Analyse complète de la technologie des eaux usées pharmaceutiques

Les eaux usées de l'industrie pharmaceutique comprennent principalement les eaux usées de production d'antibiotiques et de médicaments de synthèse. Elles se répartissent en quatre catégories principales : les eaux usées de production d'antibiotiques, les eaux usées de production de médicaments de synthèse, les eaux usées de production de médicaments brevetés chinois, les eaux de lavage et les eaux usées de lavage issues de divers procédés de préparation. Ces eaux usées se caractérisent par une composition complexe, une teneur élevée en matières organiques, une forte toxicité, une couleur intense, une forte salinité, des propriétés biochimiques particulièrement médiocres et un rejet intermittent. Ce sont des eaux usées industrielles difficiles à traiter. Avec le développement de l'industrie pharmaceutique chinoise, les eaux usées pharmaceutiques sont progressivement devenues une source importante de pollution.

1. Méthode de traitement des eaux usées pharmaceutiques

Les méthodes de traitement des eaux usées pharmaceutiques peuvent être résumées comme suit : traitement physico-chimique, traitement chimique, traitement biochimique et traitement combiné de diverses méthodes, chaque méthode de traitement ayant ses propres avantages et inconvénients.

Traitement physique et chimique

Selon les caractéristiques de qualité de l'eau des eaux usées pharmaceutiques, un traitement physico-chimique doit être utilisé comme procédé de prétraitement ou de post-traitement du traitement biochimique. Les méthodes de traitement physico-chimique actuellement utilisées comprennent principalement la coagulation, la flottation à l'air, l'adsorption, l'extraction de l'ammoniac, l'électrolyse, l'échange d'ions et la séparation membranaire.

coagulation

Cette technologie est une méthode de traitement de l'eau largement utilisée en Chine et à l'étranger. Elle est largement utilisée dans le prétraitement et le post-traitement des eaux usées médicales, telles que le sulfate d'aluminium et le sulfate polyferrique dans les eaux usées de la médecine traditionnelle chinoise. La clé d'un traitement de coagulation efficace réside dans la sélection et l'ajout appropriés de coagulants aux performances excellentes. Ces dernières années, l'orientation du développement des coagulants est passée des polymères de faible poids moléculaire aux polymères de haut poids moléculaire, et de la fonctionnalisation monocomposant à la fonctionnalisation composite [3]. Liu Minghua et al. [4] ont traité la DCO, les MES et la chromaticité du liquide résiduaire avec un pH de 6,5 et un dosage de floculant de 300 mg/L avec un floculant composite à haute efficacité F-1. Les taux d'élimination étaient respectivement de 69,7 %, 96,4 % et 87,5 %.

flottation à l'air

La flottation à air comprend généralement diverses formes telles que la flottation à air aéré, la flottation à air dissous, la flottation chimique et la flottation électrolytique. L'usine pharmaceutique de Xinchang utilise un dispositif de flottation à air vortex CAF pour prétraiter les eaux usées pharmaceutiques. Le taux moyen d'élimination de la DCO est d'environ 25 % avec des produits chimiques adaptés.

méthode d'adsorption

Les adsorbants couramment utilisés sont le charbon actif, le charbon actif, l'acide humique et la résine d'adsorption. L'usine pharmaceutique Jianmin de Wuhan utilise l'adsorption des cendres de charbon (un procédé de traitement biologique aérobie secondaire) pour traiter les eaux usées. Les résultats ont montré un taux d'élimination de la DCO après prétraitement par adsorption de 41,1 % et une amélioration du rapport DBO5/DCO.

Séparation membranaire

Les technologies membranaires comprennent l'osmose inverse, la nanofiltration et les membranes à fibres pour récupérer les matières utiles et réduire les émissions organiques globales. Cette technologie se caractérise par un équipement simple, un fonctionnement pratique, l'absence de changement de phase ni de changement chimique, une efficacité de traitement élevée et des économies d'énergie. Juanna et al. ont utilisé des membranes de nanofiltration pour séparer les eaux usées contenant de la cinnamycine. Ils ont constaté que l'effet inhibiteur de la lincomycine sur les micro-organismes présents dans les eaux usées était réduit et que la cinnamycine était récupérée.

