Analyse complète des technologies de traitement des eaux usées pharmaceutiques

Les eaux usées de l'industrie pharmaceutique comprennent principalement celles issues de la production d'antibiotiques et de médicaments de synthèse. Elles se répartissent en quatre catégories principales : eaux usées de production d'antibiotiques, de médicaments de synthèse et de médicaments brevetés chinois, ainsi que les eaux de lavage et les effluents de lavage provenant de divers procédés de préparation. Ces eaux usées se caractérisent par une composition complexe, une forte teneur en matières organiques, une toxicité élevée, une coloration foncée, une forte salinité, et surtout de mauvaises propriétés biochimiques et un rejet intermittent. Il s'agit d'eaux usées industrielles difficiles à traiter. Avec le développement de l'industrie pharmaceutique en Chine, ces eaux usées 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 différentes méthodes ; chaque méthode de traitement présente ses propres avantages et inconvénients.

traitement physique et chimique

Compte tenu des caractéristiques physico-chimiques des eaux usées pharmaceutiques, un traitement doit être mis en œuvre en prétraitement ou en post-traitement du traitement biochimique. Les méthodes de traitement physico-chimiques actuellement utilisées comprennent principalement la coagulation, la flottation à l'air, l'adsorption, le désammoniacage, l'électrolyse, l'échange d'ions et la séparation membranaire.

coagulation

Cette technologie est une méthode de traitement des eaux largement utilisée en Chine et à l'étranger. Elle est couramment employée pour le prétraitement et le post-traitement des eaux usées médicales, notamment pour l'élimination du sulfate d'aluminium et du sulfate polyferrique présents dans les eaux usées issues de la médecine traditionnelle chinoise. L'efficacité du traitement par coagulation repose sur le choix et l'ajout appropriés de coagulants performants. Ces dernières années, l'évolution des coagulants s'est orientée des polymères de bas poids moléculaire vers ceux de haut poids moléculaire, et des composés monocomposants vers la fonctionnalisation composite [3]. Liu Minghua et al. [4] ont traité la DCO, les MES et la chromaticité d'un effluent liquide à pH 6,5, avec une dose de floculant de 300 mg/L et un floculant composite haute performance F-1. Les taux d'élimination obtenus étaient respectivement de 69,7 %, 96,4 % et 87,5 %.

flottaison à air

La flottation à l'air comprend généralement différentes techniques telles que la flottation par aération, la flottation à air dissous, la flottation chimique et la flottation électrolytique. L'usine pharmaceutique de Xinchang utilise un système de flottation à air à vortex CAF pour le prétraitement des eaux usées pharmaceutiques. Le taux d'élimination moyen de la DCO est d'environ 25 % avec des produits chimiques appropriés.

méthode d'adsorption

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

Séparation par membrane

Les technologies membranaires, telles que l'osmose inverse, la nanofiltration et les membranes à fibres, permettent de récupérer des substances utiles et de réduire les émissions organiques. Leurs principaux atouts sont la simplicité des équipements, la facilité d'utilisation, l'absence de changement de phase et de transformation chimique, un rendement élevé et une faible consommation d'énergie. Juanna et al. ont utilisé des membranes de nanofiltration pour séparer les eaux usées contenant de la cinnamycine. Ils ont constaté une réduction de l'effet inhibiteur de la lincomycine sur les micro-organismes présents dans ces eaux usées, permettant ainsi la récupération de la cinnamycine.

électrolyse

Cette méthode présente l'avantage d'une grande efficacité et d'une mise en œuvre simple, entre autres, et l'effet de décoloration électrolytique est satisfaisant. Li Ying [8] a réalisé un prétraitement électrolytique du surnageant de riboflavine, obtenant des taux d'élimination de la DCO, des MES et de la chrominance de 71 %, 83 % et 67 %, respectivement.

traitement chimique

L'utilisation de procédés chimiques peut entraîner une pollution secondaire des cours d'eau par un usage excessif de certains réactifs. Il est donc nécessaire de réaliser des études expérimentales préalables. Parmi les procédés chimiques utilisés, on peut citer la méthode fer-carbone, les procédés d'oxydoréduction (réactif de Fenton, H₂O₂, O₃) et les techniques d'oxydation poussée.

