1 绪 论
1.1 生物制药废水概述
据调查，我国常用药物的种类约有 2 千种，每年生产的药物有 1 万多种。与此同时，由于疾病的种类和患者数量的剧增，全球新药的研制数量也日渐增多。据 Citeline 公司的 Pharmaprojects/Pipeline 数据库统计，2013 年世界排名前十位的制药企业共研制出新药 1172 种。近年来，我国的疾病种类和患者数量也呈现上升的趋势，对药品的种类和数量需求越来越大。与此同时，制药废水随着医药工业飞速的发展，已成为严重的污染源之一[1].
药品按其生产工艺过程可分为化学制药和生物制药。化学制药是用化学方法使有机或无机物质发生一系列的化学反应来生成其他物质的制药过程；生物制药是利用微生物的生命活动，将粮食等有机原料进行发酵、过滤来提炼药品的制药过程。生物制药又可按生物工程学科范围分为生物工程类制药、细胞工程类制药、酶工程类制药和基因工程类制药四种类型。其中发酵类制药是生产历史悠久、工艺最为成熟、目前最广泛采用的制药方法，它是指利用微生物代谢产物生产药物的一种生物制药技术。其按产品种类可分为抗生素类、维生素类、氨基酸类和其他类物质，其中抗生素类生物制药生产规模大幅度增长[2, 3].制药废水作为我国污染情况最严重、处理难度最大的一类工业废水[4],其中含有大量的难降解有机污染物和残留了对微生物有较强抑制性作用的抗生素等，这些物质能够在环境中长时间留存，特别是废水中包含的“三致”物质，即使它们在水中的浓度极低，也会对人们的健康有极大的威胁[5].因此，对制药废水的处理迫在眉睫，寻求操作简单、维护方便、运行稳定，能在达到预期的处理效果的同时保证经济效益的处理工艺是制药废水亟待解决的问题。
1.1.1 生物制药生产工艺及废水来源
生物制药种类繁多，总体工艺虽有差别，但仍有许多共同点。以抗生素生产为例，抗生素是目前生物制药的主要产品之一，其是由微生物在机体活动过程中产生的、能在低浓度条件下对其他微生物的生长或活性产生抑制作用的小分子天然有机化合物，是由微生物在生命活动过程中产生的次级代谢产物及其衍生物[6].微生物发酵法生产抗生素的工艺主要包括制备及保藏菌种、培养基制备及灭菌、发酵工艺和设备及发酵液的预处理和过滤、提取工艺和设备、干燥工艺和设备。
发酵类生物制药生产过程中废水主要来自以下 4 个方面[2, 7].
（1）主要生产过程排水，最重要的一类废水，包括废滤液（从菌体中提取药物）、废母液（从滤液中提取药物）、其他母液、溶剂回收残夜等。最大的特征是浓度高、有残留药物、温度和酸碱性变化大，虽然水量未必很大，但是其中污染物含量高，COD 贡献比大，处理难度大。
（2）辅助过程排水，包括工艺、动力设备和循化冷却水，水环真空和去离子水制备过程排水等。特点是污染物浓度低，水量变化大，季节性强，企业差异大。
（3）冲洗水，包括各类工艺设备冲洗水、地面冲洗水等，其中过滤设备冲洗水污染物浓度也很高，主要是悬浮物，若不好好控制，也会带来严重污染。
（4）生活污水，非主要废水，与企业的人数、生活习惯相关。
1.1.2 生物制药废水水质特点
制药工业相对于其它产业，具有原料成分复杂、生产过程多样、产品种类繁多等特点。制药过程中产生的废水污染物含量高、可生化降解性差、水质水量变化大，是较难处理的工业废水之一[8].生物制药废水水质基本特点如下[9, 10]:
（1）COD 和 BOD5浓度高。以抗生素废水为例，其主要的成分包括营养液、发酵残余基质、经溶媒回收后散出的蒸馏釜残液、提取溶媒过程中的萃余液、水中难溶性抗生素的染菌倒灌液和发酵滤液以及离子交换过程中所排出的吸附废液等，导致废水中的 COD 和 BOD5浓度含量高。
