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Métodos y características del tratamiento de aguas residuales en la industria farmacéutica

2022-04-06

Original

María

Los métodos de tratamiento de aguas residuales antibióticas pueden resumirse de la siguiente manera: métodos físicos y químicos, métodos biológicos aeróbicos, métodos biológicos anaeróbicos y una combinación de diversos métodos.

Los métodos físicos y químicos incluyen principalmente la precipitación, la coagulación, la filtración y otros procedimientos. Debido a la compleja composición del agua residual generada en la producción de antibióticos, su alto contenido orgánico y la pequeña cantidad de antibióticos residuales, cuando se emplea el tratamiento bioquímico, el fuerte efecto inhibidor de los antibióticos remanentes sobre los microorganismos resulta en procesos complejos de tratamiento de aguas residuales, altos costos y efectos inestables.

El tratamiento biológico aeróbico incluye principalmente SBR, foso de oxidación, aireación en pozo profundo y oxidación por contacto. Sin embargo, dado que las aguas residuales antibióticas son un tipo de aguas residuales orgánicas de alta concentración, el método convencional de lodos activados no puede soportar aguas residuales con una concentración de DQO superior a 10 g/L, lo que requiere diluir considerablemente las aguas residuales originales. Como resultado, el consumo de agua limpia y energía es elevado, lo que genera altos costos de tratamiento, además de que la tasa real de tratamiento de aguas residuales en los fabricantes aplicadores también es baja.

El tratamiento biológico anaeróbico incluye principalmente el digestor anaeróbico, el filtro anaeróbico, el lecho de lodos anaeróbicos por flujo ascendente, el lecho expandido de lodos granulares anaeróbicos, la circulación interna, entre otros. En comparación con el tratamiento aeróbico, el tratamiento anaeróbico suele manejar cargas orgánicas elevadas en el tratamiento de aguas residuales farmacéuticas, presenta un bajo rendimiento de lodos, facilita la deshidratación de los lodos biológicos, requiere menos nutrientes y no necesita aireación, lo que se traduce en un menor consumo energético. Además, permite generar biogás, recuperar energía, cuenta con una amplia gama de temperaturas adecuadas para el agua y ofrece la ventaja de un largo tiempo de almacenamiento del lodo anaeróbico activado, lo que ha llevado a su uso cada vez más extendido.

  • Fuente y características del agua residual antibiótica

La producción de antibióticos incluye procesos como fermentación microbiana, filtración, extracción por cristalización, refinado y otros. Las aguas residuales generadas en la producción de antibióticos utilizando granos o melaza como materia prima principal provienen principalmente de efluentes orgánicos de alta concentración procedentes de etapas de separación, extracción, refinado y purificación, tales como líquidos de cristalización, licor madre residual y aguas residuales de lavado provenientes de tanques de inóculo y fermentadores, así como agua de enfriamiento utilizada en los tanques de fermentación. Por lo tanto, las aguas residuales presentan las siguientes características:

1. Alto contenido de DQO

El COD de las aguas residuales antibióticas generalmente oscila entre 5000 y 80.000 mg/L. Principalmente incluyen matriz residual de fermentación y procesos de extracción, líquidos residuales procedentes de calderas de destilación tras la recuperación del solvente, líquidos residuales de adsorción generados en el proceso de intercambio iónico, filtrados de fermentación de antibióticos insolubles en agua, así como líquidos residuales provenientes de tanques contaminantes, entre otros. La concentración de estos componentes es elevada; por ejemplo, la concentración de DQO en aguas residuales de penicilina varía entre 15.000 y 80.000 mg/L, mientras que la concentración de DQO en aguas residuales de oxitetraciclina se sitúa entre 8000 y 35.000 mg/L.

2. Alta concentración de SS en aguas residuales (500 a 25.000 mg/L)

El SS en las aguas residuales de antibióticos proviene principalmente del sustrato residual del cultivo fermentado y del micelio microbiano generado durante la fermentación. Por ejemplo, el SS en las aguas residuales de gentamicina es aproximadamente 8000 mg/L, mientras que en las aguas residuales de penicilina varía entre 5000 y 23000 mg/L.

