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抗生素菌渣处理处置技术:焚烧、肥料化、饲料化、填埋、能源化等

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-02-13  艾普网   浏览次数:183

北极星固废网讯:研究背景

目前我国已成为世界最大的抗生素原料药生产与出口大国。据统计,2009年我国抗生素产量达到14.7万t,占全球市场总量的70%以上,其中青霉素工业盐、头孢菌素、土霉素和链霉素的年产量分别占全球产量的75%、80%、90%和90%。按照生产1 t抗生素产生8~10 t湿菌渣估算,2009年我国抗生素菌渣的产生量为130万t。依据2008年修订后的《国家危险废物名录》,抗生素菌渣属于化学药品原料药生产过程中的培养基废物,须按危险废物进行管理。抗生素菌渣含有残留抗生素及代谢中间产物等,是一种特殊的危险废物,如处置不当,会对生态环境以及人体健康产生潜在的危害,其危害具有隐蔽性、滞后性、累计性、协同性和连带性等特点。

针对抗生素菌渣产生量大、处理难度大等现实问题,以及《制药工业污染防治技术政策》(征求意见稿)中提出的“鼓励开发发酵菌渣在生产工艺中的再利用技术、无害化处理技术、综合利用技术”政策建议,如何实现抗生素菌渣合理有效利用与安全处置成为了制药企业亟待解决的难题。

一  摘 要

我国是抗生素原料药生产大国,抗生素菌渣产生量大、处理难度大,且属于危险固废,其合理、安全处置是目前制药企业亟待解决的难题。对抗生素菌渣的焚烧、肥料化、饲料化、填埋、能源化及其他处理处置技术的现状进行了归纳和总结,并对抗生素菌渣处理处置技术的发展趋势进行了展望。

二  抗生素菌渣的来源及特点

1.来源

在发酵类抗生素的生产过程中,菌渣产生于药物有效成分的提取工序,根据抗生素发酵细菌的生化特性不同,有效成分提取有两种方式:药物有效成分从发酵液中提取,菌渣被压缩为滤饼,直接作为固体废物排出;药物有效成分从菌丝体中提取,菌渣全部从提取工序排出。不论哪种提取工艺,抗生素菌渣的主要成分均为菌丝体、剩余培养基、代谢中间产物、有机溶媒以及少量残留的抗生素。

2.特点

抗生素菌渣的含水率在79%~92%,抗生素菌渣干基中的粗蛋白含量为30%~40%、粗脂肪含量为10%~20%,还有部分代谢中间产物、有机溶媒、钙、镁、微量元素和少量残留的抗生素,例如青霉素菌渣中含0.2%~0.4%的青霉素,土霉素菌渣中含0.25%~0.60%的土霉素;四环素菌渣中含0.3%~0.5%的四环素;洁霉素菌渣中含0.3%~0.4%的洁霉素。

三  抗生素菌渣处理处置技术现状

1.焚烧技术

焚烧技术是一种高温热处理技术,废物在800~1200 ℃的焚烧炉内进行氧化燃烧,被氧化或热解为小分子有机物或CO2,是一种可同时实现废物无害化、减量化和资源化的处理处置技术。美国、欧盟等国家对于制药行业产生的固体废物多采用焚烧方法进行处置。我国华药集团、石药集团等大型制药企业也建设了抗生素菌渣焚烧处理装置。焚烧能在短时间大规模减少抗生素菌渣的总量,菌渣的体积可降至原来体积的5%以下,同时消除其中许多有害物质,并回收热量。该方法的缺点是抗生素菌渣的含水率高达70%~80%,热值较低,在焚烧过程中需要外加燃料,导致运行能耗和成本较高,如焚烧1 t菌渣大约需2000元。同时,抗生素菌渣焚烧处理必须严格执行GB 18484—2001《危险废物焚烧污染控制标准》,如果焚烧不当,易导致残留抗生素、二噁英等有毒物质的多介质传播,造成二次污染。