électrolyse

Français La méthode présente les avantages d'une efficacité élevée, d'un fonctionnement simple et autres, et l'effet de décoloration électrolytique est bon. Li Ying [8] a effectué un prétraitement électrolytique sur le surnageant de riboflavine, et les taux d'élimination de la DCO, des SS et de la chrominance ont atteint respectivement 71 %, 83 % et 67 %.

traitement chimique

Lors de l'utilisation de méthodes chimiques, l'utilisation excessive de certains réactifs est susceptible d'entraîner une pollution secondaire des masses d'eau. Par conséquent, des recherches expérimentales pertinentes doivent être menées avant la conception. Les méthodes chimiques comprennent la méthode fer-carbone, la méthode d'oxydoréduction chimique (réactif de Fenton, H₂O₂, O₃), la technologie d'oxydation profonde, etc.

Méthode du fer et du carbone

L'exploitation industrielle montre que l'utilisation du Fe-C comme étape de prétraitement des eaux usées pharmaceutiques peut améliorer considérablement la biodégradabilité des effluents. Lou Maoxing utilise un traitement combiné fer-microélectrolyse-anaérobie-aérobie-flottation à air pour traiter les eaux usées de produits pharmaceutiques intermédiaires tels que l'érythromycine et la ciprofloxacine. Le taux d'élimination de la DCO après traitement au fer et au carbone était de 20 % et l'effluent final est conforme à la norme nationale de premier ordre « Norme intégrée de rejet des eaux usées » (GB8978-1996).

Traitement des réactifs de Fenton

La combinaison de sel ferreux et de H₂O₂ est appelée réactif de Fenton. Il permet d'éliminer efficacement les matières organiques réfractaires impossibles à éliminer par les technologies traditionnelles de traitement des eaux usées. Grâce à l'approfondissement des recherches, la lumière ultraviolette (UV) et l'oxalate (C₂O₄₄), entre autres, ont été introduits dans le réactif de Fenton, ce qui a considérablement amélioré sa capacité d'oxydation. En utilisant du TiO₂ comme catalyseur et une lampe à mercure basse pression de 9 W comme source lumineuse, les eaux usées pharmaceutiques ont été traitées avec le réactif de Fenton. Le taux de décoloration était de 100 %, le taux d'élimination de la DCO était de 92,3 % et la concentration de composé nitrobenzénique est passée de 8,05 mg/L à 0,41 mg/L.

Oxydation

Cette méthode permet d'améliorer la biodégradabilité des eaux usées et d'obtenir un meilleur taux d'élimination de la DCO. Par exemple, trois eaux usées traitées avec des antibiotiques, comme celles de Balcioglu, ont été traitées par oxydation à l'ozone. Les résultats ont montré que l'ozonation des eaux usées augmentait non seulement le rapport DBO5/DCO, mais aussi que le taux d'élimination de la DCO était supérieur à 75 %.

Technologie d'oxydation

Également connue sous le nom de technologie d'oxydation avancée, elle rassemble les derniers résultats de recherche dans les domaines modernes de la lumière, de l'électricité, du son, du magnétisme, des matériaux et d'autres disciplines similaires, notamment l'oxydation électrochimique, l'oxydation humide, l'oxydation en eau supercritique, l'oxydation photocatalytique et la dégradation par ultrasons. Parmi ces dernières, la technologie d'oxydation photocatalytique ultraviolette présente les avantages d'être innovante, très efficace et sans sélectivité pour les eaux usées, et est particulièrement adaptée à la dégradation des hydrocarbures insaturés. Comparé aux méthodes de traitement telles que les rayons ultraviolets, le chauffage et la pression, le traitement par ultrasons des matières organiques est plus direct et nécessite moins d'équipement. En tant que nouveau type de traitement, il suscite une attention croissante. Xiao Guangquan et al. [13] ont utilisé une méthode de contact biologique aérobie ultrasonique pour traiter les eaux usées pharmaceutiques. Le traitement par ultrasons a été effectué pendant 60 s et la puissance était de 200 W, et le taux total d'élimination de la DCO des eaux usées était de 96 %.

Traitement biochimique

La technologie de traitement biochimique est une technologie de traitement des eaux usées pharmaceutiques largement utilisée, comprenant la méthode biologique aérobie, la méthode biologique anaérobie et la méthode combinée aérobie-anaérobie.

Traitement biologique aérobie

La plupart des eaux usées pharmaceutiques étant des eaux usées à forte concentration organique, il est généralement nécessaire de diluer la solution mère lors du traitement biologique aérobie. Par conséquent, la consommation d'énergie est importante, les eaux usées peuvent être traitées biochimiquement et il est difficile de les rejeter directement aux normes après traitement biochimique. Par conséquent, l'utilisation de la méthode aérobie est la seule option. Les traitements disponibles sont rares et un prétraitement général est nécessaire. Les méthodes de traitement biologique aérobie couramment utilisées comprennent la méthode des boues activées, la méthode d'aération en puits profond, la méthode de biodégradation par adsorption (méthode AB), la méthode d'oxydation par contact, la méthode des boues activées par lots séquentiels (méthode SBR), la méthode des boues activées circulantes, etc. (méthode CASS).

