我国抗生素生产废水和废渣处理现状
我国抗生素生产和使用
我国是一个抗生素制造大国、消费大国。2010年12月，我国年生产抗生素21万吨，8万吨为人用，10万吨为非人用(人均年消费量在138g左右，是全球平均量的10倍);3万吨出口。在住院患者中，使用率更达到70%,是欧美国家的两倍;每年每人要挂8瓶水，远远高于国际上2.5~3.3瓶的水平，俨然已成“吊瓶大国”;“三素一汤”成为标准化方案。
上图显示，我国除了在临床上大量使用抗生素外，农业和畜牧业使用量更多。有关研究表明，猪饲养员身上已经分离出与临床产生的耐药细菌完全一样的细菌，从动物向人传递的细菌耐药性已经非常严重，在国际顶级杂志上已经发表很多重要文章，引起了全球范围的关注。因此，我国政府和各有关部门加强了对抗生素的严格控制，从2013年起，实现了历史上最严厉的限抗令。
在美国这样的发达国家，也大量使用抗生素作为饲料添加剂。据2009年数据统计，美国有80%左右的抗生素被用于家禽和动物类饲料中。
美国做了一个统计，1997年没有从屠宰场上牛的身上分离出沙门氏菌，到2009年可以分离出大约50%左右。美国猪饲养员身上也分离到了与动物粪便中以及人体感染人群中相同的细菌。细菌的耐药性，从动物到人体的传递已经是一个非常清楚的事实。
我国抗生素污染大国，一般抗生素发酵液中固形物含量大约占20-40%，目前每年估计有600万吨湿废渣产生。国家规定抗生素废渣为“高危废物”，被列入《禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录》中。但是，由于我国还没有成熟的抗生素废渣的处理技术和方法，因此目前所有抗生素企业只能延用传统的处理方法，致使国家法规几乎还是一纸空文。
废渣中残抗量巨大，在每年产生的600万吨左右的废湿渣，按照废渣中残留量占总产抗生素量的5%计算，全年废渣中残留抗生素达1万多吨。环境残抗问题突出，据报道，珠江三角洲重要水体、香港和广州4家城市污水处理厂尾水排放中检测到抗生素残留。
我国抗生素废弃物处理现状
抗生素生产废水处理过程中存在的不足有待解决。目前我们要开发的一种多级厌氧处理技术，其主要目的是为了节约用水的排放、降低抗生素的残留量以及提高COD的降解率。如何减缓企业由于排放废水量受到限制而制约生产的局面，以及减少残留抗生素等有害物质向环境的释放显得更为重要。
目前，我们生产企业中用于废水处理的装置技术是厌氧好氧和兼性厌氧微生物技术，它能够将废水中各种有害物质去除降解掉。如图所示，是一种企业常用的UASB法。UASB(Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket)称为上流式厌氧污泥床反应器，是一种处理污水的厌氧生物方法，是荷兰大学于1972年开始研制，并在1977年应用于工业化。
近年来，IC(internal circulation)反应器是新一代高效厌氧反应器，废水在反应器中自下而上流动，污染物被细菌吸附并降解，净化过的水从反应器上部流出。
与UASB反应器相比，在获得相同处理效果的条件下，IC反应器具有更高的进水容积负荷率和污泥负荷率，IC反应器的平均升流速度可达处理同类废水UASB反应器的20倍，在处理低浓度废水时，HRT可缩短至2.0 h～2.5 h，使反应器的容积更加小型化，因此更加具有优势。IC缺点尤其在污水可生化性不是太好的情况下，由于水力停留时间比较短去除率远没有UASB高，增加了好氧段负担。
现有厌氧处理生产废水技术存在很多不足。由于进水COD浓度受到限制，大多数医药企业采用的废水处理的第一步是厌氧消化，其要求初始COD浓度在4000~5000mg/L左右。为此，企业往往采用大量生活污水、雨水、尾水、甚至自来水和地下水进行稀释，水源非常紧张，同时，国家对废水排放量受到严格控制。因此，“有钱难买水”已经成为制约企业发展的瓶颈。残抗量大，残留抗生素及其中间体对生物反应系统的影响。水质波动，有机物种类多、结构复杂、催化剂和无机盐等含量高，且波动大。
进口COD过高，导致活性污泥中的微生物难以发挥作用的四个原因包括，一是活性污泥中营养不均衡，“N源”严重过剩;二是大量有机溶媒使活性污泥中的微生物“中毒”;三是微生物代谢物质对活性污泥的“活性抑制”;四是残留抗生素对活性污泥的“活性抑制”。
