Análise abrangente da tecnologia de tratamento de águas residuais farmacêuticas

O efluente da indústria farmacêutica inclui principalmente o efluente da produção de antibióticos e o efluente da produção de medicamentos sintéticos. Este efluente se divide em quatro categorias principais: efluente da produção de antibióticos, efluente da produção de medicamentos sintéticos, efluente da produção de medicamentos patenteados chineses, efluente de lavagem e efluente de lavagem de diversos processos de preparação. Caracteriza-se por composição complexa, alto teor de matéria orgânica, alta toxicidade, coloração intensa, alto teor de sal, propriedades bioquímicas particularmente deficientes e descarga intermitente. Trata-se de um efluente industrial de difícil tratamento. Com o desenvolvimento da indústria farmacêutica no meu país, o efluente farmacêutico tornou-se gradualmente uma das principais fontes de poluição.

1. Método de tratamento de águas residuais farmacêuticas

Os métodos de tratamento de águas residuais farmacêuticas podem ser resumidos em: tratamento físico-químico, tratamento químico, tratamento bioquímico e tratamento combinado de vários métodos, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens.

Tratamento físico e químico

De acordo com as características de qualidade da água dos efluentes farmacêuticos, o tratamento físico-químico precisa ser utilizado como um processo de pré-tratamento ou pós-tratamento para o tratamento bioquímico. Os métodos de tratamento físico-químico atualmente utilizados incluem principalmente coagulação, flotação por ar, adsorção, remoção de amônia, eletrólise, troca iônica e separação por membrana.

coagulação

Essa tecnologia é um método de tratamento de água amplamente utilizado no Brasil e no exterior. É amplamente empregada no pré-tratamento e pós-tratamento de efluentes hospitalares, como sulfato de alumínio e sulfato poliférrico em efluentes da medicina tradicional chinesa. A chave para um tratamento de coagulação eficiente é a seleção e adição corretas de coagulantes com excelente desempenho. Nos últimos anos, a direção do desenvolvimento de coagulantes mudou de polímeros de baixa massa molecular para polímeros de alta massa molecular e de funcionalização de componente único para funcionalização composta [3]. Liu Minghua et al. [4] trataram a DQO, os SS e a cromaticidade do efluente líquido com pH 6,5 e uma dosagem de floculante de 300 mg/L com um floculante composto de alta eficiência F-1. As taxas de remoção foram de 69,7%, 96,4% e 87,5%, respectivamente.

flutuação de ar

A flotação por ar geralmente inclui várias formas, como flotação por aeração, flotação por ar dissolvido, flotação por ar químico e flotação por ar eletrolítico. A Fábrica Farmacêutica de Xinchang utiliza o dispositivo de flotação por ar com vórtice CAF para o pré-tratamento de efluentes farmacêuticos. A taxa média de remoção de DQO é de cerca de 25% com os produtos químicos adequados.

método de adsorção

Os adsorventes mais comuns são carvão ativado, carvão mineral ativado, ácido húmico, resina de adsorção, etc. A Fábrica Farmacêutica Jianmin de Wuhan utiliza a adsorção em cinzas de carvão como processo secundário de tratamento biológico aeróbio para tratar efluentes. Os resultados mostraram que a taxa de remoção de DQO do pré-tratamento por adsorção foi de 41,1%, e a relação DBO5/DQO foi melhorada.

Separação por membrana

As tecnologias de membrana incluem osmose reversa, nanofiltração e membranas de fibra para recuperar materiais úteis e reduzir as emissões orgânicas totais. As principais características dessa tecnologia são equipamentos simples, operação conveniente, ausência de mudança de fase e de reação química, alta eficiência de processamento e economia de energia. Juanna et al. utilizaram membranas de nanofiltração para separar efluentes contendo cinamida. Constatou-se que o efeito inibitório da lincomicina sobre os microrganismos presentes no efluente foi reduzido, permitindo a recuperação da cinamida.

eletrólise

O método apresenta vantagens como alta eficiência, operação simples e outras, e o efeito de descoloração eletrolítica é bom. Li Ying [8] realizou pré-tratamento eletrolítico no sobrenadante de riboflavina, e as taxas de remoção de DQO, SS e croma atingiram 71%, 83% e 67%, respectivamente.

tratamento químico

Quando se utilizam métodos químicos, o uso excessivo de certos reagentes pode causar poluição secundária dos corpos d'água. Portanto, pesquisas experimentais relevantes devem ser realizadas antes do projeto. Os métodos químicos incluem o método ferro-carbono, o método redox químico (reagente de Fenton, H₂O₂, O₃), a tecnologia de oxidação profunda, etc.