Méthode d'aération en puits profond

L'aération en puits profond est un système à boues activées à grande vitesse. Ce procédé se caractérise par un taux d'utilisation élevé de l'oxygène, un faible encombrement, un bon rendement de traitement, un faible investissement, de faibles coûts d'exploitation, une absence de gonflement des boues et une production de boues réduite. De plus, son excellente isolation thermique et son insensibilité aux conditions climatiques garantissent l'efficacité du traitement des eaux usées hivernales dans les régions nordiques. Après le traitement biochimique des eaux usées organiques à forte concentration de l'usine pharmaceutique du Nord-Est par le bassin d'aération en puits profond, le taux d'élimination de la DCO a atteint 92,7 %. L'efficacité du traitement est très élevée, ce qui est extrêmement bénéfique pour le traitement suivant.

méthode AB

La méthode AB est une méthode à boues activées à très forte charge. Le taux d'élimination de la DBO5, de la DCO, des MES, du phosphore et de l'azote ammoniacal par la méthode AB est généralement supérieur à celui d'une méthode à boues activées classique. Ses principaux avantages sont la charge élevée de la section A, la forte capacité antichoc et l'important effet tampon sur le pH et les substances toxiques. Elle est particulièrement adaptée au traitement des eaux usées à forte concentration et aux variations importantes de la qualité et de la quantité d'eau. La méthode de Yang Junshi et al. utilise la méthode biologique d'acidification par hydrolyse et AB pour traiter les eaux usées traitées aux antibiotiques. Ce procédé présente un débit court, des économies d'énergie et un coût de traitement inférieur à celui de la floculation chimique et du traitement biologique des eaux usées similaires.

oxydation biologique par contact

Cette technologie combine les avantages des boues activées et du biofilm. Elle présente les avantages d'une charge volumique élevée, d'une faible production de boues, d'une forte résistance aux chocs, d'un fonctionnement stable et d'une gestion aisée. De nombreux projets adoptent une méthode en deux étapes, visant à domestiquer les souches dominantes à différents stades, à exploiter pleinement l'effet synergétique entre différentes populations microbiennes et à améliorer les effets biochimiques et la résistance aux chocs. En ingénierie, la digestion anaérobie et l'acidification sont souvent utilisées comme étape de prétraitement, et un procédé d'oxydation par contact est utilisé pour traiter les eaux usées pharmaceutiques. L'usine pharmaceutique de Harbin Nord adopte un procédé d'hydrolyse, d'acidification et d'oxydation par contact biologique en deux étapes pour traiter les eaux usées pharmaceutiques. Les résultats d'exploitation montrent que l'effet du traitement est stable et que la combinaison des procédés est judicieuse. Avec la maturité progressive de la technologie de procédé, les champs d'application s'étendent également.

méthode SBR

La méthode SBR présente les avantages suivants : une forte résistance aux chocs, une activité élevée des boues, une structure simple, l’absence de reflux, une flexibilité d’utilisation, un faible encombrement, un faible investissement, une stabilité opérationnelle, un taux d’élimination élevé du substrat et une bonne dénitrification et élimination du phosphore. . Eaux usées fluctuantes. Des expériences sur le traitement des eaux usées pharmaceutiques par le procédé SBR montrent que le temps d’aération a une grande influence sur l’efficacité du traitement ; la mise en place de sections anoxiques, en particulier la conception répétée d’anaérobies et d’aérobies, peut améliorer considérablement l’efficacité du traitement ; le traitement amélioré par SBR des CAP peut améliorer considérablement l’efficacité d’élimination du système. Ces dernières années, le procédé est devenu de plus en plus perfectionné et est largement utilisé dans le traitement des eaux usées pharmaceutiques.

Traitement biologique anaérobie

Actuellement, le traitement des eaux usées à forte concentration organique, en Chine comme à l'étranger, repose principalement sur la méthode anaérobie. Cependant, la DCO des effluents reste relativement élevée après traitement par une méthode anaérobie séparée, nécessitant généralement un post-traitement (tel qu'un traitement biologique aérobie). Il est actuellement nécessaire de renforcer le développement et la conception de réacteurs anaérobies à haut rendement, ainsi que de mener des recherches approfondies sur les conditions d'exploitation. Les applications les plus performantes dans le traitement des eaux usées pharmaceutiques sont les lits de boues anaérobies à flux ascendant (UASB), les lits composites anaérobies (UBF), les réacteurs anaérobies à chicanes (ABR), l'hydrolyse, etc.

