제약 산업 폐수는 주로 항생제 생산 폐수와 합성 의약품 생산 폐수를 포함합니다. 이러한 폐수는 항생제 생산 폐수, 합성 의약품 생산 폐수, 한약 생산 폐수, 각종 제조 공정에서 발생하는 세척수 및 세척 폐수 등 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 제약 산업 폐수는 복잡한 성분, 높은 유기물 함량, 높은 독성, 짙은 색, 높은 염분 함량, 특히 불량한 생화학적 특성 및 간헐적인 배출 등의 특징을 가지며, 처리가 어려운 산업 폐수입니다. 우리나라 제약 산업의 발전과 함께 제약 산업 폐수는 중요한 오염원 중 하나로 대두되고 있습니다.
1. 제약 폐수 처리 방법
제약 폐수 처리 방법은 물리화학적 처리, 화학적 처리, 생화학적 처리 및 다양한 방법을 조합한 처리로 요약할 수 있으며, 각 처리 방법에는 장단점이 있다.
물리적 및 화학적 처리
제약폐수의 수질 특성에 따라, 생화학적 처리 전처리 또는 후처리 단계로 물리화학적 처리가 필요합니다. 현재 사용되는 물리화학적 처리 방법에는 주로 응집, 부상, 흡착, 암모니아 탈기, 전기분해, 이온 교환 및 막 분리가 있습니다.
응고
이 기술은 국내외에서 널리 사용되는 수처리 방법으로, 특히 한약 폐수에서 황산알루미늄과 황산폴리철과 같은 오염물질의 전처리 및 후처리에 널리 활용되고 있습니다. 효율적인 응집 처리의 핵심은 우수한 성능을 가진 응집제를 적절히 선택하고 첨가하는 것입니다. 최근 응집제 개발 방향은 저분자에서 고분자로, 단일 성분에서 복합 기능화로 변화하고 있습니다[3]. Liu Minghua 등[4]은 pH 6.5, 응집제 투입량 300mg/L 조건에서 고효율 복합 응집제 F-1을 사용하여 폐수의 COD, SS 및 색도를 처리한 결과, 각각 69.7%, 96.4%, 87.5%의 제거율을 달성했습니다.
공중부양
공기부상법은 일반적으로 폭기 공기부상법, 용존 공기부상법, 화학 공기부상법, 전해 공기부상법 등 다양한 형태를 포함합니다. 신창 제약 공장은 CAF 와류 공기부상 장치를 사용하여 제약 폐수를 전처리합니다. 적절한 화학물질을 사용했을 때 평균 COD 제거율은 약 25%입니다.
흡착법
일반적으로 사용되는 흡착제로는 활성탄, 활성탄, 휴믹산, 흡착 수지 등이 있습니다. 우한 젠민 제약 공장은 석탄재 흡착-2차 호기성 생물학적 처리 공정을 이용하여 폐수를 처리했습니다. 그 결과, 흡착 전처리 후 COD 제거율이 41.1%에 달했으며, BOD5/COD 비율도 개선되었습니다.
막 분리
막 기술에는 역삼투, 나노여과 및 섬유막이 포함되며, 이러한 기술은 유용한 물질을 회수하고 전체 유기물 배출량을 줄이는 데 사용됩니다. 이 기술의 주요 특징은 간단한 장비, 편리한 조작, 상변화 및 화학적 변화가 없고, 처리 효율이 높으며, 에너지 절약 효과가 있다는 것입니다. Juanna 등은 나노여과막을 이용하여 신나마이신 폐수를 분리했습니다. 그 결과, 폐수 내 미생물에 대한 린코마이신의 억제 효과가 감소하고 신나마이신이 회수되는 것을 확인했습니다.
전기분해
이 방법은 고효율, 간단한 조작 등의 장점을 가지며 전기분해 탈색 효과가 우수합니다. Li Ying[8]은 리보플라빈 상등액에 대한 전기분해 전처리를 수행하여 COD, SS 및 색도의 제거율이 각각 71%, 83%, 67%에 도달했습니다.
화학적 처리
화학적 방법을 사용할 경우, 특정 시약을 과다 사용하면 수역의 2차 오염을 유발할 가능성이 있습니다. 따라서 설계 전에 관련 실험 연구를 수행해야 합니다. 화학적 방법에는 철-탄소법, 화학적 산화환원법(펜톤 시약, 과산화수소, 오존), 심층 산화 기술 등이 있습니다.