（2）存在多种有毒有害物质。以抗生素废水为例，在其发酵过程中，其抗生素产生率非常低，只有 0.1~3%,并且其分离提取率也不到 70%,绝大部分的制药废水都残留有较高浓度的抗生素，导致废水中微生物生长受抑制，使之难以进行生化处理。
（3）可生化性差。其中含有的有机污染物大部分属于难生物降解的物质，如硝基、卤素、偶氮化合物和叔胺、季铵类化合物。
（4）水质成分十分复杂。制药废水中既含有副产物和表面活性剂（如消沫剂、破乳剂等），同时也含有较高含量的酸、碱和有机溶剂，该类成分易出现刺激性气味、色度高、pH 值变化较大等问题。
（5）SS 浓度较高。代表物质为发酵过程中产生的微生物丝菌体以及发酵的残余培养基质。以庆大霉素的 SS 为例，其浓度含量约为 8g/L,其对厌氧 EGSB工艺会产生抑制作用。
（6）硫酸盐浓度较高。常见的庆大霉素废水中，其硫酸盐的含量约为 4g/L,而土霉素废水中的硫酸盐含量也达到了 2g/L,而链霉素废水中的硫酸盐含量通常都是要大于 3g/L 的。
1.2 生物制药废水处理现状
目前，随着我国不断开展建设健康持续型社会，越来越多的制药企业开始关注于制药废水的科学处理，并在此方面进行了大量的尝试和探索[11].生物制药废水处理中常用的方法有物理法、化学法和生物法等。
1.2.1 物理处理方法
物理处理方法是应用物理作用分离、回收废水中不易降解的呈悬浮状态或漂浮状态的污染物而不改变污染物化学本质的处理方法。其可作为后续生化处理的预处理方法以降低水中的悬浮物和减少废水中的生物抑制性物质，或作为深度处理以实现处理出水达标排放，或实现废水中有用物质的回收[12].目前，生物制药废水常用的物理处理方法主要有以下几种：
（1）混凝沉淀
混凝沉淀是指向废水中投加一定量的化学药剂，通过吸附、中和微粒间电荷、压缩双电层、网捕卷扫等作用，使胶体和悬浮微粒脱稳而发生凝聚，然后通过重力沉降法予以去除的过程。其主要是通过促进污染物的物理形态的改变来达到去除污染物的目的，因此可作为生化处理后的进一步处理方法（深度处理）或用于去除高浓度废水中难溶性的有机物，并降低废水的浊度（预处理）。
在生物制药废水处理中常用的混凝剂有聚合硫酸铁、氯化铁、亚铁盐、
[A12(OH)m(S04)3- ]n、聚合氯化铝、
PAFC、聚丙烯酰胺等。程雪敏[13]等采用硼泥和PAM对抗生素废水进行混凝处理，在最佳组合下，COD去除率为48.65%;王白杨[14]等采用 PAM、PAC 以及 FeCl3作为絮凝剂预处理原料药制药废水，结果显示，PAM 效果最好，在质量比为 0.1%的 PAM 浓液投加量为 30mg/L 条件下，SS 去除率达 95%以上，COD 去除率为 50%.
（2）气浮
气浮是采用高分散的微小气泡作为载体去黏附水中污染物微粒，形成气浮体浮至水面而实现固液分离或者液液分离的方法。其包括充气、电解、溶气、化学气浮等几种类型。若制药废水预处理时的悬浮物含量较高，常采用化学气浮法，具有投资节省、操作简单、维修方便等优点，但废水中的可溶性有机物得不到有效的去除，需要另作进一步的处理。兰晨[15]采用气浮法对抗生素原料药制药废水进行后续处理，CODcr 的去除率为 26%,SS 的去除率为 68%;王凤岩[16]等采用阳离子型 PAM 和聚合氯化铝作为浮选剂预处理抗生素制药废水，在最佳条件下（PAM 浓度 5ppm、聚合氯化铝浓度 100 ppm），COD、SS 去除率分别达到 46.3%、91.7%.