Método do carbono-ferro

A operação industrial demonstra que o uso de Fe-C como etapa de pré-tratamento para efluentes farmacêuticos pode melhorar significativamente a biodegradabilidade do efluente. Lou Maoxing utiliza um tratamento combinado de microeletrolise com ferro, flotação anaeróbica, aeróbica e por ar para tratar efluentes de intermediários farmacêuticos, como eritromicina e ciprofloxacina. A taxa de remoção de DQO após o tratamento com ferro e carbono foi de 20%, e o efluente final atende ao padrão nacional de primeira classe da “Norma Integrada de Descarga de Efluentes” (GB8978-1996).

Processamento do reagente de Fenton

A combinação de sal ferroso e H2O2 é chamada de reagente de Fenton, que pode remover eficazmente a matéria orgânica refratária que não pode ser removida pela tecnologia tradicional de tratamento de águas residuais. Com o aprofundamento da pesquisa, luz ultravioleta (UV), oxalato (C2O42-), etc., foram introduzidos no reagente de Fenton, o que aumentou consideravelmente a capacidade de oxidação. Utilizando TiO2 como catalisador e uma lâmpada de mercúrio de baixa pressão de 9 W como fonte de luz, a água residual farmacêutica foi tratada com o reagente de Fenton, obtendo-se uma taxa de descoloração de 100%, uma taxa de remoção de DQO de 92,3% e uma redução do composto nitrobenzeno de 8,05 mg/L para 0,41 mg/L.

Oxidação

O método pode melhorar a biodegradabilidade das águas residuais e apresenta uma taxa de remoção de DQO mais elevada. Por exemplo, três efluentes contendo antibióticos, como o de Balcioglu, foram tratados por oxidação com ozônio. Os resultados mostraram que a ozonização das águas residuais não só aumentou a relação DBO5/DQO, como também elevou a taxa de remoção de DQO para mais de 75%.

Tecnologia de oxidação

Também conhecida como tecnologia de oxidação avançada, ela reúne os resultados mais recentes de pesquisas em luz moderna, eletricidade, som, magnetismo, materiais e outras disciplinas similares, incluindo oxidação eletroquímica, oxidação úmida, oxidação em água supercrítica, oxidação fotocatalítica e degradação ultrassônica. Dentre elas, a tecnologia de oxidação fotocatalítica ultravioleta apresenta as vantagens de ser inovadora, de alta eficiência e não seletiva em relação ao tipo de efluente, sendo especialmente adequada para a degradação de hidrocarbonetos insaturados. Comparado a métodos de tratamento como raios ultravioleta, aquecimento e pressão, o tratamento ultrassônico de matéria orgânica é mais direto e requer menos equipamentos. Como um novo tipo de tratamento, tem recebido cada vez mais atenção. Xiao Guangquan et al. [13] utilizaram o método de contato biológico aeróbio-ultrassônico para tratar efluentes farmacêuticos. O tratamento ultrassônico foi realizado por 60 s com potência de 200 W, e a taxa de remoção total de DQO do efluente foi de 96%.

Tratamento bioquímico

A tecnologia de tratamento bioquímico é uma tecnologia amplamente utilizada no tratamento de águas residuais farmacêuticas, incluindo o método biológico aeróbico, o método biológico anaeróbico e o método combinado aeróbico-anaeróbico.

Tratamento biológico aeróbico

Como a maioria dos efluentes farmacêuticos são efluentes orgânicos de alta concentração, geralmente é necessário diluir a solução inicial durante o tratamento biológico aeróbio. Portanto, o consumo de energia é elevado, o efluente pode ser tratado bioquimicamente, mas é difícil descartá-lo diretamente atendendo aos padrões após o tratamento bioquímico. Assim, o uso exclusivo de tratamento aeróbio é uma opção viável. Existem poucos tratamentos disponíveis e geralmente é necessário um pré-tratamento. Os métodos de tratamento biológico aeróbio mais comuns incluem o método de lodos ativados, o método de aeração em poços profundos, o método de biodegradação por adsorção (método AB), o método de oxidação por contato, o método de lodos ativados em batelada sequencial (método SBR), o método de lodos ativados circulantes (método CASS), entre outros.