철-탄소법
산업 현장 운영 결과, 철-탄소(Fe-C)를 제약 폐수 전처리 단계에 활용하면 처리수의 생분해성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 루마오싱(Lou Maoxing)사는 에리트로마이신, 시프로플록사신 등의 의약품 중간체 폐수 처리에 철-미세전기분해-혐기성-호기성-공기부상 복합처리법을 적용했습니다. 철과 활성탄을 이용한 처리 후 COD 제거율은 20%에 달했으며, 최종 처리수는 국가 1급 기준인 "통합 폐수 배출 기준"(GB8978-1996)을 충족했습니다.
펜톤 시약 처리
철염과 과산화수소(H2O2)의 조합을 펜톤 시약이라고 하며, 이는 기존 폐수 처리 기술로는 제거하기 어려운 난분해성 유기물을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 연구가 심화됨에 따라 자외선(UV), 옥살산염(C2O42-) 등을 펜톤 시약에 도입하여 산화 능력을 크게 향상시켰습니다. 이산화티타늄(TiO2)을 촉매로, 9W 저압 수은등을 광원으로 사용하여 제약 폐수를 펜톤 시약으로 처리한 결과, 탈색률은 100%, COD 제거율은 92.3%였으며, 니트로벤젠 화합물은 8.05mg/L에서 0.41mg/L로 감소했습니다.
산화
이 방법은 폐수의 생분해성을 향상시키고 COD 제거율을 높일 수 있습니다. 예를 들어, 발시오글루(Balcioglu)와 같은 항생제 폐수 3종을 오존 산화법으로 처리한 결과, 폐수 오존 처리는 BOD5/COD 비율을 증가시켰을 뿐만 아니라 COD 제거율도 75% 이상으로 향상시켰습니다.
산화 기술
첨단 산화 기술이라고도 알려진 이 기술은 전기화학적 산화, 습식 산화, 초임계수 산화, 광촉매 산화 및 초음파 분해를 포함하여 현대 광, 전기, 음향, 자기, 재료 및 기타 유사 분야의 최신 연구 결과를 통합합니다. 그중 자외선 광촉매 산화 기술은 참신성, 고효율, 폐수에 대한 비선택성 등의 장점을 가지며 특히 불포화 탄화수소 분해에 적합합니다. 자외선, 가열, 압력 등의 처리 방법과 비교하여 유기물에 대한 초음파 처리는 더욱 직접적이고 필요한 장비가 적습니다. 새로운 처리 유형으로서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. Xiao Guangquan 등[13]은 초음파-호기성 생물 접촉법을 이용하여 제약 폐수를 처리했습니다. 초음파 처리는 60초 동안 200W의 출력으로 수행되었으며, 폐수의 총 COD 제거율은 96%였습니다.
생화학적 치료
생화학적 처리 기술은 호기성 생물학적 방법, 혐기성 생물학적 방법, 호기성-혐기성 복합 방법을 포함하여 제약 폐수 처리에 널리 사용되는 기술입니다.
호기성 생물학적 처리
대부분의 제약 폐수는 고농도 유기 폐수이기 때문에 호기성 생물학적 처리 과정에서 원액을 희석해야 하는 경우가 많습니다. 따라서 전력 소비가 많고, 생화학적 처리가 필요하며, 생화학적 처리 후 기준에 맞춰 직접 방류하기 어렵습니다. 이러한 이유로 호기성 처리만 사용하는 경우는 드물고, 일반적인 전처리가 요구됩니다. 일반적으로 사용되는 호기성 생물학적 처리 방법에는 활성 슬러지법, 심정 폭기법, 흡착 생분해법(AB법), 접촉 산화법, 연속 배치 활성 슬러지법(SBR법), 순환 활성 슬러지법(CASS법) 등이 있습니다.
심정 폭기법
심정 폭기법은 고속 활성 슬러지 시스템입니다. 이 방법은 산소 이용률이 높고, 설치 면적이 작으며, 처리 효과가 우수하고, 투자 비용이 적고, 운영 비용이 낮으며, 슬러지 팽창이 없고 슬러지 발생량이 적다는 장점이 있습니다. 또한 단열 효과가 뛰어나 기후 조건의 영향을 받지 않으므로 북부 지역의 겨울철 하수 처리에도 효과적입니다. 동북 제약 공장의 고농도 유기 폐수를 심정 폭기조에서 생화학 처리한 결과, COD 제거율이 92.7%에 달했습니다. 이는 처리 효율이 매우 높아 후속 공정에 결정적인 역할을 한다는 것을 보여줍니다.
