度全部出台,疾病诊断相关分组(DRG)在30个城市的试点全面开启,中国医药产业格局将被颠覆和重构,大量的非治疗理性药品将被淘汰出局,合理用药将进一步加强,限抗继续,过了专利期的原研药将被加速替代,整体药价将降低,基本药物价格有所提高,带量采购常态化、国家医保谈判和基本药物目录也将扩容,疗效确切的、能满足未被满足的临床需求的新药使用量提升,中国医药产业的增长模式将由公关、销售驱动型变为成本、技术驱动型,由中国制造走向中国创造,“小散乱”将被淘汰,以大型骨干企业为主体、中小型企业为补充的药品生产、流通格局即将建立,中国医药企业的国际竞争能力大幅提高。

一、颠覆

(一)“4+7”

2019年11月29日,国务院深化医改领导小组印发的《关于以药品集中采购和使用为突破口进一步深化医药卫生体制改革若干政策措施的通知》要求,以药品集采为突破口,促进“三医联动”改革。

2019年12月29日,国家集采联采办发布的《全国药品集中采购文件》(GY-YD2019-2),标志着国家带量采购的“4+7”试点经验正式向全国推广。

先期试行的“4+7”和“4+7”扩围分别将药价平均降低了52%和25%,最小规格的最低价也由以“角”为单位下降到以“分”为单位,由“4+7”时的0.149元(京新的苯磺酸氨氯地平片5mg)下降到“4+7”扩围的0.049元(齐鲁的利培酮片1mg),再降到河北集采通过一致性评价的0.022元(石药集团卡托普利片25mg)和尚未通过一致性评价的0.012元(山东鲁西药业硝苯地平片10mg),第二批国家带量采购还没开始,仅其规定的最高有效报价的最低价就已低至0.100元(对乙酰氨基酚0.5g和甲硝唑0.2g)(见图1.1)。

2019年11月20日,国务院常务会议提出“以带量采购促进药价实质性降低”,可见,降价已成为这轮改革的主旋律,但即使愿意承受降价,也必将有相当一部分过评企业无缘中选,因尽管第二批带量采购已放宽到最多可6家同时中标,但如阿莫西林等的过评企业数已远超6家。

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图1.1 历次带量采购招标最低价比较

此外,作为参与带量采购的前提,必须先做一致性评价,而做一致性评价要付出巨额费用。

据医药魔方统计,自2018年1月2日至2019年10月23日,共披露了65个品种(不含视同通过)一致性评价的费用支出情况,最低的154万元,最高的达2011万元,其中,154万~500万元的有18家,占28%,超过1500万元的有2家,占3%,而500万元以下的多是中外共线生产的国际化企业回归后申报而享有绿色通道过评的,如华海就有7个产品的费用在159万~302万元,所以,此非一般企业可以享有,更多的企业将要付出至少中位数678万元(见图1.2)。

我国有76%的制药企业的年营收还不足2000万元,尽管很多地方也出台了补助政策,但也多是锦上添花而已,所以至少这76%的企业凭自身是没有能力负担一致性评价费用的。

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图1.2 部分品种的一致性评价品种费用支出

鉴于做一致性评价要付出巨额费用,过评后还要再经“4+7”杀价,且还不能确保中选,所以,一致性评价申请数量由“4+7”开标之前的2019年1月高峰时的207个骤降到2月的73个,而现在已由为获利转为兼顾获利和生存的双重考量,2019年12月申报数为110个。

(二)重点监控

2019年11月15日《国务院深化医药卫生体制改革领导小组关于进一步推广福建省和三明市深化医药卫生体制改革经验的通知》指出,“2019年12月底前,各省份要制定出台省级重点监控合理用药药品目录(化药及生物制品)并公布,2020年12月底前全面建立重点药品监控机制”。

据医药云端工作室统计,截至2019年12月29日,已有22个省区市16个市11家医院公开了重点监控药品目录,涉及203个品种,其中内蒙古等14个省区市与国家版一致,江西等9个省区市在国家版基础上都做了数量上的增加,有些地方版增加数量较多,并多有中药,且大部分是中药注射剂,如山东威海增加了98种,其中有44个中药,且绝大部分是中药注射剂。

“4+7”影响的是化药制剂,重点监控冲击的多是不做一致性评价也不参与“4+7”的中药和生化药,对本土药企将是双重打击,因外企没有中药和生化药。在国家重点监控目录出台之前,这20个重点监控品种的销量已大幅下降了(见图1.3),重点监控目录出台后降幅还将加大。

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图1.3 2012~2018年20个重点监控品种销售额下降趋势

(三)DRG

2019年10月16日,国家医疗保障局发布的《关于印发疾病诊断相关分组(DRG)付费国家试点技术规范和分组方案的通知》为我国DRG发展扫清了障碍。

尽管DRG不是专门针对药品的,但在“全面取消以药养医”和以降药价为突破口的新医改背景下,作为占用医保资金较大份额的药品销售将难以规避,在DRG预付费的前提下,医院和医生出于不要透支的底线,大处方、不必要的检查和性价比不高的药品将被限制,合理用药水平将大幅提升,DRG可谓扩展版的重点监控。

据IQVIA统计(≥100张病床的医院),在能口服就不注射、地方版辅助用药目录和限抗的大背景下,自2015年至2019年连续5年的第二季度比较,中药(主要是中药注射剂)、大输液、辅助用药和抗生素销售额占比分别下降了3.9个百分点、1.3个百分点、4.9个百分点、1.1个百分点,而治疗性用药却上升了11.1个百分点(见图1.4),腾笼换鸟效果明显。

而就上述非治疗性用药(暂以此代称)而言,本土药企销量分别占了99.7%、85.4%、88%和77.6%(2017年),实施DRG后,上述变化将更大,可见,DRG对药品销售还将是有较大影响的,对本土药企影响尤甚。

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图1.4 2015~2019年各类药品销售额占比变化趋势

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图1.5 中外商仿制药企业利率对比

在“4+7”、重点监控和DRG等政策的叠加影响以及印度药企的虎视眈眈下,中国医药产业以公关、销售为主的盈利模式将渐被终结,仿制药企业的高利润率时代也将成为历史,而进入与国际接轨,靠规模、成本制胜的低利润率时代(见图1.5)。

二、重构

(一)以大型企业为主体

2019年11月6日,国家发改委发布的《中华人民共和国国家发展和改革委员会令》(第92号),《产业结构调整指导目录(2019年本)》明确限制6项、淘汰13项医药类项目。

2019年11月29日,国务院深化医药卫生体制改革领导小组发布的《关于以药品集中采购和使用为突破口进一步深化医药卫生体制改革的若干政策措施》要求,推动药品生产与流通企业跨地区、跨所有制兼并重组,培育一批具有国际竞争力的大型企业集团,加快形成以大型骨干企业为主体、中小型企业为补充的药品生产、流通格局。

日本的药品批文和制药企业数量分别由一致性评价之前的大于10万个、1359家下降到一致性评价之后的大于1.9万个、300家(见图1.6),而这300家中生产仿制药的仅20家。

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图1.6 日本3次药品再评价后制药工业集中度变迁

美国医药市场规模约是我国的4倍,但其实际有产品销售的药厂也就800多家,而我国现有制剂药厂3262家(中国医药企业管理协会数据),百强占比也仅47.8%(2017年)。此前,试图以GMP等多项政策治理“小散乱”,但收效并不显著。本次不是针对GMP证书而是釜底抽薪,针对批文下手,没有通过一致性评价的企业自然也就不能算是药厂了,而面对一致性评价的巨额支出、“4+7”降价环境,相对于十多万个化药批文而言,能过评的将是少数。

所以这次“小散乱”将得以治理,相应的集中度也将大幅提高,从而实现官方“加快形成以大型骨干企业为主体、中小型企业为补充的药品生产、流通格局”的目标。

(二)专业分工

新版《药品管理法》引入药品上市持有人制度(MAH),实现了药品所有权与生产权的分离,为医药产业的专业分工提供了法律保障,也避免了不必要的重复产能的建设。

拥有研、产、销全部功能的全能药厂只能是少数大型企业集团,而中小企业只有聚焦细分领域做精做强才有出路,药品研发、生产、营销各环节也将分别以CRO、C(D)MO、CSO的专业分工形式出现。

由于成本较低、高校生源丰富、资本市场日臻完善,尤其近几年药品审评审批制度改革和大量海归科学家的加入,我国的CRO和C(D)MO始终以10%以上的速度增长,CRO和C(D)MO在全球的占比将由2013年的11.6%、6.9%上升到2021年的26.8%和10.0%(见图1.7)。

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图1.7 2013~2021年中国CRO和C(D)MO增速及全球占比

(三)优化产品结构

1.创新

自从2015年国务院发布44号文以来,我国开启了医药创新向世界接轨的大幕,尤其是加入ICH、新的《药品管理法》颁布、2019版医保目录的调整和科创板的设立,都为我国的医药创新创造了前所未有的大好环境。

同时,中国的医药创新也确实取得了可喜的成果,据权威的GEN网站统计,以2019年10月30日收市市值计,全球生物技术市值TOP25企业中国就占了5席,以研发见长的恒瑞、药明康德和翰森分别名列第7(3988亿元)、14位(1355亿元)和第16位(1395亿港元)(见图1.8)。

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图1.8 全球生物技术公司市值TOP25

2.仿制

以“4+7”为试点的国家带量采购旨在加速仿制药替代,大幅降低患者负担,2018年12月29日,国家卫健委等十二部门联合发布的《关于印发加快落实仿制药供应保障及使用政策工作方案的通知》要求,自2020年起,每年底前发布鼓励仿制的药品目录,《第一批鼓励仿制药品目录》33种已由国家卫健委于2019年10月9日发布。

作为仿制药大国,我国的仿制药一直未能行使替代原研药的天职,“4+7”宣告了这一历史的结束。

随着创新环境的不断完善和带量采购的全面推广,创新药和仿制药的占比将分别由2010年的5%和0%上升到2030年的45%和25%,而其他非治疗性药品的占比将大幅下降,我国的用药结构将大幅优化(见图1.9)。

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图1.9 2010~2030年国内药品市场格局变化趋势

而原料制剂一体化的企业更具竞争优势,如以原料国际化为代表的浙江华海药业,在“4+7”和“4+7”扩围时分别以6个和7个中选而连续位居第一,且在“4+7”低于1元的12个最低价中占有3个。

三、展望

“4+7”涉及的品种数量还不多,一致性评价还有个过程(美日都经历了20多年),DRG尚在试点,要在全国推广还是几年之后的事,所以,目前的不利影响心理大于实际,但产品立项选择、企业战略调整等重构也需要相应资源配置和一定的时间,因此,企业应未雨绸缪,尽早付诸行动。

自2013年开始,中国医药市场规模已连续6年跻身全球第二位,已由2004年的3300亿元猛增到2017年的29826亿元(见图1.10),且随着老龄化的加剧和人民健康意识的提高,规模还在继续扩大。

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图1.10 2004~2019年中国医药工业与GDP增速对比

尽管近10年来,中国医药市场也进入低速增长的新常态,但增速仍远高于GDP增速,2019年1~10月,中国医药工业营收增速达9.2%,仍比GDP增速6.1%高出50%还多,中国的医药市场规模已令众多跨国药企垂涎并战略加持了对中国的重视,作为近水楼台的中国本土药企,经过结构优化、转型升级之后将赢得更多发展先机。

可以预见,我国以全球创新药和能替代原研药的仿制药为主的用药结构,以大型骨干企业为主体的中国药品生产、流通格局将被重构,因而,我国要大幅提高药物可及性,为决胜全面建成小康社会做出特殊贡献。


第二章 制药工业废水处理技术与实践


一、引言

随着《中华人民共和国水污染防治法》(2018年1月1日施行)和《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》颁布实施(2018年6月16日),以及国务院提出的“碧水保卫战”三年攻坚计划的逐步推进,国家以最严格的制度和最严密的法治为生态文明建设提供可靠保障。

制药行业是我国国民经济的重要组成部分,但制药生产属于重污染行业,对水环境造成的严重影响已经成为全球关注的热门问题。制药行业被列为“水十条”(国发〔2015〕17号)专项整治十大重点行业之一。

制药工业废水属于难处理的工业废水之一,其因药物种类不同、生产工艺不同,具有成分差异大、组分复杂、污染物量多、COD高、难降解物质多、毒性强等特点。2008年6月25日,生态环境部和国家质量监督检验检疫总局发布了制药工业水污染物排放标准,将制药工业废水分为发酵类(GB 21903-2008)、化学合成类(GB 21904-2008)、提取类(GB 21905-2008)、中药类(GB 21906-2008)、生物工程类(GB 21907-2008)和混装制剂类(GB 21908-2008)。2014年10月24日,生态环境部又发布了发酵类工业废水治理工程技术规范(HJ 2044-2014),对发酵类工业废水治理工程设计、施工、验收和运行管理提出了技术要求。然而,迄今为止,尚无其他类制药工业废水治理工程技术规范的颁布和实施。

笔者在负责制定化学合成类制药废水排放标准(GB 21904-2008)及编制说明过程中,与其他类制药工业编制组进行了广泛的交流与沟通,并结合笔者课题组多年的研究成果与实际工程经验,现对制药工业处理技术及实践进行总结分析,期望为制药工业企业废水达标排放(或回用)、节能降耗提供有益的参考。

二、 制药工业生产工艺、排污节点及废水特征

(一)发酵类

发酵类制药指通过发酵的方法产生抗生素或其他成分,然后经过分离、纯化、精制等工序生产出药物的过程,按照产品种类分为抗生素类、维生素类、氨基酸类和其他类。发酵类制药典型生产工艺及废水主要产生环节如图2.1所示。

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图2.1 发酵类制药典型生产工艺与废水产生环节

如图1所示,发酵类制药工艺废水主要为发酵和过滤工段冲洗水、提取或精制工段的废母液、树脂再生废水等。发酵类制药工艺废水不包括溶剂回收产生的高浓度釜残液、废溶剂、废菌丝菌渣、基因工程药物过程中的母液等。

(二)提取类

提取类药物包括生化药物、以植物提取为主的天然药物和海洋提取药物等。提取类药物包括氨基酸类药物、多肽及蛋白质类药物、酶类药物、核酸类药物、糖类药物、脂类药物以及其他类药物。提取类制药主要生产工艺及污染物排放节点如图2.2所示。

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图2.2 提取类制药排污节点

提取类制药工业各车间含有盐析废水、酒精废水、含油废水、高浓度有机废水、难降解有机废水、高浓度氨基酸废水和高浓度含磷废水等。

(三)中药类

中药分为中药材、中药饮片和中成药。生产中药饮片一般工艺流程为:原料(药材)→除杂→挑选→制片→包装。中成药是中药材进行炮制(前处理)后,经浓缩、提取、精制、成品等流程而形成的。中药废水主要来源于提取、分离、浓缩和精制等工序。图2.3分别为水提和醇提工艺流程及排污节点。

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图2.3 中药类制药排污节点

中药废水水质成分复杂,废水中动植物的碎片、溶解性物质、胶体和固体物质的浓度很高。废水pH值波动较大,有的废水排放温度较高,带有颜色和中药气味。

(四)生物工程类

生物工程类药物涉及基因工程、DNA重组、外源基因重组、克隆后表达的设计与构建、重组外源基因的生物细胞的大规模培养以及外源基因表达产物的分离纯化、产品质量控制等过程。生物工程类制药工业主要的废水产生点及大致的污染物浓度如表2.1所示。

表2.1 生物工程类制药工业主要的废水产生点及大致的污染物浓度

排放源

废水名称

排放量*(m3/d)

排放浓度

COD

BOD5

NH3-N

SS

pH

生产车间

生产废水

生产过程排放废水(高浓度废水)

0.82

几千到15000

7000

~10

200

6~9

设备洗涤水







设备地面冲洗水

26.67

150

50

100

6~9

洗瓶水

35

<100

<50

<70

6~9

水处理排污水

5.5

<100

<70

6~9

生活污水

15.8

300

150

25

250

6~9

综合楼

质检、实验

7

~1000

~200

100

6~9

生活污水

11

300

150

25

250

6~9

未预见排污水

12

~150

~50

100

6~9

合计

113.8

~276

~123

~6

~125

6~9

注:*该排放量为某重组尿激酶企业的数据。

生物工程类制药的高浓度废水出现在发酵环节,但相比传统抗生素发酵来看,生物工程类制药的发酵规模比较小,废水产生量小得多,根据企业调研,该部分废水通常作为废液委托有资质单位处置,一般不在厂内处理。在基因工程制药中,由于盐析、沉淀、酸化等是通常必需的步骤,所以酸洗废水是其一股重要的废水。除此之外,生产工艺的设备洗涤水、反应过程的产生水、冻干粉针剂生产中的水蒸气冻冰后通常溶解后作为废水排放。