Método de aeração de poços profundos

A aeração em poço profundo é um sistema de lodo ativado de alta velocidade. O método apresenta alta taxa de utilização de oxigênio, ocupa pouco espaço, oferece bom efeito de tratamento, baixo investimento, baixo custo operacional, não causa intumescimento do lodo e gera menos lodo. Além disso, possui bom isolamento térmico e o tratamento não é afetado pelas condições climáticas, o que garante a eficácia do tratamento de esgoto no inverno em regiões do norte. Após o tratamento bioquímico do efluente orgânico de alta concentração da Fábrica Farmacêutica do Nordeste pelo tanque de aeração em poço profundo, a taxa de remoção de DQO atingiu 92,7%. Observa-se que a eficiência do processo é muito alta, o que é extremamente benéfico para o processamento subsequente.

Método AB

O método AB é um método de lodo ativado de altíssima carga. A taxa de remoção de DBO5, DQO, SS, fósforo e nitrogênio amoniacal pelo processo AB é geralmente superior à do processo convencional de lodo ativado. Suas principais vantagens são a alta carga da seção A, a forte capacidade de suportar choques de carga e o grande efeito tamponante sobre o pH e substâncias tóxicas. É especialmente adequado para o tratamento de esgoto com alta concentração e grandes variações na qualidade e quantidade da água. O método de Yang Junshi et al. utiliza a acidificação por hidrólise-método biológico AB para tratar efluentes com antibióticos, apresentando um fluxo de processo curto, economia de energia e custo de tratamento inferior ao do método de floculação química-tratamento biológico para efluentes semelhantes.

oxidação por contato biológico

Essa tecnologia combina as vantagens do método de lodo ativado e do método de biofilme, apresentando como vantagens alta carga volumétrica, baixa produção de lodo, forte resistência a impactos, operação estável e gerenciamento facilitado. Muitos projetos adotam um método de dois estágios, visando domesticar cepas dominantes em diferentes estágios, explorar ao máximo o efeito sinérgico entre diferentes populações microbianas e melhorar os efeitos bioquímicos e a resistência a choques. Na engenharia, a digestão anaeróbia e a acidificação são frequentemente utilizadas como etapa de pré-tratamento, e um processo de oxidação por contato é empregado no tratamento de efluentes farmacêuticos. A Fábrica Farmacêutica Norte de Harbin adota o processo de hidrólise-acidificação-oxidação biológica por contato em dois estágios para tratar efluentes farmacêuticos. Os resultados operacionais demonstram que o tratamento é eficaz e a combinação de processos é adequada. Com o amadurecimento gradual da tecnologia do processo, os campos de aplicação também se expandem.

Método SBR

O método SBR apresenta vantagens como alta resistência a cargas de choque, alta atividade de lodo, estrutura simples, dispensa de refluxo, operação flexível, pequena área ocupada, baixo investimento, operação estável, alta taxa de remoção de substrato e boa desnitrificação e remoção de fósforo. É indicado para o tratamento de efluentes farmacêuticos com flutuações de pH. Experimentos sobre o tratamento de efluentes farmacêuticos pelo processo SBR demonstram que o tempo de aeração exerce grande influência sobre a eficácia do tratamento; a implementação de seções anóxicas, especialmente o projeto alternado de anaeróbios e aeróbios, pode melhorar significativamente a eficácia do tratamento; o tratamento de PAC pelo processo SBR pode melhorar significativamente a remoção de poluentes pelo sistema. Nos últimos anos, o processo tem se aperfeiçoado e é amplamente utilizado no tratamento de efluentes farmacêuticos.

Tratamento biológico anaeróbico

Atualmente, o tratamento de efluentes orgânicos de alta concentração, tanto no Brasil quanto no exterior, baseia-se principalmente no método anaeróbio. No entanto, a demanda química de oxigênio (DQO) do efluente ainda permanece relativamente alta após o tratamento anaeróbio isolado, sendo geralmente necessário um pós-tratamento (como o tratamento biológico aeróbio). Portanto, ainda é necessário fortalecer o desenvolvimento e o projeto de reatores anaeróbios de alta eficiência, bem como aprofundar a pesquisa sobre as condições operacionais. As aplicações mais bem-sucedidas no tratamento de efluentes farmacêuticos incluem o Reator Anaeróbio de Leito de Lodo Ascendente (UASB), o Reator Anaeróbio de Leito Composto (UBF), o Reator Anaeróbio de Defletores (ABR) e a hidrólise, entre outros.