AB 방법
AB 공법은 초고부하 활성 슬러지 공법입니다. AB 공법은 일반적으로 기존 활성 슬러지 공법보다 BOD5, COD, SS, 인, 암모니아 질소 제거율이 높습니다. 특히 A 구간의 높은 부하 용량, 강력한 충격 부하 저항성, pH 및 유독 물질에 대한 큰 완충 효과가 큰 장점입니다. 따라서 농도가 높고 수질 및 수량 변동이 큰 하수 처리에 특히 적합합니다. 양준시(Yang Junshi) 등이 개발한 가수분해 산성화-AB 생물학적 공법은 항생제 함유 폐수 처리에 사용되며, 공정 흐름이 짧고 에너지 절약 효과가 있으며, 유사한 폐수 처리에 사용되는 화학적 응집-생물학적 처리법보다 처리 비용이 저렴합니다.
생물학적 접촉 산화
이 기술은 활성 슬러지법과 바이오필름법의 장점을 결합하여 높은 처리량, 낮은 슬러지 발생량, 강한 내충격성, 안정적인 공정 운영 및 편리한 관리 등의 이점을 제공합니다. 많은 프로젝트에서 2단계 공정을 채택하여 각 단계에서 우점 균주를 길들이고, 다양한 미생물 군집 간의 시너지 효과를 극대화하며, 생화학적 효과와 내충격성을 향상시키고자 합니다. 공학적으로는 혐기성 소화 및 산성화가 전처리 단계로 흔히 사용되며, 의약품 폐수 처리에는 접촉 산화 공정이 적용됩니다. 하얼빈 북부 제약 공장은 가수분해 산성화-2단계 생물학적 접촉 산화 공정을 사용하여 의약품 폐수를 처리하고 있으며, 운영 결과 처리 효과가 안정적이고 공정 조합이 합리적임을 보여줍니다. 공정 기술이 점차 성숙해짐에 따라 적용 분야 또한 더욱 확대되고 있습니다.
SBR 방법
SBR(순환 생물 반응기) 공법은 강한 충격 부하 저항성, 높은 슬러지 활성, 간단한 구조, 역류 불필요, 유연한 운전, 작은 설치 공간, 낮은 투자 비용, 안정적인 운전, 높은 기질 제거율, 우수한 탈질 및 인 제거 능력 등의 장점을 가지고 있습니다. 변동성이 큰 폐수 처리에도 적용 가능합니다. SBR 공정을 이용한 제약 폐수 처리 실험 결과, 폭기 시간이 처리 효과에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 특히 혐기성 및 호기성 구간을 반복적으로 배치하는 무산소 구간 설정은 처리 효과를 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, SBR 강화 공정을 통해 PAC(폴리아크릴로니드) 제거 효율을 크게 높일 수 있습니다. 최근 SBR 공정은 더욱 발전하여 제약 폐수 처리 분야에 널리 활용되고 있습니다.
혐기성 생물학적 처리
현재 국내외 고농도 유기폐수 처리는 주로 혐기성 공법을 기반으로 하고 있지만, 혐기성 공법만으로는 처리 후 방류수 COD 농도가 여전히 상대적으로 높아 호기성 생물학적 처리와 같은 후처리가 일반적으로 필요합니다. 따라서 고효율 혐기성 반응기 개발 및 설계 강화와 운전 조건에 대한 심층적인 연구가 여전히 요구됩니다. 제약폐수 처리에 가장 성공적으로 적용된 공법으로는 상향류 혐기성 슬러지 반응기(UASB), 혐기성 복합 반응기(UBF), 혐기성 배플 반응기(ABR), 가수분해 등이 있습니다.