méthode au carbone ferreux

L'expérience industrielle montre que l'utilisation du fer et du carbone comme étape de prétraitement des eaux usées pharmaceutiques améliore considérablement la biodégradabilité de l'effluent. Lou Maoxing utilise un traitement combiné fer-microélectrolyse-anaérobie-aérobie-flottation à l'air pour traiter les eaux usées issues d'intermédiaires pharmaceutiques 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 première classe « Norme intégrée de rejet des eaux usées » (GB8978-1996).

Traitement au réactif de Fenton

La combinaison de sel ferreux et de H₂O₂ est appelée réactif de Fenton. Ce réactif permet d'éliminer efficacement les matières organiques réfractaires que les techniques classiques de traitement des eaux usées ne peuvent éliminer. Des recherches approfondies ont permis d'introduire des ultraviolets (UV), des oxalates (C₂O₄²⁻), etc., dans le réactif de Fenton, ce qui a considérablement renforcé son pouvoir oxydant. En utilisant du TiO₂ comme catalyseur et une lampe à mercure basse pression de 9 W comme source lumineuse, des eaux usées pharmaceutiques ont été traitées avec le réactif de Fenton. Le taux de décoloration a atteint 100 %, le taux d'élimination de la DCO 92,3 % et la concentration de nitrobenzène 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 échantillons d'eaux usées contenant des antibiotiques, dont Balcioglu, ont été traités par ozonation. Les résultats ont montré que l'ozonation des eaux usées augmentait non seulement le rapport DBO5/DCO, mais que le taux d'élimination de la DCO était également supérieur à 75 %.

technologie d'oxydation

Également connue sous le nom de technologie d'oxydation avancée, elle combine les résultats de recherche les plus récents dans les domaines modernes de la lumière, de l'électricité, du son, du magnétisme, des matériaux et autres disciplines connexes, notamment l'oxydation électrochimique, l'oxydation en milieu aqueux, l'oxydation en milieu supercritique, l'oxydation photocatalytique et la dégradation par ultrasons. Parmi ces techniques, l'oxydation photocatalytique ultraviolette présente l'avantage d'être novatrice, très efficace et non sélective vis-à-vis des eaux usées, et est particulièrement adaptée à la dégradation des hydrocarbures insaturés. Comparé à des méthodes de traitement telles que les rayons ultraviolets, le chauffage et le traitement sous pression, le traitement par ultrasons de la matière organique est plus direct et nécessite moins d'équipement. En tant que nouveau type de traitement, il suscite un intérêt croissant. 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 secondes à une puissance de 200 W, et le taux d'élimination de la DCO totale des eaux usées a atteint 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 fortement concentrées en matières organiques, il est généralement nécessaire de diluer la solution mère lors du traitement biologique aérobie. Ce procédé entraîne une consommation énergétique importante. Bien que les eaux usées puissent être traitées biochimiquement, il est difficile de les rejeter directement conformes aux normes après ce traitement. C'est pourquoi le traitement aérobie seul est souvent privilégié. Les options de traitement sont limitées et un prétraitement général est généralement requis. Parmi les méthodes de traitement biologique aérobie couramment utilisées, on peut citer le procédé à boues activées, le procédé d'aération en puits profonds, le procédé de biodégradation par adsorption (procédé AB), le procédé d'oxydation par contact, le procédé séquentiel à boues activées (procédé SBR), le procédé à boues activées en circuit fermé (procédé CASS), etc.

méthode d'aération des puits profonds

L'aération en puits profond est un système à boues activées à haute vitesse. Cette méthode présente un taux d'utilisation de l'oxygène élevé, un faible encombrement au sol, une excellente efficacité de traitement, un investissement et des coûts d'exploitation réduits, l'absence de foisonnement des boues et une production de boues limitée. De plus, son isolation thermique performante garantit un traitement efficace quelles que soient les conditions climatiques, notamment pour les eaux usées hivernales des régions nordiques. Après traitement biochimique des eaux usées à forte concentration organique provenant de l'usine pharmaceutique du Nord-Est dans le bassin d'aération en puits profond, le taux d'élimination de la DCO a atteint 92,7 %. On constate ainsi une très grande efficacité de traitement, un atout majeur pour les étapes de traitement ultérieures.