Lei UASB

O reator UASB apresenta vantagens como alta eficiência de digestão anaeróbia, estrutura simples, curto tempo de retenção hidráulica e dispensa a necessidade de um dispositivo de retorno de lodo separado. Quando o UASB é utilizado no tratamento de efluentes da produção de canamicina, clorina, VC, SD, glicose e outros produtos farmacêuticos, o teor de sólidos em suspensão geralmente não é muito elevado, garantindo uma taxa de remoção de DQO acima de 85% a 90%. A taxa de remoção de DQO em reatores UASB de dois estágios pode ultrapassar 90%.

Método UBF

Buy Wenning et al. Um teste comparativo foi conduzido entre UASB e UBF. Os resultados mostram que o UBF possui características como boa transferência de massa e efeito de separação, diversas biomassas e espécies biológicas, alta eficiência de processamento e forte estabilidade operacional. Biorreator de oxigênio.

Hidrólise e acidificação

O tanque de hidrólise é chamado de Leito de Lodo Hidrolisado a Montante (HUSB, na sigla em inglês) e é um UASB modificado. Comparado com o tanque anaeróbio de processo completo, o tanque de hidrólise apresenta as seguintes vantagens: dispensa selagem, agitação e separador trifásico, o que reduz custos e facilita a manutenção; degrada macromoléculas e substâncias orgânicas não biodegradáveis ​​presentes no esgoto em moléculas menores. A matéria orgânica facilmente biodegradável melhora a biodegradabilidade da água bruta; a reação é rápida, o volume do tanque é pequeno, o investimento inicial em construção é reduzido e o volume de lodo é menor. Nos últimos anos, o processo de hidrólise-aeróbio tem sido amplamente utilizado no tratamento de efluentes farmacêuticos. Por exemplo, uma fábrica biofarmacêutica utiliza o processo de acidificação hidrolítica em dois estágios seguido de oxidação biológica por contato para tratar efluentes farmacêuticos. A operação é estável e o efeito de remoção de matéria orgânica é notável. As taxas de remoção de DQO, DBO5, SS e SS foram de 90,7%, 92,4% e 87,6%, respectivamente.

Processo de tratamento combinado anaeróbio-aeróbio

Como o tratamento aeróbio ou anaeróbio isoladamente não atendem aos requisitos, processos combinados, como o tratamento anaeróbio-aeróbio e a acidificação hidrolítica-aeróbio, melhoram a biodegradabilidade, a resistência a impactos, o custo de investimento e a eficácia do tratamento de águas residuais. Essa abordagem é amplamente utilizada na prática da engenharia devido ao desempenho de cada método de processamento individual. Por exemplo, uma fábrica farmacêutica utiliza o processo anaeróbio-aeróbio para tratar efluentes farmacêuticos, obtendo uma taxa de remoção de DBO5 de 98%, uma taxa de remoção de DQO de 95% e um efeito de tratamento estável. O processo de microeletrolise-hidrólise anaeróbia-acidificação-SBR é utilizado para tratar efluentes farmacêuticos de síntese química. Os resultados mostram que toda a série de processos apresenta forte resistência a impactos e alterações na qualidade e quantidade das águas residuais, e a taxa de remoção de DQO pode atingir de 86% a 92%, sendo uma escolha ideal para o tratamento de efluentes farmacêuticos. – Oxidação Catalítica – Processo de Oxidação por Contato. Quando a DQO do afluente é de cerca de 12.000 mg/L e a DQO do efluente é inferior a 300 mg/L, a taxa de remoção de DQO em águas residuais farmacêuticas biologicamente refratárias tratadas pelo método biofilme-SBR pode atingir 87,5% a 98,31%, valor muito superior ao obtido com o tratamento isolado pelo método biofilme e pelo método SBR.

Além disso, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de membranas, a pesquisa aplicada de biorreatores de membrana (MBR) no tratamento de efluentes farmacêuticos tem se aprofundado gradualmente. O MBR combina as características da tecnologia de separação por membranas com o tratamento biológico, apresentando vantagens como alta capacidade de carga, forte resistência a impactos, pequena área ocupada e menor geração de lodo residual. O processo de biorreator de membrana anaeróbio foi utilizado para tratar efluentes de cloreto ácido intermediário farmacêutico com DQO de 25.000 mg/L. A taxa de remoção de DQO do sistema permaneceu acima de 90%. Pela primeira vez, foi utilizada a capacidade de bactérias obrigatórias de degradar matéria orgânica específica. Biorreatores de membrana extrativos foram utilizados para tratar efluentes industriais contendo 3,4-dicloroanilina. O TRH foi de 2 h, a taxa de remoção atingiu 99% e o efeito de tratamento ideal foi obtido. Apesar do problema de incrustação da membrana, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de membranas, o MBR será mais amplamente utilizado no tratamento de efluentes farmacêuticos.