(五)混装制剂类

混装制剂类药物是指通过混合、加工和配制等操作方式、工艺用各种原料药制成的药物成品。混装制剂类药物包括片剂、胶囊剂、颗粒剂、注射液(水针)、输液、粉针剂、冻干粉针剂、缓释/控释片等。现以注射剂类(输液)为例,进行混装制剂类制药工业生产工艺及排污节点分析(见图2.4)。

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图2.4 注射剂类(输液)(玻璃瓶)生产工艺流程

生产过程包括原辅料的称量、浓配、稀配、瓶外洗、粗洗、精洗、灌封等。输液容器一般有直接水洗、酸洗、碱洗,最后用注射用水洗净。天然胶塞经酸和碱处理后,用饮用水洗至洗液呈中性,在纯化水中煮沸,再用流动注射用水清洗。隔离膜先用药用乙醇浸泡或放入蒸馏水中煮沸,再用注射用水动态漂洗。

生产过程中主要污染源是纯化水和注射用水制备过程产生的酸碱废水,以及输液瓶、胶塞、隔离膜等清洗过程中产生的清洗废水。

(六)化学合成类

化学合成类药物是指采用生物的、化学的方法制造的具有预防、治疗和调节机体功能及诊断作用的化学物质。在药物合成中有80%~95%的化学反应需要加催化剂,如加氢、脱氢、氧化、还原、脱水、脱卤、缩合、环合等几乎都要用催化剂,其中钯、铂、镍、汞、镉、铅、铬、铜、锌是常用的催化剂。醇、乙酸、乙醚、氯甲烷、四氢呋喃、丙酮、硝基苯、喹啉、甲苯、苯、二氯甲烷、氯仿、乙腈等是常用的溶剂。因此,化学合成类制药废水水质复杂。

现以氢化可的松为例说明化学合成类制药废水生产工艺及排污节点(见图2.5)。从图5中可以看出,生产废水主要污染物为氢化可的松等半合成抗生素及降解产物、洗涤残液、废母液和废溶剂等。

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图2.5 氢化可的松生产工艺流程

三 制药工业废水通用的治理技术路线

笔者根据各类制药工业废水水质特性,提出了制药工业废水处理通用的工艺流程,如图2.6所示。

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图2.6 制药工业废水处理通用的工艺流程

笔者也建立了制药废水通用的数学模式:P通用=ΣXi+Yaj+Z。

其中,P通用为制药工业废水处理通用的工艺流程。X为车间预处理工艺;i为特殊废水,包括高浓度废水和低浓度废水,i=1,2,…,n。Xi表示第i种废水的车间预处理工艺i(具体工艺见表2);ΣXi表示各种特殊废水车间预处理工艺之和。Y为生化处理工艺。a为生化工艺进水种类,a=1,2,3;a=1时为高含盐难降解废水(对应于Y1,见图7);a=2时为高氨氮难降解废水(对应于Y2,见图8);a=3时为难降解废水或其他废水(对应于Y3,见图7或图8)。j为预处理后废水COD浓度,j=1,2;j=1表示预处理后废水COD浓度小于3000mg/L时,采用水解酸化工艺;j=2表示预处理后废水COD浓度大于3000mg/L时,采用厌氧工艺。Z为深度处理工艺,可根据具体实际情况采用混凝沉淀(HJ 2006-2010)、气浮(HJ 20072010)、过滤(HJ 2008-2010)、膜分离(HJ 579-2010)、生物滤池(HJ2014-2012)等一种或几种工艺的组合。Z也可采用吸附或化学氧化等技术(其设计和运行参数需通过实验来确定)。

本数学模式的其他说明:图7和图8中厌氧工艺可采用UASB(HJ2013-2012)、EGSB(HJ2023-2012)或完全混合式厌氧反应器(HJ2013-2012),好氧工艺可采用传统活性污泥法(HJ 576-2010)、SBR(HJ577-2010)、生物接触氧化法(HJ2009-2011)、氧化沟(HJ578-2010)、MBR(HJ2010-2011)、内循环好氧生物流化床(HJ2021-2012)等。水解酸化反应器设计和运行参数见HJ2047-2015。

本数学模式的边界条件:进入完全混合式厌氧系统废水的硫酸盐浓度宜小于1500mg/L,进入UASB和EGSB反应器废水的硫酸盐浓度应小于1000mg/L。进入厌氧反应器废水COD浓度宜控制在10000mg/L以下,进水SS宜控制在1000mg/L以下。当进水COD和SS无法满足上述工艺条件时,可设置预酸化等处理设施。

(一)高浓度及特殊废水车间预处理技术(Xi)

制药工业高浓度及特殊废水车间预处理技术(Xi)如表2.2所示。

表2.2 制药工业高浓度及特殊废水车间预处理技术(Xi)

特殊废水种类(i)

车间预处理工艺(Xi)

发酵类

化学合成类

中药类

提取类

混装制剂类

生物工程类

高氨氮废水(氨氮浓度大于500mg/L)

汽提、蒸发、吹脱等




难降解有机物废水

化学氧化(臭氧氧化、二氧化氯氧化、Fenton氧化)、铁碳微电解、精馏等

溶剂含量高于5%或回收收益高于处理成本的高浓度有机废水

精馏、物理分层、焚烧等



高含盐废水(硫酸盐和氯离子浓度大于5000mg/L)

蒸发、盐析等


含大量悬浮物及大分子胶体有机物的废水

混凝沉淀/气浮


含重金属的酸性废水

石灰+铁盐法、硫化法+高密度泥浆法(HDS)




含硫(S2-)废水

锰盐催化氧化、化学混凝、酸化回收硫化氢工艺






含磷废水

二级中和二级絮凝沉淀工艺




含酚废水

臭氧氧化法、过氧化氢氧化法






活性氯废水

亚硫酸盐还原法






氯乙烯废水

汽提






脱脂废水

酸提取和气浮等






聚氯乙烯离心母液

脱气、沉淀、过滤、降温等






含油废水

隔油池





高浓度氨基酸废水

浓缩、结晶、过滤





表2中,高浓度釜残液、废溶剂、废菌丝菌渣、基因工程药物过程中的母液等“制药工业污染防治技术政策”和“危险废物名录”中做出单独规定的污染物不得进入废水处理系统。

含有抗生素药物活性成分、生物毒性或生态风险的特殊废水,应按照相关部门规定单独处理。

车间预处理工艺可以是一种或几种工艺的组合。

(二)生化处理工艺流程(Yaj)

高含盐难降解制药工业废水生化处理的工艺流程(Y1j,图中虚线方框内所示)如图2.7所示。

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图2.7 高含盐难降解制药工业废水生化处理工艺流程(Y1j)

高氨氮难降解制药工业废水生化处理(Y2j,图中虚线方框内所示)的工艺流程如图2.8所示。

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图2.8 高氨氮难降解制药工业废水生化处理(Y2j)的工艺流程

如果制药废水中既无高盐也无高氨氮浓度(Y3j),亦可采用图7或图8所示工艺流程,其中图8中二级缺氧池可选用。

四、制药工业废水通用的处理技术(P通用)应用案例

现总结了制药工业废水通用的处理技术(P通用)在部分企业中应用的实际工程案例(见表2.3)。

从表2.3中可以看出,各个企业在选择制药工业废水处理技术时,均符合本文提出的“制药工业废水通用的处理技术路线”(P通用)、“高浓度废水及特殊废水车间预处理技术”(Xi)以及“混合废水的生化(Yaj)及深度处理(Z)工艺流程”,即证明了本文提出的“制药工业废水通用的处理技术路线”(P通用)的合理性和有效性。但由于制药废水水质十分复杂,制药企业所选择的各个构筑物又不同,且所选择的工程设计参数又差别很大,所以导致各个企业运行效果和运行费用也大大不同。所以,制药废水工艺流程设计、操作运行参数选取、运行调控策略、自动化程度等均对制药工业废水通用的处理技术路线(P通用)有着重要的影响,是其达标排放(或中水回用)和节能降耗的关键。

表2.3 制药工业废水通用的处理技术(P通用)在部分企业中应用的实际工程案例

序号

企业名称

废水类型

产生工段

主要污染物

污染物特点

主要处理工艺

技术参数及运行效果

水运行费用(元/m3)

参考文献

中药类

1

河南郑州某中药企业

洗药、泡药废水

前处理车间

泥沙

SS高:
13850~14520mg/L

预处理(格栅+调节池)+混凝沉淀池+ABR+UBF+曝气沉淀+A/O+深度处理(二沉池+曝气生物滤池+过滤器+清水池)

设计处理规模:120m3/d;
两级混凝沉淀池:HRT=0.9h;
UBF:HRT=4.9 d;
VLR=4.75kgCOD/(m3·d);
COD去除率:99.75%;
BOD5去除率:99.84%;
SS去除率:99.76%;
NH4+-N去除率:
92.8%

25.3

[13]

煎煮废水、 部分提取液、冲洗排放废水

提取车间

含中药有效成分残留物、木质素、纤维素、半纤维素、老化的大孔树脂、有机溶剂(乙醇)、甙类、蒽醌类、生物碱及其水解产物等

pH低:1.0~2.0;
高COD:
33260~34100mg/L;
高BOD5:
9980~10230mg/L;
NH4+-N:
88~96mg/L

2

某制药企业

大颗粒悬浮药渣废水

预处理工艺

大颗粒悬浮药渣

悬浮物比重较轻,难于沉淀的有机物含量高;SS≤3000mg/L

预处理(格栅)+(隔渣池)+调节池+混凝沉淀池+ ABR(折流式厌氧反应器)+接触氧化工艺+脱色池+沉淀过滤池

处理规模:500m3/d;
综合调节池:HRT=9.5h;
ABR:HRT=25.7h;
VLR=1.85kg COD/(m3·d);接触氧化池:HRT=16.7h;VLR=1.0kgCOD/(m3·d);化学脱色池:HRT=0.95h

1.28

[14]

中药提取类废水(浆状废水)

提取车间(煎熬工艺)

果实类中药材有效成分(难生物降解的大分子有机物)

成分复杂;
pH=6~9;COD≤3000mg/L;BOD5 ≤1000mg/L;NH4+-N≤100mg/L;色度≤100;TP≤2.5mg/L

3

昆明某中药厂

原药洗涤水、原药药汁残液

前处理工艺

中药材悬浮物(中草药提取原浆)

pH=7.8;
COD≤667mg/L;
BOD5 ≤307mg/L;
NH4+-N≤110mg/L;
SS≤440mg/L;
TP≤15mg/L

格栅+预沉调节池+DAT-IAT工艺

DAT-IAT反应池:Q=7.5m3/h;
HRT=21h;
COD去除率:92%;
BOD5去除率:93%;
SS去除率:88%;
NH4+-N去除率:84%;
TP去除率:96%

0.489

[15]

过滤、蒸馏、萃取过程废水

煮提工艺

从药材中煎出的各种蛋白质、 糖类、 生物碱、 木质素、纤维素、 鞣质、 色素以及其他水解产物

设备洗涤水、地板冲洗水

成型工艺

4

浙江某制药公司

层析出流出液、层析水洗液、树脂清洗液、乙醇回收残液

提纯车间、纯化车间

高浓度废水(层析液、树脂、乙醇)

pH=7~8;
COD=20000~25000mg/L;
NH4+-N ≤ 50mg/L

混合+IC反应器+活性污泥+预沉池+MBR膜反应器+高级氧化池+二沉池

总设计水量:400m3/d(高浓度废水120m3/d,低浓度废水140m3/d);IC反应器:
QIn为16~18m3/h;
CODIn为6000~8000mg/L;
HRT=18h;
VLR=8.6 kgCOD/(m3·d);
高浓度废水调节池:
HRT=24h;
低浓度废水调节池:
HRT=24h;
MBR池:HRT=40h

4

[16]

车间设备清洗水、地面清洗水、生活用水

洗润车间

低浓度废水(植物提取、制剂残渣)

pH=7~8;
COD=1500~2000mg/L;
NH4+-N≤50mg/L

5

某中药产业园

中药材(含草药)的前处理水、驴皮清洗水

前处理车间(清洗、粉碎、烘制)

泥沙、驴皮、驴毛等杂质

SS=3000mg/L

格栅+调节池+混凝沉淀池+预酸化池+UASB+缺氧+好氧+二沉池+曝气生物滤池

设计水量1200m3/d;UASB采用脉冲布水,好氧采用可提升曝气系统);调节池:HRT=24h;UASB池:HRT=12h;
VLR=3.5kgCOD/m3·d;缺氧池:HRT=10.44h;
好氧池:HRT=37.73h;
曝气生物滤池(水力负荷):2.10m3/m2·h)
出水:COD=83mg/L;
BOD5=17mg/L;
NH4+-N=6mg/L;
SS=43mg/L;pH=7.2

1.807

[17]

提取废水(熬胶浓缩水、工艺废水)

酒精醇提 醇沉工艺

中药材

COD=300000mg/L

煮提工艺(阿胶熬制)渗滤工序

中草药、驴皮

COD,BOD5,NH4+-N的质量浓度分别为12000mg/L、4000mg/L、60mg/L

6

成都某药厂

药材清洗水、设备清洗水、浓缩冷凝液、洗罐废水 地坪冲洗水、碱水煮泡液、提取液

预处理车间(冲洗车间)

水牛角、 板蓝根、 黄芩苷、 金银花、 双黄连等

COD、BOD5、NH4+-N、SS 的质量浓度分别为7900mg/L、3300mg/L、53.0mg/L、450mg/L

格栅+集水池+絮凝沉淀+预酸化调节池+UASB+生物接触氧化+二沉池+微絮凝+曝气生物滤池

设计水量:2500m3/d;
集水调节池:HRT=20.9h;
预酸化调节池:HRT=12h;
UASB:HRT=31.3h;
VLR=3.9 kgCOD/(m3·d);
生物接触氧化池:HRT=28.8h;COD去除率:98.7%;
BOD5去除率:99.1%;
NH4+-N去除率:84.9%;
SS去除率:88.9%

-

[18]

提取车间(溶解工艺 浓缩工艺 灭菌工艺)

7

西安某中药注射制剂企业

高浓度废水

提纯工艺

食用明胶成分、中药残余有机物

QIn=10m3/d;pH=5~14;COD=180000~240000mg/L;
TN=2400mg/L;
SS=936mg/L;
NH4+-N=450mg/L;
TP=18.66mg/L

稀释+UASB+厌氧处理+Fenton氧化的组合处理工艺

处理规模:500m3/d;
生物接触氧化池:
HRT=38.5h;
曝气生物滤池:
HRT=8.1h;
MLSS=3000mg/L;
出水:
pH=7.45~8.98;
COD=30mg/L;
SS=16mg/L;NH4+-N=0.48mg/L;
TP=0.46mg/L

2

[19]

低浓度废水

冲洗车间

中药材残渣

QIn=490m3/d;
pH=5~14;
COD=2450mg/L;
TN=50mg/L;
SS=220mg/L;
NH4+-N=25mg/L;
TP=2mg/L

综合废水(处理过的高浓度废水与低浓度废水混合)多段生物接触氧化+曝气生物滤池+消毒的组合处理工艺

8

陕西某中药企业

洗药和泡药废水

预处理车间(清洗、软化、切制、泡制)

泥沙、中药材动植物或者天然矿物质(植物的根、叶、茎等和动物的皮、毛、骨等)

1.91

[20]

煎煮废水

提取车间

无机盐的细微颗粒和植物类悬浮物

COD=2500mg/L;
BOD5=1000mg/L;
SS=430mg/L;TN=150mg/L;TP=2mg/L

一级处理系统(机械格栅+集水井+提升+调节池)

设计处理规模:1500m3/d;
调节均合池:HRT=10.4h;
一级缺氧池:HRT=8.4h;一级好氧池:HRT=25.8h;二级缺氧池:HRT=2.37h;二级好氧池:HRT=7.76h;COD去除率≥95%;SS去除率≥88.4%;BOD5去除率≥95%;
TN去除率≥86.7%;
TP去除率≥80%

水提液、醇提液

人工合成的有机物和天然有机物(有机酸、糖类、纤维素、蛋白质、生物碱、醇类化合物,无毒色素)

二级处理系统(水解+两级A/O+二沉池)

工艺废水

蒸发、浓缩、制剂工艺

药渣等杂质

9

桂林某制药厂

原料洗涤水

前处理车间(清洗、蒸煮)

银杏叶

COD=1000~2860mg/L;BOD5=400~872mg/L;SS=250~770mg/L;色度≤640倍

格栅+水解酸化+SBR +漂白池+滤池

设计处理规模:200m3/d;水解酸化池:HRT=2h;SBR反应池:HRT=24h;出水:COD=16~96mg/L;BOD5=16~18mg/L;SS=8~28mg/L;色度=8倍;pH=7.73