3. Ingredientes complejos.

Las aguas residuales de antibióticos contienen materias primas como metabolitos intermedios, surfactantes, así como altas concentraciones de ácidos, álcalis y solventes orgánicos que permanecen tras los procesos de extracción y separación, presentando una composición compleja. Esto puede provocar fácilmente fluctuaciones en el pH y afectar negativamente el efecto bioquímico.

4. Presencia de sustancias biotóxicas.

El agua residual contiene sustancias que son difíciles de degradar por microorganismos e incluso tienen efectos inhibidores sobre estos últimos. Durante los procesos de fermentación o extracción, las sustancias orgánicas o inorgánicas que deben añadirse para la producción, así como los solventes residuales y los antibióticos residuales y sus productos de degradación liberados durante el proceso productivo, entre otros, pueden inhibir a los microorganismos cuando alcanzan cierta concentración.

5. La concentración de sulfato es alta.

Por ejemplo, el contenido de sulfato en las aguas residuales de estreptomicina es de alrededor de 3000 mg/L, llegando incluso a 5500 mg/L, mientras que el de penicilina supera los 5000 mg/L.

Además, las aguas residuales antibióticas presentan características como alta coloración, grandes fluctuaciones en el pH e intermitencia en su descarga. Constituyen uno de los tipos de aguas residuales orgánicas tóxicas que implican altos costos y complejidad en su tratamiento.

  • Método Físico de Tratamiento del Agua Residual Antibiótica

Dado que las aguas residuales generadas por la producción de antibióticos son residuos orgánicos refractarios, el fuerte efecto inhibidor de los antibióticos residuales sobre los microorganismos puede provocar procesos complejos de tratamiento de aguas residuales, altos costos e inestabilidad en los resultados. Por lo tanto, en el proceso de tratamiento de aguas residuales de antibióticos, el método físico puede utilizarse como pretratamiento para el posterior tratamiento bioquímico, con el fin de reducir los sólidos suspendidos en el agua y disminuir las sustancias biológicamente inhibitorias presentes en las aguas residuales. Los métodos físicos actualmente empleados incluyen principalmente coagulación, sedimentación, flotación por aire, adsorción, ósmosis inversa y filtración.

El método de coagulación consiste en que, tras añadir un coagulante, las partículas que han perdido su carga se ponen en contacto entre sí mediante agitación, formando así flóculos que facilitan su precipitación o filtración, logrando así el objetivo de separación. Tras el tratamiento por coagulación, no solo se reduce eficazmente la concentración de contaminantes, sino que también mejora el rendimiento de biodegradación del agua residual. Los coagulantes comúnmente utilizados en el tratamiento de aguas residuales en la industria farmacéutica de antibióticos incluyen: sulfato férrico polimérico, cloruro férrico, sales ferrosas, sulfato de policloruro de aluminio y hierro, policloruro de aluminio, sulfato de policloruro de aluminio y hierro, poliacrilamida (PAM), entre otros. La sedimentación es la separación o eliminación de partículas suspendidas más densas que el agua mediante separación gravitacional por precipitación.

La flotación por aire es un proceso en el cual pequeñas burbujas de aire altamente dispersadas se utilizan como portadoras para adsorber contaminantes presentes en aguas residuales, logrando así que su densidad sea menor que la del agua y floten hacia la superficie, lo que permite llevar a cabo la separación sólido-líquido o líquido-líquido. Este proceso generalmente incluye diversas formas, tales como flotación por aire inflable, flotación por aire disuelto, flotación por aire químico y flotación por aire electrolítica. Una fábrica farmacéutica nacional utiliza un dispositivo de flotación por aire CAF con diseño concavo-vórtice para pretratar aguas residuales farmacéuticas. Con una coordinación adecuada de productos químicos, la tasa promedio de eliminación del CODcr puede alcanzar aproximadamente el 25%.

El método de adsorción se refiere al uso de sólidos porosos para adsorber ciertos o varios contaminantes presentes en aguas residuales, con el fin de recuperarlos o eliminarlos y, así, purificar las aguas residuales. Los adsorbentes comúnmente utilizados incluyen carbón activado, carbón activado, ácidos húmicos, resinas de adsorción, entre otros. Este método presenta ventajas como inversión reducida, proceso sencillo, operación conveniente y tratamiento fácil, siendo especialmente adecuado para la mejora del proceso en plantas originales de tratamiento de aguas residuales.