Méthode AB

La méthode AB est une méthode de traitement des eaux usées par boues activées à très haute charge. Le taux d'élimination de la DBO5, de la DCO, des MES, du phosphore et de l'azote ammoniacal par le procédé AB est généralement supérieur à celui des procédés conventionnels à boues activées. Ses principaux avantages résident dans la charge élevée de la section A, sa forte capacité de résistance aux variations de charge et son important effet tampon sur le pH et les substances toxiques. Elle est particulièrement adaptée au traitement des eaux usées fortement concentrées et présentant d'importantes variations de qualité et de quantité. La méthode de Yang Junshi et al. utilise l'hydrolyse-acidification-méthode biologique AB pour traiter les eaux usées contenant des antibiotiques. Ce procédé se caractérise par un cycle court, des économies d'énergie et un coût de traitement inférieur à celui de la méthode de floculation chimique-biologique appliquée à des eaux usées similaires.

oxydation par contact biologique

Cette technologie combine les avantages des procédés à boues activées et à biofilm, et présente l'avantage 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 chaque étape, à exploiter pleinement l'effet synergique entre les différentes populations microbiennes et à améliorer les performances biochimiques et la résistance aux chocs. En génie industriel, la digestion anaérobie et l'acidification sont souvent utilisées comme prétraitement, et un procédé d'oxydation par contact est employé pour traiter les eaux usées pharmaceutiques. L'usine pharmaceutique de Harbin Nord utilise un procédé d'hydrolyse-acidification-oxydation biologique par contact en deux étapes pour traiter ses eaux usées pharmaceutiques. Les résultats d'exploitation montrent que le traitement est stable et que la combinaison des procédés est pertinente. Avec la maturation progressive de cette technologie, ses domaines d'application s'étendent également.

Méthode SBR

La méthode SBR présente de nombreux avantages : forte résistance aux chocs, activité élevée des boues, structure simple, absence de reflux, fonctionnement flexible, faible encombrement, investissement réduit, fonctionnement stable, taux d'élimination du substrat élevé et bonne dénitrification et élimination du phosphore. Elle est particulièrement adaptée aux eaux usées à débit variable. Des expériences de traitement des eaux usées pharmaceutiques par le procédé SBR ont démontré que la durée d'aération influence fortement l'efficacité du traitement. L'intégration de sections anoxiques, notamment l'alternance de phases anaérobies et aérobies, améliore significativement l'efficacité du traitement. Le traitement optimisé par SBR des boues activées (PAC) améliore également de manière significative l'efficacité d'élimination du système. Ces dernières années, ce procédé a été perfectionné et est largement utilisé pour le traitement des eaux usées pharmaceutiques.

Traitement biologique anaérobie

Actuellement, le traitement des eaux usées organiques à forte concentration, tant en Chine qu'à l'étranger, repose principalement sur des procédés anaérobies. Cependant, la DCO de l'effluent reste relativement élevée après un traitement anaérobie seul, et un post-traitement (tel qu'un traitement biologique aérobie) est généralement nécessaire. Il est donc indispensable de poursuivre le développement et la conception de réacteurs anaérobies à haut rendement, ainsi que d'approfondir l'étude de leurs conditions de fonctionnement. Parmi les applications les plus performantes dans le traitement des eaux usées pharmaceutiques, on peut citer les réacteurs UASB (Upflow Anaerobic Sludge Bed), UBF (Aerobic Composite Bed), ABR (Aerobic Baffle Reactor) et l'hydrolyse.