0.76

[21]

提炼、浓缩废水

提取工艺

银杏黄酮

设备清洗水

冲洗车间

残液

10

西安碑林药业

低浓度废水

前处理车间(洗药、泡药)

动植物的碎片,微细颗粒及胶体(蝉蜕、胖大海种子、木蝴蝶、菊花、玄参等)

废水颜色深,含盐量高,温度高;
pH=7~8;
COD=4000mg/L;
NH4+-N=400~500mg/L

水解酸化法+A/O法+沉淀处理

设计处理规模:450m3/d;调节池:HRT=5h;
水解酸化系统:
pH=6~6.5;
HRT=10h;
VLR=3.4 kgCOD/(m3·d);
生物接触生化池去除率:70%~80%;
沉降池:HRT=1.5h;
出水COD≤ 270mg/L;
出水NH4+-N≤ 25mg/L

5.5

[22]

工艺废水(提取液)

生产车间(提取、分离和浓缩)

苷素、皂戟、氨基酸及有机酸

辅助工段

中药材:蝉蜕(甲壳质、蛋白质、氨基酸、有机酸);胖大海种子(西黄芪胶粘素、半乳糖和阿拉伯糖)木蝴蝶(木蝴蝶甲素、木蝴蝶乙素);菊花(黄酮类、木犀草素、挥发油、氨基酸绿原酸等);玄参(黄酮类和有机酸)

清洗废水(车间、设备及生活水)

冲洗车间

药渣残留液

11

江西省某药业有限公司

高浓度废水(药材清洗废水、减压浓缩冷凝水、精馏塔釜底残液、提取设备清洗废水)

生产车间

中药材残渣

COD=5000mg/L;
BOD5=1392mg/L;
SS=400mg/L;
NH4+-N=90mg/L;
pH=5~10

高浓度废水处理系统[格栅+调节池+预曝气池+絮凝沉淀+水解酸化+上流式厌氧污泥床反应器(UASB)]

高浓度调节池:HRT=7.5h;
低浓度调节池:HRT=7.5h;
絮凝反应池:HRT=20min;
水解酸化:HRT=8h;
UASB反应器:HRT=30h;
UASB沉淀池:HRT=3.5h;
预曝气池:HRT=3.5h;
接触氧化池:HRT=10h;
二沉池:HRT=2.6h;
COD去除率:95.72%;
BOD5去除率:95.76%;
SS去除率:86.5%;
NH4+-N去除率:80%

3.62

[23]

低浓度废水(洗瓶清洗废水、车间清洗废水、纯水设备浓水等工艺废水及职工生活废水)

清洗车间

COD=298mg/L;
BOD5=156mg/L;
SS=229mg/L;
NH4+-N=18.8mg/L;pH=6~9

混合废水处理系统(预曝气+接触氧化+二沉池)

12

成都某中药产业园

生产车间废水生活废水

前处理车间

中药材糖类、木质素、蛋白质、色素、纤维素等

COD=7900mg/L;
BOD5=3300mg/L;
SS=450mg/L;色度=220倍;动植物油=12mg/L;
NH4+-N=35mg/L;
TP=8mg/L;pH=6~11

改良式物化预处理(格栅+集水调节池+絮凝沉淀池+预酸化调节池)+生化处理(UASB+接触氧化池+二沉池)+深度处理工艺(微混凝反应池+曝气生物滤池)

设计水量:2500m3/d;集水调节池:HRT=20.8h;预酸化调节HRT=12.3h ;UASB:VLR=3.9kgCOD/(m3·d);HRT=31.3h;接触氧化池:VLR=0.64 kgCOD/(m3·d),HRT=28.8h;出水COD=65~90mg/L;BOD5=11~20mg/L;SS=30~50mg/L;色度20~35;动植物油=2~4mg/L;NH4+-N=3~6mg/L;TP=0.2~0.4mg/L;pH=7~8

3.24

[24]

水解车间

提取车间

制剂车间

注射剂车间

化学合成类

1

某氧氟沙星制药企业废水

氧氟沙星废水

酸化工序

甲苯、二甲胺、三乙胺、盐分

低COD=600~1200mg/L;高凯氏氮=200~1200mg/L;盐分

混凝沉淀池+调节池+EGSB+泥法池+好氧+A/O

处理能力:300m3/d;
混凝沉淀:氟去除率:64.35%;EGSB:COD去除率:72.46%;有机氮水解率:90.26%;
泥法池:COD去除率:62.17%;
有机氮水解率:80.41%

38.32

[25]

环合工序

甲醇、DMF、氟化物

高COD=40000~60000mg/L;
高凯氏氮=1000~2000mg/L;
含氟化物=50~80mg/L

水解工序

醋酸、硫酸、乙醇、乙酸乙酯

高COD=13000~15000mg/L

2

洛阳市某精细化工有限公司

诺氟沙星中间体制药废水

缩环合、乙基化、螯合反应

高浓度有机污染物

COD=5100mg/L;
TN=66mg/L;
NH4+-N=32mg/L;
TP=3~6mg/L;
SS=180mg/L

调节池+(Fe-C)微电解+混凝沉淀池+斜管沉淀池+ABR+生物选择池+改良CASS

处理能力:
80m3/d;
ABR(HRT=12h);
CASS:
COD去除率:80%以上;
NH4+-N去除率:85%以上

-

[26]

合成工艺

硝基苯类、苯胺类、挥发酚、有机氟化物

3

江苏某医药公司工业废水


造影剂污水

乙醇、碘类物质、盐分

COD=5500~6000mg/L;TN=40~70mg/L;
NH4+-N=5~15mg/L;TP=3~6mg/L;
SS≤500mg/L

调节池+水解酸化池+UASB+高效厌氧反应器+二级生化池+MBR膜系统

处理能力:4000m3/d;
水解酸化池(HRT=14.3h):
COD去除率:10%;
厌氧处理系统(HRT=34h):
COD去除率:65%以上

5.88

[27]

抗肿瘤车间

有机溶剂、少量中间体

麻醉剂车间

聚乙二醇400、氟离子

中试及生物车间

发酵液、微量抗生素类物质

4

东北制药原料药厂区制药废水


VC生产及少量其他产品


COD=2000~3000mg/L;BOD5=500~1000mg/L;
SS=200~600mg/L

预处理+水解酸化+UNITANK-BAF

处理能力:
30000m3/d

-

[28]
[29]

5

浙江某制药公司制药废水


合一车间

头孢拉定、盐酸、二氯甲烷、酰氯、丙酮

COD=28000mg/L

二氧化氯催化氧化预处理-水解酸化(兼性厌氧)+接触氧化+混凝沉淀池

处理能力:150m3/d;
催化氧化:COD去除率90%;兼性厌氧池(HRT=48h):COD去除率:50%;
接触氧化池(HRT=36h):COD去除率:65%;
混凝沉淀池(HRT=5h):COD去除率:15%

3.61

[30]

合三车间

盐酸、烧碱、无机盐、碘海醇、异丙醇、甲醇


东方车间

头孢拉定、丙酮、三乙胺、丙酮

毒性大、盐含量高

6

江西某制药公司

工艺废水(高浓度)


6-氨基青霉烷酸、氨苄西林三水酸、哌拉西林、二苯甲酮腙、托西酸、三聚甲醛、二异丙胺、溴化钾、硫酸、氯化铵、溴素、磷酸二氢钾、锌粉

高COD=35000~50000mg/L;NH4+-N=300~800mg/L;TP=10~20mg/L;SS=4000~6000mg/L;SO42-=7000~11000mg/L;毒性大

调节池+(Fe-C)反应池+Fenton+混凝沉淀池+水解酸化池+IC反应器+A/O-BAF

处理能力:1050m3/d;
Fe-C+Fenton+混凝沉淀组合工艺:COD去除率:67%;NH4+-N去除率:30%;水解酸化池(HRT=10~14h):COD去除率:20%;IC反应器:COD去除率:80%;A/O:COD去除率:78%;NH4+-N去除率:75%;BAF:COD去除率:65%;NH4+-N去除率:60%

16.87

[31]

混合废水(低浓度)

COD=1000~3000mg/;NH4+-N=20~40mg/L;TP=1~10mg/L;SS=1500~2000mg/L;SO42-=2500~3000mg/L

7

江西某制药企业


102车间

二氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮

COD=25000~30000mg/L;NH3-N=900~1000mg/L;TP=800~900mg/L;pH=1.5~2.5

MAP沉淀+CaO脱硫+(Fe-C)反应池+Fenton 混凝沉淀池+SABR-O3氧化塔+好氧+A/O+气浮

处理能力:800m3/d

14.82

[32]

103车间

乙酸乙酯、石油醚、盐类

COD=60000~65000mg/L;NH3-N=2000~2500mg/L;TP=2000~2500mg/L;SO42-=10000~15000mg/L;pH=3.5~4.5

105车间

乙酸乙酯、甲苯、二氯甲烷

COD=5000~10000mg/L;NH3-N=150~200mg/L;TP=50~60mg/L;SO42-=1200~1500mg/L;pH=1.0~1.5

106车间

四氢呋喃、磷酸氢二钾

COD=45000~50000mg/L;NH3-N=800~1000mg/L;TP=6000~6500mg/L;SO42-=1200~1500mg/L;pH=11~14

107车间

硫酸、溴化氢

COD=65000~70000mg/L;NH3-N=300~350mg/L;TP=3~6mg/LSO42-=120000~130000mg/L;pH=0.5~1.5

108车间

盐酸、氯化镁


提取类

1

河南某中药企业生产废水


前处理车间

木质素、纤维素、半纤维素、有机溶剂(乙醇)、蒽醌、生物碱、水解产物

COD=1200mg/L;
BOD5=520mg/L;
NH3-N=5mg/L;
SS=80mg/L;
TP=2.5mg/L;
pH=5~6

水解酸化+SBR反应器+混凝沉淀深度处理

处理能力:600m3/d;水解酸化:HRT=11.8h;COD去除率:35%;SS去除率:40%;SBR运行周期:8h;COD去除率:85%;SS去除率:20%;混凝沉淀池:COD去除率:20%;SS去除率50%

1.51

[33]

提取车间

2

山东某有限公司

肝素钠生产废水



COD=66.8mg/L;
SS=626mg/L;
石油类=31.2mg/L

水解酸化+接触氧化

COD去除率:
88.5%;
SS去除率:
90%;
石油类去除率:
90.3%

1.89

[4]

3

山东某制药股份有限公司

七叶皂苷钠废水



COD=4490mg/L;
SS=99.6mg/L

水解酸化+厌氧浮动生物膜反应器+接触氧化+深度处理

COD去除率:
61.6%;
SS去除率:
96%

2.89

[4]

4

鲁南某制药集团


洗药车间

糖类、苷类、蒽醌、木质素、生物碱、蛋白质、色素

COD=5000~8000mg/L;BOD5=2700~4300mg/L;
NH3-N=21~60mg/L;SS=310~550mg/L

水解酸化+UASB厌氧反应器+接触氧化+深度处理

处理能力:2000m3/d;水解酸化:COD容积负荷=5kgCOD/(m3·d);BOD5容积负荷=2.5kgBOD5/(m3·d);UASB:COD容积负荷=3.1kgCOD/(m3·d),BOD5容积负荷=2.9kgBOD5/(m3·d)

0.61

[34]

煎煮车间

制剂车间

5

广东云浮某制药厂


清洗车间

糖类、苷类、蒽醌、木质素、生物碱、蛋白质、 色素

COD=4200mg/L;BOD5=1460mg/L;SS=386mg/L;NH3-N=28mg/L

ABR+生物接触氧化+BAF工艺+曝气生物滤池

处理能力:2000m3/d;ABR:HRT=24h;容积负荷=3.2kgCOD/(m3·d);生物接触氧化:HRT=22h;容积负荷=0.8kgCOD/(m3·d);曝气生物滤池:容积负荷=0.12kgBOD5/(m3·d);水力负荷=1.85m3/(m2·h)

1.86

[35]

煎煮车间

浓缩车间

6

某中药制药厂废水


提取生产线废水

乙醇、丙酮、酸类

COD=9825mg/L;BOD5=4230mg/L;
SS=1600mg/L

调节+混凝沉淀+ACS 厌氧+A/O+混凝沉淀的处理工艺

处理能力:200m3/d;混凝沉淀池:COD去除率:14.5%;BOD5去除率:19.2%;SS去除率:80.6%;ACS厌氧池:COD去除率:90.8%;BOD5去除率:87%;SS去除率:65.2%;A/O(HRT=36h):COD去除率:90.1%;BOD5去除率:95.9%;SS去除率:67.7%

4.02

[36]

GMP生产线废水

生活污水

7

某生物制品有限公司

氨基酸生产废水



COD=500mg/L;
BOD5=300mg/L;
SS=170mg/L

纳滤

COD去除率:98.5%;BOD5去除率:99.1%;
SS去除率:96.9%

15

[4]

8

四川某生物制药有限公司

胰酶生产废水




蒸发浓缩

出水:COD=20.98~37.14mg/L;BOD5=4.80~7.75mg/L;SS=6.5~8.0mg/L;动植物油:0.398~0.887mg/L

37.5

[4]

混装制剂类

1

江西某医药集团

综合废水(提取、洗药、洗瓶、设备、车间废水)

提取工艺

混装制剂残渣

Q=80m3/d;pH=6.5~8.0;COD=500~1500mg/L;
SS=50~80mg/L;
NH3-N=30~70mg/L

调节池+A/O+沉淀罐+BIOFOR反应器+清水池

BIOFOR反应器:
COD去除率:75%以上;
NH3-N去除率:50%;
COD总平均去除率:72.45%;
NH3-N总平均去除率:56.8%

0.5

[37]

冲洗工艺

2

沈阳东药集团

制剂废水

片剂车间

维生素产品(Vc、左卡尼汀);抗生素产品(磷霉素、氯霉素、黄连素等);脑血管药物(吡拉西坦等);化工类产品(丙炔醇等)

pH=5.6;COD=230~790mg/L;BOD5=140~380mg/L;P=1mg/L;
SS=40mg/L;无机盐浓度=750mg/L;石油类=15mg/L;NH3-N=25mg/L

格栅+沉砂+初次沉淀(隔油)+调节池/事故池+水解酸化+接触氧化+二次沉淀

处理规模为4500m3/d;调节池(HRT=12h);水解酸化池(HRT=6h);接触氧化池(HRT=16.8h);出水COD≤ 80mg/L;COD去除率:80%以上

[14]

水针剂车间

粉针剂车间

3

A制药公司

综合废水(工艺用水和纯化水)

预处理工艺

混装制剂类制药有机物

pH=6~9;COD=800mg/L;SS=200mg/L

格栅+沉砂+初次沉淀+调节池+复合折流式水解酸化反应池+接触氧化池+二次沉淀

水解酸化:HRT=6h,
T=25℃;
生物接触氧化池:HRT=12h

[38]

4

长春市某药厂

综合废水(生产废水、检验废水、生活污水)

固体制剂车间排水

硫酸双肼屈嗪(苯酐、活性炭、水合肼、乙醇、三氯氧磷、硫酸、甲苯、三氯化磷、液氯)

pH=6~9;COD=400mg/L;BOD5=60mg/L;NH3-N=30mg/L;SS=80mg/L;COD、BOD5、SS 和NH3-N排放量分别是43.8 t/a、6.57 t/a、8.76 t/a、3.29 t/a

预处理(格栅)+集水池+调节池+兼氧池+中间水池+MBR池+消毒池+清水池

处理规模为300m3/d;Q=109500 t/a;兼氧池/MBR池出水氨氮=6mg/L;COD去除率:90%;BOD5去除率:90%;SS去除率≥95%

[39]

冲洗车间

5

江西某医药集团

生产废水

生产车间

医药保健品、外用消毒用品原料

pH=6.5~8;COD=500~1500mg/L;
BOD5=60mg/L;
NH3-N=30~70mg/L;SS=50~80mg/L

调节池+A/O+沉淀罐+BIOFOR反应器

处理量80m3/d出水COD=200~250mg/L;NH3-N=18~25mg/L;总工艺:COD去除率:94%;NH3-N去除率:83%;SS去除率:63.7%;A/O系统:COD去除率:75%;NH3-N去除率:55%;BIOFOR反应器:COD去除率:72.45%;NH3-N去除率:56.8%

[40]

发酵类

1

某制药公司

高含盐废水

高浓度废水

淀粉、糖类、有机酸、菌丝体、蛋白质

有机物、SS、NH3-N、硫酸

水解酸化预处理+ABR1+微氧生物脱硫+ABR2+A/O

废水产量:400m3/d

3.39

[41]