（3）吸附
吸附是利用多孔性固体物质，使水中一种或多种污染物吸附在其表面以回收或去除污染物，达到净化水质的方法。其按固体表面吸附力的性质不同可分为离子吸附和分子吸附（即物理吸附和化学吸附）。影响吸附效果的因素主要包括吸附剂性质、吸附质的性质、吸附过程的操作条件（如温度、pH、共存组分）等。制药废水处理中常用的吸附剂有活性炭、树脂、粉煤灰、炉渣等。张鑫[17]等采用 3 种吸附树脂进行了制药废水的净化滤除研究，结果显示，自制的非苯乙烯型超高交联树脂对废水的 COD 去除效果比 H103 树脂的好，在适宜的条件下，COD 去除率 > 80%.岳峻[18]等采用 4 种吸附剂（碳渣、柱粒状活性炭、颗粒状活性炭、粉状活性炭）对生化处理后的制药废水进行深度处理，比较了不同吸附剂对废水 COD 的去除率，结果表明粉末状活性炭吸附性能最大，COD 去除率达到 78.23%
（4）膜分离
膜分离技术是利用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使一侧溶液中的某种溶质透过膜或者溶剂（水）渗透出来，以达到分离和净化废水的目的。该技术的精细程度可以达到分子水平，在分离污染物的过程中既不用添加任何药剂，又不会有任何相变，因此其在制药废水深度处理方面有很大的发展前景[19].目前膜分离主要有纳滤、微滤、反渗透以及与活性污泥法结合的膜生物反应器等。
苏焱顺[20]等用 MBR 工艺对制药废水做后续处理，COD、BOD5、SS 平均去除率分别为 96%、98.3%、59.6%.但是目前膜污染和投资运行费用较高制约了其在制药废水深度处理中的应用和发展[21].
1.2.2 化学处理方法
化学处理法作为传统的废水处理方法，目前，在生物制药废水处理中常用
1.2.2.1 铁碳微电解
铁碳微电解又称内电解、铁还原、零价铁[22, 23],是以铁屑、碳构成原电池，集还原作用、原电池作用和电场作用、吸附和捕集作用、絮凝作用、铁盐沉淀等[24, 25]作用于一体的水处理技术。该方法既能去除部分难生物降解有机物，又能改变部分有机物的结构，从而提高废水的可生化性（B/C 比）。其具有投资少、处理效果好、工艺操作简单等特点，并有以废治废、变废为宝的意义。王晓阳[26]等采用铁碳微电解法对高浓度制药废水进行降解试验研究，考察了不同因素对降解效果的影响，结果表明，铁碳微电解反应时间为 100 min,铁碳体积比为 1:1,进水 pH 值为 4.0,固液比为 15%时，CODcr 去除率接近 60%,色度去除率大于 80%,BOD5/CODcr 也由原水的不到 0.10 增到 0.43,可生化性得到提高。万腾飞[27]采用铁碳微电解法预处理制药废水，在最佳条件下（Fe/C 为 3:2,pH=2,曝气反应 2h），出水 COD 去除率达 37.93%.