由于危险废物专用焚烧炉处理能力一般都较小,难以与抗生素菌渣的处理量相匹配。加之处理成本高、尾气治理难度大等原因,目前我国采用焚烧技术处置抗生素菌渣的实例还较少。欧盟针对危险废物焚烧和高温窑炉共处置技术颁布了2000/76/EC《关于废物焚烧的指令》,美国2005年9月发布了工业锅炉、工业加热炉、盐酸生产炉处置危险废物过程中有害大气污染物的国家排放标准。而目前我国关于危险废物共处置技术的管理体系尚属空白,没有与之相关的法律、法规、标准和规范。可见,抗生素菌渣焚烧和高温窑炉的共处置技术将会是我国今后的发展方向之一。

2.肥料化技术

抗生素菌渣富含有机质、有机酸、氮、磷、钾和多种微量元素,尤其是菌渣中的蛋白含量高,可以用来制作有机肥。

华北制药集团利用HB菌渣、青霉素菌渣混合,通过微生物发酵使残留的青霉素及HB失去活性成为有机肥料。田间试验表明,该有机肥不仅能提高土壤肥力、增产,还能保证农产品品质安全。李路平等利用制药行业废水处理站污泥、Vc发酵渣液、抗生素菌渣和肌苷发酵渣液等混合发酵,加工成有机肥料,对玉米、水稻、芹菜等蔬菜和粮食作物增产效果显著。成建华等采用“中温预处理+生物发酵”制作有机肥工艺。屈凌波等申请了“大环内酯类抗生素菌渣无害化处理方法”的专利。刘大群等申请的发明专利是将一种农用玫瑰黄链霉菌变种0116发酵液的废弃菌渣作为原料来生产微生物肥料。

利用抗生素菌渣做有机肥是一种适于推广应用的处置方式,但是如果抗生素菌渣处理不完全,生产的有机肥中可能含有残留的抗生素和代谢中间产物等,在有机肥使用过程中易在微生物及生物体内累积,形成抗药性,导致潜在的生态风险。因此,必须要对抗生素菌渣再生产品的安全使用问题进行评估。

3.饲料化技术

抗生素菌渣中优质蛋白质量分数为30%~40%,10多种人体常见的氨基酸以及丰富的微量元素,国内常见的做法是将抗生素菌渣进行无害化处理后生产蛋白饲料,喂养畜禽后长势良好。但利用抗生素菌渣生产的饲料及添加剂容易造成抗生素在肉、蛋、奶等畜禽产品中残留,诱发人畜共患病等隐患,美国农场出现的超级细菌就是很好的例证。该领域的研究重点是是关注抗生素残留化学效价的消除情况,而对于其残留效价和代谢产物的生物毒性及潜在的环境风险却没得到有效评估。

为此,2002年农业部、卫生部、国家药品监督管理局等部门联合发布了农业部公告第176号《禁止在饲料和动物饮用水中使用的药物品种目录》,认为“抗生素菌渣是抗生素类产品生产过程中产生的工业三废,因含有微量抗生素成分,在用作饲料饲养过程中使用后对动物有一定的促生长作用。但对于养殖业的危害很大,一是容易引起抗药性,二是由于未做安全性实验,存在各种安全隐患”,因此将抗生素菌渣列入上述目录中,禁止未进行处理的抗生素菌渣直接制作饲料或饲料添加剂。同年最高人民法院、最高人民检察院发布了法释[2002]26号《关于办理非法生产、销售、使用禁止在饲料和动物饮用水中使用药品等刑事案件具体应用法律若干问题的解释》,进一步强化了对抗生素菌渣流向饲料市场的管理。2008年修订的《国家危险废物名录》又明确将抗生素菌渣定为危险废物。因此,抗生素菌渣做饲料的利用方式在我国被彻底禁止。

4.填埋技术

我国已将抗生素菌渣列为危险废物,采用填埋技术进行处置时,必须将抗生素菌渣送入危险废物安全填埋场进行安全填埋。在抗生素菌渣的贮存、运输和安全填埋过程中必须严格执行GB18597—2001《危险废物贮存污染控制标准》和GB18598—2001《危险废物填埋污染控制标准》。安全填埋是将危险废物放置或贮存在土壤中的一种处置方式,其目的是埋藏或改变危险废物的特性,适用于处置不能回收利用有用组分或能量的危险废物。由于抗生素菌渣含水率高、有机质含量高,直接进行安全填埋,存在占地面积大、处置成本高和二次污染问题,而且造成资源浪费。因此,在其填埋之前,应采用物化和生物处理方法尽可能地利用其中的有价值物质和能量。虽然安全填埋技术可有效解决抗生素菌渣带来的生物安全性问题,但受占用大量土地和无限期维护的限制,目前很少有企业采用该技术处置抗生素菌渣。