低浓度废水

水量大、浓度不断变化

废水产量:1100m3/d

2

沈阳红药安徽制药有限公司

高浓度废水



COD=12000mg/L;
BOD5=8000mg/L;
SS=5000mg/L;

预处理+QIC反应罐+CASS反应池+深度处理

设计水量:200t/d出水水质:COD<120mg/L;BOD5<40mg/L;SS<60mg/L

0.65

[42]

3

某生物制药厂

高氨氮废水

发酵液离心上清液

氨氮、TKN

SS、氨氮浓度较高

吹脱+脱磷+Fenton氧化

设计处理量:102m3/d

0.79

[43]

污冷凝水

洗涤废水

4

某国药厂

高浓度综合废水

制药产生的废水


废水COD高、悬浮物含量高、氨氮含量高、色度浊度高

混凝沉淀+管式膜pH+过滤+水解酸化+IC反应器+两段A/O工艺+沉淀池+脱色池

日处理量:986.3t/d
出水COD值为93~111mg/L

0.67~0.8

[44]

锅炉除尘废水

冲地废水

动力损耗和生活污水

5

江西某化工企业

难降解废水

调节池1车间废水

三氯甲烷、四氢呋喃等有机物

盐度高,色度深,毒性大,COD浓度高达11000mg/L

铁碳反应池+Fenton+深度处理

出水水质:COD<120mg/L;NH3-N<25mg/L

16.3

[45]

调节池2车间废水

调节池3生活污水

6

某制药公司

高浓度废水/低浓度废水

提取工序废水


水质变化大COD=650~11000mg/L;
BOD5=550~6500mg/L;SS=60~400mg/L;NH3-N=90~2902mg/L

混凝沉淀+PW处理池+后处理

日处理量:200t/d出水水质:COD<100mg/L;BOD5<20mg/L;SS<70mg/L;NH3-N<15mg/L

4.46

[46]

洗板框压滤机废水

回收工序废水

冲洗废水

7

江西某制药公司

高浓度废水/低浓度废水

丁醇提取下脚液


COD浓度高达18000mg/L;BOD5浓度高达7200mg/L

预处理+一级A/O+二级A/O+MBR

出水水质:COD<100mg/L;BOD5<20mg/L


[47]

洗罐、洗板框废水

设备冲洗废水

生物工程类

1

江西省南昌市某制药厂

综合废水(生产车间、生活污水)

生产车间

有天然有机物、多糖类、甙类、蒽醌类、生物碱及其水解产物等

COD、NH3-N、SS、水温均高;pH=4.0~5.0;废水排放量160 m3/d

内循环厌氧反应器IC+生物接触氧化+二沉池混凝沉淀

出水COD<60mg/L;出水NH3-N<15mg/L;出水NH3-N<60mg/L;总工艺:COD去除率:99.25%;色度去除率:99%;NH3-N去除率:75%;SS去除率:88%

1.58

[48]

办公车间

2

广州市某生物制药企业

综合废水(药材废水、浓缩废水、滤渣废水)

生产车间

苯、甲苯、二甲苯、VOCs、生化抑制物质

pH=5.0~6.0;SS=300mg/L;色度220倍;COD=3500mg/L;BOD5=1400mg/L;NH3-N=25mg/L

预处理+预酸化+UASB反应器+接触氧化+曝气生物滤池+消毒清水池

处理量1500t/d;pH=6.0~9.0;SS≤60mg/L;色度≤40;COD≤100mg/L;BOD5≤20mg/L;NH3-N≤10mg/L

1.59

[49]

3

某制药企业

综合废水(生产废水、板框废水、溶媒分离废水)

生产车间

高浓度柱晶白霉素、菌丝体、悬浮物、脂类、醇类、抗生素残留物

板框废水:pH=5.3;
SS=3654mg/L;
COD=7532mg/L;
BOD5=3500mg/L;
NH3-N=960mg/L;
分离废水:pH=8.7;
SS=1388mg/L;COD=14900mg/L;BOD5=4801mg/L;NH3-N=558mg/L;混合废水:
pH=6.6;SS=2014mg/L;COD=12550mg/L;BOD5=4450mg/L;NH3-N=800mg/L

预处理(格栅、沉淀池、调节池)+厌氧生物处理系统(水解酸化池、厌氧罐)+好氧生物处理系统(厌氧复合床反应器UBF、CASS池)

平均出水水质:SS=141mg/L;COD=260mg/L;BOD5=46mg/L;NH3-N=28mg/L

0.47

[50]

4

某大型药厂

综合废水(生物发酵废水、溶媒废水、离子交换废水、冷却水)

生产车间

有酯类、醇类、有机酸、硫酸及菌丝等

中浓度废水:COD=3500mg/L;BOD5=1800mg/L;SS=420mg/L;SO42-=3100mg/L;NH3-N=125mg/L;高浓度废水:COD=11000mg/L;BOD5=5500mg/L;SS=650mg/L;SO42-=6200mg/L;NH3-N=160mg/L;油=265mg/L;混合废水:COD=5500mg/L;BOD5=2809mg/L;SS=483mg/L;SO42-=3945mg/L;NH3-N=135mg/L

格栅集水井+溢流井+调节池+反应器+隔油沉淀池+厌氧水解反应器+气浮池+CASS池

出水水质:
pH=6.8;COD=200mg/L;BOD5=80mg/L;SS=20mg/L;NH3-N=30mg/L

1.5

[51]

[4]《制药工业水污染物排放标准-提取类》编制说明(征求意见稿),chrome-extension://ibllepbpahcoppkjjllbabhnigcbffpi/http://www.mee.gov.cn/gkml/zj/bgth/200910/W020071025264350933485.pdf。

[13]张金菊、袁孟云、张瑜倩、张红川:《“ABR+UBF+A/O”工艺处理中药废水工程实例》,《工业水处理》2019年第39(10)期,第104~106页。

[14]陈晓峰:《ABR+接触氧化工艺处理中药提取生产废水工程实例》,《广东化工》2016年第43(15)期,第299~300页。

[15]顾玮、袁雅静:《DAT-IAT工艺处理中药生产废水工程实例》,《工业用水与废水》2011年第42(04)期,第84~85、93页。

[16]徐伟、刘哲俊、裘建平、俞岚、张洁:《IC-MBR-高级氧化法处理高浓度中药废水工程实践》,《水处理技术》2016年第42(06)期,第134~136页。

[17]黄睦凯:《高浓度中药废水生产废水处理工程实例》,《广东化工》2014年第41(15)期,第195~196页。

[18]谢永新:《高浓度中药提取物生产废水处理工程实例》,《工业用水与废水》2012年第43(04)期,第75~76页。

[19]李澍、黄宇广、高湘:《高浓度中药制剂废水处理工程设计》,《中国给水排水》2013年第29(12)期,第69~71页。

[20]姚东:《陕西某中药企业污水处理项目升级改造技术方案研究》,西安建筑科技大学硕士学位论文,2018。

[21]黄海涛、魏彩春、魏明蓉、温振宇:《水解酸化-SBR工艺处理中药废水的工程实践》,《工业水处理》2012年第32(01)期,第78~80页。

[22]冯苗苗:《中成药制药废水处理的研究》,西安建筑科技大学硕士学位论文,2018。

[23]车建刚、万金保、邓觅、黄学平:《中药废水处理的工程应用》,《水处理技术》2017年第43(10)期,第128~130、137页。

[24]刘立、刘畅、农燕凤、赖后伟、林方敏、周秀秀:《中药废水处理工程设计实例及分析》,《中国给水排水》2018年第34(08)期,第89~92页。

[25]李勇威:《某氧氟沙星制药企业废水处理工艺改造研究》,西南交通大学硕士学位论文,2019。

[26]刘洋:《CASS工艺生物处理诺氟沙星中间体制药废水低负荷试运行研究》,郑州大学硕士学位论文,2019。

[27]徐建:《某制药废水小试和工程设计应用研究》,苏州科技大学硕士学位论文,2019。

[28]吴大涛:《东药原料药厂区再生水回用的技术研究及工程应用》,东北大学硕士学位论文,2015。

[29]郎咸明:《水解酸化-UNITANK-BAF工艺处理制药废水的研究》,东北大学博士学位论文,2006。

[30]周俊:《二氧化氯催化氧化联合生化工艺处理制药废水的研究及工程应用》,浙江大学硕士学位论文,2012。

[31]周鑫:《高浓度COD抗生素生产废水处理的研究与应用》,南昌大学硕士学位论文,2018。

[32]刘英辉:《高浓度医药中间体废水处理的研究与工程应用》,南昌大学硕士学位论文,2015。

[33]张金菊、李川、张瑜倩、忻飞、朱召军:《中药制药行业生产废水处理工程设计及运行》,《煤炭与化工》2016年第39(7)期,第155~157页。

[34]李道伟、徐梓怀、郝友娟:《中药提取废水处理工程设计》,《齐鲁药事》2008年第27(7)期,第436~437页。

[35]柯贤成:《ABR-生物接触氧化-BAF工艺处理中药提取废水实例》,《广东化工》2018年第45(9)期,第175~176页。

[36]杨群、张耕、王昌平:《某制药废水处理工程实例》,《科技论坛》2016年第4期,第379~380页。

[37]欧阳二明、匡彬、王娜:《BIOFOR处理混装制剂类制药废水工程实例》,《环境工程》2015年第33(01)期,第37~39+140页。

[38]张欣勃:《混装制剂类制药有机废水处理技术研究及工程应用》,《佳木斯职业学院学报》2015年第12期,第488页。

[39]杨国强:《长春市某药厂污水处理厂升级改造工程设计》,吉林大学硕士学位论文,2015。

[40]王娜:《A/O+BIOFOR处理混装制剂废水生产性试验研究》,南昌大学硕士学位论文,2012。

[41]吴小虎:《某制药公司硫酸盐废水处理工艺改造案例的研究》,南昌大学硕士学位论文,2016。

[42]杨勇、杨向阳、丁叶强等:《QIC有机废水处理技术应用于医药废水处理——以沈阳红药安徽制药有限公司废水处理为例》,《农业工程技术(新能源产业)》2013年第12期,第27~29页。

[43]阮建兵、陈琼、金学平:《高密度发酵制药废水处理工艺设计》,《水处理技术》2013年第39(02)期,第127~129页。

[44]尤筱璐:《发酵类制药废水的高效处理技术研究》,南昌航空大学硕士学位论文,2018。

[45]邱攀:《头孢菌素类抗生素中间体废水处理的研究与应用》,南昌大学硕士学位论文,2018。

[46]顾辽萍:《高浓度制药发酵废水处理工程技术》,《工业水处理》2006年第10期,第72~74页。

[47]黄万抚、周荣忠、廖志民:《发酵类制药废水处理工程的改造》,《工业水处理》2010年第30(03)期,第82~84页。

[48] 杨德龙、张晓东、朱乐辉等:《IC+生物接触氧化+絮凝沉淀处理中成药制药废水实例》,《水处理技术》2013年第39(004)期,第120~123页。

[49]韩彬光:《某生物制药废水的处理回用工程实例》,《广东化工》2018年第45(011)期,第198~199,195页。

[50]赵胜利、毛全贵、韩德全等:《两相厌氧/好氧系统处理白霉素废水》,《中国给水排水》2005年第21(008)期,第77~79页。

[51]朱志涛、朱志勇、狄军贞:《中高浓度制药废水的治理技术》,《山西建筑》2018年第044(005)期,第113~115页。

五、制药工业废水处理新技术及前景展望

笔者除了总结了常用的制药废水处理技术外,也提出了未来能够应用在制药工业废水处理工程(新建或改扩建)中的一些新技术(见表2.4)。希望这些新技术对于提高制药废水处理效果、提高处理系统运行稳定性和抗干扰能力、减少系统运行费用等方面起到积极的促进作用。以高氨氮难降解废水处理(Y1j)为例,这些新技术在工艺流程中的位置如图2.9所示,即厌氧膜生物反应器(用符号AnMBR来表示)和生物电化学技术(用符号BES来表示)均可与厌氧/水解池或缺氧池结合、多级环流好氧技术(用符号SL来表示)可与好氧池相结合、智能控制与优化技术(用符号ICA来表示)可对各个构筑物进行控制。

表2.4 几种制药工业废水处理新技术

新技术类别

简介

优势

适用范围

符号

厌氧膜生物反应器

厌氧反应器与膜分离结合技术,可采用分置式或浸没式

①能够缩短HRT,提高水力负荷;②出水水质更佳;③可节省运行费用

改扩建或新建

AnMBR

生物电化学技术

由阴极、阳极组成的电化学模块与水解酸化反应器或高效厌氧反应器相结合技术

①将难降解物质转化为易降解物质,提高B/C;②减缓VFA对厌氧系统抑制,提高甲烷产量

改扩建或新建

BES

多级环流好氧技术

在好氧反应器中内置多级环流导流筒,可采用多段进气、锥形变径、高低错落等结构形式

①可提高气含率和循环液速,进而提高传质效率;②改善流场分布特性,提高进水负荷

改扩建或新建

SL

智能控制与优化技术

基于COD、BOD、氨氮、硝酸盐氮DO、TN、TP、磷酸盐、MLSS、流量等原位传感器的前馈和反馈相结合的PID控制技术

①可实现系统节能降耗;②提高系统稳定性和抗干扰能力;③提高系统对污染物去除效果

改扩建或新建

ICA

 

图片关键词 

图2.9 制药废水处理新技术在高氨氮难降解废水处理工艺流程(Y1j)中的位置

六、结语

有关制药废水处理新技术和新工艺频繁问世,然而,这并没有改变制药废水污染现状,制药废水污染问题仍未解决。本文对国内外制药废水处理技术及实践进行了总结,得到结论如下。

①制药工业废水处理应遵循“高浓度及特殊废水车间预处理、再混合统一处理”的原则。

②制药废水可以分为六类,即发酵类、化学合成类、提取类、中药类、生物工程类和混装制剂类。由于生产工艺不同,所以每类制药企业所含高浓度及特殊废水种类不同,车间预处理工艺不同。

③虽然制药废水处理技术复杂、繁多,但也可以建立一个通用的技术模式。

④制药废水中有毒有害物质多,水质水量变化大,所以对系统冲击影响较大,出水水质稳定性较差。另外,制药废水运行费用较高,所以在对制药废水处理进行工艺流程设计时,要特别注意工艺运行参数选取、后期运行调控策略、自动化程度等,这对制药工业废水处理达标排放(或中水回用)和节能降耗具有重大影响。

⑤虽然有实验表明,采用AnMBR、BES、多级环流、智能优化控制技术能够提高制药工业废水处理效率、提高出水水质稳定性和系统抗干扰能力,但这些技术仍处于小试或中试规模阶段,其实际工程应用还需要进行大量的探索实践工作。

 

第三章 制药废水抗生素、抗性基因与常规污染物协同控制


自20世纪40年代青霉素被广泛应用于临床医疗以来,抗生素在减少疾病痛苦、延长人类寿命方面发挥了无可替代的作用。目前各种主要的抗生素原料药仍然是通过微生物发酵的方法进行生产。我国是世界上最大的发酵类抗生素原料药的生产国。发酵类抗生素被提取后,除了会产生被列入《国家危险废物名录》中的菌渣之外,发酵废母液还会作为废水被排出。通常,发酵废母液中含有大量发酵残留物、生物代谢产物、提取剂残留物、氨氮以及未能提取干净的抗生素残留效价。例如,土霉素发酵生产产生的废母液一般化学需氧量(COD)为10000~15000 mg/L,氨氮为300~500 mg/L,土霉素为800~1000 mg/L。此外,废水中还会有3000~7000 mg/L的草酸残留。除了土霉素废母液以外,还有树脂再生酸水、碱水,车间清洗废水等低浓度废水的排放,生产每吨抗生素的基准排水量一般为500~6500m3。

由于发酵类抗生素废水有机污染物含量较高,一般采用生物技术进行COD、氨氮及总氮的去除,生物处理通常包括厌氧、缺氧和好氧三个处理单元,先利用处理负荷高、无须供氧的厌氧技术消减大量的COD,然后利用缺氧和好氧单元的组合进行进一步COD去除以为氨氮的硝化与反硝化脱除总氮。由于生物处理后仍然会残留一定的COD,在废水排放前通常还需要采用一些物化技术进行深度处理,进一步降低COD含量。由于废母液中残留的高浓度抗生素对微生物存在很强的抑制作用,很多企业废水处理厂的生物处理系统实际上无法正常运行,包括厌氧在内的各个单元只能在低负荷下运行,而且处理效果很不理想,导致达标排放困难、运行成本高。更为严重的是,在高残留抗生素胁迫下废水生物处理中会产生次生风险因子——抗生素抗药菌和抗生素抗性基因,这些抗药菌和抗性基因可以通过废水和剩余污泥排放到环境中,导致废水处理系统成为环境中抗性基因的重要排放源。该问题已经引起世界卫生组织的高度重视,世界卫生组织在2013年的绿色采购会议、2017年的环境耐药研究会中进行了专题讨论,并在2020年发布的相关环境耐药的《技术导则》中专门设置了“制药废水”一章。