Loi UASB

Le réacteur UASB présente l'avantage d'une grande efficacité de digestion anaérobie, d'une structure simple, d'un temps de rétention hydraulique court et de ne pas nécessiter de système de retour des boues séparé. Lors du traitement des eaux usées issues de la production pharmaceutique de kanamycine, de chloramphénicol, de chlorure de vinyle (VC), de sulfate de sodium (SD), de glucose et d'autres substances, la teneur en matières en suspension (MES) est généralement maintenue à un niveau bas afin de garantir un taux d'élimination de la DCO supérieur à 85-90 %. Le taux d'élimination de la DCO d'un réacteur UASB à deux étages peut dépasser 90 %.

Méthode UBF

Buy Wenning et al. ont mené un test comparatif sur les bioréacteurs UASB et UBF. Les résultats montrent que l'UBF présente les caractéristiques suivantes : bon transfert de masse et séparation efficace, compatibilité avec diverses biomasses et espèces biologiques, rendement de traitement élevé et grande stabilité de fonctionnement. Bioréacteur à oxygène.

Hydrolyse et acidification

Le réacteur d'hydrolyse, appelé lit de boues hydrolysées en amont (HUSB), est une version modifiée d'un réacteur UASB. Comparé à un réacteur anaérobie classique, le réacteur d'hydrolyse présente les avantages suivants : absence de besoin d'étanchéité, d'agitation et de séparateur triphasique, ce qui réduit les coûts et simplifie la maintenance ; il permet de dégrader les macromolécules et les substances organiques non biodégradables présentes dans les eaux usées en petites molécules. La matière organique ainsi facilement biodégradable améliore la biodégradabilité de l'eau brute ; la réaction est rapide, le volume du réacteur est réduit, l'investissement initial est faible et le volume de boues est diminué. Ces dernières années, le procédé d'hydrolyse-aérobie s'est largement répandu dans le traitement des eaux usées pharmaceutiques. Par exemple, une usine biopharmaceutique utilise un procédé d'acidification hydrolytique suivi d'une oxydation biologique par contact en deux étapes pour traiter ses eaux usées pharmaceutiques. Le fonctionnement est stable et l'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 seul étant insuffisant, des procédés combinés tels que l'alternance anaérobie-aérobie et l'hydrolyse-acidification-aérobie améliorent la biodégradabilité, la résistance aux variations de la qualité et de la quantité des eaux usées, réduisent les coûts d'investissement et optimisent le traitement. Largement utilisés en ingénierie industrielle en raison de leurs performances supérieures à celles des méthodes de traitement individuelles, ces procédés sont particulièrement adaptés. Par exemple, une usine pharmaceutique utilise un procédé anaérobie-aérobie pour traiter ses eaux usées, avec un taux d'élimination de la DBO₅ de 98 %, un taux d'élimination de la DCO de 95 % et une grande stabilité. Un procédé combinant micro-électrolyse, hydrolyse anaérobie, acidification et réacteur séquentiel discontinu (SBR) est utilisé pour traiter les eaux usées de synthèse pharmaceutique. Les résultats montrent que l'ensemble de ces procédés présente une excellente résistance aux variations de la qualité et de la 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 – Oxydation par contact. Lorsque la DCO de l'influent est d'environ 12 000 mg/L et que 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 beaucoup plus élevé que celui obtenu avec les méthodes de traitement à usage unique biofilm et SBR.

De plus, grâce au développement continu de la technologie membranaire, la recherche sur l'application des bioréacteurs à membrane (BRM) au traitement des eaux usées pharmaceutiques s'est progressivement approfondie. Le BRM combine les caractéristiques de la séparation membranaire et du traitement biologique, et présente les avantages suivants : capacité de traitement élevée, grande résistance aux chocs, faible encombrement et réduction des boues résiduelles. Le procédé anaérobie de bioréacteur à membrane a été utilisé pour traiter des eaux usées pharmaceutiques contenant des chlorures acides intermédiaires, avec 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 des matières organiques spécifiques a été exploitée. Des bioréacteurs à membrane extractifs ont été utilisés pour traiter des eaux usées industrielles contenant de la 3,4-dichloroaniline. Avec un temps de rétention hydraulique (TRH) de 2 h, le taux d'élimination a atteint 99 %, et un traitement optimal a été obtenu. Malgré le problème d'encrassement des membranes, le développement continu de la technologie membranaire permettra aux BRM de se généraliser dans le domaine du traitement des eaux usées pharmaceutiques.