目前我国抗生素废渣处理现状包含以下几点。湿菌渣直接让农民作为肥料或干燥后做成复合肥料出售;将菌渣干燥后作为饲料出售;少量菌渣干燥后作为培养基出售;少量与煤混合后燃烧;少量填埋;有些直接用水混合后进入污水处理池;堆肥产沼气及其他。
残留抗生素造成的危害
被释放到环境中的残留抗生素来自三个源头，抗生素制造企业、医院使用产业和动物饲料添加剂。残留抗生素进入水体土壤会不断进行迁移，对人体产生危害。央视去年12月25日报道曝光，鲁抗医药参股子公司偷排抗生素污水，浓度超自然水体10 000倍。在珠江、黄浦江等水体检出的抗生素频率高达100%，有些抗生素检出的浓度达每升几百纳克，工业发达的国家则小于20纳克。此外，科学家发现用于临床的和动物使用的所有结构类抗生素在土壤中都够被检测到。
废水处理中试研究结果
个性化定制的依据和原理，利用微生物菌群在不同环境下分化适应的“工作特点”，驯化诱导不同微生物功能菌群“各司其职”，发挥最大作用的原理。以达到“微生物的专业化处理”，达到高COD耐受性、高COD降解率、高节水率，及高残留抗生素降解率的效果。
我们开发了一种适用于不同生物制药废水的“多级厌氧/兼性厌氧/好氧结合多级循环的高浓度废水”的“个性化定制”处理工艺。
技术路线如下：
通过专家实地就诊，了解客户现有处理工艺存在的问题和技术瓶颈
根据企业技术瓶颈，进行实验室解决方案的设计和研究，以获得匹配解决企业生产问题的解决方案
以实验室数据为依据，通过可移动、模块化、个性化功能组合的中试装置，在目标企业进行实地中试放大
以中试放大数据为依据，根据企业实际情况，进行工程化实施
通过远程诊断与维护，保障处理工艺的长期稳定
技术特点包括确立研究先于工程化，工程化基于研究的科学理念，为不同企业不同来源的废水(废渣)，提供制定量身定制的“个性化”处理工艺和装备;确立像研发制药工艺那样，研发废水(废渣)处理的每一步，为企业提供合理、高效的工程化工艺和装备;通过自备的可移动、模块化、个性化功能组合的中试装置，实地在目标企业进行放大实验，以减少客户的中试投入和获得与产业化更加接近的工程化数据;通过远程诊断与维护，保障处理工艺的长期稳定。
本项目开发的“多级厌氧/兼性厌氧/好氧”结合的多级循环的高浓度废水”的“个性化定制”处理工艺，具有以下的经济性：
一是能够处理高COD废水，可节约稀释用水
二是基本不采用化学处理方法，可以减少二次污染
三是基本不采用物理处理方法，可以降低能源消耗
四是高COD降解率，减轻后续处理压力
五是多级厌氧技术，不仅能够处理高COD废水，以及降解抗生素废渣，且在其处理过程中可以产生大量的沼气，循环能源使用
高浓度螺旋霉素发酵废水
螺旋霉素生产过程中高浓度COD废水为萃取后的残余水相和结晶后的残余母液。
中试放大装置
河南天方制药项目中，生产螺旋霉素生产过程中的废水主要来源于发酵后的清洗水，发酵液萃取后的残余废水、结晶后的残余母液。在实地进行中试放大的装置中，我们对四个连续厌氧发酵罐，每个5吨，进行了长达150天的处理。
多级厌氧反应器运行条件
研究结果显示，可以分为5个阶段。随着驯化时间的延长，整个系统的有机负荷不断增加。COD从原来进水2000~4000mg/L一直提高到13000~16000mg/L，效率也在不断提高。
多级厌氧反应器各阶段各级平均COD浓度情况
如图所示，随着驯化时间的延长，系统承受高浓度废水的逐步加强;最后阶段的COD浓度可以从15000降低至1500mg/L左右。
生物法定性测定
生物法定性测定各阶段废水中的残留螺旋霉素
1、2、3、4分别为各级厌氧罐的样品
原：为进口废水样品
有：为用于螺旋霉素萃取的溶剂
结果表明，用相同量测定抗菌活性时，各级罐中的残抗显著被降解。
HPLC法定量测定
表 HPLC法定量测定各阶段废水中的残留螺旋霉素
同时，我们对处理前后螺旋霉素在废水中的残留量进行了考察。结果发现，经过多级厌氧处理的螺旋霉素残留量总降解率在为73%，而常规的单级厌氧处理的降解率仅为35%。尽管目前我国对废水中抗生素残留量还没有明确规定，但是随着全国人民的对环保意识的提高和政府的重视，我认为在抗生素废水中，除了目前规定的COD、氨氮、有机磷、重金属等以外，抗生素废水中残留抗生素指标迟早会做出硬性规定，所以企业要提前做好准备。
J Pharmaceut Biomed (2004)酸催化降解
Anal Bioanal Chem (2010)光催化降解