中国科学院生态环境研究中心很早就关注到抗生素生产废水中高浓度抗生素存在的问题,在国家自然科学基金委和科技部的一系列课题支持以及行业内的部分企业的协助下,通过对土霉素、青霉素、头孢菌素、红霉素、螺旋霉素、链霉素、卡那霉素等典型发酵类抗生素生产废水的现场调研和实验室模拟,发现抗生素在一定浓度下可显著抑制废水处理微生物的活性,而且生产废水处理系统出水和剩余污泥是环境中抗生素、耐药菌和抗性基因的一个重要排放源。为此,中国科学院生态环境研究中心提出了首先通过强化水解等预处理的方法将废水中抗生素效价消除后,再利用生物与物化组合的方法进行常规污染物去除的思路,并对被生态环境部列入危害固体废弃物清单的抗生素生产菌渣也进行了探索。以土霉素生产废水为例,该研究中心开发了抗生素、抗性基因和常规污染物协同控制的废水处理工艺,并在相关企业进行了工程应用示范,为抗生素原料药行业的可持续发展提供了重要的技术手段。

本文以图3.1为例阐述了抗生素、抗性基因和常规污染物协同控制的技术思路,并从抗生素原料药行业可持续发展的角度展望了抗生素生产废水及菌渣的管理策略。

图片关键词 

图3.1 制药废水残留抗生素效价控制和抗性基因排放阻断策略

一、 制药废水残留抗生素效价

水中的抗生素作为新型污染物具有潜在的环境风险,但至今为止,世界各国均没有针对抗生素和抗性基因制定具体的排放标准。目前评价抗生素的处理效果主要是利用仪器方法(例如,液相色谱或者超高效液相色谱——串联质谱仪)测定抗生素母体浓度的变化。实际上,抗生素废水的处理目标不仅是降低抗生素的浓度,更重要的是去除废水中的抗菌活性,即“效价”。残留效价不仅包括废水中残留的抗生素母体贡献的活性,还包括一些中间产物、前驱体或者副产物贡献的活性。因此,仅利用仪器方法测定抗生素母体的浓度可能会低估废水中可能具有抑菌活性的相关物质含量,但这些转化产物仍会对环境中的微生物产生选择压力,促进细菌耐药性的产生和传播。

为此,笔者团队在前期工作中利用药典中抗生素“效价”的概念,建立了一套普适性的基于实时比浊法(real-time turbidimetry)的抗生素生产废水或残留效价测定方法,相对传统的固定生长时间比浊法(RSD 5.62%~11.29%),实时比浊法的重复性得到明显改善(RSD 1.08%)。同时,通过比较待测水样和抗生素标准参照物质对标准菌株(金黄色葡萄球菌或者大肠杆菌等)的抑制来评价抗生素生产废水中抗生素及其相关物质的残留效价,并用相对应的抗生素母体效价当量(EQ,mg·L-1)来表征废水中包括该抗生素母体及相关物质的抑菌活性,评估抗生素废水中每一种物质的效价贡献。利用这种方法评估了土霉素和螺旋霉素生产废水处理系统的残留效价,发现土霉素废水中的土霉素效价当量与测得的土霉素浓度基本一致,说明土霉素是废水中残留效价的主要贡献者;而螺旋霉素废水的螺旋霉素效价当量显著高于螺旋霉素浓度,说明螺旋霉素废水中存在除了螺旋霉素母体之外的其他活性物质,螺旋霉素的转化产物新螺旋霉素的效价占13.2%~22.9%,但仍有9.09%~60.3%的残留效价来源不明,需要进一步探索。因此,抗生素残留效价的评价对于揭示废水中活性物质的组成具有重要意义。

二、抗生素对废水生物处理系统的影响及抗生素去除技术

通过对一些典型发酵类抗生素生产废水的调查发现,抗生素废母液中仍然存在较高含量的抗生素,例如,土霉素、红霉素、泰乐菌素、卡那霉素等废母液中抗生素的含量分别为800~1000 mg/L,200~500 mg/L,800~1000 mg/L,700~800 mg/L。也有些废母液中抗生素残留不高,例如青霉素G废母液中抗生素的含量较低(100~200 μg/L),这主要是由于青霉素结构不稳定,其在高温溶媒萃取回收中发生了水解。需要指出的是,提高抗生素生产过程中抗生素的提取方法的效率对于降低母液中的残留抗生素至关重要,目前传统的抗生素提取方法主要有吸附法、沉淀法、溶媒萃取法、离子交换法,近年来,膜分离技术也开始应用在抗生素提取过程中。高效提取方法等清洁生产技术可以降低某些种类抗生素母液的残留效价,将清洁生产和废水处理污染控制技术相结合从而实现绿色生产过程。

目前发酵类抗生素废水处理的主体工艺均使用生物技术,由于抗生素针对的目标本身就是细菌,利用以细菌为主体的常规生物技术进行废水处理难度很大。此外,某些类型的抗生素例如四环素和土霉素虽然生物出水浓度降低,但是实际上大量被吸附在污泥中,仍然存在随着剩余污泥外排的环境风险。实验室通过长期模拟实验发现,当土霉素含量达到150 mg/L时,厌氧消化就会受到严重抑制。而抗生素对硝化反应的抑制更为明显。当进水中的土霉素、链霉素浓度达到50 mg/L时,活性污泥的生物硝化功能基本上就丧失了。

抗生素不仅会抑制细菌活性,严重影响废水处理效果,还会导致严重的抗生素的抗性的发生从青霉素生产废水处理系统出水筛出的细菌中,42%~92%对β-内酰胺类、氨基糖苷类等不同类型抗生素具有抗药性,且对β-内酰胺类的50%抑菌浓度(MIC50)高达1024 μg/L。从土霉素生产废水处理系统出水中筛选的细菌,有97%对多种抗生素具有抗性,94%携带四环素类抗性基因。抗生素会对废水生物处理系统产生严重影响,因此在废水生物处理之前去除抗生素及相关物质残留是保障抗生素生产废水生物处理效果和阻断抗性基因产生的关键。

大量研究表明,氯化、芬顿、臭氧、光催化和电化学氧化等各种氧化技术能够从纯水或者模拟水体系中高效去除抗生素,然而这些技术没有选择性,如何从组成非常复杂的抗生素废水中高效选择性去除残留抗生素效价仍然是一个技术挑战。笔者团队发现利用臭氧可以降解废水中的土霉素和林可霉素,然而,废水中的共存COD可延缓林可霉素的降解,每增加共存COD 100 mg/L,抗生素实现50%消减需要增加的臭氧量为1.64 mg/L左右。因此,尽管臭氧预处理可以有效去除抗生素,由于废母液中存在大量共存物质,处理实际高浓度废水时的臭氧消耗量比较大,造成成本增加。但是,臭氧、芬顿等氧化技术可以作为深度处理技术,用于生物处理之后去除残留的抗生素,作为常规指标达标排放抗生素和抗性基因的末端保障措施。

三、基于强化水解的抗生素生产废水预处理技术

如上所述,抗生素残留对废水生物处理产生严重影响,可促进抗性基因在环境中的传播。因此,在废水进入生物处理系统之前对抗生素加以控制,是防止抗生素及抗性基因环境污染的关键。化学氧化等方法虽然可以有效去除模拟配水或者高浓度废水中的某些类型抗生素,但处理成本非常高,实际应用困难。因此,需要建立直接作用于抗生素药效官能团(效价)的抗生素废水预处理技术。

水解是环境中抗生素降解的主要路径,但是通常条件下抗生素的水解速度非常缓慢,水解半衰期达到几天甚至几十天,无法直接用于废水的处理。通过优化水解反应条件,例如加入催化剂增加反应的温度等可以优化加速抗生素的水解。因此,基于抗生素普遍含有易水解的酰胺基、酯键等结构的特性,笔者团队提出了强化水解选择性去除废水中抗生素的技术思路,发明了基于均相、非均相强化抗生素水解的废水预处理技术,可对抗生素生产废母液中的抗生素药效官能团进行选择性破坏,并在四环素类的生产企业中进行了现场工程应用。抗生素强化水解废水预处理技术能够高效去除废水中抗生素效价,与没有采用预处理的现场原有厌氧装置相比,后续厌氧系统的COD负荷能力提高了5倍以上,出水的四环素类抗生素能够降低99%以上,污泥的四环素类抗性基因降低80%以上,因此,强化水解预处理技术能够有效去除四环素类抗生素及其效价,消除抗生素对生化处理工艺的抑制作用,并有效阻止抗性基因的生成,实现抗生素及抗性基因的源头控制,在抗生素生产废水处理领域具有很大的应用潜力。

为了回答大宗发酵类抗生素哪些可以被强化水解去除,什么是决定抗生素强化水解效能的关键因子等问题,进一步考察了六大类近20种发酵类抗生素的水解动力学及其抗生素效价变化,发现不同发酵类抗生素的强化水解特征不同,优化后的强化水解条件能够显著加速大多数抗生素的水解。利用前线分子轨道理论建立了半定量的抗生素水解效能预测模型,发现抗生素分子的能隙值(最低未占据轨道和最高占据轨道之间的能量差值)是影响抗生素水解效果的关键因素之一。对于难以被强化水解去除的抗生素可以利用次临界温度条件下的水热处理过程或者非均相的固体碱催化剂突破抗生素较高的能隙值,从而实现对含难水解抗生素废水中的抗生素选择性去除。

四、抗生素、抗性基因和常规污染物的协同控制技术

如何构建一个协同控制常规污染物和抗生素效价、抗性基因的新型废水处理系统是制药废水需要解决的关键问题。针对高浓度抗生素废水需要将预处理技术和末端保障深度处理技术联合使用,构筑抗生素和抗性基因控制多级屏障技术体系。强化水解技术作为大部分发酵类抗生素的预处理技术,可以选择性破坏废水中的抗生素,消除抗生素对生化处理工艺的抑制作用,并能够有效阻止抗性基因的生成。

生化处理系统是碳、氮等常规污染物的主要去除单元。抗生素被去除后的生产废水先经过厌氧颗粒污泥处理单元去除部分COD,再结合缺氧-好氧等工艺去除总氮。在生物处理系统之后,由于抗生素水解产物以及部分微生物发酵产物难以被微生物分解,生化出水COD等可能仍较高,可以进一步利用后处理技术如芬顿、臭氧氧化或氧化吸附等深度处理技术保障末端水的COD达标排放,以及对残留的微量抗生素和抗性基因进行深度去除。

上述技术系统在制药行业进行了工程示范。某土霉素废水生产企业的工程实施案例表明,土霉素废母液经强化水解预处理土霉素去除率达到99%以上,预处理后的土霉素母液进入厌氧颗粒污泥反应器,COD去除率为50%~70%。厌氧出水和其他经过预处理的低浓度废水一起进入缺氧-好氧单元,进一步去除氨氮、总氮和COD。生化出水通过铁盐在中性条件下的原位氧化吸附技术进行深度处理,COD可以进一步去除70%以上,整个系统在相对较低的成本下实现发酵类制药废水的达标排放和抗生素、抗性基因协同控制。

对于发酵类抗生素,其生产过程还会产生大量被列为危险废弃物的废菌渣,焚烧是目前处理菌渣通常的手段,但是成本很高,企业难以承受。废菌渣主要含有抗生素生产菌的菌丝体、未消耗完的培养基、培养基降解产物、发酵过程中的代谢产物和抗生素及其水解与降解的中间产物等,具有作为菌肥、饲料等资源化的潜能,而菌渣资源化的关键在于菌渣中高浓度抗生素的去除。笔者团队和制药行业在合作开展红霉素、土霉素、青霉素等菌渣无害化和资源化研究中发现,水热反应可以有效去除菌渣中的这些抗生素,而无害化后的菌渣制备成肥料施用在大田中不会造成抗性基因在大田土壤细菌中的传播。安全高效的菌渣无害化处理与资源化技术具有很好的应用前景。

五、结论与展望

抗生素废水的处理不仅仅是抗生素母体浓度的降低,最关键的是残留抗生素生物效能(效价)能否被有效消减。未来的研究需要实验室和制药行业现场的综合证据来阐明抗生素在促进抗性基因产生和发生水平转移方面的浓度阈值是多少,从而制定废水生物处理之前残留抗生素和效价的控制目标。

生物处理技术成本低,是目前抗生素废水处理的主流技术,然而在处理高浓度抗生素生产废水时由于抗生素效价残留造成生物处理效果不稳定,同时还可能导致大量抗性基因的产生和排放。因此如何在生物处理之前进行源头控制,即利用物理化学技术选择性去除废水中残留抗生素及相关物质(残留效价)是解决抗生素废水处理难题的关键。

目前各种包括臭氧氧化和高级氧化等物化处理技术迅速发展,可以高效快速去除水溶液中的抗生素,可以用于生物处理之后的深度处理,用以保障废水的安全排放。然而这些主要基于氧化的反应不能选择性去除抗生素,作为高浓度抗生素废水源头控制技术效果和成本都会存在问题,因此,需要开发选择性地去除抗生素效价的预处理技术。

强化水解预处理技术能够有效去除多种抗生素,消除抗生素对生化处理工艺的抑制作用,并有效防止后续生物处理系统中抗性基因的生成和排放。利用分子前线轨道和水解机制相关的量子化学描述符构建了不同结构的抗生素水解效能预测模型,可以将抗生素分为易水解和难水解抗生素两种类型。通过现场中试和工程示范实现了对易水解的四环素类抗生素生产废水常规指标和抗生素、抗性基因协同控制,在抗生素生产废水处理领域具有很大的潜力与发展前景。

针对高浓度抗生素废水需要将源头控制预处理技术和末端保障深度处理技术联合使用,构筑抗生素和抗性基因控制多级屏障技术体系。在生物处理系统之后,可以进一步利用氧化等深度处理技术保障末端水质。下一步将针对如何降低成本和高效系统集成开展工作,同时针对难水解抗生素需要开发相关处理技术,为不同的抗生素生产废水的处理提供技术支撑。

提高抗生素生产过程中抗生素的提取效率可以降低菌渣和废母液中的抗生素效价残留,清洁生产和污染治理技术的有机结合对于构建绿色制药系统和应对未来绿色采购可能造成的壁垒至关重要。

抗生素菌渣被列为危险废弃物,是目前制药行业可持续发展的重要瓶颈;同时某些类型抗生素如四环素类等极易被污泥吸附,导致剩余污泥成为抗生素迁移转化途径中重要的“汇”。未来需要加强含有高抗生素的菌渣和污泥的处理处置,进一步阻断制药行业抗生素、抗性基因向环境中的释放。


第四章 电离辐照处理抗生素发酵菌渣的研究及应用


一、引言

抗生素菌渣富含蛋白质和多糖等营养物质,但菌渣中残留的抗生素和抗性基因会使细菌产生耐药性,危害生态环境和人类健康。因此,2008年我国环境保护部将发酵类制药残渣列入《国家危险废物名录》。如果能够消除菌渣中残留的抗生素和抗性基因,就可将菌渣变为资源,用于生产肥料或饲料,从而解决抗生素菌渣处置的难题。电离辐照技术是利用放射性核素产生的γ射线或电子加速器产生的高能电子束对污染物进行处理。电离辐照技术是一种新兴的环境污染治理手段,其基本原理是利用高能射线(放射性核素,如60Co或137Cs产生的γ射线或电子加速器产生的电子束)的直接作用和间接作用(水分子辐射分解产生的羟基自由基、氢自由基、水合电子等活性粒子),破坏或降解污染物。

γ射线由60Co或137Cs辐射源发出,电子束通过电子加速器利用电磁场加速电子产生。γ射线穿透能力强,但剂量率较低,反应时间长;电子束的能量利用率高,反应时间短,但其穿透能力比γ射线弱。辐射源的安全防护成本较高,通常适用于实验室研究;电子加速器可带有自屏蔽装置,安全可控,适用于规模较大的实际工程应用。

二、电离辐照处理抗生素菌渣的原理

电离辐照既可以通过高能射线的直接作用来破坏污染物结构,使其分解,也可以通过间接作用破坏污染物。电离辐射可以引起水分子辐射分解,产生羟基自由基(·OH)、水合电子(eaq-)等活性粒子,与污染物反应来降解水中污染物。水分子受到高能射线作用后,会发生如式(1)的反应:

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括号内数值是每吸收100 eV的能量产生的活性粒子数。

可以看出,电离辐照产生的主要活性粒子包括氧化性·OH以及还原性eaq-和·H,两类粒子浓度相近。·OH的氧化还原电位为2.72V,具有很强的氧化性;而eaq-的氧化还原电位为-2.9V,具有很强的还原性。因此,有机污染物辐照过程中可通过氧化和还原两种路径被降解。研究表明,红霉素、四环素、青霉素以及磺胺类等抗生素,都能被电离辐照技术有效降解。

电离辐照也是一种高效的消毒技术。电离辐照产生的高能射线可以直接作用于DNA等生物大分子,引起生物大分子的电离和激发,使DNA分子的链断裂、碱基脱落或氢键断裂,细胞内膜受损,酶功能紊乱等,致使微生物细胞死亡;同时,水分子辐射分解产生的·OH、eaq-和·H等活性粒子,通过氧化还原作用,破坏微生物的DNA、RNA及细胞组织。

电离辐照既可降解菌渣中的抗生素,又可杀灭耐药菌和消除抗性基因污染,从而实现抗生素菌渣的无害化处理(见图4.1)。

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图4.1 电离辐照处理抗生素菌渣的原理示意

电离辐照技术降解效率高、适用面广;无须或仅需加入少量化学试剂,不会产生二次污染物,是一种清洁、可持续利用的技术。随着我国电子加速器制造技术的日益成熟及其价格的逐步降低,利用电离辐照技术进行抗生素菌渣无害化处理具有良好的应用前景。此外,电离辐照与其他化学氧化等手段联合使用,会产生显著的“协同效应”,并降低运行成本。

三、电离辐照处理抗生素菌渣的研究

(一)研究方法

本文主要考察了电离辐照对红霉素和头孢菌素发酵菌渣中抗生素和抗性基因的去除效果及其对菌渣中营养物质含量的影响。对于头孢菌素发酵菌渣,比较了电离辐照与热处理(60oC和90oC)以及臭氧氧化对菌渣的处理效果。两种抗生素发酵菌渣均取自我国西部某生物制药公司。电离辐照实验采用60Co γ射线辐照源,辐射活度为3.6×1014Bq。主要检测指标为菌渣中抗生素和抗性基因含量、可培养微生物和耐药菌丰度以及营养物质蛋白质和多糖含量。

(二)电离辐照处理红霉素发酵菌渣的研究结果

红霉素发酵菌渣中检出的活性成分红霉素A(ERY,以下简称“红霉素”)浓度较高,平均值为538 mg/L(7.5mg/g TS),可培养微生物和耐药菌的丰度为1.13×107和2.09×106 CFU/mL。菌渣中检测出大环内酯类抗性基因ereA、ermB、mefA和mpfB,丰度为2.8×106~9.8×108 copies/g。菌渣的有机质含量较高,挥发性悬浮固体(VSS)与总悬浮固体的比值在77%以上,其中蛋白质和多糖分别占35%和27%。菌渣中检测出的元素有C、H、O、N、P、S、K、Ca、Fe、Mg、Mn、Al、Na、Zn。部分金属元素在上清液中的浓度(mg/L)为:K 475,Ca 363,Na 845,Mg 8.5,Fe 0.8,Zn 0.05。菌渣的含水率较高,在92.4%左右。

γ射线辐照实验结果表明,电离辐照对菌渣中的微生物和耐药菌的灭活效率较高。吸收剂量为5 kGy时,菌渣中总微生物和耐药菌的丰度降为1.16×104 CFU/mL和3.67 CFU/mL×102 CFU/mL;吸收剂量增加到10 kGy时,99%的微生物失去活性,耐药菌全部失活,无法检出。

图4.2为菌渣中红霉素浓度和抗性基因丰度随辐照吸收剂量的变化。可以看出,红霉素浓度和抗性基因绝对拷贝数随吸收剂量的增加而降低。吸收剂量从10 kGy增加到30 kGy时,红霉素的去除率从38%提高到56%,抗性基因的拷贝数降低了0.05~0.14log和1.0~1.3log。吸收剂量为30 kGy时,抗性基因的去除效率可达90%~95%。

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图4.2 红霉素浓度和抗性基因绝对丰度随辐照吸收剂量的变化

通过比较辐照处理干菌渣和湿菌渣时红霉素和抗性基因的去除效果,如表4.1所示,可以得出,γ射线的直接作用对抗性基因去除的贡献为42%~53%,对红霉素去除的贡献为16%,表明抗性基因的去除机制为γ射线的直接作用和激发水分子产生的·OH、eaq-等活性自由基的间接作用;而对于抗生素的去除,主要作用机制为自由基反应。

表4.1 比较辐照处理干菌渣和湿菌渣对红霉素和抗性基因的去除效率

单位:%

样品

去除率(吸收剂量为30 kGy)

红霉素

ereA

ermB

mefA

mpfB

总抗性基因

湿菌渣

55.7

89.8

93.2

94.9

93.1

93.3

干菌渣

9.1

37.9

47.6

50.3

43.1

47.0

图4.3为辐照过程中菌渣中蛋白质和多糖含量以及元素组成变化。可以看出,随着吸收剂量的增加,菌渣中蛋白质浓度略有降低,多糖浓度有所增加;C元素含量降低,O和N元素增加,H元素基本不变。红外光谱(见图4.4)分析表明,菌渣中特征官能团的位置和形状基本没有改变,只是强度降低。上述结果表明,电离辐照对红霉素菌渣的性质尤其是营养物质含量没有显著影响,不会影响辐照后菌渣作为肥料再利用。

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图4.3 辐照过程中菌渣中蛋白质和多糖以及元素组成变化

 

 

图片关键词 

图4.4 辐照前后红霉素菌渣的红外光谱

(三)电离辐照处理头孢菌渣的研究结果

头孢菌渣的性质如下:含水率91%,TSS含量40 g/L,VSS/TSS为88%,蛋白质和多糖浓度为9.6 g/L和31.0 g/L。菌渣中检出的药物活性物质头孢菌素C(CEP-C)的浓度为216±18mg/L。在分析的7种头孢类抗性基因(acrA、acrB、tolC、mexA、pbp5、mecA和blaCTX)和5种青霉素类抗性基因(penA、pbp、pbp2X、ampC和cepA)中,头孢菌渣中只检测出头孢类抗性基因tolC,其绝对和相对丰度分别为2.5×102 copies/mL和1.4%。tolC的绝对丰度比红霉素菌渣中大环内酯类抗性基因丰度低4~6个数量级。

由图4.5可以看出,随着辐照吸收剂量、热处理反应时间和臭氧剂量的增加,菌渣中头孢菌素C的浓度开始显著降低,超过一定剂量、反应时间后,降低速度趋于缓慢。辐照吸收剂量为100 kGy和150 kGy时,头孢菌素C的去除率为85.5%和94.2%。60 ℃和90 ℃下反应4小时,头孢菌素C的去除率为71.9%和87.3%。臭氧剂量为10.4 g O3/L时,头孢菌素C的去除率为79.9%。电离辐照对菌渣中抗生素的去除效果优于热处理和臭氧处理。

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图4.5 不同处理技术(γ射线辐照、热处理、臭氧)下,头孢菌素C浓度变化

电离辐照对菌渣中抗性基因tolC也具有较好的消除效果。如图4.6所示,γ射线辐照100 kGy,热处理4小时以及臭氧氧化2小时后,tolC的绝对丰度减小了74.2%、26.9%~37.1%和64.6%。而且,电离辐照可使tolC的相对丰度由1.4%显著减小到0.2%。60 ℃下热处理可使tolC的相对丰度降至0.3%,但90 ℃热处理和臭氧氧化反而使tolC的相对丰度增加到4.0%和1.6%,这表明高温和臭氧氧化对其他基因的破坏效果强于tolC。

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图4.6 初始头孢菌渣以及γ射线辐照100 kGy,热处理4小时以及臭氧氧化2小时后,菌渣中抗性基因的绝对和相对丰度

表4.2列出了初始菌渣以及电离辐照、热和臭氧处理后,菌渣混合液以及上清液中COD、多糖和蛋白质的浓度。可以看出,大部分COD、蛋白质和多糖(63%~72%)存在于上清液中,这些物质主要来源于发酵培养基。电离辐照和热处理使菌渣混合液的蛋白质和多糖含量有少量降低,但在上清液中的浓度有所增加,这表明微生物细胞破碎和溶解将胞内蛋白质和多糖释放到溶液中。但臭氧氧化使菌渣中的COD和多糖含量显著减小,表明臭氧的强氧化作用虽然可去除抗生素和抗性基因,但也会降低菌渣中营养物质的含量。

表4.2 初始菌渣以及电离辐照、热和臭氧处理后,菌渣中COD、多糖和蛋白质的浓度

单位:g/L

样品

COD

多糖

蛋白质

总量

上清液

总量

上清液

总量

上清液

初始菌渣

159.0±7.7

100.7±4.7

31.0±3.3

19.5±1.9

9.6±0.5

6.9±1.1

γ辐照-50 kGy

155.8±6.1

113.0±3.6

29.8±3.8

20.5±2.7

10.9±0.8

9.2±1.1

60oC-8 h

166.5±5.7

104.7±2.9

29.2±3.0

21.6±1.1

8.8±0.3

7.4±0.7

90oC-4 h

164.8±4.2

102.8±1.5

32.2±2.0

22.6±1.2

9.4±0.4

6.9±0.3

Ozone-2 h

144.5±3.4

97.7±0.2

23.5±1.6

16.5±2.1

10.7±0.1

6.6±0.5

四、电离辐照处理抗生素菌渣的初步结论

γ射线辐照处理红霉素菌渣和头孢菌渣的研究结果表明,电离辐照可有效去除菌渣中抗生素和抗性基因以及杀灭菌渣中的微生物。对于红霉素菌渣,吸收剂量为10 kGy时,99%的微生物失去活性,耐药菌全部失活;吸收剂量为30 kGy时,红霉素去除率为56%,4种大环内酯类抗性基因的去除效率为90%~95%。对于头孢菌渣,通过比较电离辐照与热处理(60℃和90℃)以及臭氧氧化对菌渣的处理效果发现,吸收剂量为100 kGy时,头孢菌素C的去除率为85.5%,抗性基因tolC绝对丰度减小了74.2%,均优于热处理和臭氧氧化。电离辐照对菌渣中的蛋白质和多糖含量基本没有影响,不会影响菌渣作为肥料再利用。需要指出的是,因菌渣中残留的抗生素浓度较高,尽管去除效率较高,但在本文研究的吸收剂量下,辐照不能彻底去除菌渣中的抗生素,需要进一步提高辐照处理的吸收剂量或研究电离辐照协同其他技术,强化抗生素的去除。

五、电子束辐照处理抗生素菌渣的应用

在上述研究基础上,2019年中广核达胜加速器技术有限公司与清华大学核能与新能源技术研究院合作,在新疆伊犁川宁生物技术公司建设了电子束无害化处理抗生素菌渣的示范工程。设计规模为每天处理5000吨湿菌渣。目前。该项目已经完成土建施工,正在进行自屏蔽电子加速器的安装和调试。该项目建成后有望为我国抗生素菌渣的无害化和资源化处理起到良好的示范作用。


第五章 抗生素菌渣的资源化与安全性


一、引言

我国是抗生素原料药生产和出口大国,总产量居世界首位。全球75%的青霉素工业盐、80%的头孢菌素、90%的链霉素均来自中国。目前我国每年发酵类抗生素生产排放的菌渣约300万吨。

抗生素菌渣主要是灭活菌丝体、残余培养基、微生物代谢产物及少量残留的抗生素母体化合物,菌渣如不妥善处理直接进入环境,其中残留的抗生素母体化合物就会通过引发环境中细菌耐药而产生潜在的环境风险和人类健康风险,因此我国在2008年将抗生素菌渣列入《国家危险废物名录》。

抗生素菌渣富含有机质,是非常宝贵的资源,但目前国内尚无抗生素菌渣中抗生素母体化合物残留标准检测方法、菌渣危险特性鉴别标准、菌渣处置与利用污染控制技术规范,长期以来缺乏系统有效的无害化处理与资源化利用技术、科学的安全风险评估方法。目前,尽管绝大多数抗生素菌渣能够按照危险废物的管理要求进行焚烧处理,由于菌渣含水率高,焚烧处理不仅成本很高,处理过程存在二次污染风险,而且造成资源的严重浪费。目前,抗生素菌渣处理难题已制约着抗生素原料药行业的健康发展。

二、抗生素菌渣无害化工艺

(一)热化学处理

水热反应是在密闭系统中较高温度和压力下进行的多相化学反应。通过水热反应,可以将污染物进行预处理,提高其后续生化处理效率,也可以直接去除有机污染物,将有机废物进行减量化,同时回收有用物质。林可霉素菌渣的水热处理效果如图5.1所示。

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图5.1 在不同初始浓度下林可霉素的水热处理效果([H2SO4]=0.6M,温度=150℃)

在高温高压状态下,水的反应活性很强,能够使复杂高分子物质的化学键断裂并将其转化成小分子物质。水热处理破坏了菌渣中菌丝体细胞,促进了多糖、蛋白质等有机质及氮、磷等营养元素的释放;水热温度、反应时间和酸浓度是影响菌渣水热处理效能的主要因素。在反应温度150~160℃、反应时间为150~160min、H2SO4浓度为0.5~0.6M条件下,林可霉素去除率达95%以上。林可霉素菌渣经水热处理后,其中的林可霉素抗性基因(ermB、intI1、lmrA、lunA、vgaC、lmrB、lnuB)和可移动遗传因子(Tn916/1545)去除率大于99%(以绝对丰度计算)(见图5.2)。

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图5.2 菌渣水热处理过程中林可霉素抗性基因和可移动遗传因子绝对丰度变化(反应温度150℃,酸浓度0.6M)

(二)微波处理

微波处理抗生素菌渣不仅可以改善菌渣的脱水性能,而且在菌渣养分得以保持的同时可以去除菌渣中的抗生素残留。微波加热速度快,微波产生的热能直接来源于电介质内部,相比于传统的传导对流加热方式具有更高的能量输出。微波去除头孢菌素菌渣中头孢菌素C的效果如图5.3所示。

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图5.3 不同微波功率条件下菌渣中头孢菌素C的去除规律

图3中头孢菌素菌渣初始含水率为90%,头孢菌素C初始浓度约为420 mg/kg。功率对微波降解头孢菌素C的速度产生影响。总体来看,头孢菌素C在微波作用下降解速度较快,在300~700W功率下,微波辐射15 min菌渣中的抗生素降解率均超过99.9%,这与头孢菌素C的热不稳定以及头孢菌素C的极性分子结构有利于微波能的吸收有关。

(三)抗生素菌渣的堆肥化

堆肥化是在人工控制条件下,使来自生物的有机废物发生生物稳定作用的过程,有机固体废物通过堆肥化可以转变成稳定腐殖质。抗生素菌渣经过堆肥化处理,菌渣中的抗生素残留不仅能够得到有效去除,还可以产生优质有机肥。泰乐菌素菌渣在堆肥化过程中,堆内泰乐菌素残留量随堆肥时间的变化如图5.4所示。

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图5.4 堆肥化过程中泰乐菌素残留量随堆肥时间的变化(堆体1:菌渣∶污泥∶木屑=2∶2∶1.6;堆体2:菌渣∶污泥∶玉米秸秆=2∶1.5∶2)

堆肥化过程中泰乐菌素的降解速度较快,10天内泰乐菌素的降解率均在95%以上。堆肥腐熟后,泰乐菌素已基本完全被降解,其浓度已降至3.1~5.0μg/g,降解率约为99.8%。

泰乐菌素6种常见抗性基因在堆肥过程中的丰度变化见图5.5,耐药基因ermB、ermT、ermQ、mphA在堆肥结束后丰度均显著降低,但mefA和mdtA两种基因的丰度在堆肥结束后有所增加,说明堆肥化过程中一些微生物会产生耐药性,并且启动了外排泵机制,从而使得外排泵基因(mefA和mdtA)丰度增加。为了有效控制堆肥产品的环境风险,发酵后的堆肥应进行灭活处理。

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图5.5 堆肥化过程中泰乐菌素耐药基因的变化

(四)厌氧发酵

对于含水率高的菌渣,通过厌氧发酵既可以制取生物燃气,还可以使菌渣得到无害化处理。每天进料100mL青霉素菌渣的动态连续发酵过程其产气量随时间的变化如图5.6所示。

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图5.6 青霉素动态连续发酵过程日产气量的变化情况

青霉素菌渣经过厌氧发酵后,菌渣中残留的青霉素去除率达到95%以上,但沼液中存在青霉素的降解产物(见表5.1),这些降解产物也具有一定的活性,其环境风险也应该得到重视。