El método de ósmosis inversa utiliza una membrana semipermeable para separar las soluciones concentrada y diluida, aprovechando la diferencia de presión como fuerza impulsora. Se aplica una presión superior a la presión osmótica de la solución, lo que invierte el sentido natural de la permeación y permite que la presión del agua pase desde la solución concentrada hacia el lado de la solución diluida. De este modo, se logra la concentración y purificación del agua residual.

  • Método de Tratamiento Químico de Aguas Residuales de Antibióticos

1. Oxidación fotocatalítica.

Esta tecnología puede degradar eficazmente la concentración de materia orgánica en aguas residuales farmacéuticas, presentando ventajas como un rendimiento estable, ausencia de selectividad hacia las aguas residuales, condiciones de reacción suaves y ausencia de contaminación secundaria, lo que le otorga una excelente perspectiva de aplicación. Utilizando TiO₂ como catalizador, se empleó un reactor fotocatalítico de lecho fluidizado para tratar aguas residuales farmacéuticas, investigándose el efecto fotocatalítico bajo diferentes condiciones del proceso. Después de 150 minutos, la DQO del efluente en la etapa de oxidación fotocatalítica fue de 113 y 124 mg/L, con tasas de eliminación del 81,0 % y el 85,6 % respectivamente; además, el valor BOD₅/COD también pudo incrementarse de 0,2 a 0,5, mejorando así la biodegradabilidad de las aguas residuales. Sin embargo, aún existen limitaciones en el método de oxidación fotocatalítica, ya que el catalizador más ampliamente utilizado, el TiO₂, presenta alta selectividad y resulta difícil de separar y reciclar. Por lo tanto, la preparación de fotocatalizadores eficientes constituye el requisito previo para que este método pueda ser ampliamente aplicado en el ámbito de la protección ambiental.

2. Método Fe-C.

El Fe-C es una tecnología de tratamiento de aguas residuales que ha sido ampliamente estudiada y aplicada. La solución electrolítica está llena de aguas residuales con un valor de pH entre 3 y 6. Las limaduras de hierro y las partículas de carbono forman numerosas pequeñas pilas primarias, liberando [H] altamente activo. Este nuevo [H] ecológico puede interactuar con múltiples componentes presentes en la solución, provocando una reacción redox que, al mismo tiempo, genera un nuevo Fe3 ecológico de alta actividad. Este nuevo Fe3 presenta una elevada reactividad y contribuye a su formación. Con el avance de la reacción de hidrólisis, se forma un gel cuyo centro es el Fe3, logrando así el efecto deseado de degradación de las aguas residuales orgánicas.

A temperatura y presión normales, el carbón activado y las limaduras de hierro se instalaron en la columna de lixiviación con una relación de longitud del tubo inclinada como capa filtrante, y se utilizaron Mn²⁺ y Cu²⁺ como catalizadores para tratar las aguas residuales complejas provenientes de la fábrica farmacéutica de tetraciclinas. Los resultados muestran que el carbón activado tiene un mayor efecto de adsorción. Al mismo tiempo, la microbatería Fe-C formada en el tubo oxida el hierro produciendo un floculante de hidróxido férrico, lo que permite separar sólidos y líquidos y reducir así la turbidez. En la aplicación práctica de métodos químicos de tratamiento, el uso excesivo de reactivos puede fácilmente provocar contaminación secundaria de los cuerpos de agua; por lo tanto, antes del diseño, se deben realizar investigaciones pertinentes.

3. Tratamiento antibiótico y aeróbico de aguas residuales.

Los métodos biológicos aeróbicos comúnmente utilizados en aguas residuales farmacéuticas incluyen principalmente: método convencional de lodos activados, método bioquímico a presión, método de aireación en pozo profundo, método de oxidación biológica por contacto, método de lecho fluidizado biológico, proceso secuencial de lodos activados, entre otros.