5.能源化技术

抗生素菌渣干基中有机质含量达到90%左右,可以作为生物质能源进行回收利用,例如采用厌氧消化处理回收沼气和制备沼肥,采用热解气化技术回收可燃气体和燃油等。

厌氧消化技术是将抗生素菌渣进行高温或中温厌氧消化,将菌渣中低品位的生物质能转化为高品位的沼气;厌氧消化处理产生的残渣性质稳定、易于脱水,可制作农肥;同时沼液中由菌体蛋白分解的氨氮含量高,也可制作农肥。困难的是由于抗生素菌丝体具有刚性的细胞壁,胞内有机质释放困难,难以得到充分利用,因此需要采取物理或化学的手段进行破壁处理,才能提高胞内溶解性有机物的释放率,有效提高菌渣有机质的利用率和沼气产率。另外,菌渣中残留的抗生素也可能对厌氧消化产生抑制影响,减少沼气产率。孙效新等研究表明青霉素、链霉素、土霉素、洁霉素和麦迪霉素菌渣等均能进行厌氧消化制取沼气。李士兰等将卡娜霉素制药废渣和酒糟为原料制取沼气,也取得了较好的效果。但是厌氧消化产生的沼渣和沼液作为农肥使用时,仍需对其进行生物安全性评价。

热解气化技术是在无氧或缺氧的高温条件下,使菌渣中的大分子有机物裂解为可燃性小分子气体(H2、CH4和CO等)、液态的甲醇、丙酮、乙酸、乙醛、焦油、溶剂油和固定碳(焦炭、炭黑)等,上述产物均可回收利用。目前许多学者正在研究城市污泥、城市垃圾、秸秆等生物质的热解气化技术,均取得了较好的效果。由于抗生素菌渣与城市污泥特性相近,可以采用相同的技术处理。

6.其他处理处置技术

利用抗生素菌渣含有大量菌体蛋白、维生素、生长因子及培养基残留物等营养物质的特点,通过适当处理后可制备抗生素发酵培养基;利用抗生素菌渣可制备重金属离子吸附剂及活性炭;从抗生素菌渣中还可提取核糖核酸、麦角固醇等。上述技术是对抗生素菌渣中有用物质进行综合利用的有效方式,但由于有用成分的回收利用率低,抗生素菌渣基本没有实现减量化,大量剩余菌渣仍需要进一步处置。

四  结论及展望

采用危险废物焚烧炉焚烧处置抗生素菌渣运行成本太高,其今后的发展方向是抗生素菌渣焚烧和高温窑炉的共处置技术;抗生素菌渣生产饲料目前已被国家禁止,但如果抗生素菌渣经过处理能通过生物安全性评价,则可彻底解决抗生素菌渣处理处置的难题;危险废物填埋技术不适于处置产生量大、含水率和有机质含量高的抗生素菌渣;利用抗生素菌渣制备培养基、吸附剂以及提取有用成分等综合利用技术,由于有用成分的回收利用率低,大量剩余菌渣仍需要进一步处置。相对而言,抗生素菌渣的肥料化技术和能源化技术(厌氧消化和热解气化技术)是解决大宗抗生素菌渣处置问题的最有效途径,但其处理处置过程和再生产品的抗生素残留带来的生物安全性问题也需要进一步评估。因此,针对抗生素菌渣的特点,有必要开发一套系统、公正、科学的生物安全性评估方法和评估标准,评估筛选出合理、可行、安全的抗生素菌渣处理处置技术,为实现抗生素菌渣的无害化、减量化、资源化提供技术保障,这对于促进制药行业的可持续发展具有重要意义。


原标题:抗生素菌渣处理处置技术:焚烧、肥料化、饲料化、填埋、能源化等

 
 
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