表5.1 沼液特性分析

指标

含水率

(%)

TS

(%)

C

(%TS)

N

(%TS)

C/N

青霉素残留量(mg/l)

青霉噻唑酸(mg/l)

青霉烷酸(mg/l)

1

98.74

1.26

40.67

6.99

5.82

2.62

144.52

0.96

2

98.63

1.37

39.23

6.81

5.76

2.52

148.81

0.97

3

98.69

1.31

41.03

6.94

5.91

2.56

147.78

0.95

三、 抗生素菌渣资源化途径

目前抗生素菌渣有两种比较安全的利用途径,即燃料化利用和肥料化利用。

(一)燃料化利用

含水率较高的红霉素菌渣、头孢菌素菌渣等可以通过厌氧发酵制取生物燃气(见图5.7),发酵产生的沼渣可以焚烧处理,也可以稳定处理后用作有机肥,但在作肥料利用前,必须通过种植试验针对菌渣有机肥施用对土壤性能、作物生长、是否引发细菌耐药等进行研究,完成有机肥使用的安全性评估。

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图5.7 抗生素菌渣燃料化利用途径

(二)肥料化利用

抗生素菌渣可以通过堆肥化制成有机肥,也可以通过物化处理制成有机肥原料,抗生素菌渣的肥料化利用途径如图5.8所示。无论通过哪种途径制取肥料,有机肥在利用前均要进行安全性评估。

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图5.8 抗生素菌渣肥料化利用途径

综上所述,虽然抗生素菌渣在我国按危险废物进行管理,但只要菌渣经过有效的技术手段进行无害化处理,去除其中残留的抗生素并使耐药菌得到灭活,有效控制抗生素菌渣引发和传播耐药基因的风险,菌渣就可以变废为宝,并为我国抗生素生产企业的健康发展奠定基础。


第六章 高性能分离膜技术及其在制药工业中的应用


膜技术是以高性能膜材料为核心的新型分离技术,具有能耗低、操作方便、运行稳定、分离效率高、环境友好等特点,已成为支撑环境污染治理、过程工业节能减排、人民健康保障等领域的关键共性技术之一,对传统产业改造的作用日趋明显。目前,全球高性能膜材料正向高性能、低成本及绿色化方向发展,与上下游产业的结合日趋紧密。我国从事分离膜研究的高校院所超过100家,从事分离膜材料生产的企业有300余家,以膜为核心的工程公司超过1000家,我国初步建立了较完整的膜产业链和创新链,膜市场已超过2500亿元规模。制药工业发展迅速,但仍面临着医药资源利用率低、生产工艺污染严重、高端产品依赖进口等制约因素,开发高效分离技术与集成工艺以提高医药资源利用率、发展绿色生产工艺已成为行业的迫切需求。膜主要分为水处理膜、特种分离膜、气体分离膜等,其中特种分离膜主要包括无机膜、耐溶剂的有机膜及有机无机复合膜等,特别适合过程工业物料的精密分离,因此本文以陶瓷膜、分子筛膜及PDMS复合膜等为例,介绍特种分离膜的技术现状及其在制药工业中的应用成效,以期推进膜技术在制药工业中的广泛应用,服务行业节能减排。

一、陶瓷膜技术及其在制药工业中的应用

(一)陶瓷膜技术简介

陶瓷膜是以陶瓷材料为介质,通过高温烧结制备而成的具有分离功能的半透膜,主要的制备技术有粒子烧结法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法等。按其孔径大小可分为微滤膜(>50nm)、超滤膜(2~50nm)和纳滤膜(<2nm),材质主要有Al2O3、TiO2、ZrO2等,通过不同材料、不同孔径的陶瓷膜可实现从微米尺寸(颗粒物、胶体、细菌、大分子有机物等)到纳米尺寸(病毒、胶质、分子、离子)物质的分离、浓缩和纯化。陶瓷膜的技术优势有:化学稳定性好,耐酸、耐碱、耐有机溶剂,抗氧化性好;机械强度高,在高压或大的压差下不会变形,耐磨,耐冲刷,并可用高压反向冲洗使膜再生;抗生物能力强,有很好的抑菌作用;耐高温,一般可在400oC下操作,最高可达到800oC以上;孔径分布窄,分离效率高。

高性能陶瓷膜主要体现在高渗透性、高选择性和低成本等方面,与陶瓷膜的多层结构、孔径大小及其分布、表面性质等有着密切关系。南京工业大学构建了“面向应用过程的陶瓷膜材料设计、制备与应用”理论,使陶瓷膜产品从材质到构型,从制备技术到传质理论模型,从产业化发展到应用领域开拓,都得到了迅速发展,培育了江苏久吾高科技股份有限公司。近年来,南京工业大学开发低成本高性能陶瓷膜元件,研制出精密分离的纳滤膜材料,丰富了膜表面性质,提高了陶瓷膜的抗污染性能。面向制药工业应用体系的需求,南京工业大学通过对陶瓷膜材料表面性质的优化设计,从制膜源头上实现对膜污染的有效控制,提高了膜渗透性和分离效率,扩大了膜应用领域。

(二)陶瓷膜在制药工业中的应用

1.在发酵液澄清中的应用

陶瓷膜技术是制药工业发酵液澄清的优选工艺。采用陶瓷膜对发酵液进行错流澄清过滤,可以将澄清与除菌过程一步完成,对菌丝体、中间代谢产物等大分子杂质的去除率高,得到的澄清液清澈透明,有利于提高产品质量,简化后续提取过程。陶瓷膜最早用于肌苷发酵液的澄清除杂,与板框过滤或离心分离相比,陶瓷膜技术的肌苷收率从85%提高到90%以上,吸附剂用量和酸碱洗脱剂用量均减少60%,废水排放减少2/3,回收菌体蛋白后废水COD降低60%。随着陶瓷膜技术的快速发展,更高分离精度的陶瓷超滤膜和纳滤膜产品研发成功,在氨基酸、抗生素等提取过程中得到广泛应用。例如,采用陶瓷纳滤膜处理林可霉素碱化液,产品回收率高于97%,蛋白和色素的截留率高,减轻后续树脂工艺的负荷。在膜法抗生素生产工艺中,一般采用孔径50nm的陶瓷膜过滤分离技术以对发酵液进行澄清分离,去除发酵液中的大分子物质,如菌丝、蛋白质等,然后再采用卷式超滤膜对发酵液进一步纯化,除掉一些小分子杂质,两段膜除杂工艺导致运行成本偏高。采用孔径8nm陶瓷膜实现一步除杂过滤,在棒酸发酵液处理过程中收率较两段膜工艺提高2.5%,运行成本降低50%以上。

2.在中药精制中的应用

中药体系是一个复杂化学组分库,既存在生物碱、黄酮、苷等小分子物质,也存在多糖、蛋白质、淀粉等大分子物质,提高中药药效物质的分离效率是中药绿色制造的技术关键。在中药制药过程中,陶瓷膜技术主要用于中药提取液的精制,具体作用分为取代机械过滤和取代水提醇沉工艺两大类。前者与发酵液澄清原理类似,以返魂草颗粒剂为例,通过陶瓷膜除杂技术和反渗透浓缩技术所制备的干浸膏粉中绿原酸和咖啡酸的含量分别提高了37.6%和34.0%;每吨返魂草水提液精制比传统工艺成本可节约72.6%。目前陶瓷膜技术已在金银花、连翘、板蓝根、益母草、贞芪扶正、肺宁颗粒等生产过程中得到工业应用。

中药生产大多需经煎煮水提,水提液中含有悬浮及可溶性杂质,通过醇沉除杂处理后方可制成各种剂型成药,水提醇沉工艺中药总固体及有效成分损失严重,乙醇用量大且回收率低,生产周期长。采用陶瓷膜技术可替代水提醇沉工艺除去鞣质、淀粉、树脂等杂质,澄明度提高,有效成分含量也有所增加。例如采用孔径0.2 μm陶瓷膜进行重楼乙醇提取液过滤分离已作为宫血宁胶囊法定工艺列入《中国药典》。以300m3/日某中药提取液精制为例,陶瓷膜工艺比醇沉工艺操作周期缩短40%,乙醇消耗减少40%,有效成分回收率达99%以上,生产周期可大幅缩短,能耗降低10%,资源利用率提高15%,劳动生产率提高30%以上。

3.陶瓷膜用于制药废水的处理

制药工业在生产过程中会产生大量较难处理的废水,陶瓷膜以其耐高固含量、耐化学性较好等优势,在制药废水中可帮助有效成分的资源化利用,用于酸碱废水减量化处理等,不仅可以解决环保问题,也可以实现资源的合理化再利用,变废为宝,为企业减排增收和绿色生产提供新的方法。维生素B2生产过程产生的废水呈黄色黏稠状体,COD和氨氮均较高,分别为41000mg/L和2310 mg/L,pH 5.2,且废水中还残留维生素B2,采用传统的蒸发浓缩和生化工艺,存在维生素B2损失、浓渣难以处理、COD高和生化压力大等问题。采用以陶瓷膜为核心的双膜法废水处理技术,清液COD降至10000mg/L,BC值高,易于生化处理;回收的蛋白饲料和维生素B2干粉较原工艺产生3~4倍的副产价值。制药工业生产过程会产生酸碱废水,往往通过中和形成盐的方式解决酸碱废水问题,酸碱的消耗和排放不仅带来经济损失和资源浪费,也产生了更多的环保问题,特别是在限盐较为严苛的地域,影响生化含盐量。采用陶瓷纳滤膜可实现酸碱废水的减量化,可回收80%以上的酸液或碱液,实现循环利用,节约资源。

陶瓷膜技术在生物发酵液过滤、中药提取液精制、废水治理等方面已取得成功应用,随着小孔径陶瓷超滤膜、陶瓷纳滤膜的发展,可实现一步法提取精制发酵产品,也可用于热源、病毒去除以及挥发油富集液的油水分离等过程,成为推进制药行业绿色发展的关键技术之一。

二、分子筛膜技术在制药工业中的应用

(一)分子筛膜简介

分子筛膜具有规则微孔道结构,主要成分为硅铝酸盐,表现出高的渗透通量、选择性和稳定性,是理想的溶媒脱水膜材料。NaA分子筛膜的孔径小于1 nm,利用孔道的选择性吸附-扩散和筛分特性,实现水组分的优先分离,不受分离体系汽液平衡的限制,单级分离效率高,特别适合恒沸、近沸混合物的分离,节能减排优势十分明显。南京工业大学长期致力于溶剂脱水分子筛膜的研究,先后开发出管式和中空纤维膜两代分子筛膜产品。针对分子筛膜制备的成品率问题,开发出组合晶种涂覆方法,实现了NaA分子筛膜的大规模生产,培育了江苏九天高科技股份有限公司;发明了四通道中空纤维分子筛膜,解决了中空纤维膜在工业应用中的机械强度问题;提出了一体化膜组件的整体合成策略,实现了中空纤维分子筛膜组件的规模化生产,使装填密度高达250 m2/m3。

(二)在制药工业中的应用

制药工业大量使用乙醇、异丙醇、乙腈、四氢呋喃等溶媒,这些溶媒需要脱水后循环利用。传统工艺主要采用加碱脱水、萃取精馏、恒沸精馏或加盐精馏等方法进行脱水回收,但这些方法存在工艺复杂、能耗高、污染严重等问题,且引入第三组分导致产品质量难以控制。分子筛膜溶剂脱水是一种新型分离技术,具有高效节能、操作方便、过程易于控制、便于放大与集成等优点,用于医药溶媒回收具有高度节能、设备占用空间小、操作方便、无污染物排放等优势。

1.NaA膜脱水的典型工艺

以5000吨/年异丙醇脱水回收为例,介绍NaA分子筛膜在溶剂回收中的应用,工艺示意如图6.1所示,所用膜及装置如图6.2所示。该系统由10个装填面积为7 m2的折流板式膜组件串联构成,总装填膜面积为70 m2。异丙醇原料以500~1000 L/h的流量经预热器预热后进入蒸发器,过热至95~110℃后进入NaA膜组件,将异丙醇含水量由约17 wt%脱水至2 wt%以下。异丙醇溶液经过前四级膜组件脱水后,含水量降至6 wt%,其渗透液进入前级冷凝器;后四级膜组件进一步脱水后达到2 wt%以下,对应的渗透液进入后级冷凝器。原料侧压力为0.1~0.3 MPa(绝压),保持原料为气相;渗透侧通过真空泵保持压力为2000~3000 Pa(绝压),透过膜的水分子在冷凝器中经-10~0℃载冷剂冷却后进入收集罐,回收工艺中能量综合利用。

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图6.1 NaA分子筛膜异丙醇脱水工业装置流程

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图6.2 NaA分子筛膜(a)和膜分离成套工业装置(b)

2.与传统脱水技术的比较

以头孢生产中异丙醇脱水回收利用为例,制药工业异丙醇脱水常采用加片碱(氢氧化钠)萃取精馏的方式,即先将废异丙醇溶媒经片碱吸水后,片碱与异丙醇溶液分层,对上层异丙醇再进行蒸馏除去固体杂质。片碱法将含水量由17 wt%低至3 wt%以下,NaA分子筛膜可降到2%以下,片碱脱水与NaA分子筛膜脱水用于5000吨/年异丙醇脱水回收运行成本的对比如表6.1所示。与片碱脱水工艺相比,NaA分子筛膜脱水节省运行成本60%,过程无废弃物排放,使用膜技术后可减排碱性废水1000吨/年,节约蒸汽2500吨/年、片碱1500吨/年,大大降低环保压力,同时操作简单,操作人员工作强度显著降低,具有明显的技术经济性。

表6.1 异丙醇溶媒脱水技术运行成本分析


片碱脱水

NaA分子筛膜脱水

片碱消耗(元/吨产品)

520

0

膜更换费用(元/吨产品)

0

156

蒸汽消耗(吨/吨产品)

0.75~0.8

0.2~0.3

电耗(千瓦时/吨产品)

5

95

总操作费用(元/吨产品)

650

299

废弃物排放

产生废碱液

操作难易程度

操作工序复杂、需多人操作

设备紧凑、过程连续、仅需1人现场维护

由此可见,NaA分子筛膜脱水技术不仅解决了医药企业溶媒脱水回收的问题,而且实现了节能减排,促进了传统工艺的技术升级,可创造良好的经济和社会效益。目前NaA分子筛膜脱水技术已应用于甲醇、乙醇、异丙醇、乙腈、四氢呋喃等十多种溶剂的脱水,可以使溶剂的水含量达到50 ppm以下,工业装置200余套,单套膜设备的处理能力达到50000吨/年,多套装置已连续稳定运行5年以上。分子筛膜技术回收利用的溶剂总量已达100万吨以上,成为解决医药溶媒脱水回收的优先选择技术。

三、PDMS复合膜技术及其在制药工业中的应用

(一)PDMS复合膜技术

PDMS(聚二甲基硅氧烷)是具有-Si-O-Si-结构的橡胶态聚合物,可利用不同的有机气体如烷烃、芳香烃、酯类、醚类、酮类、氯代烃类与氮气、氧气等常规气体在PDMS膜层中渗透速率的差异实现选择性分离,从而达到富集回收有机组分的目的。由于机械强度受限,PDMS膜材料通常涂覆在多孔陶瓷膜、聚醚酰亚胺膜(PEI)、聚偏氟乙烯膜(PVDF)、聚丙烯腈膜(PAN)或聚四氟乙烯膜(PTFE)等基材表面以复合膜的形式实现工业化应用。

PDMS复合膜具有优先选择性透过有机物膜的功能,可以与传统治理VOCs的冷凝、吸收或燃烧等技术进行耦合使用,以期在VOCs达标治理基础上实现有机物的回收利用最大化。南京工业大学及其衍生公司南京九思高科技有限公司将PDMS与陶瓷膜复合研发出有机无机复合膜,在VOCs回收工程应用中创造性地开发出卷式PDMS膜导电性进料侧和渗透侧格网,解决了卷式膜组件内静电不能及时消除的问题,膜组件的防爆等级超越国内外所有的同类产品,达到“本安型”水平,为PDMS复合膜在VOCs治理过程中大规模推广应用奠定了良好的基础。