UASB 법안
UASB 반응기는 높은 혐기성 소화 효율, 간단한 구조, 짧은 수리학적 체류 시간, 별도의 슬러지 반송 장치가 필요 없다는 장점을 가지고 있습니다. 카나마이신, 클로린, VC, SD, 포도당 등의 제약 생산 폐수 처리에 UASB를 적용할 경우, 부유물질(SS) 함량이 일반적으로 높지 않아 COD 제거율이 85~90% 이상을 유지할 수 있습니다. 특히 2단 직렬 UASB의 경우 COD 제거율이 90% 이상에 도달할 수 있습니다.
UBF 방법
Wenning et al.의 연구에서는 UASB와 UBF에 대한 비교 실험을 수행했습니다. 실험 결과, UBF는 우수한 물질 전달 및 분리 효과, 다양한 바이오매스와 생물종 처리, 높은 처리 효율, 그리고 강력한 운전 안정성 등의 특징을 갖는 산소 생물반응기임을 보여주었습니다.
가수분해 및 산성화
가수분해조는 가수분해 상류 슬러지 베드(HUSB)라고 하며, 변형된 상류 혐기성 슬러지 베드(UASB)입니다. 완전 공정 혐기성 탱크와 비교했을 때, 가수분해조는 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다. 밀폐, 교반, 3상 분리기가 필요 없어 비용이 절감되고 유지 관리가 용이합니다. 하수 내 고분자 및 생분해성 유기물을 저분자 물질로 분해하여 원수의 생분해성을 향상시킵니다. 반응 속도가 빠르고 탱크 용량이 작아 초기 투자 비용이 적으며 슬러지 발생량도 감소합니다. 최근 가수분해-호기성 공정은 제약 폐수 처리에 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 한 바이오 제약 공장에서는 가수분해 산성화-2단계 생물학적 접촉 산화 공정을 이용하여 제약 폐수를 처리하고 있으며, 안정적인 운영과 뛰어난 유기물 제거 효과를 보이고 있습니다. COD, BOD5, SS 및 SS의 제거율은 각각 90.7%, 92.4%, 87.6%였습니다.
혐기성-호기성 복합 처리 공정
호기성 처리나 혐기성 처리만으로는 요구 사항을 충족할 수 없기 때문에 혐기성-호기성, 가수분해 산성화-호기성 처리와 같은 복합 공정은 폐수의 생분해성, 내충격성, 투자 비용 및 처리 효과를 향상시킵니다. 단일 처리 방식보다 우수한 성능 덕분에 엔지니어링 실무에서 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 한 제약 공장에서는 혐기성-호기성 공정을 사용하여 의약품 폐수를 처리했는데, BOD5 제거율 98%, COD 제거율 95%를 달성했으며 처리 효과도 안정적이었습니다. 미세 전기분해-혐기성 가수분해-산성화-SBR 공정은 화학 합성 의약품 폐수 처리에 사용되었습니다. 그 결과, 일련의 공정 전체가 폐수 수질 및 수량 변화에 대한 내충격성이 뛰어나고 COD 제거율이 86%~92%에 달하여 의약품 폐수 처리에 이상적인 공정임을 보여주었습니다. – 촉매 산화 – 접촉 산화 공정. 유입수의 COD가 약 12,000mg/L일 때, 유출수의 COD는 300mg/L 미만이다. 생물막-SBR 공법으로 처리한 생물학적으로 난분해성 의약품 폐수의 COD 제거율은 87.5%~98.31%에 달하며, 이는 생물막 공법이나 SBR 공법만을 단독으로 사용했을 때보다 훨씬 높은 처리 효율이다.
또한, 막 기술의 지속적인 발전과 함께 제약 폐수 처리에 있어 막 생물반응기(MBR)의 응용 연구가 점차 심화되고 있습니다. MBR은 막 분리 기술과 생물학적 처리의 특성을 결합하여 높은 처리 용량, 강한 내충격성, 작은 설치 면적, 적은 잔류 슬러지 등의 장점을 가지고 있습니다. 혐기성 막 생물반응기 공정을 이용하여 COD가 25,000 mg/L인 제약 중간체 산염화물 폐수를 처리한 결과, 시스템의 COD 제거율이 90% 이상을 유지했습니다. 또한, 특정 유기물을 분해하는 절대균주의 능력을 최초로 활용했습니다. 추출 막 생물반응기를 이용하여 3,4-디클로로아닐린을 함유한 산업 폐수를 처리한 결과, 체류 시간(HRT)이 2시간일 때 제거율이 99%에 달하여 이상적인 처리 효과를 얻었습니다. 막 오염 문제에도 불구하고, 막 기술의 지속적인 발전과 함께 MBR은 제약 폐수 처리 분야에서 더욱 널리 활용될 것으로 기대됩니다.