1.2.2.2 高级氧化
高级氧化工艺（ Advanced oxidation processes,AOPs） 是通过一定氧化反应产生具有极强活性的羟基自由基·OH,并通过氧化废水中有机污染物，达到废水中大分子有机物质被降解为小分子有机物或者直接被降解为 CO2和 H2O 的工艺过程。其具有氧化能力强、反应迅速快、处理完全、适用范围广以及降低废水的毒性和提高废水的可生化性等特点，因此已被广泛研究和应用于各种难处理工业废水中。但是，该工艺存在氧化剂转化效率低，氧化机理不明，处理费用高问题等，致使该技术在实际工程中应用受限。目前在生物制药废水处理中常用的高级氧化工艺主要有 Fenton 氧化法、光催化氧化法、电化学氧化法等。
（1）Fenton 氧化法
Fenton 氧化是指 H2O2在 Fe2+催化作用下生成强氧化能力的？ OH 的工艺过程。其具有反应速度快、条件温和及氧化絮凝共同作用等特点，但是其出水含有大量的铁离子，容易产生二次污染。宋现财[28]等采用 Fenton 深度处理头孢类制药废水二级生化出水，表明：在反应pH=4、FeSO4·7H2O投加浓度为0.6mmol/L、H2O2（30%）投加浓度为 20 mmol/L,反应时间为 80 min 情况下，COD 由 250 mg/L降到 90 mg/L,B/C 由 0 增到 0.51,可生化性得到较大提高。任健[29]等采用 Fenton氧化法对抗生素制药废水进行中段处理，在最佳条件下（HRT、pH、质量分数30%的 H2O2投加量分别为 100min、3.5 和 2.5 mL/L），色度去除率、COD 去除率和 BOD5/COD 分别为 83.6%、77.4%和 0.53.
（2）化学氧化法
化学氧化是通过氧化剂（O3、NaClO、HClO、Cl2、H2O2等）产生的？OH 等强氧化自由基降解废水中的污染物。其具有氧化性强、脱色、除味、杀菌、絮凝等特点。该法工艺成熟、操作简单、应用广泛。顾俊璟[30]采用氯氧化法对抗生素制药废水进行处理，结果显示，随着有效氯投加量、初始 pH 值的增大，有机物的去除率逐渐提高至 65%,经氯氧化法处理后废水的浊度和色度的去除率分别为 80%和 97%.EMINEUC[31]用臭氧氧化法预处理青霉素制药废水，结果表明，在最佳条件下（在 pH=7,反应时间为 60min,O3投加量为 1440mg/h），COD和 TCOD 的去除率分别为 40%和 30%.
（3）光催化氧化法
光催化氧化是采用 TiO2、Cu2O 等光敏半导体，在光的照射下激发产生“电子-空穴对”与半导体表面的溶解氧、水分子等发生反应，产生极强氧化性的？OH的过程。该方法具有简单、高效、能量利用率高、脱色效果好、不产生剩余污泥、无二次污染等优点[32].肖明威[33]以 TiO2为光催化剂处理盐酸四环素制药废水，得出，在 500mL 废水中盐酸四环素浓度为 400mg/L 时，在最佳条件下（TiO2的用量为 1.5g、光照时间=120min、光强=60W、溶液的初始 pH=3），盐酸四环素的 CODcr 去除率为 66%.谢嫚[34]等以 ZnO 与 TiO2光催化剂研究头孢生产废水的光催化氧化特性，得出：ZnO 与 TiO2组合使用对 COD 的去除率优于单独使用 ZnO 或 TiO2的，对头孢半合成生产废水进行稀释可以显着提高处理效果，COD 去除率最高可达 99%.