Loi sur l'UASB

Le réacteur UASB présente les avantages d'une grande efficacité de digestion anaérobie, d'une structure simple, d'un temps de rétention hydraulique court et de l'absence de dispositif de retour des boues séparé. Utilisé pour le traitement des eaux usées de kanamycine, de chlorine, de VC, de SD, de glucose et d'autres produits pharmaceutiques, l'UASB présente généralement une teneur en MES faible, garantissant un taux d'élimination de la DCO supérieur à 85 % à 90 %. Le taux d'élimination de la DCO des réacteurs UASB à deux étages peut atteindre plus de 90 %.

Méthode UBF

Wenning et al. ont mené un essai comparatif sur l'UASB et l'UBF. Les résultats montrent que l'UBF présente les caractéristiques suivantes : bon transfert de masse et bon effet de séparation, biomasse et espèces biologiques variées, efficacité de traitement élevée et grande stabilité de fonctionnement. Bioréacteur à oxygène.

Hydrolyse et acidification

Le bassin d'hydrolyse, appelé lit de boues hydrolysées en amont (HUSB), est une version modifiée de l'UASB. Comparé au bassin anaérobie à processus complet, le bassin d'hydrolyse présente les avantages suivants : absence de joint, d'agitation et de séparateur triphasique, ce qui réduit les coûts et facilite la maintenance ; il peut dégrader les macromolécules et les substances organiques non biodégradables des eaux usées en petites molécules. La matière organique facilement biodégradable améliore la biodégradabilité de l'eau brute ; la réaction est rapide, le volume du bassin est réduit, l'investissement en construction est faible et le volume de boues est réduit. Ces dernières années, le procédé d'hydrolyse aérobie a été largement utilisé dans le traitement des eaux usées pharmaceutiques. Par exemple, une usine biopharmaceutique utilise un procédé d'acidification hydrolytique-oxydation par contact biologique en deux étapes pour traiter les eaux usées pharmaceutiques. Le fonctionnement est stable et l'efficacité d'élimination de la matière organique est remarquable. Les taux d’élimination de la DCO, de la DBO5, des SS et des SS étaient respectivement de 90,7 %, 92,4 % et 87,6 %.

Procédé de traitement combiné anaérobie-aérobie

Le traitement aérobie ou anaérobie ne pouvant à lui seul répondre aux exigences, des procédés combinés tels que le traitement anaérobie-aérobie et le traitement par acidification hydrolytique-aérobie améliorent la biodégradabilité, la résistance aux chocs, les coûts d'investissement et l'efficacité du traitement des eaux usées. Ce procédé est largement utilisé en ingénierie en raison de la performance d'une méthode de traitement unique. Par exemple, une usine pharmaceutique utilise un procédé anaérobie-aérobie pour traiter ses eaux usées pharmaceutiques. Le taux d'élimination de la DBO5 est de 98 %, celui de la DCO de 95 %, et l'efficacité du traitement est stable. Le procédé de microélectrolyse-hydrolyse anaérobie-acidification-SBR est utilisé pour traiter les eaux usées pharmaceutiques de synthèse chimique. Les résultats montrent que l'ensemble des procédés offre une forte résistance aux chocs face aux variations de qualité et de quantité des eaux usées, et que le taux d'élimination de la DCO peut atteindre 86 % à 92 %, ce qui en fait un choix idéal pour le traitement des eaux usées pharmaceutiques. – Oxydation catalytique – Procédé d'oxydation par contact. Lorsque la DCO de l'influent est d'environ 12 000 mg/L, la DCO de l'effluent est inférieure à 300 mg/L ; le taux d'élimination de la DCO dans les eaux usées pharmaceutiques biologiquement réfractaires traitées par la méthode biofilm-SBR peut atteindre 87,5 % à 98,31 %, ce qui est bien supérieur à celui de l'effet de traitement à usage unique de la méthode biofilm et de la méthode SBR.

De plus, avec le développement continu de la technologie membranaire, la recherche d'application du bioréacteur à membrane (MBR) au traitement des eaux usées pharmaceutiques s'est progressivement approfondie. Le MBR combine les caractéristiques de la séparation membranaire et du traitement biologique, et présente les avantages d'une charge volumique élevée, d'une forte résistance aux chocs, d'un faible encombrement et d'une faible quantité de boues résiduelles. Le procédé anaérobie du bioréacteur à membrane a été utilisé pour traiter les eaux usées pharmaceutiques contenant des chlorures d'acide intermédiaires présentant une DCO de 25 000 mg/L. Le taux d'élimination de la DCO du système est resté supérieur à 90 %. Pour la première fois, la capacité des bactéries obligatoires à dégrader une matière organique spécifique a été exploitée. Les bioréacteurs à membrane extractifs sont utilisés pour traiter les eaux usées industrielles contenant de la 3,4-dichloroaniline. Le temps de réaction (HRT) était de 2 h, le taux d'élimination a atteint 99 % et l'efficacité du traitement a été optimale. Malgré le problème d'encrassement des membranes, grâce au développement continu de la technologie membranaire, le MBR sera de plus en plus utilisé dans le domaine du traitement des eaux usées pharmaceutiques.

