Очистка сточных вод фармацевтической промышленности

Эльмар Билленкамп  “EnviroChemie GmbH” (Германия)

Юрг Штауб, Мартин Штудер Roche AG (Швейцария)

Йохен Тюрк Институт Энергетики и Технологий Защиты Окружающей Среды (Германия)

М.В.Чеботаева «ООО Энвиро-Хеми ГмбХ» (Россия)

Эффективное расщепление медикаментов посредством озонирования. Очистка сточных вод фармацевтической промышленности

Акционерное общество Roche поручило компании EnviroChemie разработать для нового производства в Мексике метод, который позволит предотвратить выброс экологически токсичных лекарственных отходов  в окружающую среду и сточные воды до поступления в общие очистные сооружения. На первом этапе работ были исследованы в лабораторных условиях три метода - UV/H2O2-окисление, озоновое окисление и адсорбция с помощью активированного угля,  кроме того, была произведена их экономическая и экологическая оценка. Сравнение показало, что озонирование  является самым эффективным методом безопасного и полного расщепления биологически активных веществ в сточных водах. Вторым этапом  проекта является разработка и реализация компанией EnviroChemie концепции промышленной установки на основе существующих данных. Данная статья описывает этапы проекта и концепцию установки Envochem для удаления биологически активных веществ из сточных вод промышленной установки непосредственно  в месте их образования.

1. Введение

Все чаще обнаруживаются в водной среде медикаменты и их метаболиты. Лекарственные вещества попадают в поверхностные воды и питьевую воду через выделения людей и животных. Кроме того, сточные воды из фармацевтических предприятий могут быть источником загрязнения окружающей среды. Если производимые лекарственные вещества являются экологически токсичными, то сточные воды необходимо обрабатывать непосредственно в месте их образования, чтобы  убедиться, что в окружающую среду попадают только биологически разлагаемые вещества.  Такую задачу поставила перед собой компания Rocheпри строительстве нового производства в Мексике. Новое предприятие будет производить  обработку двух видов высокоэффективных медикаментов против раковых заболеваний. Исследования данных веществ показали, что оба вещества – Капецитабин (Кселода) и Микофенолата Мофетил (Селлсепт) – могут быть опасны для окружающей среды, и не следует допускать их попадание в сточные воды. При производстве галеновых препаратов ежедневно образуется  около 10 000л сточных вод. За день перерабатывается только один вид биологически активных веществ. Компания Rocheпоручила фирмеEnviroChemieпротестировать в лабораторных условиях различные способы расщепления Микофенолата Мофетила и создать на основе полученных данных  промышленную установку очистки сточных вод. Цель данного исследования - найти эффективный и одновременно недорогой метод, с помощью которого станет возможно полностью удалить медикаменты. Эксперименты с этим веществом проводились в Институте Энергетики и Технологий Защиты Окружающей Среды в Дуйсбурге (IUTA). Эксперименты по адсорбции с помощью активированного угля – в компании Roche, Базель.

Технологические задачи:

• Достоверность передачи данных
• Высокийуровеньтехникибезопасности
• Высокий уровень автоматизации
• Компактность общей конструкции установки водоподготовки
• Незначительный расход реагентов
• Минимально возможное количество отходов

2. Лабораторные исследования

Для удаления содержащихся в сточных водах биологически активных веществ в лабораторных условиях были исследованы и проанализированы с производственно-экономической точки зрения  три метода.

 Рисунок 1: Озонирование Капецитабина на пилотной установке (200л водопроводной воды, с0 = 200 мг/л, концентрация озона: 110 г/норм.м3, расход газа: 0,5 норм. м3/час)