2. 제약 폐수의 처리 과정 및 선정
제약폐수의 수질 특성상 대부분의 제약폐수는 생화학적 처리만으로는 처리가 불가능하므로, 생화학적 처리 전에 필요한 전처리가 반드시 수행되어야 합니다. 일반적으로 수질 및 pH 조절을 위한 조절조를 설치하고, 실제 상황에 따라 물리화학적 또는 화학적 방법을 사용하여 전처리를 진행해야 합니다. 이를 통해 폐수 내 부유물질(SS), 염도 및 일부 화학적 산소 요구량(COD)을 감소시키고, 생물학적 저해 물질을 줄이며, 폐수의 분해성을 향상시켜 후속 생화학적 처리를 용이하게 할 수 있습니다.
전처리된 폐수는 수질 특성에 따라 혐기성 및 호기성 공정을 통해 처리할 수 있습니다. 방류수 기준이 높은 경우, 호기성 처리 공정 후 호기성 처리 공정을 추가로 진행해야 합니다. 구체적인 공정 선택 시에는 폐수의 특성, 공정의 처리 효과, 기반 시설 투자, 운영 및 유지 보수 비용 등을 종합적으로 고려하여 기술의 실현 가능성과 경제성을 확보해야 합니다. 전체 공정 경로는 전처리-혐기성-호기성-(후처리)의 복합 공정입니다. 인공 인슐린을 함유한 복합 제약 폐수 처리에는 가수분해 흡착-접촉 산화-여과 복합 공정이 사용됩니다.
3. 제약 폐수 내 유용 물질의 재활용 및 활용
제약 산업의 청정 생산을 촉진하고, 원료 이용률과 중간 제품 및 부산물의 종합 회수율을 향상시키며, 기술 혁신을 통해 생산 공정의 오염을 줄이거나 없애야 합니다. 일부 제약 생산 공정의 특성상 폐수에는 재활용 가능한 물질이 다량 함유되어 있습니다. 이러한 제약 폐수 처리의 첫 번째 단계는 물질 회수 및 종합 활용을 강화하는 것입니다. 암모늄염 함량이 5~10%에 달하는 제약 중간 폐수의 경우, 고정 와이퍼 필름을 사용하여 증발, 농축 및 결정화 과정을 거쳐 (NH4)2SO4와 NH4NO3를 약 30%의 질량 분율로 회수할 수 있습니다. 회수된 물질은 비료로 사용하거나 재사용할 수 있으며, 경제적 이점이 분명합니다. 한 첨단 제약 회사는 퍼징법을 사용하여 포름알데히드 함량이 매우 높은 생산 폐수를 처리하고, 회수된 포름알데히드 가스를 포르말린 시약으로 제조하거나 보일러 열원으로 사용할 수 있습니다. 포름알데히드 회수를 통해 자원의 지속 가능한 이용이 실현될 수 있으며, 처리 시설 투자 비용은 4~5년 내에 회수되어 환경적 이익과 경제적 이익을 동시에 달성할 수 있습니다. 그러나 일반적인 제약 폐수는 구성 성분이 복잡하고 재활용이 어려우며, 회수 공정이 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 따라서 고도화되고 효율적인 종합 폐수 처리 기술은 폐수 문제를 근본적으로 해결하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
4. 결론
제약 폐수 처리에 관한 연구는 많이 진행되어 왔습니다. 그러나 제약 산업의 원료와 공정이 다양하기 때문에 폐수 수질 또한 매우 다양합니다. 따라서 제약 폐수에 대한 성숙하고 통일된 처리 방법은 아직 확립되지 않았습니다. 어떤 처리 방식을 선택할지는 폐수의 특성에 따라 달라집니다. 폐수의 특성에 따라 일반적으로 생분해성을 향상시키기 위한 전처리, 오염물질 제거, 그리고 생화학적 처리를 병행하는 방식이 필요합니다. 현재 경제적이고 효율적인 복합 폐수 처리 장치 개발은 시급히 해결해야 할 과제입니다.
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바이두에서 발췌.
게시 시간: 2022년 8월 15일