2. Procédé de traitement et sélection des eaux usées pharmaceutiques

Les caractéristiques physico-chimiques des eaux usées pharmaceutiques rendent généralement impossible leur traitement biochimique seul. Un prétraitement est donc indispensable. Il convient généralement d'installer un bassin de régulation pour ajuster la qualité de l'eau et le pH. Selon les conditions, un prétraitement physico-chimique ou chimique est mis en œuvre pour réduire la concentration en matières en suspension (MES), la salinité et une partie de la demande chimique en oxygène (DCO), ainsi que les substances inhibitrices de la biodégradation. Ce prétraitement vise à faciliter le traitement biochimique ultérieur.

Les eaux usées prétraitées peuvent être traitées par des procédés anaérobies et aérobies en fonction de leurs caractéristiques physico-chimiques. Si les exigences en matière de rejet sont élevées, un traitement aérobie doit être poursuivi. Le choix du procédé doit prendre en compte des facteurs tels que la nature des eaux usées, l'efficacité du traitement, les investissements en infrastructures, ainsi que les coûts d'exploitation et de maintenance, afin de garantir la faisabilité et la rentabilité de la technologie. Le procédé complet comprend les étapes suivantes : prétraitement, traitement anaérobie, traitement aérobie et post-traitement. Le procédé combinant hydrolyse, adsorption, oxydation par contact et filtration est utilisé pour traiter les eaux usées pharmaceutiques contenant de l'insuline de synthèse.

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

Promouvoir une production propre dans l'industrie pharmaceutique, améliorer le taux d'utilisation des matières premières, le taux de récupération global des produits intermédiaires et des sous-produits, et réduire ou éliminer la pollution du processus de production grâce à la transformation technologique. Du fait de la spécificité de certains procédés de production pharmaceutique, les eaux usées contiennent une quantité importante de matériaux recyclables. Pour le traitement de ces eaux usées pharmaceutiques, la première étape consiste à renforcer la récupération et la valorisation des matériaux. Pour les eaux usées pharmaceutiques intermédiaires présentant une teneur en sels d'ammonium de 5 à 10 %, un film racleur fixe est utilisé pour l'évaporation, la concentration et la cristallisation afin de récupérer environ 30 % de (NH₄)₂SO₄ et de NH₄NO₃ en masse. Ces composés peuvent être utilisés comme engrais ou réutilisés. Les avantages économiques sont évidents ; une entreprise pharmaceutique de pointe utilise la méthode de purge pour traiter les eaux usées de production présentant une teneur extrêmement élevée en formaldéhyde. Après récupération, le formaldéhyde gazeux peut être formulé pour produire du formol ou brûlé comme source de chaleur dans une chaudière. La récupération du formaldéhyde permet une utilisation durable des ressources et l'amortissement du coût d'investissement de la station d'épuration en 4 à 5 ans, conjuguant ainsi avantages environnementaux et économiques. Cependant, la composition complexe des eaux usées pharmaceutiques courantes rend leur recyclage difficile, le processus de récupération est complexe et coûteux. Par conséquent, une technologie de traitement des eaux usées complète, performante et de pointe est essentielle pour résoudre définitivement le problème des eaux usées.

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 de ces eaux usées varie considérablement. Par conséquent, il n'existe pas de méthode de traitement standardisée et éprouvée. Le choix du procédé dépend de la nature des eaux usées. Selon leurs caractéristiques, un prétraitement est généralement nécessaire pour améliorer leur biodégradabilité, éliminer les polluants initiaux, puis être associé à un traitement biochimique. Actuellement, la mise au point d'un système de traitement des eaux intégré, économique et efficace, constitue un enjeu majeur.

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Extrait de Baidu.