Наряду с методами UV/H2O2-Окисления и адсорбции с помощью активированного угля на выбор предлагался третий метод – окисление озоном. Т.к. на предприятии в процессе производства лекарств используются щелочи, кислоты и хлорит натрия, была рассмотрена возможность их использования для очистки сточных вод. Однако, оказалось, что данный способ по многим причинам не подходит.
Результаты исследований показали, что с помощью всех трёх вышеуказанных методов можно удалить из сточной воды оба биологически активных вещества. Однако, метод очистки сточных вод при помощи озонирования, используемый в рамках запатентованной технологии Envochem, лучшего всего соответствовал требованиям клиента. В данной статье описана только часть проведенных исследований. Публикация всего исследования запланирована позднее.
Результаты окисления Капецитабина представлены на рисунке 1. Для данного метода был изготовлен образец с концентрацией биологически активных веществ в 200мг/л. Процесс окисления длился 20 минут и потребовал в общей сложности 18,33г. озона. На основе лабораторных результатов была подсчитана суточная (24 часа) потребность в озоне для окисления загрязнений, что составило максимально 917г. (18,33 g O3 x 10 000 Л/200 Л), часовая потребность составляет 38г.
Для лабораторных исследований процесса разложения Микофенолата Мофетила и его продуктов гидролиза был подготовлен образец с концентрацией биологически активных веществ 25мг/л в растворе. Первым этапом эксперимента стало исследование свойств гидролиза Микофенолата Мофетила. Исследование показало, что по истечении 24 часов остаётся ещё 80% исходного вещества (рис. 2). Опыты с окислением озона показали, что озон полностью разрушает Микофенолата Мофетил в течение нескольких минут. Согласно вычислениям, дневная потребность составила примерно 460 г/сутки. Анализ полученных данных по Капецабину показывает, что размер установки определяется расходом озона для окисления активного вещества.

3. Описание процесса

Полученные данные были заложены в основу создания установки обработки сточных вод. Разработанная система Envochem размещена в контейнере длиной 6м и обеспечивает непрерывную обработку сточной воды 24 часа в сутки. Установка работает в автоматическом режиме.
Поступающая в производство сточная вода сначала попадает в буферную емкость, объёмом 15м³, оснащенная уровнемером. Установка Envochem присоедена непосредственно к этой емкости. Насос, оснащенный преобразователем частоты, регулирует скорость подачи воды на очистку. В зависимости от уровня жидкости в буферной емкости скорость подачи варьируется от 0,4м³/час до 0,8 м³/час. Взвеси задерживаются системой фильтров.

 Рисунок: 2: Характеристика гидролиза через 30 часов.

4. Озонирование

Озон производится озоновым генератором, кислород для которого поступает не из окружающего воздуха, а из предварительно включённой установки PSA. С помощью системы впрыскивания озон смешивается со сточными водами, которые находятся в двух реакторах (рис. 3). Реакторы работают под небольшим избыточным давлением, благодаря чему обеспечивается взаимодействие озона с присутствующими биологически активными веществами. Избыточная пена удаляются во втором реакторе. Поскольку расход озона зависит от химических свойств и концентрации присутствующих в сточных водах медикаментов, системные датчики измеряют уровень остаточной концентрации озона после обработки. Система автоматизации регулирует работа озонового генератора таким образом, что в сточной воде всегда поддерживается заданная концентрация озона, например, 2 мг/л. Если потребность в озоне увеличивается, генератор автоматически увеличивает выработку, если потребность уменьшается, выработка озона сокращается. Для удаления остатков озона сточная вода проходит через угольный фильтр. Для обеспечения необходимой безопасности, при обнаружении озона в воздухе рабочей зоны, срабатывает сигнализация находящегося в контейнере озонового детектора.

5. Контроль технологического процесса

Установка оснащена программным обеспечением, которое упрощает обслуживание всех элементов установки и позволяет полностью визуализировать процесс.

Таблица 1: Концентрация медикаментов в лабораторных условиях и рассчитанная потребность в озоне для расщепления медикаментов в обычном режиме при максимальной нагрузке по сточным водам.

Оператор установки имеет постоянный доступ к информации об измеряемых параметрах и ходе процесса очистки. Полученные данные представлены в виде таблиц, и их легко можно хранить в архиве данных. Сигналы сообщений полностью фиксируются и впоследствии доступны для просмотра.

 Рисунок 3: Предварительно смонтированные реакторы под давлением для процесса озонирования.

Подключенный к установке модем позволяет специалистам фирмы EnviroChemie осуществлять дистанционное обслуживание и контроль таким образом, что в случаи чрезвычайной ситуации можно принять необходимые меры.
6. Пуско-наладка
Пуско-наладка установки производилась под руководством фирмы EnviroChemie. Установленные в контейнер измерительные приборы и системы контроля предварительно тестировались в Германии. Компания Roche дополнительно проведет тест на заводские испытания (FAT). В настоящее время проект находится на стадии строительства.
7. Выводы
Лабораторные исследования методов удаления медикаментов показали, что запатентованная технология Envochem является надёжным способом разложения лекарственных остатков в сточных водах. Автоматическое регулирование концентрации озона в сточных водах обеспечивает разумную экономичную работу установки.