(二)在制药工业VOCs回收中的应用

制药工业VOCs的回收再利用对于减轻环境污染、改善生态环境及降低企业生产成本具有重要意义。制药工业VOCs的主要来源有真空脱溶过程排放气、反应釜排放尾气、物料转移和烘干过程排放气、化学品储运转移及装卸车过程排放气等。这些过程涉及的VOCs种类多,浓度高,产生源分散,因此应对有价值能够再利用的VOCs进行回收,对不易回收或浓度极低的尾气集中进行达标处理。在VOCs回收过程中耦合膜分离单元,强化有机溶剂的回收率被认为是一个切实可行的思路。基于PDMS复合膜技术的VOCs回收耦合工艺路线如图6.3所示。该工艺最大的特点是充分发挥各级工艺的优势:压缩吸收/冷凝单元适用于高浓度油气,重油吸收尤其适用于易结晶和低沸点组分;膜单元适用于中浓度油气,渗透侧高浓度油气返回前端强化吸收/冷凝效果,可精确控制渗余侧油气在一个极低的浓度;末端单元属于深度净化工艺,适用于低浓度油气,在前端二级处理的基础上,实现尾气达标排放。从现有的工程实践来看,VOCs的回收率通常可从60%提升至95%以上。

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图6.3 冷凝-膜分离强化回收VOCs工艺路线

1.用于丙酮的回收

丙酮尾气(10v%)经风机驱动在冷凝器内与-20℃的冷冻液换热后,部分丙酮液化被回收,浓度从10v%降至4v%,VOCs的回收率为60%;不凝气进入膜分离单元,在真空泵的抽吸作用下,以膜上下游侧丙酮组分的分压差为推动力,当渗余贫气的浓度降至0.2v%时,渗透富气中丙酮的浓度可提升至14v%,返回前端与来气混合后继续冷凝处理。由于膜技术的强化效果,丙酮的冷凝回收率从60%提升至97%;同时也减轻了后端达标治理的难度和负荷,既回收丙酮溶剂又实现了达标排放。

2.用于二氯甲烷的回收

二氯甲烷是制药工业中常见的VOCs组分,其沸点低,回收难度大,同时焚烧处理可能会带来二噁英及设备腐蚀等问题。以处理浓度为20v%的二氯甲烷尾气为例,尾气经过增压后进入冷凝器,部分二氯甲烷被液化回收,不凝气进入膜组件,VOCs浓度从3.5v%降至0.2v%,此时膜渗透侧富气中二氯甲烷的浓度可富集至12v%,返回前端与来气混合后继续冷凝;膜渗余侧贫气经变压吸附处理后浓度可降至0.001v%以下,满足国家要求的排放指标。该工艺简单,安全性高,技术成熟,能够同时实现VOCs的回收和达标治理,图6.4是二氯甲烷尾气回收治理成套装备的照片。

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图6.4 膜法二氯甲烷尾气回收治理成套装备

近年来,PDMS膜回收VOCs技术已应用于二氯甲烷、异丙醚、丙酮、乙酸乙酯、正己烷、乙腈、甲醇、乙醇、异丙醇、甲苯等十多类尾气的回收与治理,已逐步成为支撑制药工业绿色发展的关键性技术。

四、结束语

膜技术具有分离效率高、能耗低、膜组件结构紧凑、操作方便、分离范围广等优点,特别适用于解决制药行业中面临的诸多制约因素。但膜技术要在制药工业中发挥重要作用,还须进一步解决膜材料的分离因子与渗透性能的相互制约、膜生产成本和放大过程中的稳定性、极端环境下的膜使用寿命等问题,建立面向制药工业应用需求的膜材料设计与制备方法,通过精密构筑膜微结构、调控膜表面性质进一步降低膜生产成本和运行成本。

膜技术不仅可应用于制药行业涉及的液体分离领域如制药用水制备,中西药物及生物医药的提取、分离与浓缩,血液净化及分离,药物释放控制,热原与病毒去除,制药废水处理等,而且可应用于气体分离领域如空气灭菌及净化、VOCs的回收利用、超细粉尘的收集等,可大幅提高医药资源利用率,有效解决制备行业中的污染问题,对于推进我国制药工业的健康快速发展将发挥重要作用。


第七章 新膜处理抗生素生产废水的应用前景


抗生素是微生物(包括细菌、真菌、放线菌)在生长过程中产生,并具有能够抑制或干扰致病菌生存能力的化学物质,因此作为抑菌或杀菌类药物,抗生素已被广泛用于治疗和预防传染病。此外,抗生素还广泛被用作牛、猪、家禽和鱼类等动物的生长促进剂。从1929年第一种抗生素青霉素被发现以来,抗生素的种类和使用量正快速增加,现在已经发现的抗生素种类已多达几千种,多为四环素类、磺胺类、氯酶素类、喹诺酮类和大环内酯类等。抗生素进入水环境中会诱导生物体产生抗性基因,抗性基因的传播会增强细菌对抗生素的抵抗力,并导致现有药物治疗无效,因此其对水生生物以及人类产生的潜在风险不容忽视。近年来,随着环境领域痕量化合物相关检测分析能力的提高和人们环保观念革新,被归类为药物和个人护理品(PPCPs)污染物的抗生素在水环境中的残留和环境行为、暴露及生态的影响引起了广泛关注。

一、我国抗生素废水及污染现状

我国是抗生素的最大生产和消费国家,其抗生素消费量和生产量居世界之首,据报道,2017年我国抗生素市场规模达到2200亿元,同比增长10.1%。有研究报道我国包括抗生素在内的处方药所占比例高达70%,远远高于西方国家处方药所占比例(仅为30%左右)。同时,我国抗生素人均年消费量达到138 g,约是欧洲的2倍和美国的10倍。现阶段的研究表明我国主要河流、湖泊以及沉积物等各种水体环境中以及地下水中均已检测到痕量抗生素。Du等报道南黄海盐城沿海地区共检测出25种抗生素,总浓度高达 1349 ng/L,其中氟喹诺酮类和磺酰胺类是最主要的污染物类别,分别占抗生素总量的46.5%和21.4%。Yao等发现江汉平原地下水遭受不同程度的抗生素污染,以氟喹诺酮类和四环素类为主,最高能够达到212 ng/L,此外江汉平原地区的抗生素暴露已经对藻类构成了重大生态风险。

制药厂废水是水环境中抗生素的主要来源之一。目前我国生产抗生素的企业众多,2017年我国抗生素市场规模达2200亿元,同2016年相比增长10.1%,抗生素产量占世界产量的20%~30%。虽然我国是全球第一大化学原料药生产国,但大多数企业生产规模较小,工艺落后,其中生产每吨抗生素需要消耗6吨化学原料,基准排水量高达500~6500m3。受限于工艺技术水平,抗生素生产废水成分复杂,含有大量有机物、硫酸盐和高浓度抗生素残留,呈现高化学需要量(COD)、高盐度、高固体悬浮物和生物毒性,是一种高浓度有机废水。

目前制药厂抗生素生产废水一般采用物化处理、生物氧化处理、高级氧化处理法等。物化法和高级氧化法虽然能够实现无害化处理,但是废水处理成本过高,难以实现长效运行。而现有的生物氧化法虽然处理成本较低,但是出水难以达标排放,并且伴随抗生素抗性细菌和抗性基因的传播,城市废水处理厂已成为抗生素释放到水环境中的主要来源之一。随着国家对环保行业的高度重视,出台了一系列的政策倒逼制药企业进行末端处理,例如《制药工业水污染物排放标准》要求COD排放标准由150 mg/L提高到120 mg/L;2018年1月1日实施的《环境保护税法》督促企业主动实施减排,制药企业将面临废水处理技术的创新与改进。因此,研制一种高效节能的污水处理体系对制药企业的发展意义重大。由于膜法分离技术具有分离、浓缩等功能,且处理过程无二次污染,因此在抗生素废水的深度处理、资源回收领域得到广泛关注。

二、膜分离技术在抗生素废水处理中的应用概况

膜分离技术是以具有选择透过性的膜材料作为核心,在膜两侧推动力下,实现混合物分离、提纯、浓缩的分离技术。膜法分离技术根据孔径大小,可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)膜。渗透性和选择性直接影响膜分离性能,膜选择性与多种机理有关,如尺寸筛分、道南平衡效应、优先吸附毛细孔理论和溶解扩散机理等。由于多数抗生素类污染物的尺寸和分子量低于UF/MF的截留分子量,加之由于抗生素的表面电荷和亲疏水性等因素,其容易穿透膜,因此UF/MF难以达到很好的去除效果。而NF/RO由于孔径筛分、道南平衡效应等对抗生素有较好的去除效果,因此作为一种抗生素废水常见的处理技术,各种研究表明NF/RO对典型的抗生素如喹诺酮类、磺酰胺类、四环素类和甲氧苄氨嘧啶去除率高达90%以上。Snyder等在中式装置上评估MF、UF、NF和RO对水中磺胺甲恶唑、红霉素等抗生素的去除效果,结果发现MF和UF对抗生素的去除效率较低,NF和RO对目标污染物有较高的截留效率。Chon等采用中试规模的市政废水回收系统研究UF/RO对磺胺甲恶唑(亲水性)的去除,由于目标污染物带有负电荷,膜的去除效率也很低。当使用表面带有负电荷的NF膜时,具有中性电荷但疏水性高的微污染物更易于去除。虽然RO/UF由于尺寸筛分作用能够截留大部分抗生素,但是疏水的或具有强氢键结合特性的抗生素吸附到膜上,进而渗透到另一侧,难以达到理想的去除效果。Sahar等研究MBR/RO和CAS-UF/RO工艺对6种抗生素的去除效果,发现UF/RO虽然能够显著提高工艺对污染物的截留效率,但是难以做到100%的截留。因此,需要考虑其他处理技术与UF/RO结合使用,以确保完全清除目标污染物。

(一)膜过滤耦合高级氧化工艺

高级氧化工艺(如芬顿、臭氧、紫外)已经被证实能够降解抗生素及抗性基因,将高级氧化技术与膜过滤结合不仅可以提高抗生素废水的处理能力,而且可以减弱膜过滤的渗透阻力,降低工艺运行成本,因此具有广阔的应用前景。Zhu等通过凝胶方法将CeO2-TiO2负载到陶瓷膜上,制备出连续且超光滑功能层的典型渐变多层中孔膜,应用于臭氧-超滤工艺,可显著提高四环素和腐殖酸的去除率。Ren等将TiO2纳米粒子负载到聚偏氟乙烯超滤膜,制备出光催化反应膜,能够提高抗生素尤其是抗性基因的去除率,同时膜的抗污染性能也显著提高。除了膜上负载催化剂外,高级氧化技术常和膜生物反应器联用,将高级氧化技术放置于膜生物反应器之前,进而提高抗生素废水的可生化性能。Elmolla和Chaudhuri利用光芬顿-SBR处理阿莫西林和氯西林废水,在光照时间90 min和水力停留时间12 h条件下,实现COD的89%的去除率,废水能够达标排放。

(二)膜化学反应器(MCR)

膜化学反应器(MCR)是借助膜生物反应器(MBR)的设计理念开发的一种新型污水处理技术,该工艺将高效膜分离技术与化学反应相结合,使传统的化学反应效率得以提高。现阶段膜化学反应器主要用于除硬、除浊和除硅等,其结合膜蒸馏、膜结晶等工艺,实现工业水的减量甚至“零排放”,该技术应用于抗生素废水处理中可以为抗生素资源回收利用提供全新的技术路线和解决方案。

(三)膜分离新工艺——正渗透

正渗透是一种新型的浓度驱动型膜分离过程,利用半透膜的渗透压差将水从低浓度溶液向高浓度溶液扩散的过程,具有低能耗、操作简单、盐截留率高和膜污染低等优点。近年来,正渗透由于优异的渗透选择性在能源、海水淡化、制药工业和废水处理中得到广泛的应用。利用现有的商业正渗透膜处理四环素废水能够实现四环素的99.0%的截留,其浓缩因子能够达到2.6,经正渗透浓缩的四环素废水能够通过结晶进行回收,实现废水的零排放和资源的回收利用。在膜蒸馏系统中利用正渗透膜处理四环素废水,能够实现四环素的99.9%的截留,运行过程中水回收能够达到15%~20%。

三、新型复合膜概述

膜材料的性质决定膜的分离性能,二维纳米材料作为一种新兴材料,由于具有极高的比表面积、薄的分离层,已成为膜材料研究的热点。基于物理共混、界面聚合和层层组装等方法,将二维纳米材料以沉积、填充或交联等方式沉积在高分子基膜表面,构筑新型复合分离膜,能够同时保持高通量和出色的截留率,从而消除分离膜在渗透性与选择性间的平衡效应。常见的二维纳米材料有石墨烯、金属有机框架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)和共价有机框架材料(Covalent Organic Frameworks,COFs)等。

(一)石墨烯

石墨烯是由单层碳原子组成、呈蜂窝状的二维纳米材料。自2004年被发现以来,石墨烯的材料已被开发并用于制备具有增强性能和新功能性的膜。尽管其具有出色的膜分离性能的独特性能,但其无孔结构而导致的阻力增加阻碍了其发展获得更高的通量。常用的方法是通过离子轰击和等离子刻蚀方法在石墨烯表面形成纳米孔,通过控制孔的尺寸、形状及修饰的官能团,实现通量和选择性间的调控,进而在气体分离、脱盐、水处理和生物传感等领域得到应用。例如,将石墨烯负载到反渗透膜聚酰胺层上,由于石墨烯纳米片具有高亲水性、化学稳健性和超快的水渗透性,因此能够显著提高膜的抗污染和抗老化能力。

Perreaulit等通过氧化石墨烯的羧基和聚酰胺活性层的羧基之间的酰胺偶联,将氧化石墨烯稳定负载到膜表面上,在原有通量不变的条件下,与细菌直接接触1小时后导致65%的细菌失活,能够显著提升膜的抗污染性能。MF/UF是水处理,常被用于污水处理,通过共混的方法将石墨烯掺杂到膜表面,进而提高膜的通量、机械强度和抗污染性能。Hu等通过石墨烯和氧化铝陶瓷管表面形成的共价键,将石墨烯均匀地负载到氧化铝陶瓷膜,水通量提高27.8%,并且呈现更优异的油水分离性能。

(二)MOFs

MOFs是一类由有机配体与金属通过自组装形成的晶体材料,由于其具有规整孔道结构、易于功能化修饰和高比表面积的特点,其在膜材料领域得到广泛应用。多样化的结构中心金属离子和有机配体使MOFs具有不同的结构和性质,使其在吸附或催化水中污染物领域得到广泛应用。现在,常通过共混、交联、界面原位聚合等方法将MOFs引入膜表面制备出MOFs复合纳滤膜。Efome等通过静电纺丝方法将MOF-808和MOF F300分别共混于聚丙烯腈膜和聚偏氟乙烯膜表面,制备出MOFs/聚合物纳米纤维复合膜,在保证高水通量的条件下,复合膜对铅离子和汞离子显示出很高的截留效果。Basu等在聚砜(PSF)膜表面通过原位聚合的方式制备出ZIF-8/PSF复合膜,其对硫酸镁和镇痛剂——对乙酰氨基酚的截留率分别为91%和55%,显示其在有机物和脱盐领域有较强的应用前景。

(三)COFs

COFs是一类具有内部规整孔道结构的新型二维晶形多孔材料,由于多样化的COFs材料的构筑基元,可以调控COFs的孔径、比表面积和内部微环境,因此可以将COFs引入界面聚合过程,制备性能优异的复合膜。Zhang等采用自下而上的界面聚合方法,通过将阳离子单体与席夫碱反应结合来合成EB-COF,通过表面真空过滤制备出复合膜,其对于阳离子染料罗丹明B、亚甲基蓝和N、N-二甲基-对苯二胺二盐酸盐的截留率分别为99.6%、99.2%和98.1%。Yang等采用混合组装方式将纳米多孔二维-COF负载在柔性的一维纳米纤维素片层上,在提升膜机械强度、实现膜的高选择性同时,在染料去除和脱盐等领域展现出优异的分离效果。

四、展望

水环境抗生素污染已成为全球热点话题。我国是制药大国,但是由于工艺不成熟,废水排放量大,制药厂废水排放已成为水环境抗生素主要来源之一。抗生素生产废水治理工作是水生态环境保护的重要内容,是生态文明建设的重要组成部分。膜法分离技术是解决我国抗生素生产废水的水量大、成分复杂、处理成本高和耐药基因传播风险等问题的有效技术,但是现阶段新型膜技术发展仍然面临诸多挑战:①抗生素在纳米复合膜等中的传递原理和分离机制还有待探究;②纳米复合膜在水中的易溶胀进而导致剥离,纳米颗粒的生物安全性亟须重视;③新型复合膜的工业化生产存在难题。

以膜材料和膜技术的创新为方向,加大新型膜材料的开发力度,研发抗生素生产废水新复合膜处理技术,开展新型膜组件的研发,同时重视膜过程中的废物处置。废水减排和资源化是抗生素工业废水处理的必由之路,基于新型膜技术的开发和利用,面向国家的新要求建设新型抗生素废水水厂,实现废水的零排放,进而提升我国抗生素废水治理的核心技术水平。




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