我们对螺旋霉素在应用系统中被高效降解的机制进行了研究。根据已有的文献报道，结合我们的实验，16元大环内酯结构的降解具有一定的难度。降解产物是否具有与螺旋霉素相似的诱导细菌耐药性产生，为国家今后制定抗生素废水排放残留标准提供依据。
高浓度依替米星合成废水
常州方圆制药项目中，目前使用的单级厌氧的处理方法，其COD去除率为50%左右。我们对方圆多级厌氧系统进行加热装置改造，即采用中间水箱加热，即罐与罐之间加入盘管，加热水流以进行保温，以计量泵进行水流推进和控制，以温度探头监测温度。
方圆制药多级厌氧系统各阶段运行情况
多级厌氧系统各阶段各级相对于进水的平均COD去除率
经过长达241天的中试放大研究，可以看到从启动阶段到第七阶段，进水的COD从1797mg/L一直增加到10608mg/L。整个处理效率最后达到97.9%，几乎是难以想象想的高效率降解。
废渣处理小试研究结果
抗生素废渣的基本组成如下：
发酵过程中产生的菌丝体
发酵培养基中的固体物质
后续分离纯化工艺中加入的不溶性盐类和助滤剂等
含有大量残余抗生素
我国早在2000年将其列入高危险固废行列，其废渣处理成本高昂。
阿卡波糖废渣处理
将废渣与废水混合成悬浮液，进入多级厌氧装置处理，考察其总COD的去除率。
阿卡波糖废渣处理工艺流程
中美华东制药项目中，初始阶段，处理含固量为2%的菌渣液，然后逐步提高到4%、6%、8%，现在基本上能够达到8%~10%的含固量处理。
多级厌氧反应器各级产气及总产气量变化
结果显示：
随着驯化时间延长，总产气量不断提高，产气速率最高可达21.4L/d;
进料4%时，外加酸化罐，1、2号罐成进料2%时，1号罐作为水解酸化罐，停止产气;
为主要产气场所
进、出料总COD变化情况，进料为2%菌渣液时，总COD去除率约90.7%;进料为4%菌渣液时，总COD去除率约88.6%。
阿卡波糖菌渣降解前后显微形态观察及降解率，菌丝体降解率高达70%左右。
经过两个多月的驯化，螺旋霉素去除率达到95%。
可以看到，经过多级厌氧处理后的螺旋霉素菌丝体几乎完全被降解。
多级厌氧系统中固含量的变化
当进料的固含量维持在4%左右时，出料的固含量维持在2%左右，即固含量约降低了一半。
问答环节
问：化学合成制药类废水的水解酸化池一般设计停留时间多长合适，依据是什么?
答：关于水解池酸化时间的问题，我们做了大概四五个品种。发酵类废水、制药合成类和中间体合成类的废水。根据各个废水性质的不同，停留时间也不同。我们现在正在筛选一种特殊的微生物来增加水解酸化的效率和质量。
问：目前抗生素发酵废渣，工厂怎么处理?和生物发酵是否一样?
答：目前据我们了解，绝大多数抗生素制造企业其发酵的废渣，通过相关渠道做成肥料或饲料出售，而非焚烧。我国现在几乎没有企业真正地将抗生素生产过程中产生的废渣进行焚烧。
抗生素发酵俗称生物发酵，因为其含微生物。你提的生物发酵可能是指生物技术来源的生物发酵，生物量相当少。国家没有把它定为高危固体废物，而只是把抗生素废渣定义为高危废物。
问：有个项目是新建中试生产车间，由于业主还没有完成小试，所以业主方无法提出具体废水排放量和其中的成分，在这种情况下废水处理应该如何做设计?
答：在这种情况下我建议把废水在实验室规模进行研究。主要是要研究他主要的参数。至于有多少规模，我认为不是一个主要的问题。我们很多企业做废水处理的项目往往没有实验室中试。所以工程化之后，要么设计的系数非常的大，要么运行一段之后会出现这样那样的问题。
分享嘉宾
陈代杰
研究员、博士研究生导师
中国医药工业研究总院首席专家
从事微生物药物研究开发35年，主要包括“从无到有”的抗生素创新药物开发、“从有到优”的抗生素生产工艺开发，以及“从有到无”的抗生素废弃物处理技术开发等三个研究方向。作为第一完成人获2项国家科技进步二等奖、2项上海市科技进步一等奖及1项浙江省科技进步二等奖;中国发明专利优秀奖2件。发表论文200余篇;专(译)著8本;科普2本;授权专利27项。培养硕士和博士研究生100余名。现任中国药典委员会委员、中国抗生素专业委员会副主任委员和上海药学会抗生素专委会荣誉主任委员等学术职务。曾获上海市科技精英奖、全国优秀科技工作者，及谈家桢生命科学奖等荣誉称号。
本文来源：《制药业》
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