2. Processo de tratamento e seleção de águas residuais farmacêuticas

As características da qualidade da água dos efluentes farmacêuticos tornam impossível o tratamento bioquímico isolado da maioria deles, sendo necessário um pré-tratamento antes do tratamento bioquímico. Geralmente, um tanque de regulagem deve ser instalado para ajustar a qualidade da água e o pH, e métodos físico-químicos ou químicos devem ser utilizados como pré-tratamento, de acordo com a situação específica, para reduzir os sólidos em suspensão (SS), a salinidade e parte da demanda química de oxigênio (DQO) na água, diminuir as substâncias bioinibidoras presentes no efluente e melhorar sua degradabilidade, facilitando assim o tratamento bioquímico subsequente.

O efluente pré-tratado pode ser tratado por processos anaeróbios e aeróbios, de acordo com suas características de qualidade da água. Se os requisitos de qualidade do efluente forem elevados, o processo de tratamento aeróbio deve ser continuado após o tratamento anaeróbio. A seleção do processo específico deve considerar fatores como a natureza do efluente, a eficácia do tratamento, o investimento em infraestrutura e a operação e manutenção, para tornar a tecnologia viável e econômica. O processo completo consiste em uma combinação de pré-tratamento, anaeróbio, aeróbio e pós-tratamento. O processo combinado de hidrólise-adsorção-oxidação por contato-filtração é utilizado para tratar efluentes farmacêuticos contendo insulina artificial.

3. Reciclagem e utilização de substâncias úteis em águas residuais farmacêuticas

Promover a produção limpa na indústria farmacêutica, melhorar a taxa de utilização de matérias-primas, a taxa de recuperação integral de produtos intermediários e subprodutos, e reduzir ou eliminar a poluição no processo produtivo por meio da transformação tecnológica. Devido às particularidades de alguns processos de produção farmacêutica, as águas residuais contêm uma grande quantidade de materiais recicláveis. Para o tratamento dessas águas residuais farmacêuticas, o primeiro passo é fortalecer a recuperação e a utilização integral dos materiais. Para águas residuais de produtos intermediários farmacêuticos com teor de sais de amônio de 5% a 10%, utiliza-se um sistema de evaporação com filme de limpeza fixa para recuperação de (NH4)2SO4 e NH4NO3 com uma fração mássica de cerca de 30%. Esses compostos podem ser utilizados como fertilizantes ou reutilizados. Os benefícios econômicos são evidentes; uma empresa farmacêutica de alta tecnologia utiliza o método de purga para tratar águas residuais de produção com teor extremamente elevado de formaldeído. Após a recuperação do gás formaldeído, este pode ser formulado como reagente de formalina ou queimado como fonte de calor em caldeiras. Por meio da recuperação do formaldeído, é possível alcançar a utilização sustentável dos recursos, e o custo do investimento na estação de tratamento pode ser recuperado em 4 a 5 anos, concretizando a união dos benefícios ambientais e econômicos. No entanto, a composição dos efluentes farmacêuticos em geral é complexa, de difícil reciclagem, o processo de recuperação é complicado e o custo é elevado. Portanto, tecnologias avançadas e eficientes de tratamento de esgoto são essenciais para a solução completa do problema do esgoto.

4 Conclusão

Existem muitos relatos sobre o tratamento de efluentes farmacêuticos. No entanto, devido à diversidade de matérias-primas e processos na indústria farmacêutica, a qualidade dos efluentes varia amplamente. Portanto, não existe um método de tratamento consolidado e unificado para efluentes farmacêuticos. A escolha do processo depende da natureza do efluente. De acordo com as características do efluente, geralmente é necessário um pré-tratamento para melhorar a biodegradabilidade, remover inicialmente os poluentes e, em seguida, combinar o tratamento com um tratamento bioquímico. Atualmente, o desenvolvimento de um dispositivo de tratamento de água composto, econômico e eficaz, é um problema urgente a ser resolvido.

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