2. Procédé de traitement et sélection des eaux usées pharmaceutiques

Les caractéristiques de qualité de l'eau des eaux usées pharmaceutiques rendent impossible un traitement biochimique seul pour la plupart d'entre elles. Un prétraitement préalable est donc nécessaire. En général, un bassin de régulation doit être installé pour ajuster la qualité et le pH de l'eau, et une méthode physico-chimique ou chimique doit être utilisée comme procédé de prétraitement selon la situation réelle afin de réduire les MES, la salinité et une partie de la DCO dans l'eau, de réduire les substances inhibitrices biologiques et d'améliorer la dégradabilité des eaux usées, afin de faciliter le traitement biochimique ultérieur des eaux usées.

Les eaux usées prétraitées peuvent être traitées par des procédés anaérobies et aérobies, selon leurs caractéristiques de qualité. Si les besoins en effluents sont élevés, le traitement aérobie doit être poursuivi après le traitement aérobie. Le choix du procédé doit prendre en compte de nombreux facteurs, tels que la nature des eaux usées, l'efficacité du traitement, l'investissement en infrastructures, ainsi que l'exploitation et la maintenance, afin de garantir la faisabilité et la rentabilité de la technologie. L'ensemble du procédé combine prétraitement, anaérobie, aérobie et (post-traitement). Le procédé combiné hydrolyse-adsorption-oxydation-contact-filtration est utilisé pour traiter les eaux usées pharmaceutiques contenant de l'insuline artificielle.

3. Recyclage et utilisation des substances utiles dans les eaux usées pharmaceutiques

Promouvoir une production propre dans l'industrie pharmaceutique, améliorer le taux d'utilisation des matières premières et la récupération globale des produits intermédiaires et sous-produits, et réduire, voire éliminer, la pollution du processus de production grâce à la transformation technologique. En raison de la particularité de certains procédés de production pharmaceutique, les eaux usées contiennent une grande quantité de matières recyclables. Pour le traitement de ces eaux usées pharmaceutiques, la première étape consiste à renforcer la récupération des matières et leur valorisation. Pour les eaux usées intermédiaires pharmaceutiques dont la teneur en sels d'ammonium atteint 5 à 10 %, un film racleur fixe est utilisé pour l'évaporation, la concentration et la cristallisation afin de récupérer le (NH4)2SO4 et le NH4NO3 avec une fraction massique d'environ 30 %. Ces eaux peuvent être utilisées comme engrais ou réutilisées. Les avantages économiques sont évidents ; une entreprise pharmaceutique de haute technologie utilise la méthode de purge pour traiter les eaux usées de production à très forte teneur en formaldéhyde. Une fois le formaldéhyde gazeux récupéré, il peut être formulé en réactif formol ou brûlé comme source de chaleur pour chaudière. La récupération du formaldéhyde permet une utilisation durable des ressources et un retour sur investissement de la station d'épuration en 4 à 5 ans, alliant avantages environnementaux et économiques. Cependant, la composition des eaux usées pharmaceutiques est complexe, leur recyclage difficile, leur processus de récupération complexe et leur coût élevé. Par conséquent, une technologie de traitement des eaux usées complète, avancée et efficace est essentielle pour résoudre complètement ce problème.

4 Conclusion

De nombreux rapports ont été publiés sur le traitement des eaux usées pharmaceutiques. Cependant, en raison de la diversité des matières premières et des procédés utilisés dans l'industrie pharmaceutique, la qualité des eaux usées varie considérablement. Il n'existe donc pas de méthode de traitement éprouvée et unifiée pour les eaux usées pharmaceutiques. Le choix de la voie d'approvisionnement dépend de la nature des eaux usées. Selon leurs caractéristiques, un prétraitement est généralement nécessaire pour améliorer leur biodégradabilité, éliminer les polluants dans un premier temps, puis les combiner à un traitement biochimique. Le développement d'un dispositif composite de traitement des eaux, économique et efficace, est aujourd'hui un enjeu urgent.

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Extrait de Baidu.