（4）电化学氧化法
电化学氧化是指利用具有催化活性的电极直接与污染物发生电化学反应或者利用电极表面产生的具有强氧化性的物质间接与污染物发生氧化反应而去除水中污染物的过程。其具有不需要添加任何化学试剂、自动化程度高、占地少、操作简单等优点。但是传统电化学方法一直存在着能耗大、成本高、析氧和析氢等副反应的问题[32].郭亚斌[35]
以石墨板、两种 DSA（钛涂钌和钛涂钌铱电极）电极为阳极，以石墨板为阴极对头孢合成废水二级处理出水进行深度处理，得出，以钛涂钌铱为阳极时效果最好；进水 COD 为 259.49mg/L 时，在最佳反应条件下（电流密度=0.1A/cm2、极板间距=2cm、电解质（Na2SO4）浓度=0.4mol/L、原水 pH 值不调节和电解时间=60min），COD 去除率、电流效率和能耗分别为54.04%、18.79%和 233.67kWh/kgCOD,出水水质可满足《化学合成类制药工业水污染物排放标准》（GB21904-2008）要求。
1.2.2.3 组合工艺
由于生物制药废水属难降解废水，单一的处理方法有时难保证出水效果，因此常采用的多种氧化手段相联合的工艺。目前常用的组合工艺包括：O3/H2O2法、铁碳微电极/H2O2法、UV/O3法、UV/O3/Fenton 法等。Chen Lin[36]等采用O3/H2O2法对磺胺类及大环内酯类抗生素制药废水进行处理，得出，在抗生素废水浓度高达 200mg/L,O3通气量为 0.17g/min、O3与 H2O2的摩尔比为 1:5 和反应时间为 20min 时，抗生素降解率可达到 99%.程婷[37]等采用铁碳微电解/H2O2耦合类 Fenton 法深度处理制药废水，在固液比为 1:10 的条件下，考察不同因素对 COD 去除效果的影响，得出，最佳组合条件为 Fe:C（质量比）=1:1、溶液 pH值=2.5、反应时间=60min 和 H2O2（30%）投加量=12.24 mmol/L 时，COD 的去除效率最高，可达 71.56%.
1.2.3 生化处理方法
生化处理是指利用微生物的代谢活动来分解、氧化和吸附有机污染物并使其转化为无害的稳定物质而实现对废水的净化目的的方法；其能够去除污水中溶解性和胶体性有机物，降低水中氮、磷等营养物质的含量。目前，生化处理方法作为生物制药废水处理的主要方法，其主要包括好氧生化处理、厌氧生化处理及厌氧和好氧组合生化处理。
（1）好氧生化处理
好氧处理主要是利用好氧微生物，在分子氧存在的条件下，使废水中的有机污染物通过氧化分解和同化作用而达到稳定、无害化的处理方法。由于好氧处理在中低度的有机废水处理中有很好的效果，因此在处理制药废水（高浓度废水）时，需先用大量水对其进行稀释或者进行有效的预处理，来降低废水的生物抑制性，再采用传统的好氧生化处理降解废水中有机污染物。这些年来，用于生物制药废水的好氧生化处理工艺主要有生物接触氧化法、深井曝气法、生物流化床、序批式间歇活性污泥法（SBR）、CASS 等。部分实际运行及处理效果见表 1.1.
（2）厌氧生化处理
厌氧生化处理主要是指兼性厌氧菌和专性厌氧菌，在无游离氧存在的条件下，将大分子、难降解有机物通过水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷作用，转化成甲烷、二氧化碳、水以及小分子有机物等。它具备低能耗、低成本、少污泥产量、高有机负荷、能回收能源、操作简单等优点，因此厌氧生化处理在处理高浓度有机废水方面有其突出的特点。目前，生物制药废水的厌氧生化处理中常用的工艺主要有：上流式厌氧污泥床（UASB）、高效厌氧反应器（IC）、厌氧折流板反应器（ABR）、厌氧膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）、复合式厌氧反应器（UBF）等。部分实际运行及研究效果见表 1.2.
（3）厌氧+好氧生化处理
在处理高浓度有机废水时，单独的好氧处理会因为需要对原水进行高倍稀释，使能量消耗增大、基建费用增加，而厌氧处理即使在 COD 去除率很高的条件下，也会因为进水浓度过高，使得出水 COD 难以达标排放。因此，在实际的应用过程中单一的好氧或厌氧处理都有一定的缺陷。所以，国内外许多学者通过把两者结合起来，既克服了它们的缺点，又发扬了它们的优点，从而获得良好的处理效果[56].部分研究及实际运行效果见表 1.3.