En la actualidad, el método más maduro para tratar aguas residuales antibióticas tanto en el ámbito nacional como internacional es el método de lodos activados. Gracias al refuerzo del pretratamiento, a métodos mejorados de aireación y a la operación estable del equipo, este método se ha convertido en una técnica comúnmente utilizada por las fábricas farmacéuticas en algunos países industrializados desde la década de 1970. Sin embargo, la desventaja del método común de lodos activados radica en que las aguas residuales requieren una gran dilución, generan abundante espuma durante la operación, son propensas a la expansión del lodo, producen grandes cantidades de lodos excedentes y presentan una baja tasa de eliminación. En tales casos, resulta necesario emplear dos o más etapas de tratamiento. Por ello, en los últimos años, la mejora del método de aireación y la tecnología de inmovilización microbiana, con el fin de optimizar el efecto del tratamiento de aguas residuales, se han convertido en un componente fundamental en la investigación y desarrollo del proceso de lodos activados.

En comparación con el método ordinario de lodos activados, el método bioquímico presurizado aumenta la concentración de oxígeno disuelto y garantiza un suministro adecuado de oxígeno, lo que no solo favorece la aceleración de la biodegradación, sino que también mejora la resistencia a las cargas biológicas de choque.

El método de aireación en pozo profundo es un sistema de lodos activados de alta velocidad. En comparación con el método ordinario de lodos activados, el método de aireación en pozo profundo presenta las siguientes ventajas: alta tasa de utilización del oxígeno, equivalente a 10 veces la del aireado común; elevada carga de lodos, entre 2,5 y 4 veces superior a la del método ordinario de lodos activados; tamaño reducido, inversión baja, costos operativos bajos y eficiencia elevada, alcanzando en promedio una eliminación superior al 70% de la DQO; gran resistencia frente a impactos tanto hidráulicos como orgánicos; ausencia de problemas de hinchamiento del lodo; y excelente efecto de aislamiento térmico.

El método biológico de oxidación por contacto presenta características tanto del método de lodos activados como del método de biofilm, y cuenta con una alta carga de tratamiento, lo que le permite procesar aguas residuales orgánicas propensas fácilmente al hinchamiento del lodo. En el tratamiento de aguas residuales industriales en la industria farmacéutica, a menudo se utiliza directamente la oxidación biológica por contacto, o bien se emplean procedimientos previos como la digestión anaeróbica y la acidificación para tratar las aguas residuales generadas en la producción farmacéutica. Sin embargo, cuando se emplea el método de oxidación por contacto para tratar aguas residuales farmacéuticas, si la concentración del agua de entrada es elevada, es probable que aparezca una gran cantidad de espuma en el tanque; por ello, es necesario adoptar medidas preventivas y correctivas durante la operación.

El lecho fluidizado biológico combina las ventajas del método ordinario de lodos activados y del método de filtro biológico, por lo que presenta las ventajas de una alta carga volumétrica, una rápida velocidad de reacción y un pequeño espacio ocupado.

El proceso de lodos activados por lotes secuenciales (SBR) presenta ventajas como la homogeneización de la calidad del agua, la ausencia de necesidad de retorno de lodos, resistencia a impactos, alta actividad del lodo, estructura simple, operación flexible, menor ocupación de terreno, inversión reducida y funcionamiento estable. Además, su tasa de eliminación de matrices es superior a la del método común de lodos activados. Este proceso resulta más adecuado para el tratamiento de aguas residuales con descargas intermitentes y grandes fluctuaciones en la calidad y cantidad del agua. Sin embargo, el método SBR presenta desventajas como la sedimentación del lodo y un tiempo prolongado para la separación entre el lodo y el agua. Cuando se trata aguas residuales de alta concentración, es necesario mantener una elevada concentración de lodos; al mismo tiempo, existe una mayor tendencia a la formación de lodos viscosos e hinchados.

Por lo tanto, a menudo se considera la adición de carbón activado en polvo para reducir la formación de espuma en el tanque de aireación, mejorar el rendimiento de asentamiento del lodo, la eficiencia de separación líquido-sólido y la capacidad de deshidratación del lodo, entre otros aspectos, con el fin de lograr una mayor tasa de eliminación. Sin embargo, la aplicación directa del método aeróbico para tratar aguas residuales antibióticas aún debe tener en cuenta la toxicidad que los antibióticos residuales pueden ejercer sobre las bacterias aeróbicas; por ello, generalmente se requiere un tratamiento previo de las aguas residuales.